Implementation of gateway redundancy management for Internet of Things mission-critical applications

Nowadays, the Internet of Things (IoT) technology is spread in very different scenarios like healthcare, transport and smart building and other applications without any strict constraints in reliability. Different, however, is the case of Mission-Critical applications where strict requirements often pose unforeseen challenges. One of such challenges is the efficient management of redundancy in order to eliminate single points of failure often associated with todays IoT gateways. The main goal of this thesis is to develop a proof-of-concept Wireless Sensor Network (WSN) proto- type using commercial-off-the-shelf (COTS) hardware such as Arduino, Raspberry Pi in combination with XBee ra- dio interfaces that implements Wireless Fidelity (Wi-Fi) and ZigBee stacks. The implemented prototype employs Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol for IoT communication. This has been implemented in our prototype in order to test these solutions and discover potentially overlooked issues. Recently the International Telecommunication Union has released a new Recommendation for the avionics field, called Wireless Avionics Intra- Communications based on existing wireless standards: Wi- Fi and ZigBee. After an initial survey of Wi-Fi and Zig-bee possible network failures, a solution has been found for the implementation of a failure tolerant Transmission Data Controller (TDC). We presented a high level solution for the management of the gateway redundancy and achieved robustness of the system against data loss, even in case of Single Point of Failure (SPOF). This allowed the TDC to be transparent for the cloud.

Al giorno d’oggi, la tecnologia dell’IoT si sviluppa in scenari molto diversi, come la sanità, i trasporti, edifici intelligenti ed altre applicazioni senza requisiti rigorosi in termini di affidabilità e sincronizzazione. Diverso, invece è il caso di applicazioni mission-critical che spesso pongono requisiti stringenti. Tra questi il principale è la possibilità di garantire ridondanza al fine di eliminare singoli punti di guasto spesso associato con gli odierni gateway dell’IoT. L’obiettivo principale di questa tesi è quello di sviluppare un prototipo utilizzando COTS hardware, cioè dispositivi come Arduino, Raspberry Pi e interfacce radio XBee. This has been implemented in our prototype in order to test these solutions and discover potentially overlooked issues. Il prototipo implementato utilizza il protocollo MQTT per la comunicazione. Recentemente l’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni ha definito una nuova raccomandazione per il campo avionico, denominata Wireless Avionics Intra-Communications (WAIC) che è basata su tecnologie di trasmissioni esistenti: Wi-Fi e ZigBee. Dopo un’analisi della bibliografia riguardanti i possibili guasti delle reti Wi-Fi e ZigBee, una soluzione è stata implementata per la realizzazione di un sistema tollerante ai guasti. Presentiamo una soluzione ad alto livello per la gestione della ridondanza dei gateway, ottenendo la robustezza del sistema contro possibile perdite di dati, anche in caso di SPOF. Questa implementazione è trasparente lato cloud.