Scalability analysis of a web-based IoT stack for automation systems

Abstract

Das Internet of Things (IoT) (dt. -Internet der Dinge-) wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als eine gegebene, unmittelbare Entwicklung angesehen. Neben anderen, ist eine naheliegende Anwendung die Integration von drahtlosen, eingeschränkten Geräten (z.B. Sensoren und Aktuatoren für die Gebäudeautomation) und deren drahtlose Netzwerke in das Internet, um sie so untereinander und mit Geräten in anderen Netzwerken/dem Internet zu verknüpfen. Basierend auf beachtlichen Fortschritten auf dem Gebiete der Standardisierung von passenden Netzwerkprotokollen wird ein gemeinsames Applikationsprotokoll benötigt, um Interoperabilität zu garantieren. Im Folgenden wird dafür die Verwendung von Constrained Application Protocol (CoAP) vorgeschlagen, das unlängst von der Internet Engineering Task Force (IETF) als Standard für die Kommunikation mit und zwischen eingeschränkten Geräten in den Request for Comments (RFC)-Status erhoben wurde. Desweiteren soll Open Building Information Exchange (OBIX) als Spezifikation für eine standardisierte Datenpunkt-Representation dienen. Das Etablieren dieses Protokollstapels auf eingeschränkten Geräten könnte zahlreiche Interoperabilitätsprobleme lösen, gegen die das IoT derzeit ankommen muss. Offen ist die Frage, ob diese Lösung mit allen ihren Bausteinen machbar ist und wie sich darin bestimmte Metriken (z.B. Energieverbrauch) verhalten. Im Besonderen stellen sich die Fragen, ob der Protokollstapel als solcher auf Grund des begrenzten Speichers auf einem eingeschränkten Gerät implementieren und einsetzen lässt, und wie sich damit effiziente Gruppenkommunikation bewerkstelligen lässt. Diese Arbeit weist die Machbarkeit der vorgeschlagenen Lösung mit einer praktischen Machbarkeitsstudie nach und versucht dabei Schwachstellen und ungeklärte Fragen aufzudecken. Zusätzlich wird die Lösung einer Reihe von Simulationen unterzogen, um weitere Details zum Verhalten in unterschiedlichen Szenarien und unter unterschiedlichen Bedingungen zu erforschen. Im Zuge dieser Arbeit wird eine Umsetzung des bereits erwähnten Protokollstapels auf eingeschränkten Geräten vorgestellt, die mit anderen CoAP-Geräten außerhalb des eigenen Netzwerks kommunizieren können. Um die Lösung eingehend auf ihre Skalierbarkeit hin zu untersuchen, wird zusätzlich eine automatisierte Simulationsumgebung präsentiert. Darüber hinaus werden Änderungen gezeigt, die Gruppenkommunikation auf CoAP-Geräten möglich machen, um somit die Bestandteile und Effekte effizienter Gruppenkommunikation untersuchen zu können. Die präsentierten Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der praktischen Aspekte der vorgeschlagenen Lösung, wo deren Grenzen liegen und welche fortführenden Untersuchungen noch notwendig sind.

The Internet of Things (IoT) is commonly anticipated to become an omnipresent reality in the near future. One self-evident application is the integration of wireless, constrained devices (e.g. sensors and actuators for building automation) and their respective Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs) into the Internet, and hence making them generally accessible for interaction with other WSANs and other Internet enabled devices. Based on considerable efforts taken to successfully establish standardized network layers for this purpose, a common application protocol is still required to guarantee interoperability. This work proposes the use of Constrained Application Protocol (CoAP) as a standard for interactions between and with constrained devices, which was recently promoted into Request for Comments (RFC) status by the Constrained RESTful Environments (CoRE) working group of the Internet Engineering Task Force (IETF). Further, the Open Building Information Exchange (OBIX) interface specification shall be used to represent interaction points provided by the respective devices in a standardized way. Establishing this stack on constrained devices might solve the interoperability issues the IoT is currently up against. The question remains if such a solution with its proposed components is generally feasible and if crucial metrics (e.g. energy consumption) are within acceptable ranges. In particular, questions regarding the binary footprint of the solution and its capability for efficient group communication are yet unsettled. This work verifies the feasibility of the proposed stack through a proof of concept implementation, and thus tries to uncover shortcomings and remaining practical limits. Further, simulations are run to analyze the stack and its behavior in detail, under certain scenarios and with different simulation parameters. This work presents an implementation of the aforementioned stack on constrained devices, which can interact with other CoAP-enabled devices outside its WSAN. Further, a simulation framework is proposed, which is used to run various simulations regarding scalability of the stack. A group communication facility is presented, to demonstrate and evaluate group communication with CoAP devices and multicast routing engines for the respective networks. The results lead to a better understanding of the practical aspects of the proposed solution, where its limits currently are and which questions are yet to be solved.