Design, implementation and experimentation of a protocol stack for the Internet of Things

The Internet of Things (IoT) is a novel paradigm that promises to offer us enhanced awareness of our surroundings through the introduction of processing, communication and sensing capabilities in everyday objects. Any object, which is now “smart”, will help providing an augmented reality experience thanks to its machine–to–machine interactions with other smart objects and with the web services in the Internet cloud as well. To make the IoT paradigm a reality, an interoperable, efficient and flexible Internet protocol stack is a key requirement; many research institutions and standardization bodies have been working to this end in the current years. This thesis is centered around the technical challenges involved in the realization of such a protocol stack, including their definition and evaluation. Beyond the experimentation of current protocol proposals, this thesis also contains novel approaches, optimizations and architectures critical for building IoT nodes using cost, energy, and processing constrained devices, such as the ones readily available on the market for building IoT prototypes. Implementation, simulation and experimentation of such technologies have revealed several issues preventing an efficient realization of such IoT systems. These issues have been addressed by the software and protocol architecture proposed in this thesis, which has proved to be more efficient than the state-of-the-art during simulations and field trials in realistic operation conditions

La Internet of Things (IoT), ossia la Internet delle Cose, è un nuovo paradigma tecnologico che promette di offrirci una migliore consape-volezza di cosa ci circonda aggiungendo agli oggetti di uso quotidiano capacità elaborative, comunicative e sensoriali. Ogni oggetto, reso così “intelligente”, collaborerà nel provvedere all’utente un’esperienza di realtà aumentata, ottenuta grazie alle interazioni macchina–macchina con gli alri oggetti intelligenti, ed anche con i servizi presenti nella nuvola di Internet. Per rendere la IoT una realtà, un requisito chiave è rappresentato dall’avere un insieme di protocolli Internet che siano al contempo interoperabili, efficienti e flessibili; molti istituti di ricerca e organismi di standardizzazione hanno lavorato a questo scopo durante questi anni. Questo lavoro di tesi è centrato intorno alle complessità tecniche che minano la realizazzione pratica di tale protocol stack, includendo quindi la loro definizione e valutazione. Oltre la sperimentazione delle proposte protocollari correnti, questa tesi contiene nuovi approcci, ottimizzazioni e architetture critiche per la costruzione di nodi della IoT tramite dispositivi limitati in termini di costo, energia e capacità di elaborazione, come quelli che sono attualmente disponibili sul mercato per la costruzione di prototipi. L’implementazione, la simulazione e la sperimentazione di queste tecnologie hanno rilevato numerose problematiche che possono prevenire la realizzazione efficiente di tale sistema IoT. Queste problematiche sono state gestite nell’architettura protocollare e software proposta in questa tesi, che infatti si ` dimostrata essere più efficiente dello stato dell’arte durante le simulazioni e la sperimentazione sul campo in condizioni operative realistiche