Evolving smart infrastructures requires both content distribution as well as event notification and processing support. Content Centric Networking (CCN), built around named data, is a clean slate network architecture for supporting future applications. Due to its focus on content distribution, CCN does not inherently support Publish-Subscribe event notification, a fundamental building block in computer mediated systems and a critical requirement for smart infrastructure applications. While semantics of content distribution and event notification require different support systems from the underlying network infrastructure, content distribution and event notification can still be united by leveraging similarities in the routing infrastructure. Our Extended-CCN architecture(X-CCN) realizes this to provide lightweight content based pub-sub service at the network layer, which is used to provide advanced publish/subscribe services at higher layers. Light weight content based pub-sub and CCN communication at network layer along with advanced publish/subscribe together are presented as data fabric for the smart infrastructures applications.

Evolving smart infrastructures requires both content distribution as well as event notification and processing support. Content Centric Networking (CCN), built around named data, is a clean slate network architecture for supporting future applications. Due to its focus on content distribution, CCN does not inherently support Publish-Subscribe event notification, a fundamental building block in computer mediated systems and a critical requirement for smart infrastructure applications. While semantics of content distribution and event notification require different support systems from the underlying network infrastructure, content distribution and event notification can still be united by leveraging similarities in the routing infrastructure. Our Extended-CCN architecture(X-CCN) realizes this to provide lightweight content based pub-sub service at the network layer, which is used to provide advanced publish/subscribe services at higher layers. Light weight content based pub-sub and CCN communication at network layer along with advanced publish/subscribe together are presented as data fabric for the smart infrastructures applications.

Redes Orientadas a Conteúdo (Information-Centric Networks, ICN) são um novo paradigma de comunicação criado para aproximar as infraestruturas de rede às necessidades de sistemas de distribuição de conteúdo. ICN utiliza mecanismos de roteamento e cache projetados para atender requisições por objetos de dados unicamente identificados e desassociados de um localizador fixo. Até o momento, pesquisas sobre ICN focaram principalmente na avaliação de aspectos arquiteturais, tais como o desempenho de diferentes esquemas de roteamento e cache. Entretanto, o método aplicado para distribuir dados utilizando o conceito de objetos também pode impactar a comunicação em uma ICN. Esta tese explora um modelo que permite a distribuição de um conteúdo através de múltiplos objetos de dados. Emprega-se o conceito de relações, definidas como elos entre dois objetos indicando que os dados de um complementam de alguma forma os dados do outro. Tal modelo baseado em relações permite que clientes identifiquem e recuperem os objetos necessários para a reconstrução do conteúdo. Ele é agnóstico ao formato de dados das aplicações, suporta diferentes estruturas de relações e é retrocompatível com especificações atuais de arquiteturas ICN. Também discute-se os principais aspectos de projeto relativos à implementação do modelo na arquitetura NDN. Para avaliar o impacto de relações no desempenho da rede e aplicações, foi realizada uma série de experimentos com dois estudos de caso baseados em cenários relevantes da Internet atual, sendo eles: conteúdo multimídia e páginasWeb. O estudo de caso sobre conteúdo multimídia explora um cenário favorável, no qual relações apresentam uma sobrecarga negligível em contraste ao grande volume de dados dos conteúdos. Os resultados deste estudo de caso mostram que, em comparação com a implementação padrão do NDN, o uso de relações pode reduzir os tempos de download em 34% e o tráfego de rede em 43%. Por sua vez, o estudo de caso sobre páginasWeb explora um cenário no qual relações geram um impacto não negligível na rede e aplicações. A análise deste cenário mostra que, mesmo com a sobrecarga adicional gerada pelas relações, o mecanismo pode reduzir, em média, o tempo de download dos clientes em 28% e o tráfego de rede em 34%. / Information-Centric Networking (ICN) is a communication paradigm created to align the network infrastructures to the needs of content distribution systems. ICN employs routing and caching mechanisms tailored to fulfill requests for uniquely identified data objects not associated to a fixed locator. So far, research about ICN focused primarily on evaluating architectural aspects, such as the performance of di erent routing and caching schemes. However, the method applied to distribute data using the concept of objects can also impact communications in an ICN. In this thesis, we explore a model that enables the distribution of contents as multiple data objects. We employ the concept of relations, defined as links between two objects indicating that the data from one complements in some way the data from the other. Our model based on relations enables clients to identify and retrieve the data pieces required to reconstruct a content. It is application agnostic, supports di erent relation structures, and is backward-compatible with current ICN specifications. We also discuss the main design aspects related to the implementation of the model in the Named Data Networking (NDN) architecture. To evaluate how relations impact network and application performance, we perform a series of experiments with two case studies based on relevant scenarios from the current Internet, namely: multimedia content and Web pages. The multimedia case study explores a favorable scenario in which relations present a negligible overhead in contrast to the high volume of content data. Results from this case study show that, compared to the standard NDN implementation, relations can reduce download times by 34% and network tra c by 43%. In turn, the Web pages case study explores a scenario in which relations generate a non-negligible impact on the network and applications. The analysis of this scenario shows that, even with the additional overhead incurred by relations, the mechanism can reduce on average 28% client download time, and 34%, global network tra c.

Um desafio fundamental em ICN (do inglês Information-Centric Networking) é desenvolver Content Stores (ou seja, unidades de cache) que satisfaçam três requisitos: espaço de armazenamento grande, velocidade de operação rápida e custo acessível. A chamada Hierarchical Content Store (HCS) é uma abordagem promissora para atender a esses requisitos. Ela explora a correlação temporal entre requisições para prever futuras solicitações. Por exemplo, assume-se que um usuário que solicita o primeiro minuto de um filme também solicitará o segundo minuto. Teoricamente, essa premissa permitiria transferir proativamente conteúdos de uma área de cache relativamente grande, mas lenta (Layer 2 - L2), para uma área de cache mais rápida, porém menor (Layer 1 - L1). A estrutura hierárquica tem potencial para incrementar o desempenho da CS em uma ordem de grandeza tanto em termos de vazão como de tamanho, mantendo o custo. Contudo, o desenvolvimento de HCS apresenta diversos desafios práticos. É necessário acoplar as hierarquias de memória L2 e L1 considerando as suas taxas de transferência e tamanhos, que dependem tanto de aspectos de hardware (por exemplo, taxa de leitura da L2, uso de múltiplos SSD físicos em paralelo, velocidade de barramento, etc.), como de software (por exemplo, controlador do SSD, gerenciamento de memória, etc.). Nesse contexto, esta tese apresenta duas contribuições principais. Primeiramente, é proposta uma arquitetura para superar os gargalos inerentes ao sistema através da paralelização de múltiplas HCS. Em resumo, o esquema proposto supera desafios inerentes à concorrência (especificamente, sincronismo) através do particionamento determinístico das requisições de conteúdos entre múltiplas threads. Em segundo lugar, é proposta uma metodologia para investigar o desenvolvimento de HCS explorando técnicas de emulação e modelagem analítica conjuntamente. A metodologia proposta apresenta vantagens em relação a metodologias baseadas em prototipação e simulação. A L2 é emulada para viabilizar a investigação de uma variedade de cenários de contorno (tanto em termos de hardware como de software) maior do que seria possível através de prototipação (considerando as tecnologias atuais). Além disso, a emulação emprega código real de um protótipo para os outros componentes do HCS (por exemplo L1, gerência das camadas e API) para fornecer resultados mais realistas do que seriam obtidos através de simulação. / A key challenge in Information Centric Networking (ICN) is to develop cache units (also called Content Store - CS) that meet three requirements: large storage space, fast operation, and affordable cost. The so-called HCS (Hierarchical Content Store) is a promising approach to satisfy these requirements jointly. It explores the correlation between content requests to predict future demands. Theoretically, this idea would enable proactively content transfers from a relatively large but slow cache area (Layer 2 - L2) to a faster but smaller cache area (Layer 1 - L1). Thereby, it would be possible to increase the throughput and size of CS in one order of magnitude, while keeping the cost. However, the development of HCS introduces several practical challenges. HCS requires a careful coupling of L2 and L1 memory levels considering their transfer rates and sizes. This requirement depends on both hardware specifications (e.g., read rate L2, use of multiple physical SSD in parallel, bus speed, etc.), and software aspects (e.g., the SSD controller, memory management, etc.). In this context, this thesis presents two main contributions. First, we propose an architecture for overcoming the HCS bottlenecks by parallelizing multiple HCS. In summary, the proposed scheme overcomes racing condition related challenges through deterministic partitioning of content requests among multiple threads. Second, we propose a methodology to investigate the development of HCS exploiting emulation techniques and analytical modeling jointly. The proposed methodology offers advantages over prototyping and simulation-based methods. We emulate the L2 to enable the investigation of a variety of boundary scenarios that are richer (regarding both hardware and software aspects) than would be possible through prototyping (considering current technologies). Moreover, the emulation employs real code from a prototype for the other components of the HCS (e.g., L1, layers management and API) to provide more realistic results than would be obtained through simulation.

Um desafio fundamental em ICN (do inglês Information-Centric Networking) é desenvolver Content Stores (ou seja, unidades de cache) que satisfaçam três requisitos: espaço de armazenamento grande, velocidade de operação rápida e custo acessível. A chamada Hierarchical Content Store (HCS) é uma abordagem promissora para atender a esses requisitos. Ela explora a correlação temporal entre requisições para prever futuras solicitações. Por exemplo, assume-se que um usuário que solicita o primeiro minuto de um filme também solicitará o segundo minuto. Teoricamente, essa premissa permitiria transferir proativamente conteúdos de uma área de cache relativamente grande, mas lenta (Layer 2 - L2), para uma área de cache mais rápida, porém menor (Layer 1 - L1). A estrutura hierárquica tem potencial para incrementar o desempenho da CS em uma ordem de grandeza tanto em termos de vazão como de tamanho, mantendo o custo. Contudo, o desenvolvimento de HCS apresenta diversos desafios práticos. É necessário acoplar as hierarquias de memória L2 e L1 considerando as suas taxas de transferência e tamanhos, que dependem tanto de aspectos de hardware (por exemplo, taxa de leitura da L2, uso de múltiplos SSD físicos em paralelo, velocidade de barramento, etc.), como de software (por exemplo, controlador do SSD, gerenciamento de memória, etc.). Nesse contexto, esta tese apresenta duas contribuições principais. Primeiramente, é proposta uma arquitetura para superar os gargalos inerentes ao sistema através da paralelização de múltiplas HCS. Em resumo, o esquema proposto supera desafios inerentes à concorrência (especificamente, sincronismo) através do particionamento determinístico das requisições de conteúdos entre múltiplas threads. Em segundo lugar, é proposta uma metodologia para investigar o desenvolvimento de HCS explorando técnicas de emulação e modelagem analítica conjuntamente. A metodologia proposta apresenta vantagens em relação a metodologias baseadas em prototipação e simulação. A L2 é emulada para viabilizar a investigação de uma variedade de cenários de contorno (tanto em termos de hardware como de software) maior do que seria possível através de prototipação (considerando as tecnologias atuais). Além disso, a emulação emprega código real de um protótipo para os outros componentes do HCS (por exemplo L1, gerência das camadas e API) para fornecer resultados mais realistas do que seriam obtidos através de simulação. / A key challenge in Information Centric Networking (ICN) is to develop cache units (also called Content Store - CS) that meet three requirements: large storage space, fast operation, and affordable cost. The so-called HCS (Hierarchical Content Store) is a promising approach to satisfy these requirements jointly. It explores the correlation between content requests to predict future demands. Theoretically, this idea would enable proactively content transfers from a relatively large but slow cache area (Layer 2 - L2) to a faster but smaller cache area (Layer 1 - L1). Thereby, it would be possible to increase the throughput and size of CS in one order of magnitude, while keeping the cost. However, the development of HCS introduces several practical challenges. HCS requires a careful coupling of L2 and L1 memory levels considering their transfer rates and sizes. This requirement depends on both hardware specifications (e.g., read rate L2, use of multiple physical SSD in parallel, bus speed, etc.), and software aspects (e.g., the SSD controller, memory management, etc.). In this context, this thesis presents two main contributions. First, we propose an architecture for overcoming the HCS bottlenecks by parallelizing multiple HCS. In summary, the proposed scheme overcomes racing condition related challenges through deterministic partitioning of content requests among multiple threads. Second, we propose a methodology to investigate the development of HCS exploiting emulation techniques and analytical modeling jointly. The proposed methodology offers advantages over prototyping and simulation-based methods. We emulate the L2 to enable the investigation of a variety of boundary scenarios that are richer (regarding both hardware and software aspects) than would be possible through prototyping (considering current technologies). Moreover, the emulation employs real code from a prototype for the other components of the HCS (e.g., L1, layers management and API) to provide more realistic results than would be obtained through simulation.

Redes Orientadas a Conteúdo (Information-Centric Networks, ICN) são um novo paradigma de comunicação criado para aproximar as infraestruturas de rede às necessidades de sistemas de distribuição de conteúdo. ICN utiliza mecanismos de roteamento e cache projetados para atender requisições por objetos de dados unicamente identificados e desassociados de um localizador fixo. Até o momento, pesquisas sobre ICN focaram principalmente na avaliação de aspectos arquiteturais, tais como o desempenho de diferentes esquemas de roteamento e cache. Entretanto, o método aplicado para distribuir dados utilizando o conceito de objetos também pode impactar a comunicação em uma ICN. Esta tese explora um modelo que permite a distribuição de um conteúdo através de múltiplos objetos de dados. Emprega-se o conceito de relações, definidas como elos entre dois objetos indicando que os dados de um complementam de alguma forma os dados do outro. Tal modelo baseado em relações permite que clientes identifiquem e recuperem os objetos necessários para a reconstrução do conteúdo. Ele é agnóstico ao formato de dados das aplicações, suporta diferentes estruturas de relações e é retrocompatível com especificações atuais de arquiteturas ICN. Também discute-se os principais aspectos de projeto relativos à implementação do modelo na arquitetura NDN. Para avaliar o impacto de relações no desempenho da rede e aplicações, foi realizada uma série de experimentos com dois estudos de caso baseados em cenários relevantes da Internet atual, sendo eles: conteúdo multimídia e páginasWeb. O estudo de caso sobre conteúdo multimídia explora um cenário favorável, no qual relações apresentam uma sobrecarga negligível em contraste ao grande volume de dados dos conteúdos. Os resultados deste estudo de caso mostram que, em comparação com a implementação padrão do NDN, o uso de relações pode reduzir os tempos de download em 34% e o tráfego de rede em 43%. Por sua vez, o estudo de caso sobre páginasWeb explora um cenário no qual relações geram um impacto não negligível na rede e aplicações. A análise deste cenário mostra que, mesmo com a sobrecarga adicional gerada pelas relações, o mecanismo pode reduzir, em média, o tempo de download dos clientes em 28% e o tráfego de rede em 34%. / Information-Centric Networking (ICN) is a communication paradigm created to align the network infrastructures to the needs of content distribution systems. ICN employs routing and caching mechanisms tailored to fulfill requests for uniquely identified data objects not associated to a fixed locator. So far, research about ICN focused primarily on evaluating architectural aspects, such as the performance of di erent routing and caching schemes. However, the method applied to distribute data using the concept of objects can also impact communications in an ICN. In this thesis, we explore a model that enables the distribution of contents as multiple data objects. We employ the concept of relations, defined as links between two objects indicating that the data from one complements in some way the data from the other. Our model based on relations enables clients to identify and retrieve the data pieces required to reconstruct a content. It is application agnostic, supports di erent relation structures, and is backward-compatible with current ICN specifications. We also discuss the main design aspects related to the implementation of the model in the Named Data Networking (NDN) architecture. To evaluate how relations impact network and application performance, we perform a series of experiments with two case studies based on relevant scenarios from the current Internet, namely: multimedia content and Web pages. The multimedia case study explores a favorable scenario in which relations present a negligible overhead in contrast to the high volume of content data. Results from this case study show that, compared to the standard NDN implementation, relations can reduce download times by 34% and network tra c by 43%. In turn, the Web pages case study explores a scenario in which relations generate a non-negligible impact on the network and applications. The analysis of this scenario shows that, even with the additional overhead incurred by relations, the mechanism can reduce on average 28% client download time, and 34%, global network tra c.

Context. A huge majority of the current Internet traffic is information dissemination. Information-Centric Networking (ICN) is a future networking paradigm that focuses on global level information dissemination. In ICN, the communication is defined in terms of requesting and providing Named Data Objects (NDO). NetInf is a future networking architecture based on Information-Centric Networking principles. Objectives. In this thesis, a global routing solution for ICN has been implemented. The authority part of NDO's name is mapped to a set of routing hints each with a priority value. Multiple NDOs can share the same authority part and thus the first level aggregation is provided. The routing hints are used to forward a request for a NDO towards a suitable copy of the NDO. The second level aggregation is achieved by aggregating high priority routing hints on low priority routing hints. The performance and scalability of the routing implementation are evaluated with respect to global ICN requirements. Furthermore, some of the notable challenges in implementing global ICN routing are identified. Methods. The NetInf global routing solution is implemented by extending NEC's NetInf Router Platform (NNRP). A NetInf testbed is built over the Internet using the extended NNRP implementation. Performance measurements have been taken from the NetInf testbed. The performance measurements have been discussed in detail in terms of routing scalability. Results. The performance measurements show that hop-by-hop transport has significant impact on the overall request forwarding. A notable amount of time is taken for extracting and inserting binary objects such as routing hints at each router. Conclusions. A more suitable hop-by-hop transport mechanism can be evaluated and used with respect to global ICN requirements. The NetInf message structure can be redefined so that binary objects such as routing hints can be transmitted more efficiently. Apart from that, the performance of the global routing implementation appears to be reasonable. As the NetInf global routing solution provides two levels of aggregation, it can be scalable as well.

An extensive analysis of attribute-based encryption (ABE) in systems with resource constrained devices is performed. Two system solutions of how ABE can be performed in such systems are proposed, one where the ABE operations are performed at the resource constrained devices and one where ABE is performed at a powerful server. The system solutions are discussed with three different ABE schemes. Two of the schemes are the traditional key policy ABE (KP-ABE) and ciphertext policy ABE (CP-ABE). The third scheme is using KP-ABE to simulate CP-ABE, in an attempt to benefit from KP-ABE being computationally cheaper than CP-ABE while maintaining the intuitive way of using CP-ABE. ABE is a computationally expensive encryption method which might not be feasible to perform at the resource constrained sensors, depending on the hardware. An implementation of a CP-ABE scheme with a 128 bit security level was written and used to evaluate the feasibility of ABE on a sensor equipped with an ARM Cortex-M3 processor having 32 kB RAM and 256 kB flash. It is possible to perform CP-ABE on the sensor used in this project. The limiting factor of feasibility of ABE on the sensor is the RAM size. In this case policy sizes up to 12 attributes can be performed on the sensor. The results give an idea of the feasibility of encryption with ABE on sensors. In addition to the results several ways of improving performance of ABE on the sensor are discussed.

The Named Data Networking (NDN) is a new Internet architecture that changes the network semantic from packet delivery to content retrieval and promises benefits in areas such as content distribution, security, mobility support, and application development. While the basic NDN architecture applies to any network environment, local area networks (LANs) are of particular interest because of their prevalence on the Internet and the relatively low barrier to deployment. In this dissertation, I design NDN protocols and implement NDN software, to make NDN communication in LAN robust and efficient. My contributions include: (a) a forwarding behavior specification required on every NDN node; (b) a secure and efficient self-learning strategy for switched Ethernet, which discovers available contents via occasional flooding, so that the network can operate without manual configuration, and does not require a routing protocol or a centralized controller; (c) NDN-NIC, a network interface card that performs name-based packet filtering, to reduce CPU overhead and power consumption of the main system during broadcast communication on shared media; (d) the NDN Link Protocol (NDNLP), which allows the forwarding plane to add hop-by-hop headers, and provides a fragmentation-reassembly feature so that large NDN packets can be sent directly over Ethernet with limited MTU.

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