In the near future, more and more devices will be capable of sending and receiving data automatically via the Internet. The vision of Internet of Things (IoT) is to embrace trillions of everyday physical objects that surround us as service providers and consumers by transforming them into an ecosystem of information that will enrich our lives. From small light bulbs to houses, the IoT is bringing more and more various things into the globally inter-connected digital world every day. While the IoT represents the convergence of advances in miniaturization, Internet connectivity, increased data storage capacity, and batteries, the realization of the IoT would not be possible without sensors / actuators and lightweight wireless connectivity.
Since recent attempts to speed up the IoT research and facilitate the new wave of information technology have spurred the need for lightweight IP networking technologies for the resource-constrained physical things, 6LoWPAN standards attracts attention as one of such upcoming technologies which breathes life into everyday objects by enabling IP over resource-limited, low-power, and low-rate wireless networks. However, there are still barriers to provide "Smart" IoT services in our everyday life. Firstly, a reliable and seamless network connectivity of wide prevalence of smart things with high perceived values is indispensable prerequisite for high satisfaction of user experience. Secondly, since the IoT is a cybernetic representation of dynamic and mobile physical world, seamless mobile connectivity for the physical objects is an important challenge. To address them, this thesis presents lightweight wireless mesh network protocols for reliable communications with mobility in the IoT. As the cornerstone to enable IPv6-based wireless networking for the IoT devices, this dissertation is comprised of three parts: reliable communication which includes load balancing and data caching, mobility management, and IoT device platform for easy-construction & deployment.
From the reliable communication aspects, the first part of this dissertation addresses a dynamic and distributed load balancing scheme in multi-gateway based 6LoWPAN. In a LoWPAN, a 6LoWPAN GW (GW) is a border router to bridge a LoWPAN to the Internet. Hence, all the network traffic should pass through the GW, so a GW as the traffic center may become the congestion-concentrated point. The network throughput and capacity are also limited by the GW itself. Even though we apply multiple GWs to remove the limitation, the imbalance of traffic load among GWs may restrict overall network performance without the expected enhancement. The load balancing between GWs is a key technology to reduce the traffic congestion thereby enlarging the network capacity, satisfying the capacity fairness among 6LoWPAN nodes, and improving network reliability. In this respect, this thesis proposes a dynamic and distributed load balancing scheme to achieve a global load fairness, motivated by water flow behavior, named MLEq (Multi-GW Load Balancing Scheme for Equilibrium). We implement our load balancing scheme in network simulator (ns-2) and it is verified by extensive simulations. The results show that MLEq improves network throughput and fairly distributes traffic load among GWs with minimizing network overhead. More importantly, we observed that MLEq increases network capacity and throughput linearly with the number of gateways.
Secondly, this dissertation addresses a benefit-based distributed data caching algorithm for 6LoWPAN. In general, information access is very important in 6LoWPAN, where being equipped with sensors and providing data objects as a service, since the ultimate goal of 6LoWPAN is to provide information access to users. However, due to the low-rate wireless multi-hop nature of 6LoWPAN, service availability is limited by the link status and traffic load over multi-hop. In addition, low-power networking like duty-cycling mechanism may increase data access delay. Caching and replication of popular data objects can significantly improve the efficiency of information access by contributing the reduction of overall access time and network bandwidth usage. For this, this thesis proposes a benefit-based cache distribution algorithm (BCDA). The purpose of this work is to provide an efficient data caching algorithm which suggests the proper cache places, where maximizes the benefit in terms of data access cost and cache management cost. To justify the effectiveness, we implement our BCDA in ns-2 and show that the BCDA significantly outperforms other strategies in terms of access delay, service success ratio, signaling overhead, and memory overhead.
From the mobility management aspects, this dissertation addresses a fast and seamless mobility management protocol for 6LoWPAN. As mobile devices come into wide use in the Internet, the mobile data traffic has grown rapidly and the demand for mobile services has increased globally over the past few years. The mobility management becomes one of the most important network services in the IoT. Since thing`s mobility behaviour directly inherits characteristics of portable devices (i.e., tiny, battery-powered, and wireless), the mobility management should be supported in a lightweight fashion. To address this, this dissertation proposes a new fast and seamless mobility management protocol for 6LoWPAN, named MARIO. To achieve this, MARIO introduces three important components, which are an adaptive polling based movement detection, a fast rejoin scheme for handoff management, and a multi-hop pointer forwarding scheme for location management. We develop an analytical model to evaluate the performance of MARIO and its signaling overhead. We then implement MARIO on top of our 6LoWPAN platform and conduct real-world experiments to validate its performance. The results highlight that the MARIO reduces signaling overhead and handoff delay and minimizes packet losses during handoffs significantly.
Lastly, one important challenge in the IoT is how to achieve real-world deployment of 6LoWPAN to be a part of the IoT on the fly and on the cheap. Since 6LoWPAN requires additional efforts to connect a LoWPAN to the Internet through either wired or wireless medium, this results in expensive partial reconstruction of existing infrastructure and making its deployment difficult in real-world. However, until now how to achieve real-world deployment and its integration with the Internet on the fly and on the cheap is still foggy. Fortunately, we have witnessed successful deployment of WiFi APs anywhere and anytime as a part of Internet Infrastructure. Motivated by the successful deployment of WiFi APs, this thesis introduces two types of 6LoWPAN gateways to achieve real-world deployment of IoT devices with easy-construction and cheap-deployment.
미래인터넷 기술의 핵심 비전 중 하나인 사물인터넷 (Internet of Things: IoT)은 수조개의 지능사물들이 인터넷에 연결되어 사물 서비스를 포함하는 새로운 인터넷 생태계를 형성하고, 이를 통하여 언제 어디서나 새로운 사물인터넷 응용서비스를 가능하게 하여 인간의 삶을 더욱 편리하고 풍요롭게 만들 것으로 예견되고 있다. 또한, 이들 사물들로부터 끊김 없이 수집 가공한 물리적 상황정보를 시공간 제약 없이 제공 가능하게 함으로써, 현재의 인터넷과는 달리 현실세계를 반영한 새로운 차원의 응용서비스를 제공할 수 있게 될 것이다. 이러한 사물인터넷을 구성할 사물은 센서/액추에이터, 작은 크기, 저전력, 무선 통신, 긴 수명, 자율 구성 및 자가 치료의 특징을 지닌다. 이러한 사물의 특징으로 6LoWPAN, ZigBee, 저전력 블루투스와 같은 저전력 손실 네트워크 기술들이 사물 네트워크 기술로 각광받고 있다. 하지만 저전력 손실 네트워크는 다중홉 전송, 손실 링크, 저전력 기능 등으로 인하여 사물인터넷의 서비스를 신뢰도 높게 제공하기 힘들기 때문에 사물의 접근성, 가용성을 보장하기 힘들며, 사물인터넷 서비스를 이용하는 사용자에게 풍부한 사용자 경험을 제공하기 힘들다는 것이 큰 걸림돌로 여겨지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 이 학위 논문에서는 먼저 저전력 손실 네트워크에서 신뢰성 있는 네트워킹을 지원하기 위한 방안을 제시하고, 동적이고 모바일한 현실세계를 반영한 사물인터넷 서비스를 제공하기 위한 저전력 손실 네트워크에서의 이동성 지원 방안을 제시한다. 마지막으로 사물인터넷을 구성할 사물들을 보다 쉽고 저비용으로 배치/구성하기 위한 사물 게이트웨이 플랫폼을 제안한다.
먼저 저전력 손실 네트워크에서의 신뢰성 있는 네트워킹을 지원하기 위한 방안으로 이 학위 논문은 다중 게이트웨이 기반 저전력 손실 네트워크에서의 동적/분산 부하 균등화 기술에 대하여 논의하였다. 저전력 손실 네트워크의 네트워크 노드들은 하위 통신 기술의 차이로 인터넷과 손실 네트워크를 중계하기 위한 게이트웨이를 필요로 하며, 모든 네트워크 패킷들은 이 게이트웨이를 통하여 인터넷의 사용자에게 전달된다. 이러한 특징으로 저전력 손실 네트워크의 트래픽이 게이트웨이에 집중되게 되며, 이로 인해 패킷 충돌, 통신 혼잡이 발생하여 네트워크 서비스의 신뢰도를 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 다중 게이트웨이를 배치하더라도 게이트웨이 간 부하 균등이 이루어지지 않으면 성능 향상을 이룰 수 없다. 이를 해결하고자 이 학위 논문에서는 자연세계에서 물이 자율적으로 부하를 조절하며 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 현상을 저전력 손실 네트워크에서의 패킷 흐름에 적용하여 가상의 3차원 지형을 모델링하였으며, 이를 통하여 게이트웨이 간 부하가 균등화되도록 하였다. 이 기술은 시뮬레이션을 통하여 검증하였으며, 기존 대비 네트워크 처리량, 균등화를 향상시키면서도 부하 균등화를 위한 오버헤드를 약 30\% 가량 개선하였다.
저전력 손실 네트워크에서의 신뢰성있는 네트워킹을 지원하기 위한 두 번째 방안으로 이 학위 논문은 저전력 손실 네트워크에서의 분산 데이터 캐싱 기술에 대하여 논의하였다. 사물인터넷의 사물들은 센서/액추에이터를 통하여 주변 환경을 모니터링 하여 사물인터넷 사용자에게 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다. 하지만 저전력 손실 네트워크는 다중 홉 전달 및 손실 링크를 특징으로 하기 때문에 신뢰도 있는 서비스에 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위하여 이 학위 논문에서는 자주 접근되는 데이터를 네트워크 노드 중 적절한 위치를 찾아 복사본을 배치하고 이렇게 배치된 캐시를 통해 사용자에게 서비스하기 위한 데이터 캐싱 기술을 제시하였다. 이 기술은 캐싱 서비스를 사용함에 따른 이득이 가장 큰 위치를 찾아내어 복사본을 배치하는 데이터 캐시 배치 기술과 이 캐시 데이터를 항상 최신의 데이터로 유지하고 이에 따른 오버헤드를 최소화하기 위한 캐시 관리 기술을 포함한다. 이 기술은 시뮬레이션을 통하여 그 성능을 검증하였으며, 기존 기술에 비하여 최대 20\%가량의 신뢰도 향상을 보였으며, 기존 기술과 비슷한 빠른 응답성을 보였다. 이와 동시에 캐시 배치와 관리에 필요한 컨트롤 오버헤드를 약 70\%에서 90\% 가량의 감소 시켰으며, 메모리 사용량도 절반 이상 개선하였다.
이동성 지원을 위한 방안으로 이 학위 논문은 빠르고 끊김 없는 이동성 지원 프로토콜을 제시하였다. 사물인터넷은 동적이고 모바일한 현실 세계를 가상의 인터넷 세계로 투영하여 다양한 사물인터넷 서비스를 제공하기 위한 차세대 인터넷의 비전이다. 이를 위해서는 저전력 손실 네트워크에서 각 네트워크 노드가 이동하더라도 사물인터넷 서비스를 지속적으로 제공할 수 있도록 끊김 없는 인터넷 연결을 지원할 수 있어야 한다. 여기서 이동성 지원은 다음과 같은 기술을 요구한다. 먼저 사물의 이동을 발견하기 위한 이동 발견 기술, 무선 링크 연결이 끊어졌을 때 다른 링크를 재설정하여 연결하는 핸드오프 관리 기술, 마지막으로 변화된 위치를 네트워크에 알리는 위치 관리 기술이다. 이 학위 논문에서는 빠르고 끊김 없는 이동성 지원을 위하여 사물의 이동에 의한 링크 상태 변화에 따라 적응적으로 동작하는 이동 발견 기술, 링크 재설정 과정을 단순화함으로써 빠른 링크 재설정을 지원하는 핸드오프 관리 기술, 네트워크 전체에 이루어지는 기존의 위치 관리 기술을 대신하여 모바일 노드의 이전 위치로 부터 현재 위치로 지역적 포인터 설정을 통한 위치 관리 기술을 제시하였다. 이 기술들은 KAIST의 6LoWPAN 플랫폼인 SNAIL 플랫폼에 구현하였으며, 그 성능을 검증하기 위하여 실제 빌딩 환경에 노드를 배치하여 실험하였다. 그 결과, 기존 기술에 비하여 이동성 지원 오버헤드, 핸드오프 지연을 절반가량으로 줄여 데이터 서비스의 신뢰도를 개선함을 보였다.
마지막으로 이 학위 논문은 사물인터넷의 사물들을 보다 쉽고 저비용으로 배치/구성하기 위한 방안으로 새로운 6LoWPAN 게이트웨이 플랫폼을 제시하였다. 제안한 6LoWPAN 게이트웨이 플랫폼 기술은 다음과 같다. 첫째로 현재 일상생활에서 언제 어디서나 발견할 수 있는 기존 WiFi 액세스 포인트를 활용하여 WiFi 액세스 포인트와 6LoWPAN 게이트웨이를 모두 지원하는 듀얼모드 게이트웨이 플랫폼과 둘째로 기존 WiFi 액세스 포인트에 쉬운 이더넷 연결만으로 6LoWPAN 네트워크를 설정할 수 있는 SNAIL 어댑터 플랫폼 기술이다. 첫 번째 듀얼모드 게이트웨이 플랫폼은 개발도상국이나 신도시 개발, 빌딩 신축 시 적합하며, 두 번째 SNAIL 어댑터 기술은 이미 WiFi 인프라가 이미 갖추어진 선진국이나 기존 도시, 빌딩 등에 사물 네트워크를 배치하기에 적합하다. 이 두 가지 플랫폼 기술은 실제 개발 및 배치를 통하여 그 실현 가능성을 검증하였다.
