Performance evaluation of MQTT over satellite links

The thesis proposes integrating a satellite network with IoT MQTT clients in a virtualized and emulated environment. The topology is formed by a single satellite, a single gateway, and a single satellite terminal. Connected to the satellite terminal, the virtual network includes an additional machine representing the ST's workstation. In real-world setups, it represents the local area network where IoT devices belong, usually in rural areas with no connectivity that need to rely on the satellite link to reach the backbone of the system. The tool used for satellite networks and communication is OpenSAND. It is an emulation tool of satellite communications that implements a simplified version of the second-generation digital video broadcasting protocols, namely DVB-S2 and DVB-RCS2. It allows the configuration of the delay of a communication channel and the evolution over time of the attenuation of a link. The first was used to emulate two different types of satellites: a Geosynchronous Equatorial Orbit (GEO) satellite, with a total RTT of 500 ms, and a Medium Earth Orbit (MEO) satellite, with an RTT of 150 ms. The attenuation represents the most important degree of freedom configured through the project. The attenuation traces were obtained from real-world measurements, as precisely described in the article "Modeling the Space-Time Evolution of Rain Fields for Electromagnetic Wave Propagation Applications" for the GEO simulations, and from the European Space Agency's project "The MEKaP Project" for the MEO simulations. Regarding MQTT nodes, tests have been performed over the three levels of service quality with different publish rates of 10, 15, and 20 seconds. Simulations were conducted by changing the keepalive value to analyze the trade-off between closing a session and keeping it alive when the link quality degrades. A buffer of different dimensions has been introduced to limit the number of messages an MQTT publisher can hold after a disconnection happens. Simulations in ideal and pessimistic conditions have been tested in MQTT architecture with different publisher-subscriber configurations. The thesis proposes a baseline for the performance evaluation of a network formed by integrating satellite links and MQTT clients to show the protocol's capabilities in high-latency-constrained environments.

L'obiettivo della tesi è progettare e analizzare le performance di un sistema ottenuta dall'integrazione di una rete satellitare e noti IoT MQTT virtuali in ambiente simulato. La topologia scelta consiste in un singolo satellite, un gateway e un satellite terminal. Un quarto nodo incluso nella rete virtual è dato dalla workstation del satellite terminal, il cui obiettivo è emulare le funzionalità dei nodi IoT che in contesti reali rappresentano i generatori dei dati ottenuti in zone rurali prive di connettività che si vogliono inoltrare all'infrastruttura privata del sistema, facendo affidamento al satellite. Il software utilizzato per l'emulazione del canale di comunicazione satellitare è OpenSAND. Il tool implementa una versione semplificata del protocollo satellitare di digital video broadcasting di seconda generazione, ovvero DVB-S2 e DVB-RCS2. Esso permette la personalizzazione del ritardo a cui devono far fronte i messaggi che vengono trasmessi o vengono ricevuti dal satellite, e dell'evoluzione dell'attenuazione che può portare a latenze aggiuntive o perdita di pacchetti. Il ritardo è stato impostato a due valori: per l'emulazione di satelliti GEO è stato impostato un RTT totale di 500 ms, mentre per i satelliti MEO l'RTT ha un valore di 150 ms. L'attenuazione, invece, rappresenta il grado di libertà di maggior rilevanza della tesi. Le tracce di evoluzione sono state ottenute da misurazioni reali, come illustrato con precisione nei due articoli di riferimento: "Modeling the Space-Time Evolution of Rain Fields for Electromagnetic Wave Propagation Applications" per i satelliti GEO, e il progetto della European Space Agency chiamato "The MEKaP Project" per i satelliti MEO. Riguardo ai nodi MQTT, i test sono stati condotti sui tre diversi livelli di qualità di servizio previsti dal protocollo con tre diversi rate di pubblicazione, pari a 10, 15 e 20 secondi. Le simulazioni sono state fatte cambiando il valore del keepalive in modo da analizzare il trade-off tra chiudere la sessione TCP e mantenerla aperta e attiva quando la qualità del canale di comunicazione degrada. Inoltre, sono stati introdotti dei buffer per limitare il numero di messaggi MQTT che possono essere tenuti in coda da parte del client quando è disconnesso dal broker. Infine, test nei casi di attenuazione ideale e pessimo sono stati eseguiti su due tipi di archittettura differenti: la prima include dieci publisher e un subscriber, mentre la seconda prevede un solo publisher e dieci subscriber, tutti sullo stesso topic. L'obiettivo della tesi è quello di offrire una base alle metriche di performance di interesse per la qualità di traffico MQTT che viene trasmesso su link satellitari, in modo da mostrare le capacità del protocollo applicativo in ambienti limitati e ad alta latenza come quello satellitare.