Designing multiscale hybrid platform for testing and evaluationg IoT systems Osama Abu Oun To cite this version: Osama Abu Oun. Designing multiscale hybrid platform for testing and evaluationg IoT systems. Other [cs.OH]. Université de Franche-Comté, 2015. English. NNT : 2015BESA2015. tel-01508640 HAL Id: tel-01508640 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01508640 Submitted on 14 Apr 2017 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Thèse de Doctorat école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ Conception D’une Plate-Forme Multi-Échelle Hybride pour Évaluer Les Performances de Systèmes Orientés Internet des Objets n OSAMA ABU OUN Thèse de Doctorat école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ N◦ 2 0 1 5 0 5 9 THÈSE présentée par OSAMA ABU OUN pour obtenir le Grade de Docteur de l’Université de Franche-Comté Spécialité : Informatique Conception D’une Plate-Forme Multi-Échelle Hybride pour Évaluer Les Performances de Systèmes Orientés Internet des Objets Soutenue publiquement le 09 Octobre 2015 devant le Jury composé de : JULIEN BOURGEOIS Président Professeur à l’Université de Franche- Comté THIERRY DIVOUX Rapporteur Professeur à l’Université de Lorraine FRÉDÉRIC WEIS Rapporteur Maître de Conférences HDR à l’Université de Rennes BENOÎT HILT Examinateur Maître de Conférences à l’Université de Haute-Alsace FRANÇOIS SPIES Directeur de thèse Professeur à l’Université de Franche- Comté CHRISTELLE BLOCH Co-Directeur de thèse Maître de conférences à l’Université de Franche-Comté REMERCIEMENTS Le bon déroulement et la rédaction de cette thèse n’aurait pu avoir lieu sans le soutien de l’ensemble de l’équipe du département DISC au Laboratoire Femto-ST à Montbéliard, je tiens à les en remercier. Je remercie particulièrement: • Monsieur François SPIES, Professeur des Universités, Université de Franche- Comté • Madame Christelle BLOCH, Maître de conférences à l’Université de Franche- Comté qui m’ont accueilli au sein de l’équipe de recherche de Montbéliard et suivi tout au long de ma thèse. Je tiens à remercier: • Monsieur Thierry DIVOUX, Professeur des Universités, Université de Lorraine. • Monsieur Frédéric WEIS, Maître de Conférences à l’Université de Rennes. pour l’intérêt qu’ils on manifesté pour mon travail et pour avoir accepté d’être les rapporteurs. • Monsieur Benoît HILT, Maître de Conférences à l’Université de Haute-Alsace. • Monsieur Julien BOURGEOIS, Professeur à l’Université de Franche-Comté. pour avoir accepté d’être membres de mon jury. Enfin, je remercie ma famille et mes amis pour leurs encouragements et leur confiance. v vi vii À ma mère, Rihab, qu’elle repose en paix CONTENTS I Principles and Fundamentals5 1 Introduction7 1.1 Objectives of the thesis . .8 1.1.1 Internet of Things As A Service (IoTaaS) . .8 1.1.2 Connectionless Data Exchanges (COLDE) . .9 1.2 Plan of the thesis . .9 2 State of the Art 11 2.1 Testing Internet of Things . 13 2.1.1 Test Automation . 14 2.1.2 Wireless Sensor Network (WSN) . 15 2.1.3 Smart Cities . 15 2.2 Wi-Fi-Based Communication Methods . 17 2.2.1 Multiple-Connections Wi-Fi . 17 2.2.2 Connectionless Wi-Fi . 18 2.3 Broadcasting Solutions . 19 2.3.1 Blind Flooding Method . 19 2.3.2 Probability-Based Methods . 20 2.3.3 Area-Based Methods . 20 2.3.4 Neighbor Knowledge Methods . 21 2.4 Wi-Fi-Based Indoor Positioning and Localization . 21 2.4.1 Proximity Detection . 21 2.4.2 Fingerprinting . 22 2.4.3 Trilateration and Triangulation . 22 2.5 Wi-Fi-Based Emergency Evacuation . 23 2.6 Conclusion . 24 3 Fundamentals of Application Testing and Evaluation 25 3.1 General Categorization . 26 3.2 Test-Case-Based Categorization . 27 ix x CONTENTS 3.2.1 Random Testing . 27 3.2.2 Scenario-Based Testing (Structure) . 28 3.3 Application-Based Categorization . 28 3.3.1 Web Application Testing . 28 3.3.2 Mobile Application Testing . 29 II Contribution - IoTaaS 35 4 Internet of Things Testing As A Service (IoTaaS) 37 4.1 Introduction . 37 4.2 IoTaaS Concept . 37 4.3 IoTaaS Architecture . 38 4.4 Things . 40 4.4.1 Entities . 40 4.4.2 Emulators . 40 4.5 Gateways . 41 4.6 Network Emulation Protocol (NEP) . 41 4.6.1 NEP Server . 42 4.6.2 NEP Emulator . 43 4.6.2.1 NEP Controller . 43 4.6.2.2 NEP Updater . 44 4.6.3 NEP Client . 44 4.6.4 NEP Scenario . 44 4.7 Scenarios . 45 4.7.1 Scenario Files . 46 4.7.2 Scenario Manager . 48 4.7.3 Scenario Launcher . 49 4.8 Cloud . 51 4.9 Servers . 52 4.10 User . 53 4.11 Conclusion . 53 5 IoTaaS Pilot Implementation 55 5.1 Introduction . 55 5.2 Mobile Operating System . 55 CONTENTS xi 5.3 Server Architecture . 57 5.3.1 Daemon . 58 5.3.2 Things Manager . 59 5.3.2.1 Devices . 61 5.3.2.2 Emulators . 61 5.3.3 Graphical User Interface (GUI) . 63 5.3.4 Cloud Manager . 66 5.3.4.1 Controller . 67 5.3.4.2 Parent-Communicator . 69 5.3.4.3 Child-servers Manager . 70 5.3.5 Scenarios . 70 5.3.6 Traffic Shaper . 72 5.3.7 Logging . 73 5.4 Experiments and Results . 74 5.4.1 Environment Design . 74 5.4.2 Environment Installation . 75 5.4.3 Scenario and Results . 76 5.5 Conclusion . 76 III Contribution - COLDE 77 6 Connectionless Data Exchange (COLDE) 79 6.1 Introduction . 79 6.2 IEEE 802.11 (Wi-Fi) . 80 6.2.1 Network Architecture Models . 80 6.2.2 IEEE 802.11 Key Concepts . 80 6.2.2.1 IEEE 802.11 Architecture Model . 80 6.2.2.2 IEEE 802.11 MAC Frames . 83 6.2.2.3 IEEE 802.11 MAC Management Frames . 84 6.2.3 IEEE 802.11 Station Access Phases . 85 6.3 COLDE Protocol Stack . 86 6.4 COLDE Design and Structure . 87 6.4.1 COLDE - Working Method . 88 6.4.2 COLDE Frames . 89 6.4.3 COLDE Hierarchy . 91 xii CONTENTS 6.4.3.1 Node Types . 92 6.4.3.2 Main-Nodes selection criteria . 94 6.4.4 MULTI-TIER BROADCAST . 94 6.5 Lightweight Services Exchange System . 96 6.5.1 System Entities . 96 6.5.2 System Design . 96 6.5.3 Service Mechanism . 97 6.6 COLDE Security . 98 6.7 Conclusion . 101 7 COLDE Implementation 103 7.1 Introduction . 103 7.2 Broadcasting Information In Variably Dense Environment . 103 7.2.1 Introduction . 103 7.2.2 Simulation . ..