This paper presents the design of an information-centric network prototype that forms the basis for working with Internet of Things devices. The proposal seeks to conveniently separate the functionalities of information-centric networking from those that are typical of IoT. The prototype design focus is on the development of a generic ICNIoT node capable of implementing the most expensive features of the information-centric networking, such as forwarding, caching and other advanced processing functions. The result of the implementation allows interaction between di erent protocols through the same convergence layer, enabling the exchange of messages between lower and upper layers of the OSI reference model.
El Information-Centric Networking (ICN) es uno de los paradigmas de comunicacion mas relevantes para el Internet del Futuro, area de investigacion a la cual se asocian una serie de conceptos y tecnolog as que buscan mejorar algunas de las caracter sticas del Internet actual [MR09]. En particular, gracias a sus propiedades en relacion a la recuperacion de contenidos, ICN ha sido considerado recientemente como una solucion aplicable en el contexto del Internet de las Cosas [LAA+15].
Sin embargo, la investigacion en el contexto ICNIoT es todav a incipiente, considerando que existen muchos desaf os que abordar en terminos de la trazabalidad de los requerimientos entre ambos paradigmas [ZRG+16]. Por ejemplo, el Internet de las Cosas se caracteriza por ambientes dinamicos y altamente Copyright c by the paper's authors. Copying permitted for private and academic purposes. heterogeneos, compuesto por dispositivos de recursos limitados [Bor14]; mientras que el Information-Centric Networking se soporta en nodos responsables de tareas mas bien costosas, con funciones de procesamiento avanzado, almacenamiento de datos en cache y reenv o de paquetes [XVS+14].
En este contexto, el Internet Research Task Force esta estudiando la convergencia de nodos de recursos limitados como los de IoT, con otros menos restringidos como los de ICN. Espec camente, la discusion que es interesante para este trabajo plantea separar convenientemente ciertas funcionalidades de IoT de otras de ICN en una misma red [LAA+15]. Esencialmente, la idea es que los nodos de recursos restringidos puedan implementar funcionalidades de ICN solamente si es estrictamente necesario, dejando la responsabilidad de las tareas costosas del networking a nodos ICN mas poderosos [HAMF15].
El presente trabajo propone el disen~o de un nodo de convergencia ICN-IoT que integre las redes centradas en la informacion con el Internet de las Cosas, desde el punto de vista de la implementacion de nodos genericos que interactuen con protocolos IoT. Las funcionalidades esperadas para una implementacion futura apuntan a un nodo de convergencia h brido capaz de soportar tanto la comunicacion por diseminacion de las redes ICN, como el modelo conversacional tradicional que es comun en los protocolos IoT. Los alcances del prototipo implementado hasta ahora habilitan el intercambio de mensajes entre nodos de convergencia ICN-IoT y nodos IoT que basan su comunicacion en los protocolos Ethernet y UDP. El desarrollo de la arquitectura interna del nodo generico fue realizada a partir de Netgraph, un subsistema de red que ofrece un conjunto de modulos de complejidad arbitraria, capaces de ejecutar diversas funciones de red a nivel del kernel de FreeBSD[EC00]. 2
El disen~o de la propuesta de convergencia se basa en nodos genericos ICN-IoT que implementan al nivel del kernel de FreeBSD las funcionalidades esenciales del networking de ICN. La dinamica entre el nodo de convergencia y los nodos IoT ocurre a traves del intercambio de mensajes segun el protocolo IoT utilizado. En concreto, el escenario de experimentacion hasta ahora implementado ( gura 1) se basa en un prototipo que permite la interaccion con mensajes especiales que viajen de acuerdo al paradigma de diseminacion sobre los protocolos Ethernet o UDP. Es decir, el nodo generico ICN-IoT es el que implementa una capa de red de convergencia capaz de recibir mensajes directamente desde un puerto UDP o una interfaz de red Ethernet, sin interferir con el normal funcionamiento de la pila de protocolos TCP/IP. En particular, la implementacion de la capa de convergencia toma como referencia la arquitectura de red sugerida por la Network of Information (o NetInf)[DKO+13], concebida como parte del proyecto europeo FP7 4WARD. Luego, si bien la propuesta original de NetInf contempla para la capa de red funcionalidades de procesamiento avanzado, almacenamiento en cache y reenv o de paquetes, en realidad el prototipo actual solo implementa la estrategia de forwading de inundacion o ooding, la cual es lograda a traves de la adaptacion del modulo ng hub de Netgraph ( gura 2). En ese sentido, la fortaleza principal de la implementacion actual es la propuesta de una capa de red ICN-IoT que actua como respuesta al problema de la convergencia declarado en algunos estudios recientes [LAA+15]. Por lo tanto, la funcionalidad que habilita el intercambio de mensajes ICN-IoT a traves de una estrategia de forwarding ICN, representa uno de los resultados preliminares de la propuesta completa de disen~o. En la estructura interna del nodo ICN-IoT que se muestra en la gura 2, la capa de red esta representada por el modulo ng CL como una capa de convergencia tecnologica que ofrece interfaces para comunicarse con diferentes protocolos. De hecho, el modulo ng CL procesa los mensajes recibidos por las interfaces Ethernet y UDP habilitadas, y los reenva hacia otros nodos por medio de inundacion. En esencia, la estructura se basa en la apropiada combinacion de los modulos: ng ether, ng etf, ng ksocket y ng socket, ya existentes en Netgraph; y en el modulo ng CL, creado especialmente para la habilitacion de la capa de convergencia ICN-IoT. Sin embargo, el almacenamiento en cache y otras funciones relacionadas estan consideradas para desarrollos futuros en esta misma capa, aunque debido a la exibilidad que ofrece Netgraph para la combinacion de modulos, dichas funciones se podr an incluso desarrollar inicialmente a nivel de la capa de aplicacion. De hecho, actualmente el intercambio de mensajes con la capa de aplicacion esta habilitado para una de las interfaces del modulo, aunque su funcionamiento no haya sido parte del escenario de experimentacion. Sin embargo, estos experimentos tuvieron como objetivo la validacion de la implementacion del nodo de convergencia y su estrategia de forwarding. Los mensajes especiales de solicitud (GET) de los nodos IoT fueron enviados por medio de generadores de paquetes en maquinas reales, mientras que los nodos ICN-IoT y sus conexiones fueron simulados a traves de maquinas virtuales en VMware. Los mensajes de respuesta (GET-RESP) se generaron dentro del modulo ng CL una vez recibido un mensaje GET por cualquiera de las interfaces. Dado lo anterior, el experimento solamente tuvo el caracter de prueba conceptual. Futuros trabajos debieran ofrecer resultados experimentales con protocolos de comunicacion inalambrica y desde dispositivos IoT reales. 3
El Information-Centric Networking nace como una respuesta a la demanda creciente de distribucion de contenidos altamente escalable y e ciente. Basicamente, a diferencia de la actual arquitectura de Internet basada en la conectividad de host-a-host, ICN pone a la informacion como el elemento central de la arquitectura de red.
Muchos proyectos comparten los conceptos fundamentales de ICN utilizando distintas notaciones para indicar diferentes elecciones y caracter sticas [ADI+12]. Sin embargo, para este trabajo es interesante la propuesta de la Network of Information o NetInf, cuyo enfoque apunta precisamente a conectar diferentes tecnolog as y dominios dentro de una red que funcione bajo el paradigma de redes centradas en la informacion.
En este contexto, la investigacion en torno a la convergencia entre los paradigmas ICN e IoT se encuentra aun en fase de desarrollo. Por lo mismo, la existencia de una propuesta de implementacion de red ICN-IoT representa una alternativa y una oportunidad concreta de enriquecer y mejorar las tecnolog as actuales orientadas a IoT. Mas aun, es conocido que las propiedades del paradigma de redes centradas en la informacion, al ser concebido espec camente para la diseminacion de datos en red, podr a ser ventajoso en terminos de la resiliencia y robustez de las redes IoT.
En conclusion, el presente trabajo contribuye con un disen~o prototipal de una red centrada en la informacion que sirve como base para el funcionamiento con dispositivos heterogeneos para el Internet de las Cosas. Espec camente, el trabajo realizado implementa un nodo ICN-IoT generico y un modulo de forwarding para redes ICN basadas en NetInf, habilitando la experimentacin conceptual entre tecnolog as de diferentes capas. Otras tecnolog as y funcionalidades podr an ser incorporadas a partir de este prototipo, siguiendo la propuesta que plantea la interaccion en una misma red entre nodos IoT con capacidades limitadas y nodos ICN mas poderosos.
[EC00]
netgraph networking system. Technical report, Technical report (Jan.), Whistle Communications. http://www. elischer.
com/netgraph/, as of July, 2000. [HAMF15] Mohamed Ahmed M Hail, Marica Amadeo, Antonella Molinaro, and Stefan Fischer. On the performance of caching and forwarding in information-centric networking for the iot. In International Conference on Wired/Wireless Internet Communication, pages 313{326. Springer, 2015. [MR09]
Technology Methoden und innovative Anwendungen der Informatik und Informationstechnik, 50(6):383{389, 2009. [ZRG+16] Y Zhang, D Raychadhuri, L Grieco, E Baccelli, J Burke, R Ravindran, G Wang, A Lindren, B Ahlgren, and O Schelen. Requirements and challenges for iot over icn, 2016.