Agnostic APIs for operating systems in heterogeneous internet of things endpoint devices

Abstract

Connecting a multitude of low-end devices in the Internet of Things (IoT) leads to many issues that must be tackled from the early stages of development, such as security, privacy, heterogeneity, interoperability, and connectivity. With the ever-growing amounts of data transferred over the network, performance is a topic that has gained an increased importance. Besides these requirements, several applications also require real-time capabilities, in order to deal with the critical timing constraints. Typically, an Operating System (OS) facilitates managing these requirements. However, traditional general-purpose OSes are not suitable for low-end devices due to their constrained resources. Thus, embedded OSes with small memory footprints emerged as a great solution that combine connectivity between devices and the Internet. Embedded OSes in the IoT often integrate a network stack, enabling both connectivity and interoperability features. Such network stack enables a structured and standardized communication between devices resorting to its back-to-back layer structure, which implements a set of well-known protocols and standards. Due to the many network stacks available, e.g., uIP and OpenWSN, the interoperability requirements are not always met. This is due to each network stack deploying their own protocol version, or adopting different standards in each layer. In order to mitigate these problems, and since there is no ”one size fits all” solution, this thesis targets the study of a well-known OS for IoT and its network stack, focusing in creating an agnostic Application Programming Interface (API) that can facilitate its integration with other network layers from different stack implementations. This will promote the interoperability requirements without sacrificing the normal behavior of a node, while keeping the full connectivity with the IoT network.

Conectar uma grande quantidade de dispositivos low-end à Internet of Things (IoT) apresenta desafios que devem ser considerados desde os estágios iniciais de desenvolvimento, tais como a segurança, privacidade, heterogeneidade, interoperabilidade e conectividade. Cada vez mais, estes dispositivos necessitam de trocar um elevado número de dados com a Internet, o que afeta severamente o seu desempenho. Além disto, inúmeras aplicações apresentam requisitos temporeal. Tipicamente, um Sistema Operativo (SO) facilita a gestão destes requisitos. No entanto, SOs de propósito geral não são apropriados para dispositivos low-end, devido à limitação de recursos que estes apresentam. Por esta razão, SOs embebidos emergiram como uma solução que combina conectividade entre dispositivos e a Internet, com um impacto reduzido de memória. SOs embebidos com ligação à Internet frequentemente tem uma pilha de rede integrada, que fornece funcionalidades de conectividade e interoperabilidade. Esta permite uma comunicação estruturada e regularizada, entre dispositivos, recorrendo à sua estrutura de camadas sequenciais, e implementando um conjunto de protocolos e standards. Devido às inúmeras pilhas de rede disponíveis, por exemplo, uIP e OpenWSN, os requisitos de interoperabilidade nem sempre são cumpridos. Isto acontece devido ao facto de que cada pilha de rede implementa a sua própria versão de um protocolo, ou adopta standards diferentes em cada camada. Com o intuito de mititgar estes problemas e visto que não há uma solução generalizada, esta tese focar-se-á no estudo de um SO para IoT e a sua pilha de rede. Irá centrar-se no desenvolvimento de um conjunto de Application Programming Interfaces (APIs) agnósticas, com a finalidade de facilitar a integração do SO com diferentes implementações de pilhas de rede. Realizar-se-á com a finalidade de promover os requisitos de interoperabilidade anteriormente mencionados, sem sacrificar o normal desempenho de um nodo, mantendo total conectividade com a rede IoT.