Let the Tree Bloom: Scalable Opportunistic Routing with ORPL

Routing in battery-operated wireless networks is challenging, posing a tradeoff between energy and latency. Previous work has shown that opportunistic routing can achieve low-latency data collection in duty-cycled networks. However, applications are now considered where nodes are not only periodic data sources, but rather addressable end points generating traffic with arbitrary patterns. We present ORPL, an opportunistic routing protocol that supports any-to-any, on-demand traffic. ORPL builds upon RPL, the standard protocol for low-power IPv6 networks. By combining RPL's tree-like topology with opportunistic routing, ORPL forwards data to any destination based on the mere knowledge of the nodes' sub-tree. We use bitmaps and Bloom filters to represent and propagate this information in a space-efficient way, making ORPL scale to large networks of addressable nodes. Our results in a 135-node testbed show that ORPL outperforms a number of state-of-the-art solutions including RPL and CTP, conciliating a sub-second latency and a sub-percent duty cycle. ORPL also increases robustness and scalability, addressing the whole network reliably through a 64-byte Bloom filter, where RPL needs kilobytes of routing tables for the same task

Backscatter from the Data Plane --- Threats to Stability and Security in Information-Centric Networking

Information-centric networking proposals attract much attention in the ongoing search for a future communication paradigm of the Internet. Replacing the host-to-host connectivity by a data-oriented publish/subscribe service eases content distribution and authentication by concept, while eliminating threats from unwanted traffic at an end host as are common in today's Internet. However, current approaches to content routing heavily rely on data-driven protocol events and thereby introduce a strong coupling of the control to the data plane in the underlying routing infrastructure. In this paper, threats to the stability and security of the content distribution system are analyzed in theory and practical experiments. We derive relations between state resources and the performance of routers and demonstrate how this coupling can be misused in practice. We discuss new attack vectors present in its current state of development, as well as possibilities and limitations to mitigate them.Comment: 15 page

Energy Efficient Downstream Communication in Wireless Sensor Networks

This dissertation studies the problem of energy efficient downstream communication in Wireless Sensor Networks (WSNs). First, we present the Opportunistic Source Routing (OSR), a scalable, reliable, and energy-efficient downward routing protocol for individual node actuation in data collection WSNs. OSR introduces opportunistic routing into traditional source routing based on the parent set of a node’s upward routing in data collection, significantly addressing the drastic link dynamics in low-power and lossy WSNs. We devise a novel adaptive Bloom filter mechanism to effectively and efficiently encode a downward source-route in OSR, which enables a significant reduction of the length of source-route field in the packet header. OSR is scalable to very large-size WSN deployments, since each resource-constrained node in the network stores only the set of its direct children. The probabilistic nature of the Bloom filter passively explores opportunistic routing. Upon a delivery failure at any hop along the downward path, OSR actively performs opportunistic routing to bypass the obsolete/bad link. The evaluations in both simulations and real-world testbed experiments demonstrate that OSR significantly outperforms the existing approaches in scalability, reliability, and energy efficiency. Secondly, we propose a mobile code dissemination tool for heterogeneous WSN deployments operating on low power links. The evaluation in lab experiment and a real world WSN testbed shows how our tool reduces the laborious work to reprogram nodes for updating the application. Finally, we present an empirical study of the network dynamics of an out-door heterogeneous WSN deployment and devise a benchmark data suite. The network dynamics analysis includes link level characteristics, topological characteristics, and temporal characteristics. The unique features of the benchmark data suite include the full path information and our approach to fill the missing paths based on the principle of the routing protocol

Discreet - Pub/Sub for Edge Systems

The number of devices connected to the Internet has been growing exponentially over the last few years. Today, the amount of information available to users has reached a point that makes it impossible to consume it all, showing that we need better ways to filter what kind of information is sent our way. At the same time, while users are online and access all this information, their actions are also being collected, scrutinized and commercialized with little regard for privacy. This thesis addresses those issues in the context of a decentralized Publish/Subscribe solution for edge systems. Working at the edge of the Internet aims to prevent centralized control from a single entity and lessen the chance of abuse. Our goal was to devise a solution that achieves efficient message delivery, with good load-balancing properties, without revealing its participants subscription interests to preserve user privacy. Our solution uses cryptography and probabilistic data sets as a way to obfuscate event topics and user subscriptions. We modeled a cooperative solution, where publisher and subscriber nodes work in concert to route events among themselves, by leveraging a onehop structured overlay. By using an experimental evaluation, we attest the scalability and general performance of the proposed algorithms, including latency, false negative and false positive rates, and other useful metrics.O número de aparelhos ligados a Internet têm vindo a crescer exponencialmente ao longo dos últimos anos. Hoje em dia, a quantidade de informação que os utilizadores têm disponível, chegou a um ponto que torna impossível o seu total consumo. Isto leva a que seja necessário encontrarmos melhores formas de filtrar a informação que recebemos. Ao mesmo tempo, as ações do utilizadores estão a ser recolhidas, examinadas e comercializadas, sem qualquer respeito pela privacidade. Esta tese trata destes assuntos no contexto de um sistema Publish/Subscribe descentralizado, para sistemas na periferia. O objectivo de operar na preferia da Internet está em prevenir o controlo centralizado por uma única entidade e diminuir a oportunidade para abusos. O nosso objectivo foi conceber uma solução que realiza entrega de mensagens eficientemente, com boas propriedades na distribuição de carga e sem revelar on interesses dos participantes, de forma a preservar a sua privacidade. A nossa solução usa criptografia e estruturas de dados probabilísticas, como uma forma de ofuscar os tópicos dos eventos e as subscrições dos utilizadores. Modelamos o sistema com o objectivo de ser uma solução cooperativa, onde ambos os tipos de nós Editores e Assinantes trabalham em concertadamente para encaminhar eventos entre eles, ao fazerem uso de uma estrutura de rede sobreposta com um salto. Fazendo uma avaliação experimental testámos a escalabilidade e o desempenho geral dos algoritmos propostos, incluindo a latência, falsos negativos, falsos positivos e outras métricas úteis

Search strategies in unstructured overlays

Trabalho de projecto de mestrado em Engenharia Informática, apresentado à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2008Unstructured peer-to-peer networks have a low maintenance cost, high resilience and tolerance to the continuous arrival and departure of nodes. In these networks search is usually performed by flooding, which generates a high number of duplicate messages. To improve scalability, unstructured overlays evolved to a two-tiered architecture where regular nodes rely on special nodes, called supernodes or superpeers, to locate resources, thus reducing the scope of flooding based searches. While this approach takes advantage of node heterogeneity, it makes the overlay less resilient to accidental and malicious faults, and less attractive to users concerned with the consumption of their resources and who may not desire to commit additional resources that are required by nodes selected as superpeers. Another point of concern is churn, defined as the constant entry and departure of nodes. Churn affects both structured and unstructured overlay networks and, in order to build resilient search protocols, it must be taken into account. This dissertation proposes a novel search algorithm, called FASE, which combines a replication policy and a search space division technique to achieve low hop counts using a small number of messages, on unstructured overlays with nonhierarquical topologies. The problem of churn is mitigated by a distributed monitoring algorithm designed with FASE in mind. Simulation results validate FASE efficiency when compared to other search algorithms for peer-to-peer networks. The evaluation of the distributed monitoring algorithm shows that it maintains FASE performance when subjected to churn.Os sistemas peer-to-peer, como aplicações de partilha e distribuição de conteúdos ou voz-sobre-IP, são construídos sobre redes sobrepostas. Redes sobrepostas são redes virtuais que existem sobre uma rede subjacente, em que a topologia da rede sobreposta não tem de ter uma correspondência com a topologia da rede subjacente. Ao contrário das suas congéneres estruturadas, as redes sobrepostas não-estru-turadas não restringem a localização dos seus participantes, ou seja, não limitam a escolha de vizinhos de um dado nó, o que torna a sua manutenção mais simples. O baixo custo de manutenção das redes sobrepostas não-estruturadas torna estas especialmente adequadas para a construção de sistemas peer-to-peer capazes de tolerar o comportamento dinâmico dos seus participantes, uma vez que estas redes são permanentemente afectadas pela entrada e saída de nós na rede, um fénomeno conhecido como churn. O algoritmo de pesquisa mais comum em redes sobrepostas não-estruturadas consiste em inundar a rede, o que origina uma grande quantidade de mensagens duplicadas por cada pesquisa. A escalabilidade destes algoritmos é limitada porque consomem demasiados recursos da rede em sistemas com muitos participantes. Para reduzir o número de mensagens, as redes sobrepostas não-estruturadas podem ser organizadas em topologias hierárquicas. Nestas topologias alguns nós da rede, chamados supernós, assumem um papel mais importante, responsabilizando-se pela localização de objectos. A utilização de supernós cria novos problemas, como a sua selecção e a dependência da rede de uma pequena percentagem dos nós. Esta dissertação apresenta um novo algoritmo de pesquisa, chamado FASE, criado para operar sobre redes sobrepostas não estruturadas com topologias não-hierárquicas. Este algoritmo combina uma política de replicação com uma técnica de divisão do espaço de procura para resolver pesquisas ao alcançe de um número reduzido de saltos com o menor custo possível. Adicionalmente, o algoritmo procura nivelar a contribuição dos participantes, já que todos contribuem de uma forma semelhante para o desempenho da pesquisa. A estratégia seguida pelo algo- ritmo consiste em dividir tanto os nós da rede como as chaves dos seus conteúdos por diferentes “frequências” e replicar chaves nas respectivas frequências, sem, no entanto, limitar a localização de um nó ou impor uma estrutura à rede ou mesmo aplicar uma definição rígida de chave. Com o objectivo de mitigar o problema do churn, é apresentado um algoritmo de monitorização distribuído para as réplicas originadas pelo FASE. Os algoritmos propostos são avaliados através de simulações, que validam a eficiência do FASE quando comparado com outros algoritmos de pesquisa em redes sobrepostas não-estruturadas. É também demonstrado que o FASE mantém o seu desempenho em redes sob o efeito do churn quando combinado com o algoritmo de monitorização