Machine-to-machine (M2M) communication using MQTT-SN over an heterogeneous WSN infrastructure

Abstract

The major protocols used for M2M communication are MQTT, CoAP, OMA LWM2M. In short, these protocols target devices that have to conserve power so that they can operate for a long time on batteries. In M2M/IoT protocols, the payload is very small compared to the internet protocols where the payload is heavy and the headers accordingly large. For a predefined, pre-planned WSN, the static allocation of sensor nodes and gateways is appropriate. The more sensor nodes we have, the more we need gateways to accomplish the whole scenario based on IoT. With the exception of very few TCP/IP based WSNs (e.g. WLAN), where IP addresses are used for addressing the nodes, most WSNs adopt their own addressing scheme to accomplish inter-nodal communication. This feature makes the sensor networks complicated to expand and to interact with other WSN of different technology or the rest of the TCP/IP world. To this end, we can make use of MQTT protocol. MQ Telemetry Transport (MQTT) is an open source publish/subscribe messaging protocol designed for power constrained devices and low-bandwidth, high-latency networks. MQTT creates multicast groups of subscribers based on the so-called “topics” they are registered to, and by that way the issue of communication between heterogeneous networking infrastructures can be solved at Application Layer. However, MQTT is TCP/IP based. For a successful MQTT implementation there is the need of an intermediate broker keeping TCP sockets alive for continuous submission & receipt of data with the nodes participating in each Topic. This constrains its applications to TCP/IP-based WSNs. In this scope, the MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks) protocol has been proposed. MQTT-SN is an optimized version of MQTT, designed specifically for efficient operation in large low-power IoT Sensor Networks (SN). It uses the same publish/subscribe model and hence it can be considered as a version of MQTT. However, it uses UDP as the transport protocol and introduces MQTT-SN Gateways as intermediaries between different WSNs. Currently, very few deployments of MQTT-SN exist. Aim of this thesis is to: a) Investigate how we can interconnect various WSN and achieve a common communication infrastructure by implementing MQTT-SN, b) study the evaluation tests of this implementation, c) develop a system that can easily fit any heterogeneous IoT deployment. In general, we are interested in confirming the results by other researchers concerning MQTT-SN for better performance.

Τα κύρια πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία ανάμεσα σε μηχανές (M2M) είναι τα MQTT, CoAP και OMA LWM2M. Συνοπτικά, αυτά τα πρωτόκολλα απευθύνονται σε συσκευές που πρέπει να εξοικονομούν ενέργεια, έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με μπαταρίες. Στα πρωτόκολλα M2M/IoT, τα δεδομένα που μεταφέρονται είναι πολύ μικρά σε σύγκριση με τα πρωτόκολλα του internet, όπου τα δεδομένα είναι βαριά και, αντίστοιχα, οι επικεφαλίδες είναι μεγάλες. Για ένα προκαθορισμένο, προετοιμασμένο Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων (WSN), η στατική κατανομή των αισθητήρων και των πυλών είναι απαραίτητη. Όσο περισσότεροι αισθητήρες έχουμε, τόσο περισσότερους πύλες χρειαζόμαστε για να υλοποιήσουμε το συνολικό σενάριο βασισμένο στο IoT. Με εξαίρεση λίγα δίκτυα αισθητήρων (WSN) βασισμένα σε TCP/IP (π.χ. WLAN), όπου χρησιμοποιούνται διευθύνσεις IP για την διαχείριση των κόμβων, τα περισσότερα WSN υιοθετούν το δικό τους σχήμα αντιστοίχισης για την επίτευξη της διευθυνσιοδότησης των κόμβων για την επικοινωνία μεταξύ τους. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τα δίκτυα αισθητήρων περίπλοκα για επέκταση και αλληλεπίδραση με άλλα WSN διαφορετικής τεχνολογίας ή γενικά με το υπόλοιπο κόσμο του TCP/IP. Γι' αυτόν τον λόγο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το πρωτόκολλο MQTT. Το MQ Telemetry Transport (MQTT) είναι ένα πρωτόκολλο ανοιχτού κώδικα για ανάθεση/συνδρομή μηνυμάτων, σχεδιασμένο για συσκευές περιορισμένης ενέργειας και δίκτυα χαμηλού εύρους ζώνης και υψηλής καθυστέρησης. Το MQTT δημιουργεί ομάδες συνδρομητών με βάση τα λεγόμενα "θέματα" στα οποία είναι εγγεγραμμένοι, και με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιλυθεί το πρόβλημα της επικοινωνίας μεταξύ ετερογενών δικτυακών υποδομών στο επίπεδο εφαρμογής στο μοντέλο του OSI. Ωστόσο, το MQTT είναι βασισμένο σε TCP/IP. Για μια επιτυχημένη υλοποίηση του MQTT, χρειάζεται ένας ενδιάμεσος μεσίτης που να διατηρεί ανοιχτά τα TCP sockets για τη συνεχή υποβολή και λήψη δεδομένων από τους κόμβους που συμμετέχουν σε κάθε θέμα. Αυτό περιορίζει τις εφαρμογές του σε δίκτυα WSN βασισμένα σε TCP/IP. Σε αυτό το πλαίσιο, προτείνεται το πρωτόκολλο MQTT-SN (MQTT για Δίκτυα Αισθητήρων). Το MQTT-SN είναι μια βελτιστοποιημένη έκδοση του MQTT, σχεδιασμένη ειδικά για αποδοτική λειτουργία σε μεγάλα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων IoT χαμηλής ισχύος. Χρησιμοποιεί το ίδιο μοντέλο ανάθεσης/συνδρομής και, συνεπώς, μπορεί να θεωρηθεί ως μια έκδοση του MQTT. Ωστόσο, χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο μεταφοράς UDP και εισάγει τους πυλώνες MQTT-SN ως ενδιάμεσους ανάμεσα σε διάφορα WSN. Προς το παρόν, υπάρχουν πολύ λίγες υλοποιήσεις του MQTT-SN. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι: α) να ερευνήσουμε πώς μπορούμε να συνδέσουμε διάφορα WSN και να επιτύχουμε μια κοινή υποδομή επικοινωνίας με την υλοποίηση του MQTT-SN, β) να μελετήσουμε τις αξιολογήσεις μας ως προς αυτήν την υλοποίηση, γ) να αναπτύξουμε ένα σύστημα που μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί σε οποιαδήποτε ετερογενή υλοποίηση IoT.