Seamless integration of smart objects into the internet using XMPP and mDNS/DNS-SD

Nahtlose Integration von smarten Objekten ins Internet unter Nutzung von XMPP und mDNS/DNS-SD

  • With the integration of smart objects into the Internet users should gain new possibilities to directly interact with their physical environment. This vision is called Internet of Things (IoT) and is enabled by the development of micro Internet Protocol (IP) stacks that allow one to directly connect smart objects to the Internet. IP alone cannot ensure a seamless integration because advanced services (e.g., service discovery, identity management) can only be provided at the application layer. The current development of application protocols for the IoT focuses on the Machine-to-Machine (M2M) communication and introduces specialized protocol gateways, smart object-specific code or data representations that hinder a seamless integration. This thesis deals with the seamless integration, discovery, and employment of smart objects into the current Internet infrastructure under Human-to-Machine (H2M) communication aspects by using and adapting already established protocols that have been standardized by the Internet Engineering Task ForceWith the integration of smart objects into the Internet users should gain new possibilities to directly interact with their physical environment. This vision is called Internet of Things (IoT) and is enabled by the development of micro Internet Protocol (IP) stacks that allow one to directly connect smart objects to the Internet. IP alone cannot ensure a seamless integration because advanced services (e.g., service discovery, identity management) can only be provided at the application layer. The current development of application protocols for the IoT focuses on the Machine-to-Machine (M2M) communication and introduces specialized protocol gateways, smart object-specific code or data representations that hinder a seamless integration. This thesis deals with the seamless integration, discovery, and employment of smart objects into the current Internet infrastructure under Human-to-Machine (H2M) communication aspects by using and adapting already established protocols that have been standardized by the Internet Engineering Task Force (IETF), such as the Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP), Multicast DNS (mDNS), and DNS Service Discovery (DNS-SD). The proposed approach is called Chatty Things. So smart objects may become a natural part of the network making the IoT readily usable for (non-technical) users and network administrators providing them with the same level of usability that is predominant in the current Internet infrastructure. The applicability of XMPP and mDNS/DNS-SD for smart objects has been evaluated with implementations of minimized, modular, and extensible software stacks for the IoT operating system Contiki. This includes a readily usable Application Programming Interface (API), an essential set of XMPP extension protocols, a proposal for lightweight and user-friendly event notification, a standardized bootstrapping, and a seamless fallback mechanism for ad hoc use cases when infrastructure services are failing for XMPP-driven smart objects. Furthermore, this thesis presents optimizations for the used protocols to reduce the network traffic in low data rate smart object networks (e.g., sensor-specific groups, enhanced message compression mechanisms). To sum up, this thesis shows how XMPP and mDNS/DNS-SD can be used economically on smart objects for the seamless integration with low effort into the current Internet infrastructure to enable a transparent (H2M) interaction and service discovery for the IoT.show moreshow less
  • Mit der Integration von smarten Objekten ins Internet sollen Nutzer neue Möglichkeiten gewinnen, um direkt mit ihrer natürlichen Umwelt zu interagieren. Diese Vision wird das Internet der Dinge genannt, kurz IoT (englisch Internet of Things), und ist durch die Entwicklung von minimierten Internet Protokoll (IP) Stapeln geprägt, welche es erlauben smarte Objekte direkt mit dem Internet zu verbinden. IP alleine ermöglicht aber keine nahtlose Integration, weil erweiterte Dienste (z.B. Diensterkennung, Identitäts-Management) nur auf der Anwendungsschicht bereitgestellt werden können. Die aktuelle Entwicklung von Anwendungsprotokollen für das IoT konzentriert sich auf die Maschine-zu-Maschine Kommunikation und führt spezialisierte Protokoll-Gateways, Smart-Objekt-spezifischen Code oder Datendarstellungen ein, die eine nahtlose Integration behindern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der nahtlosen Integration, Erkennung und Benutzung von smarten Objekten in die existierende Internet-Infrastruktur unter Mensch-zu-MaschineMit der Integration von smarten Objekten ins Internet sollen Nutzer neue Möglichkeiten gewinnen, um direkt mit ihrer natürlichen Umwelt zu interagieren. Diese Vision wird das Internet der Dinge genannt, kurz IoT (englisch Internet of Things), und ist durch die Entwicklung von minimierten Internet Protokoll (IP) Stapeln geprägt, welche es erlauben smarte Objekte direkt mit dem Internet zu verbinden. IP alleine ermöglicht aber keine nahtlose Integration, weil erweiterte Dienste (z.B. Diensterkennung, Identitäts-Management) nur auf der Anwendungsschicht bereitgestellt werden können. Die aktuelle Entwicklung von Anwendungsprotokollen für das IoT konzentriert sich auf die Maschine-zu-Maschine Kommunikation und führt spezialisierte Protokoll-Gateways, Smart-Objekt-spezifischen Code oder Datendarstellungen ein, die eine nahtlose Integration behindern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der nahtlosen Integration, Erkennung und Benutzung von smarten Objekten in die existierende Internet-Infrastruktur unter Mensch-zu-Maschine Kommunikationsaspekten durch die Verwendung und Anpassung bereits etablierter Protokolle, welche von der Internet Engineering Task Force (IETF) standardisiert worden sind. Der vorgeschlagene Ansatz wird Chatty Things genannt, da die Protokolle Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP), Multicast DNS (mDNS) und DNS Service Discovery (DNS-SD) Verwendung finden. Somit sind smarte Objekte ein natürlicher Teil des Netzes und machen das IoT leicht verwendbar für Jedermann, weil sowohl (nicht-technischen) Benutzern als auch Netzwerkadministratoren das gleiche Maß an Benutzerfreundlichkeit bereitgestellt werden kann, welche sie von bisherigen Internet-Anwendungen gewohnt sind. Die Anwendbarkeit von XMPP und mDNS/DNS-SD für smarte Objekte ist mit Implementierungen von minimierten, modularen und erweiterbaren Protokoll-Stapeln für das IoT-Betriebssystem Contiki bewertet worden. Dies beinhaltet eine leicht verwendbare Programmierschnittstelle, eine wesentliche Auswahl geeigneter XMPP-Erweiterungen, einen Vorschlag für eine leichtgewichtige und benutzerfreundliche Ereignisbenachrichtigung, eine standardisiertes Bootstrapping und einen Ausweich-Mechanismus für Ad-hoc-Anwendungsfälle, wenn Infrastrukturdienste versagen für XMPP-gesteuerte smart Objekte. Des Weiteren präsentiert diese Arbeit Optimierungen für die verwendeten Protokolle um den Datenstrom in Netzen mit niedriger Datenrate smarter Objekte zu reduzieren (z.B. durch Sensor-spezifischer Gruppen, erweiterte Nachrichten-Kompressionsmechanismen). Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, wie XMPP und mDNS/DNS-SD ökonomisch auf smarten Objekten für deren nahtlose Integration in die bestehende Internet-Infrastruktur verwendet werden können, um eine transparente (H2M) Interaktion und Diensterkennung für das IoT zu erlauben.show moreshow less

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Metadaten
Author: Klauck, Ronny
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38507
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. habil. König, Hartmut, Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h. c. Schill, Alexander, Prof. Dr. Schönwälder, Jürgen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/04/26
Release Date:2016/06/07
Tag:Industrie 4.0; Internet der Dinge
DNS-SD; IoT; Smart Object; XMPP; mDNS
GND Keyword:DNS <Internet>; Industrie 4.0; Intelligentes Objekt; Internet der Dinge; Kommunikationsprotokoll
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Rechnernetze und Kommunikationssysteme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.