On the study of IPFS as a content distribution protocol for vehicular networks

Abstract

Over the last few years, vehicular ad-hoc networks (VANETs) have been the focus of great progress due to the interest in autonomous vehicles and in distributing content not only between vehicles, but also to the Cloud. Performing a download/upload to/from a vehicle typically requires the existence of a cellular connection, but the costs associated with mobile data transfers in hundreds or thousands of vehicles quickly become prohibitive. A VANET allows the costs to be several orders of magnitude lower - while keeping the same large volumes of data - because it is strongly based in the communication between vehicles (nodes of the network) and the infrastructure. The InterPlanetary File System (IPFS) is a protocol for storing and distributing content, where information is addressed by its content, instead of its location. It was created in 2014 and it seeks to connect all computing devices with the same system of files, comparable to a BitTorrent swarm exchanging Git objects. It has been tested and deployed in wired networks, but never in an environment where nodes have intermittent connectivity, such as a VANET. This work focuses on understanding IPFS, how/if it can be applied to the vehicular network context, and comparing it with other content distribution protocols. In this dissertation, IPFS has been tested in a small and controlled network to understand its working applicability to VANETs. Issues such as neighbor discoverability times and poor hashing performance have been addressed. To compare IPFS with other protocols (such as Veniam’s proprietary solution or BitTorrent) in a relevant way and in a large scale, an emulation platform was created. The tests in this emulator were performed in different times of the day, with a variable number of files and file sizes. Emulated results show that IPFS is on par with Veniam’s custom V2V protocol built specifically for V2V, and greatly outperforms BitTorrent regarding neighbor discoverability and data transfers. An analysis of IPFS’ performance in a real scenario was also conducted, using a subset of STCP’s vehicular network in Oporto, with the support of Veniam. Results from these tests show that IPFS can be used as a content dissemination protocol, showing it is up to the challenge provided by a constantly changing network topology, and achieving throughputs up to 2.8 MB/s, values similar or in some cases even better than Veniam’s proprietary solution.

Nos últimos anos, as redes veiculares (VANETs) têm sido o foco de grandes avanços devido ao interesse em veículos autónomos e em distribuir conteúdos, não só entre veículos mas também para a "nuvem" (Cloud). Tipicamente, fazer um download/upload de/para um veículo exige a utilização de uma ligação celular (SIM), mas os custos associados a fazer transferências com dados móveis em centenas ou milhares de veículos rapidamente se tornam proibitivos. Uma VANET permite que estes custos sejam consideravelmente inferiores - mantendo o mesmo volume de dados - pois é fortemente baseada na comunicação entre veículos (nós da rede) e a infraestrutura. O InterPlanetary File System (IPFS - "sistema de ficheiros interplanetário") é um protocolo de armazenamento e distribuição de conteúdos, onde a informação é endereçada pelo conteúdo, em vez da sua localização. Foi criado em 2014 e tem como objetivo ligar todos os dispositivos de computação num só sistema de ficheiros, comparável a um swarm BitTorrent a trocar objetos Git. Já foi testado e usado em redes com fios, mas nunca num ambiente onde os nós têm conetividade intermitente, tal como numa VANET. Este trabalho tem como foco perceber o IPFS, como/se pode ser aplicado ao contexto de rede veicular e compará-lo a outros protocolos de distribuição de conteúdos. Numa primeira fase o IPFS foi testado numa pequena rede controlada, de forma a perceber a sua aplicabilidade às VANETs, e resolver os seus primeiros problemas como os tempos elevados de descoberta de vizinhos e o fraco desempenho de hashing. De modo a poder comparar o IPFS com outros protocolos (tais como a solução proprietária da Veniam ou o BitTorrent) de forma relevante e em grande escala, foi criada uma plataforma de emulação. Os testes neste emulador foram efetuados usando registos de mobilidade e conetividade veicular de alturas diferentes de um dia, com um número variável de ficheiros e tamanhos de ficheiros. Os resultados destes testes mostram que o IPFS está a par do protocolo V2V da Veniam (desenvolvido especificamente para V2V e VANETs), e que o IPFS é significativamente melhor que o BitTorrent no que toca ao tempo de descoberta de vizinhos e transferência de informação. Uma análise do desempenho do IPFS em cenário real também foi efetuada, usando um pequeno conjunto de nós da rede veicular da STCP no Porto, com o apoio da Veniam. Os resultados destes testes demonstram que o IPFS pode ser usado como protocolo de disseminação de conteúdos numa VANET, mostrando-se adequado a uma topologia constantemente sob alteração, e alcançando débitos até 2.8 MB/s, valores parecidos ou nalguns casos superiores aos do protocolo proprietário da Veniam.