EFFICIENT DISCOVERY MECHANISMS FOR INTERNET OF THINGS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mahyoub_Thesis_Full.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 26 October 2021. Download (4MB)

Arabic Abstract

يٌعَدٌ اكتشافُ الخدمات والمسارات في الشبكات منخفضة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في تطوير إنتَرنت الأشياء. هذه الرؤية تهدف إلى توصيل كل الأجهزه المستخدمه في حياتنا بالإنترنت وتمكينهم من التفاعل مع بعضهم البعض ومع البيئة المحيطة. إن لهذا التفاعل عدة أشكال منها على سبيل المثال لا الحصر تبادل الخدمات واتخاذ القرارات ومراقبة االبيئة المحيطة والتحكم بها ايضا. من اجل تحقيق هذه الرؤيه فإنه يلزم وجود بروتوكول لإكتشاف الخدمات المٌقَدَّمه في الشبكه ليقوم بتهيئة الأجهزه والإعلان عن خدماتهم للاخرين بطريقة آليِّة ويلزم كذلك وجود بروتوكول اخر لإكتشاف المسارات وتسهيل التواصل بين الاجهزه لتبادل هذه الخدمات وبأقل تكلفه. تجدر الإشارة إلى أن تصميم البروتوكولات آنفة الذكر يتأثر بمحدودية الموارد التي تعاني منها هذه الشبكات مثل محدودية الطاقه والمعالجه والتخزين وكذلك الفقد العالي للبيانات وصغر حجم البيانات الممكن ارسالها والمدى الذي يمكن تغطيته. في هذه الرساله قمنا بتحليل أشهر البروتوكولات المستعمله في هذا الاطار لتحديد مواطن الضعف التي من شأنها تؤثر سلباً على جودة الخدمه المقدمه في هذه الشبكات وتستهلك مواردها المحدوده. بعد ذلك قمنا بتطوير تقنيات جديده تساهم في التغلب على بعض المشاكل المرتبطه بهذه البروتوكولات في جوانب محدده. وللتحقق من كفاءة التقنبات المقترحه في هذه الرساله فقد قمنا بإجراء العديد من تجارب المحاكاه حيث أثبتت النتائج فعالية وكفاءة هذه المقترحات من حيث إستهلاك الطاقه ومعدل نقل البيانات وسرعة إيصالها وكذلك توزيع الأحمال بين أجهزة الشبكه.

English Abstract

Service Discovery (SD) and Routing Discovery (RD) in Low-power and Lossy Networks (LLNs) are crucial in the development of the Internet of Things (IoT). The design of SD and RD can be hampered by the underlying limitations and challenges of LLNs which motivate the quest for efficient solutions. This thesis analyzes the most promising SD and RD protocols to identify some of their potential gaps, and then proposes cost-effective, time-efficient, lightweight, and backward-compatible mechanisms to fill such gaps. Firstly, this thesis proposes an Enhanced multicast Domain Name System (EmDNS) which augments mDNS, the standard SD protocol, with three improvements: the persistent-based selection stage, the simultaneous start-up enhancement, and the announcement suppression mechanism. Through the evaluation of the fairness index for a wide range of a number of nodes, we demonstrate that EmDNS provides better load balancing for the collection of nodes in the network relative to mDNS. Furthermore, results indicate that while EmDNS produces a memory footprint in RAM that is only 4.2% more than that for mDNS, EmDNS manages to significantly reduce the number of control packets by an average of 34.8% for the considered range of network size. Accordingly, the corresponding reduction in energy consumption for radio transmissions and micro-controller is 46.7% and 47.5%, respectively. Secondly, the IPv6 Routing Protocol for LLNs (RPL) has been standardized as the RD protocol for LLNs. However, it does not efficiently route the data between arbitrary nodes within the LLN domain. To deal with such a shortcoming, this thesis proposes a Hybrid RPL (HRPL) extension in which the RPL-based forwarding structure and the link-state routing approach are integrated to discover more efficient routes between arbitrary nodes. The salient features of HRPL include an optimized data forwarding between arbitrary nodes, the use of the available RPL-enabling control messages, and the support of backward-compatibility. HRPL is evaluated in a grid-like network under different traffic intensities. Results show that HRPL increases the packet delivery ratio by 22.3% relative to the RPL. While HRPL consumes RAM size that is 16.7% more than that for RPL, HRPL retains low routing control cost which is 13.8% less than that for RPL. It reduces the number of hops and MAC transmissions to deliver packets between arbitrary nodes by 51.5% and 55.4%, respectively. Accordingly, the corresponding reduction in the total consumed energy is 21.3%. Furthermore, HRPL provides higher balance, relative to RPL, in terms of routing control messages and energy consumption across all nodes in the network. The proposed extensions are implemented on Contiki operating system and evaluated on Cooja emulator.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Mahmoud, Ashraf S.
Committee Co-Advisor:	Abu-Amara, Marwan
Committee Members:	Sheltami, Tarek and Selim, Shokri and Ahmed, Moataz
Depositing User:	MOHAMMED MAHYOUB (g201405280)
Date Deposited:	26 Nov 2020 08:22
Last Modified:	26 Nov 2020 08:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141732