物联网环境中NDN协议的性能比较分析

论文标题：Comparative Performance Analysis of NDN Protocol in IoT Environments（物联网环境中NDN协议的性能比较分析）

作者信息：

• Mohamed Ahmed M. Hail，卢贝克大学远程信息技术研究所，德国卢贝克，邮箱：m.hail@uni-luebeck.de
• Arne Matthes，卢贝克大学远程信息技术研究所，德国卢贝克，邮箱：arne.matthes@student.uni-luebeck.de
• Stefan Fischer，卢贝克大学远程信息技术研究所，德国卢贝克，邮箱：stefan.fischer@uni-luebeck.de

论文出处：2024年第七届云和物联网会议（CIoT）

主要内容：

摘要
物联网（IoT）领域需要高效、可扩展和安全的通信协议。命名数据网络（NDN）作为一种有前景的方法，满足IoT系统的需求。本文提供了NDN与MQTT等IoT协议的性能综合评估。研究通过基于ESP32的实现，评估了包括CPU利用率、每秒请求数和消息延迟等关键指标。本文还考察了不同的转发策略和通信模式，以突出NDN的内在特性和优势。此外，本文详细描述了基于NDN的IoT设备的软件架构，包括其启动过程和传感器服务。研究表明，特别是在其缓存能力的加持下，NDN在某些场景下比其他协议表现更好，突显了其在IoT应用中的有效性。结果为协议性能提供了宝贵的见解，指导未来的IoT架构设计和实现。

引言
物联网（IoT）将日常物品与互联网集成，实现这些设备之间的互联和数据交换。这些设备以其小型化、能效和集成传感器和执行器等组件为特点。然而，IoT系统面临包括传感器能源受限、有限带宽容量难以应对大规模数据流量和严重的安全漏洞等操作挑战。有效的能源管理、数据传输、带宽利用和强大的安全措施策略对于IoT网络的可持续性和安全性至关重要。IoT已迅速改变设备通信和互动的方式，需要高效、可扩展和安全的网络解决方案。为了满足这些不断演变的需求，研究人员探索了创新方法，如命名数据网络（NDN）。

相关工作
在IoT领域，NDN因其专注于内容而非连接而脱颖而出，这使其非常适合广泛且多样化的IoT设备。研究表明，NDN改进了设备间数据共享的方式，提高了安全性，并比传统IP网络更好地处理大量数据。这些改进对于克服常见的IoT问题如网络过载和安全风险至关重要，展示了NDN在IoT网络中的潜力。近年来，从多个研究作者那里探讨了IoT协议如MQTT的性能指标。最初的研究集中在特定MQTT框架的互操作性上，但没有检查它们的性能。随后的研究评估了IoT协议相对于HTTP的效率和在各种硬件平台上的性能。MQTT的功能在文献中得到了监控和评估。作者介绍了一个统一的中间件，旨在桥接如MQTT的IoT协议。利用这个中间件，在单跳有线环境中测试了两种协议。此外，MQTT在模拟环境中的医疗保健应用中得到了分析。然而，对IoT协议如MQTT的全面评估，特别是在包含低端IoT设备的实验设置中，仍未被探索。

背景与动机
命名数据网络（NDN）是一种创新的通信协议，旨在解决现代互联网的挑战。它通过采用广泛使用的TCP/IP协议的优势并弥补其不足来进行改进。与最初为电话一对一连接而开发的TCP/IP不同，当今的数字环境越来越需要支持大规模分发内容的广播连接。NDN通过使用数据包的通用名称而不是IP地址，与IP数据报中通常用于一对一连接的IP地址不同。这种命名策略将数据包从特定的发送者和接收者中解耦，允许更灵活和高效的数据分发。

概念
本节概述了固件的软件架构及其与系统其他组件的集成。固件由三个主要组件组成：“Utility NDN Servers”、“Sensor NDN Servers”和“HTTP Server”，如图2所示。“HTTP Server”组件通过HTTP提供两项服务：OTA更新和日志查看器。OTA更新允许在没有物理访问硬件的情况下通过Wi-Fi进行固件更新，而日志查看器显示最近的设备日志，这些日志可以由管理服务器查询以进行监控。选择HTTP协议提供这些服务是因为它们是管理功能，而不是通过NDN管理的核心功能。此外，HTTP在ESP32上已建立，提供更可靠的OTA更新，并最小化对硬件的物理访问。“Utility NDN Servers”仅通过NDN通信，提供NDN基础设施内的函数，如测量链路质量和传感器自动发现。“Sensor NDN Servers”在NDN网络中提供传感器读数，例如DHT11传感器、温湿度和HC-SR04传感器。

评估
在本节中，通过各种指标比较实施的解决方案与现有协议，以评估基于命名数据网络（NDN）的实现在性能方面是否具有竞争力。使用的指标包括“性能”和“消息延迟”。

• 性能
  IoT设备的一个关键特点是其有限的硬件资源。这些设备通常具有最小的内存/RAM和按今天标准慢的CPU。为了防止这些有限的资源在具有许多请求的大型网络中被压垮，本节在极端负载下测量性能，并与现有解决方案进行比较。选择HTTP和MQTT作为参考解决方案。HTTP被广泛使用，并经常应用于IoT和智能家居的背景下。MQTT使用发布-订阅方法进行数据交换，在IoT环境中广泛使用。

• 延迟
  除了前一节讨论的NDN、HTTP和MQTT的性能指标外，本节还评估了对最终用户相关的另一个指标。消息延迟在实时应用中尤为重要，如电话或在线游戏。这也是评估系统架构是否适用于更关键应用的重要和有趣的指标。

结论和未来工作
本文全面评估了命名数据网络（NDN）在物联网（IoT）系统中的应用，重点关注其与MQTT等成熟IoT协议的性能比较。通过详细分析，考察了CPU利用率、每秒请求数和消息延迟等关键指标，展示了NDN的内在优势。研究结果表明，NDN，特别是利用缓存时，在某些场景下提供更优越的性能，使其成为IoT应用的强大通信协议。本文还探讨了网络转发守护进程（NFD）在NDN架构中的作用，强调了其对转发策略和整体网络效率的影响。此外，研究了基于NDN的IoT设备的软件架构，详细描述了启动过程、传感器服务和各个组件的集成。总体而言，这项研究强调了NDN作为IoT系统的可行和高效解决方案的潜力，展示了其在对未来IoT发展至关重要的领域的优势。这项研究的见解为基于NDN设计和实施IoT架构提供了宝贵的指导，强调了能够适应不断演变网络需求的高效通信协议的必要性。展望未来，研究为进一步探索NDN在IoT环境中的效率和优化奠定了坚实的基础。虽然当前研究在模拟场景中提供了宝贵的见解，但仍有机会将这项研究扩展到实际应用中。我们计划在实际IoT环境中使用真实设备部署NDN，使我们能够验证模拟实验的结果，并探索实时设置中的实践挑战和性能影响。这种真实设备测试将使我们能够衡量NDN在管理实际数据流量和设备交互时的实际益处和潜在限制，提供对协议在不同和不可预测条件下的可扩展性、可靠性和效率的更全面理解。此外，进一步的研究将旨在解决NDN对低功耗IoT设备电池寿命的影响、协议在高网络拥塞场景下的行为以及其在面对不断演变的网络威胁时的安全影响等未解决问题。解决这些差距将有助于完善NDN配置并增强其为大规模IoT网络的采用准备。