Session layer bounded latency in wireless mesh networks

During the last years, wireless networks gained increasing importance in humans life, becoming leading actors in many scenarios. Consider for example the incredible spread of mobile devices and those related to the Internet of Things, together with commonly used technologies such as WiFi or ZigBee. Wireless technologies are usually targeted either to high-performance or low-power networks and, in this context, TDMH (Time Deterministic Multi-Hop) presents itself as a wireless communication stack capable of providing efficient low-power medium access control. Being also able to manage multi-hop mesh networks and adapt to network topology changes, TDMH is suitable for real-time applications, running on battery-powered devices and targeting industrial control use cases. In such applications, guarantees on the expected latency bounds for all the packets flowing through the network is crucial and, to the best of the author's knowledge, existing technologies are unable to combine then with the support for multi-hop network topologies. This thesis presents an extension to the existing TDMH session layer, through the design and implementation of two new interfaces between the application and the underlying network stack layers, enforcing guarantees on the latency bounds up to the upper ones. The optimized mechanisms are presented together with reliability experiments and the validation of the proposed solution through an exemplary use case of distributed feedback control over a wireless network. The conducted experiments confirm that TDMH is suitable for real-time control applications, being able to achieve high network reliability levels and to provide deterministic latencies.

Negli ultimi anni le reti wireless hanno acquisito un'importanza sempre maggiore nella vita di tutti i giorni, diventando attori di primo piano in molti scenari. Si consideri ad esempio l'incredibile diffusione dei dispositivi mobili e relativi all'Internet of Things, assieme a tecnologie usate comunemente come WiFi o ZigBee. Le tecnologie wireless sono generalmente destinate a reti ad alte prestazioni o a basso consumo energetico e in questo contesto TDMH (Time Deterministic Multi-Hop) si presenta come uno stack di comunicazione wireless capace di fornire accesso al mezzo di comunicazione in modo efficiente e a bassa potenza. Essendo anche in grado di gestire reti mesh multi-hop e di adattarsi ai cambiamenti della topologia di rete, TDMH è adatto per applicazioni real-time eseguite su dispositivi alimentati a batteria e mirati a casi d'uso di controllo industriale. In tali applicazioni è cruciale fornire garanzie sui limiti di latenza per tutti i pacchetti che fluiscono attraverso la rete e, al meglio delle conoscenze dell'autore, le tecnologie esistenti non sono in grado di combinarle con il supporto a topologie di rete multi-hop. Questa tesi presenta un'estensione dell'esistente livello di sessione di TDMH attraverso la progettazione e l'implementazione di due nuove interfacce fra l'applicazione e lo stack di rete sottostante, fornendo garanzie sui limiti di latenza fino ai livelli più alti. I meccanismi e le ottimizzazioni realizzati vengono presentati insieme a esperimenti di affidabilità e alla validazione della soluzione proposta attraverso un caso d'uso esemplare di controllo a feedback, distribuito su una rete wireless. Gli esperimenti effettuati mostrano come TDMH sia adatto ad applicazioni di controllo real-time, essendo capace di raggiungere alti livelli di affidabilità di rete e di fornire latenze deterministiche.