A novel protocol architecture for IoT : efficiency through data and functionality sharing across layers

Abstract

A pilha TCP/IP é um padrão para redes e, portanto, está presente em muitos sistemas de comunicação. No entanto, em aplicações com Internet of Things (IoT), muitos trabalhos propõem um design que infringem a restrição de acesso entre camadas não adjacentes ou, até mesmo, novas arquiteturas de protocolos para melhorar a eficiência energética. Motivado pela necessidade de acomodar dispositivos IoT com recursos limitados de energia, processamento, armazenamento e comunicação, este trabalho apresenta o IoT Unified Services, ou IoTUS, uma nova arquitetura de protocolos de rede voltada para eficiência de energia e compacto uso de memória. O IoTUS usa uma camada de serviços extensível que facilita o compartilhamento entre camadas. Promove também o compartilhamento das informações de controle de rede (por exemplo, número de transmissões, recepções, colisões na camada de enlace de dados) e funcionalidades (por exemplo, descoberta de vizinhos, agregação de pacotes) para diferentes camadas da pilha de protocolos. Além disso, o IoTUS pode ser usado por arquiteturas de protocolos já existentes, sem ter que modificar a proposta de seus protocolos já desenvolvidos. O IoTUS foi implementado no simulador/emulador de rede Cooja-Contiki. Os resultados teóricos e de simulação foram semelhantes e coerentes. As simulações estendidas mostraram que o IoTUS consumiu 76; 83% menos energia comparado à pilha de comunicação adaptada do ContikiOS em uma aplicação de monitoramento, com uma topologia linear de 10 nós. Para uma topologia de 44 nós, a IoTUS obteve uma média de 42; 33% menos consumo de energia. Consequentemente, o IoTUS atingiu uma vida útil de 43 dias, enquanto a pilha ContikiOS adaptada chegou a 24 dias. O IoTUS usou aproximadamente 4 kbytes a mais de memória flash do que a pilha ContikiOS adaptada, mas reduziu em até 31; 31% o uso de RAM. Além disso, o excesso de cabeçalhos na rede IoTUS foi de aproximadamente 81; 3% com uma topologia em árvore de 44 nós, enquanto o ContikiOS adaptado resultou em 87; 3%. Portanto, os resultados teóricos e de simulação mostraram melhor desempenho do IoTUS, melhor eficiência energética, maior vida útil da rede e um compacto uso de memória, quando comparado às atuais arquiteturas de protocolos de IoT.