Descarregamento de Tráfego de Redes IoT/Edge por Transmissões de Múltiplos Fluxos

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Data
2020-10-30
Autores
Silva, Celso Ferreira Da [UNIFESP]
Orientadores
Kimura, Bruno Yuji Lino [UNIFESP]
Tipo
Dissertação de mestrado
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Resumo
The paradigm of the Internet of Things (IoT) envisions the development of technology solutions for a number of disruptive applications, e.g.,smart cities, smart energy, smart homes, augmented reality, smart health, etc. With the implementation of IoT infrastructures in support of these applications, the increasing volume of data generated in the access networks has been observed. In this context, the Edge Computing paradigm emerges as an extension of the Cloud Computing paradigm to address the impacts of increased data production on access networks, bringing the operation on these data (storage, processing, analysis and consumption) or part of it closer to where this data is produced, ie, in the access networks. In this master’s thesis, mixed infrastructures, called IoT/Edge, are considered. The object of investigation is the offloading of M2M flows, containing data captured by sensors present in the IoT/Edge infrastructure that must be transported to the server, remotely located in a Cloud Computing infrastructure. Different from existing approaches, the data download proposed in this work enables the IoT/Edge infrastructure to have concurrent transmission capacity over multiple CMT paths. Although CMT transmissions are applied in various scenarios on the Internet, e.g., user applications, data center networks, hybrid access network; little is known about its benefits in IoT/Edge infrastructures. In this context, this thesis presents an investigation of the CMT impacts on the traffic performance of M2M data streams in IoT/Edge infrastructures. For this, a new node is introduced in this infrastructure, called MPP, prototyped to enable CMT capacity over M2M flows on the Internet. Such capability is provided by the support of MPTCP, which is the main general purpose CMT solution currently in existence. In this specific scenario, a new IoT multiple access architecture was implemented, considering an MPP gateway with MPTCP connected to different mobile operator networks to offload M2M data traffic. Experimental results from CoAP traffic emulated in the implemented architecture indicate that the proposed system, with the support of MPTCP, improves the performance of IoT applications. Offloading multipath based M2M data traffic considerably increases throughput, while significantly reducing the latency of CoAP requests as the number of network sensors increases. Specifically, when the MPP node improves its multipath capacity from 1 to 3 access networks, experimental results showed an increase in throughput from 2000 to 6000 CoAP requests per second and a reduction from 275 to 100 ms.
O paradigma de Internet das Coisas, ou Internet of Things (IoT), prevê o desenvolvimento de soluções tecnológicas para diversos domínios de aplicações disruptivas, como cidades inteligentes, energia inteligente, casas inteligentes, realidade aumentada, saúde inteligente, entre outros. Com a implantação de infraestruturas de IoT em suporte a essas aplicações, tem se observado o crescente volume de dados gerados nas redes de acesso. Nesse contexto, a Computação de Borda, ou Edge Computing (Edge) surge como uma extensão do paradigma de Computação em Nuvem (Cloud Computing) para tratar os impactos do aumento da produção de dados nas redes de acesso, trazendo a operação sobre esses dados (armazenamento, processamento, análise e consumo) ou parte dele para perto de onde esses dados são produzidos, i.e., nas redes de acesso. Nesta dissertação de mestrado, considera-se as infraestruturas mistas, denominadas IoT/Edge. O objeto de investigação é o descarregamento de fluxos Machine to Machine (M2M), contendo dados capturados por sensores presentes na infraestrutura de IoT/Edge que devem ser transportados para o servidor destinatário, remotamente localizado em uma infraestrutura de Computação em Nuvem. Diferente das abordagens existentes, o descarregamento de dados proposto neste trabalho habilita na infraestrutura de IoT/Edge a capacidade de transmissão concorrente por múltiplos caminhos Concurrent Multipath Transfer (CMT). Embora as transmissões CMT sejam aplicadas em diversos cenários na Internet, e.g., aplicações de usuários, redes de centro de dados, rede de acesso híbrido; pouco se conhece sobre o seus benefícios em infraestruturas de IoT/Edge. Neste contexto, esta dissertação apresenta uma investigação dos impactos CMT sobre o desempenho de tráfego de fluxos de dados M2M em infraestruturas de IoT/Edge. Para tanto, um novo nó é introduzido nessa infraestrutura, denominado MultiPath Proxy (MPP), prototipado para habilitar capacidade CMT sobre os fluxos M2M na Internet. Tal capacidade é provida pelo suporte do Protocolo de Controle de Transmissão de Múltiplos Caminhos, ou MultiPath Transmission Control Protocol (MPTCP), que é a principal solução de propósito geral CMT existente atualmente. Nesse cenário específico, uma nova arquitetura de acesso múltiplo IoT foi implementada, considerando um gateway MPP com o MPTCP conectado a diferentes redes de operadoras móveis para descarregar o tráfego de dados M2M. Resultados experimentais a partir de tráfego Constrained Application Protocol (CoAP) emulado na arquitetura implementada indicam que o sistema proposto, com o suporte do MPTCP, melhoram o desempenho das aplicações IoT. O descarregamento de tráfego de dados M2M baseado em múltiplos caminhos aumenta consideravelmente a vazão, enquanto reduz significativamente a latência das solicitações CoAP conforme o número de sensores de rede aumenta. Especificamente, quando o nó MPP melhora sua capacidade multipath de 1 para 3 redes de acessos, resultados experimentais mostraram um aumento de vazão de 2000 para 6000 requisições CoAP por segundo e uma redução de 275 para 100 ms.
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