Presence-based architecture for wireless sensor networks using publish/subscribe paradigm

Ubiquitous communication is a key component of Ambient Intelligence, enabling objects to communicate with each-other by means of a wireless ad-hoc network. A presence service allows knowing the availability or responsiveness status of elements in a communication (entities). Traditionally, only human use this service, however all smart devices or objects (with embedded wireless sensor nodes) could interact with each other thus a presence service could also enhance communication among them. To achieve this objective we look into existing protocols to propose the requirements needed to provide presence service on Wireless Sensor Networks (WSN). The main contribution of this paper is the discussion of requirements for presence services on WSN and the new proposed architecture to cope with presence services in WSN.Peer ReviewedPostprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets

Enhancing the security of wireless sensor network based home automation systems

Home automation systems (HASs)seek to improve the quality of life for individuals through the automation of household devices. Recently, there has been a trend, in academia and industry, to research and develop low-cost Wireless Sensor Network (WSN) based HASs (Varchola et al. 2007). WSNs are designed to achieve a low-cost wireless networking solution, through the incorporation of limited processing, memory, and power resources. Consequently, providing secure and reliable remote access for resource limited WSNs, such as WSN based HASs, poses a significant challenge (Perrig et al. 2004). This thesis introduces the development of a hybrid communications approach to increase the resistance of WSN based HASs to remote DoS flooding attacks targeted against a third party. The approach is benchmarked against the dominant GHS remote access approach for WSN based HASs (Bergstrom et al. 2001), on a WSN based HAS test-bed, and shown to provide a minimum of a 58.28%, on average 59.85%, and a maximum of 61.45% increase in remote service availability during a DoS attack. Additionally, a virtual home incorporating a cryptographic based DoS detection algorithm, is developed to increase resistance to remote DoS flooding attacks targeted directly at WSN based HASs. The approach is benchmarked against D-WARD (Mirkovic 2003), the most effective DoS defence identified from the research, and shown to provide a minimum 84.70%, an average 91.13% and a maximum 95.6% reduction in packets loss on a WSN based HAS during a DoS flooding attack. Moreover, the approach is extended with the integration of a virtual home, hybrid communication approach, and a distributed denial of defence server to increase resistance to remote DoS attacks targeting the home gateway. The approach is again benchmarked against the D-WARD defence and shown to decrease the connection latency experienced by remote users by a minimum of 90.14%, an average 90.90%, and a maximum 91.88%.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo