Improving RPL performance using Software Defined Networking

Abstract

ABSTRACT: Wireless Sensor Networks (WSNs) are special networks used in the Internet of Things (IoT) scheme, in which nodes are constrained by many parameters such as memory or energy. Therefore, the routing protocol used in these networks needs to be specially adapted for such constraints. Usually, the routing topology in these networks is created and maintained by the nodes in a distributed fashion due scalability reasons. Thus, the nodes only have a limited local view of the network. The routing protocol must also feature capabilities of auto-repair, allowing nodes to use alternative routes when link failures occur, or if other links are better, and rebuilding the network when too many of these failures have taken place. The Routing Protocol for Low power and Lossy Networks (RPL) possesses these characteristics and is used this thesis. The aim of the thesis is to develop a new solution with a centralized global view of the network that is less constrained than the limited local view of the distributed topology, since it gives the opportunity to have other aspects into account when creating the topology or rebuilding the network. Therefore, the state information about the topology that the nodes have, instead of computing it locally by them, will be computed and pushed to the nodes by this centralized view, creating a Software De_ned Network (SDN). Thus, the tasks of the thesis comprises: Task (i): Understand the state of the art of the protocol and decide which features of the protocol are needed for an RPL solution. Task (ii): Determine how the centralized view can be used to improve the RPL protocol, designing a proper SDN solution. Task (iii): Develop an implementation, in a network simulator, of the features needed from the protocol, adding also the features of the new SDN solution. Task (iv): Evaluate and compare the performance of the new SDN solution with the standard RPL solution, based on the previous implementation. This evaluation includes parameters such as the control packets overhead or the percentage of time that the packet losses.

RESUMEN: Las Wireless Sensor Networks (WSN), son unas redes especiales, que se usan en el esquema del Internet of Things (IoT), en las que los nodos tienen limitaciones en muchos de sus parámetros como pueden ser la memoria o energía. Por lo tanto, el protocolo de enrutamiento utilizado en estas redes, tiene que estar especialmente adaptado para estas limitaciones. Normalmente, la topología de red en este tipo de redes es creada y mantenida por los nodos de manera distribuida, debido a razones de escalabilidad. En consecuencia, los nodos tienen una visión limitada de la red. El protocolo de enrutamiento además debe ofrecer capacidades de auto reparación, permitiendo a los nodos utilizar rutas alternativas cuando haya fallos en sus enlaces, o si unos enlaces son mejores que otros, y reconstruyendo la red cuando muchos de estos fallos hayan tenido lugar. El protocolo de enrutamiento RPL posee estas características y es usado en esta tesis. El objetivo de la tesis es desarrollar una nueva solución que tenga una visión global de la red, que no sea tan limitada como la visión local que tienen los nodos en el caso de que la topología sea distribuida, dado que deja tener otros aspectos en cuenta a la hora de crear la topología o reconstruir la red. En consecuencia, la información que los nodos deben guardar sobre la topología, en lugar de ser calculada por ellos, deberá ser calculada y enviada a los nodos por esta visión global, creando una Software Defined Network (SDN). Por lo tanto, las tareas de esta tesis comprenden: Tarea (i): Entender el estado del arte del protocolo y decidir cuáles son las características del mismo que se necesitan para una solución RPL. Tarea (ii): Determinar cómo esta visión global puede ser usada para mejorar el protocolo RPL, planteando una adecuada solución SDN. Tarea (iii): Desarrollar una implementación, en un simulador de red, de las características necesarias del protocolo, agregando también las características de la nueva solución SDN. Tarea (iv): Evaluar y comparar el rendimiento de la nueva solución SDN con la solución RPL estándar. Esta evaluación incluye parámetros como el número de paquetes de control o las pérdidas de paquetes.