Context-based caching in ICN for mobile IoT environments

Abstract

The Internet of Things (IoT) is a communication paradigm in which objects of everyday life will be able to, among others, communicate with one another, becoming an integral part of the Internet. In this context, wireless networking is expected to sustain the direct interaction between personal users’ devices and also to provide connectivity on large-scale resource-constrained devices. However, conventional networking protocols fail in large scale mobile wireless environments, such as IoT scenarios, due to node mobility, dynamic topologies, and intermittent connectivity. The Information-Centric Networking (ICN) has been considered the most promising candidate to overcome the drawbacks of host-centric architectures when applied to IoT networks. The main objective of this dissertation is to improve the network performance and the Content availability in mobile IoT environments based on the use of the ICN paradigm, which enables in-network caching and Content replication, thus facilitating the efficient and timely delivery of information. Therefore, it focuses on three primary goals: (1) the analysis of IoT environments regarding mobility aspects; (2) the design and implementation of an ICN caching proposal capable to take advantage of the context; (3) the incorporation of the previous proposal into an ICN architecture and the evaluation of the network performance. The proposal stands out for its use of a cache admission policy that uses information about the Content, the nodes, and the network to provide a more effective caching performance. The tests were conducted using three different mobility and connectivity datasets, addressing intermittent communications use cases. Based on the obtained results, it was possible to observe that the use of a cache admission policy, taking into consideration several parameters in the associated context of the Contents and nodes, provides benefits in terms of cache hits and evictions ratio, and request satisfaction ratio in mobile IoT environments.

A Internet das Coisas (IoT) é um paradigma de comunicação em que objetos da vida quotidiana poderão, entre outros, comunicar entre si, tornando-se parte integrante da Internet. Nesse contexto, espera-se que as redes sem fios mantenham a interação direta entre os mais diversos dispositivos com recursos limitados em larga escala. No entanto, os protocolos de rede convencionais falham em ambientes móveis sem fios de larga escala, como cenários de IoT, devido à mobilidade dos nós, topologias dinâmicas e conectividade intermitente. O conceito de Rede Centrada em Informação (ICN) foi considerado o candidato mais promissor para superar as desvantagens das arquiteturas host-centric quando aplicado a redes IoT. O principal objetivo desta dissertação é melhorar o desempenho da rede e a disponibilidade de Conteúdos em ambientes IoT móveis com base na utilização do paradigma de ICN, o qual permite armazenamento em cache na rede e a replicação de Conteúdos, facilitando a entrega eficiente e oportuna de informações. Portanto, esta concentra-se em três objetivos principais: (1) a análise dos ambientes IoT juntamente com os aspetos de mobilidade; (2) o desenho e a implementação de uma proposta de caching em ICN capaz de tirar proveito das informações de contexto; (3) a incorporação da proposta mencionada numa arquitetura ICN e a avaliação do seu desempenho da rede. A proposta destaca-se pelo uso de uma política de admissão de caching que usa informações sobre o Conteúdo, os nós e a rede, providenciando um desempenho da cache mais eficaz. Os testes realizados usaram três conjuntos de dados distintos de mobilidade e conectividade, abordando casos de uso com comunicações intermitentes. Com base nos resultados obtidos, foi possível perceber que o uso de uma política de admissão de caching que tem em consideração vários parâmetros no contexto associado aos Conteúdos e ao nós da rede, traz benefícios em termos do rácio de acessos com sucesso e de remoção da cache, e do rácio de pedidos satisfeitos em ambientes IoT móveis.