Multi-Chord (P2P) Approach for Integrated Satellite IoT Networks

Abstract

Aquesta investigació se centra en les aplicacions de transmissió de dades en temps real i la necessitat urgent duna arquitectura nova i creativa d’Internet de les coses (IoT) que faci ús eficient de la computació a la boira, fog computing, i adquireixi un enfocament més peer-to-peer (P2P).

Principalment, aquesta investigació identifica dos desafiaments principals:

1. Una arquitectura que suporti IoT, i es caracteritzi per: baixa latència, baixa complexitat i alta robustesa i resiliència. 2. Algorismes fiables de maneig de dades.

Els objectius de la nostra investigació es poden classificar segons tres objectius principals:

Objectiu 1: desenvolupar una arquitectura superposada genèrica per a xarxes IoT peer-peer. L’arquitectura ha de poder acomodar una gran varietat de nodes, així com també poder manejar les dades generades que es caracteritzen per ser de gran volum i altament sensibles alhora. Aquest primer objectiu es cristal·litza al voltant del concepte de xarxes P2P i específicament l’enfocament de cordes. L’arquitectura de superposició proposada s’anomena IoT P2P de múltiples cordes, ja que hem ampliat el concepte de corda estàndard perquè siguin múltiples cordes que podria tenir correspondència lògica amb un grup de nodes en una xarxa terrestre o un grup de satèl·lits en una constel·lació al espai o una combinació de tots dos. L’enfocament de múltiples acords donarà a IoT les característiques requerides de ser robust, escalable, resistent i d’automanteniment a gran escala, així com també manejar diferents tipus de dades.

Objectiu 2: realitzar l’anàlisi matemàtica i la formulació dels diferents algorismes i operacions realitzades sobre l’arquitectura múltiples cordes. Això inclou els algorismes de cerca i manipulació de dades, unió i sortida de nodes, així com el procés d’estabilització de la xarxa en cas d’errors o canvis a la topologia de la xarxa. El model matemàtic es basa en el model discret de Markov, ja que totes les operacions multi corda són de naturalesa probabilística i depenen de l’estat actual i següent/anterior. Aquest model matemàtic permet modelar teòricament el rendiment de múltiples cuerdas i trobar la situació òptima per minimitzar el cost de l’operació així com modelar la complexitat.

Objectiu 3: avaluar el rendiment de l’arquitectura de múltiples cordes proporcionant una anàlisi en profunditat de la capacitat assolible i la solidesa i resiliència davant de múltiples èxits i errors per proporcionar millores de rendiment sobre l’estat de l’art xarxes IoT basades en la computació al núvol i/o boira (fog and/or cloud computing).

La nostra nova proposta basada en múltiples cordes requereixen algorismes que assegurin el maneig de dades IoT així com que simplifiqui el control de l’operació de l’arquitectura de . Es tracta de tres contribucions principals en aquest research:

1. La primera contribució és desenvolupar una nova arquitectura de múltiples cordes IoT per a les xarxes IoT basada en una topologia P2P de múltiples cordes. 2. La segona contribució és l’extensió de les funcions d’acords existents i els algorismes d’estabilització i de resiliència a l’arquitectura IoT de múltiples cordes. 3. La tercera contribució és el desenvolupament d’un model matemàtic i l’avaluació de les prestacions de l’arquitectura proposada de cordes múltiples en termes de la seva idoneïtat d’integració de xarxes terrestres i satel·litàries. Obtenim millores respecte a l’estat de l’art de fins a un 20% durant el temps mitjà a l’estabilització. A més, es mostra que l’escalabilitat s’ha millorat al 30%, mentre que la mitjana del temps de cerca va mostrar una millora del 8% (al mateix temps que augmenta la quantitat de nodes respecte a les arquitectures P2P de corda única). La variació del retard de cerca també es millora en un 2%.

Esta investigación se centra en las aplicaciones de transmisión de datos en tiempo real y la necesidad urgente de una arquitectura novedosa y creativa de Internet de las cosas (IoT) que haga uso eficiente de la computación en la niebla, fog computing, y adquiera un enfoque más peer-to-peer (P2P).

Principalmente, esta investigación identifica dos desafíos principales: 1. Una arquitectura que soporte IoT, y se caracterize por: baja latencia, baja complejidad y alta robustez y resiliencia. 2. Algoritmos fiables de manejo de datos.

Los objetivos de nuestra investigación se pueden clasificar de acuerdo a tres objetivos principales:

Objetivo 1: desarrollar una arquitectura superpuesta genérica para redes IoT peer-peer. La arquitectura debe poder acomodar una gran variedad de nodos, así como también poder manejar los datos generados que se caracterizan por ser de gran volumen y altamente sensibles al tiempo. Este primer objetivo se cristaliza en torno al concepto de redes P2P y específicamente el enfoque de cuerdas. La arquitectura de superposición propuesta se denomina IoT P2P de múltiples cuerdas, pues hemos ampliado el concepto de cuerda estándar para que sean múltiples cuerdas que podría tener correspondencia lógica con un grupo de nodos en una red terrestre o un grupo de satélites en una constelación en el espacio o una combinación de ambos. El enfoque de múltiples cuerdas le dará a IoT las características requeridas de ser robusto, escalable, resistente y de auto-mantenimiento a gran escala, así como también manejar diferentes tipos de datos.

Objetivo 2: realizar el análisis matemático y la formulación de los diferentes algoritmos y operaciones realizadas sobre la arquitectura de múltiples cuerdas. Esto incluye los algoritmos de búsqueda y manipulación de datos, unión y salida de nodos, así como el proceso de estabilización de la red en caso de fallos o cambios en la topología de la red. El modelo matemático se basa en el modelo discreto de Markov, ya que todas las operaciones multi cuerda son de naturaleza probabilística y dependen del estado actual y siguiente/anterior. Este modelo matemático nos permite modelar teóricamente el rendimiento del multi cuerda y encontrar la situación óptima para minimizar el coste de la operación así como modelar la complejidad.

Objetivo 3: evaluar el rendimiento de la arquitectura multi cuerda proporcionando un análisis en profundidad de la capacidad alcanzable y la solidez y resiliencia del multi cuerda frente a múltiples éxitos y errores para proporcionar mejoras de rendimiento sobre el estado del arte redes IoT basadas en la computación en la nube y/o niebla (fog and/or cloud computing).

Nuestra nueva propuestas basada en múltiples cuerdas, requieren algoritmos que aseguren el manejo de datos IoT así como que simplifique el control de la operación de la arquitectura de . Se trata de tres principales contribuciones en este research:

1. La primera contribución es el desarrollo de una nueva arquitectura de múltiples cuerdas IoT para las redes IoT basada en una topología P2P de múltiples cuerdas. 2. La segunda contribución es la extensión de las funciones de acordes existentes y los algoritmos de estabilización y resiliencia a la arquitectura IoT de múltiples cuerdas. 3. La tercera contribución es el desarrollo de un modelo matemático y la evaluación de las prestaciones de la arquitectura propuesta de múltiples cuerdas en términos de su idoneidad de integración de redes terrestres y satelitales. Obtenemos mejoras respecto al estado del arte de hasta un 20% en el tiempo medio a la estabilización. Además, se muestra que la escalabilidad se ha mejorado al 30 %, mientras que la media del tiempo de búsqueda mostró una mejora del 8 % (al tiempo que aumenta la cantidad de nodos con respecto a las arquitecturas P2P de cuerda única).

This research focuses on real-time data dependent applications and the urgent need for novel and creative architecture of Internet of Things (IoT) that will extend the fog computing further to be more peer-to-peer (P2P) approach.

Mainly this research identifies two primary challenges: 1.

An architecture that supports IoT, and is characterized by: low delay, small complexity and high robustness and resilience. 2.

Reliable data handling algorithms.

We classify the objectives of our research into three main objectives:

Objective 1: develop a generic overlay architecture for peer-peer IoT networks. The architecture should be able to accommodate a large variety of nodes as well as to be able to handle the generated data that is characterized by being high in volume and highly sensitive to time. This first objective is crystalized around the concept of peer-to-peer (P2P) networking and specifically the chord approach. The proposed overlay architecture is called multi-chord peer to peer IoT as it extended the standard chord to be multiple chords that could logically correspond to a group of nodes in a terrestrial network or to a group of satellites in a constellation in space or a mix of both. The multi-chord approach will give IoT the required characteristics of being robust, scalable, resilient and being self-maintaining and on a large scale as well as handling a vast data types.

Objective 2: perform the mathematical analysis and formulation of the different algorithms and operations carried on multi-chord architecture. This includes the algorithms of data lookup and manipulation, node joining and leaving as well as the network stabilization process in case of failure of changes in the network topology. The mathematical model is based on discrete Markov model as all operations in multi-chord are probabilistic in nature and depends on the current and next/previous state. This mathematical model will allow us to theoretically model the performance of the multi-chord and find the optimum situation for minimizing the cost of the operation as well as modeling the complexity.

Objective 3: evaluate the performance of the multi-chord architecture by providing in-depth analysis of the achievable capacity and the robustness and resilience of the multi-chord in face of multiple of success failures and to provide performance improvements over state-of-the art cloud and/or fog based IoT networks.

Our new proposed architecture based on multi-chord, requires algorithms that will insure the accurate and correct handling of data in the IoT as well as the simplicity of controlling the operation in the multi-chord architecture. This led to three main contributions in this research:

1. The first contribution is the development of a new multi-chord IoT architecture for the IoT networks based on multi-chord P2P overlay topology. 2. The second contribution is the extension of the existing chord functions and algorithms of stabilization and resilience to the multi-chord IoT architecture. 3. The third contribution is the development of a mathematical model and performance evaluation of the multi-chord architecture in terms of its appropriateness of integration of terrestrial and satellite networks. We obtain enhancements with respect to the state of the art of up 20% in the meantime to stabilization. Also, scalability is shown to be enhanced to 30% while the mean of lookup time showed 8% enhancement (while increasing the number of nodes with respect to the state-of-the art of P2P single-cord architectures). The variance of search delay is also enhanced by 2%.