Design, analysis and implementation of a spatial-temporal, adaptive and multi-replication data centric storage framework for wireless sensor and actor networks

This PhD Thesis presents a novel framework for Data-Centric Storage(DCS) in a Wireless Sensor and Actor Network(WSAN) that enables the use of a multiple set of data replication nodes, which also change over the time. This allows reducing the average network traffic and energy consumption by adapting the number of replicas to applications’ traffic, while balancing energy burdens by varying their location. To that end we propose and validate a simple model to determine the optimal number of replicas, in terms of minimizing average traffic/energy consumption, from the measured applications’ production and consumption traffic. Simple mechanisms are proposed to decide when the current set of replication nodes should be changed, to enable new applications and sensor nodes to efficiently bootstrap into a working sensor network, to recover from failing nodes, and to adapt to changing conditions. Extensive simulations demonstrate that our approach can extend a sensor network’s lifetime by at least a 60%, and up to a factor of 10x depending on the lifetime criterion being considered. Furthermore, we have implemented our framework in a real testbed with 20 motes that validates in a small scenario those results obtained via simulation for large WSANs. Finally, we present a heuristic that adapts our framework to scenarios with spatially heterogeneous consumption and/or production traffic distributions providing an effective reduction in the overall traffic, as well as reducing the number of nodes that die over the time. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Esta Tesis se enmarca en el campo de la redes de sensores y actuadores inalámbricas. Para este tipo de redes existe un sistema de almacenamiento y entrega de información totalmente distribuido denominado Data-Centric Storage (DCS). En dicho sistema se selecciona un nodo en la red para almacenar toda la información relativa a una aplicación o tipo de evento. Dicha elección se realiza mediante el uso de una función de hash que, usando como argumento el propio nombre de la aplicación (o tipo de evento), devuelve el identificador (e.g. coordenadas geográficas, identificador de nodo, etc) del nodo responsable de almacenar toda la información que deesa aplicación (o tipo de evento). El uso de un único nodo para almacenar todos los datos de un mismo tipo generados en la red tiende a generar un punto de saturación en la red (especialmente en términos energéticos) ya que una gran cantidad de tráfico es encaminada hacia un único punto. De hecho, no sólo el nodo seleccionado como nodo de almacenamiento, sino también todos aquellos que le rodean, experimentan un mayor gasto de recursos ya que son los encargados de rutar los mensajes hacia el nodo de almacenamiento. Este problema ha dado lugar a sistemas que utilizan multiples réplicas para aliviar la generacióon de un punto de congestión y elevado consumo energético en la red. Situando varios puntos de almacenamiento para un tipo de evento dado, es posible aliviar la congestión de un único punto. Sin embargo la generación de nuevas réplicas tiene un coste asociado, y por tanto existe un número de réplicas óptimo que minimiza el tráfico total en la red, que a su vez tiene un impacto directo en la reducción del consumo energético y la extensión del tiempo de vida de la red. En esta Tesis se proponen dos esquemas de replicación para redes de sensores que usan DCS como sistema de almacenamiento distribuido. Para ambos casos se han desarrollado modelos matemáticos que permiten conocer el número óptimo de réplicas que deben ser utilizadas (para minimizar el tráfico total en la red) en función de la intensidad de producción y consumo de un tipo de evento. El primer mecanismo, denominado Quadratic Adaptive Replication (QAR), propone el uso de una estructura mallada para la colocación de las réplicas. QAR mejora trabajos previos que ya proponían un esquema de replicación en grid, ya que es más adaptativo a las condiciones de tráfico en la red. El segundo mecanismo simplemente genera localizaciones aleatorias donde situar las replicas. Sorprendentemente, esta Tesis demuestra que es el mejor sistema de replicación, incluso por delante de QAR, ya que es el más adaptativo a las condiciones de tráfico. Además, tiene la gran ventaja de que es extremadamente simple y puede aplicarse en redes irregulares o que utlizan diferentes protocolos de enrutamiento. Los sistemas de replicación alivian el problema del punto único de congestión, pero no lo solucionan completamente, ya que siguen apareciendo puntos de congestión menores, tantos como réplicas sean usadas. Por tanto, la red sigue presentando una gran desigualdad en el consumo energético, ya que aquellos puntos seleccionados como réplicas (y sus vecinos) usan una mayor energía para desarrollar su actividad. Frente a este problema, se propone como solución el cambio de las réplicas a lo largo del tiempo. Esecialmente, se limita el tiempo que un nodo puede permanecer desempeñando el papel de réplica, de tal forma que, una vez pasado ese tiempo, otro nodo tomará esa responsabilidad. Aplicando esta propuesta se consigue un equilibrio en el consumo energético de los nodos de la red, lo que tiene un gran impacto en la extensión del tiempo de vida de la red. En los experimentos realizados, dicha extensión tiene un valor m´ınimo de un 60%, llegándose a extender el tiempo de la vida hasta 10 veces bajo ciertas definiciones de tiempo de vida de la red. La principal contribución de esta Tesis es la presentación de un marco de trabajo adaptativo tanto espacial como temporalmente que, basado en un modelo teórico, indica cuál es el número óptimo de replicas que deben ser usadas en un determinado periodo. En esta Tesis se propone un protocolo completo que cubre todas las funcionalidades para que dicho sistema pueda ser implementado y desplegado en el mundo real. Para demostrar que el sistema propuesto puede ser implementado en ndoos de sensores comerciales, esta Tesis presenta la implementación realizada en 20 motas del fabricante Jennic. Asimismo, se ha empleado un pequeño test de pruebas para confirmar la validez de los modelos matemáticos para la obtención del número óptimo de réplicas, así como para demostrar que el cambio de las réplicas a lo largo del tiempo genera una mejor distribución del consumo energético en la red