Helix Multi-layered: federação de brokers de contexto em múltiplos níveis para estabelecer o contínuo da nuvem para as coisas.

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Fabio Henrique Cabrini
Orientador(a): Sergio Takeo Kofuji
Banca de defesa: Moacyr Martucci Junior, Edward David Moreno Ordoñez, Joel José Puga Coelho Rodrigues, Pedro Frosi Rosa
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-12082022-132117
Resumo: O crescente volume de pesquisas e o desenvolvimento de novas plataformas de backend para Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things) reforçam a proposição de novas arquiteturas que ofereçam maior flexibilidade, alto grau de integração e maior capacidade de gerenciamento e processamento das informações de contexto. Principalmente diante de um novo horizonte pavimentado por tecnologias disruptivas como Software-Defined Networking (SDN) e Management and Network Orchestration (MANO) presentes nas redes 5G. A computação em névoa ocupa um lugar de destaque neste cenário, por estender as capacidades computacionais aos níveis localizados entre os dispositivos de IoT e a nuvem, corroborando com o estabelecimento de um escopo mais amplo, o \"contínuo da nuvem para as coisas\" (do inglês CloudtoThings Continuum). No entanto, o sucesso do CloudtoThings Continuum requer uma nova geração de plataformas de IoT capazes de abarcar esse novo paradigma afim de permitir que o gerenciamento e o processamento das informações de contexto sejam realizados nos múltiplos níveis da rede. Diante deste cenário, esta tese de doutorado propõe a plataforma Helix Multi-layered, inspirada no FIWARE, que apresenta uma arquitetura baseada na federação horizontal e vertical de brokers dotados de recursos avançados para viabilizar que o gerenciamento e o processamento de informações de contexto sejam distribuídos nos múltiplos níveis da rede. A plataforma Helix Multi-layered estabelece um Cloud-to-Things Continuum a partir da integração de novas tecnologias de infraestrutura virtualizada, atuando como um middleware que oferece uma visão holística entre produtores e consumidores de contexto localizados nos níveis de nuvem, névoa e borda desse contínuo. Ademais, disponibiliza modos de operação intermediados por Helix Brokers distribuídos no Cloud-to-Things Continuum, que a depender da arquitetura da aplicação, permitem ampliar a capacidade de processamento, fusão e a disseminação das informações de contexto através da infraestrutura disponível, além de habilitar a comunicação device-to-device em fluxos edge-to-edge, edge-to-cloud, fog-to-cloud e cloud-tocloud. O Cloud Context Information Management (CCIM) e os Helix Brokers utilizam modelos de dados padronizados, habilitam o uso de relacionamentos entre entidades, subscrições condicionadas, operações com geolocalização e podem ser associados a IoT agents capazes de interoperar com protocolos de IoT. Os módulos e componentes da plataforma foram avaliados através de experimentos laboratoriais e Proof of Concepts (PoCs), tendo como destaque, os real-world testbed realizados em ambiente industrial e no Aveiro Tech City Living Lab. Além disso, a plataforma foi avaliada em um testbed compatível com a visão 5G da European Telecommunications Standards Institute (ETSI), sobre um cenário que se baseia na plataforma Novel Enablers for Cloud Slicing (NECOS) para automatização da instanciação dos módulos Helix Broker em cloud-network slices. Os experimentos permitiram avaliar e validar os módulos, componentes e modos de operação da plataforma Helix Multi-layered em diferentes casos de uso. Os resultados obtidos sugerem que os modos de operação aprovisionados pelo Helix Multi-layered permitiram redução nas taxas de One-Way Delay (OWD) na comunicação entre dispositivos de IoT mediados por brokers localizados nos níveis de névoa e borda.
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Principalmente diante de um novo horizonte pavimentado por tecnologias disruptivas como Software-Defined Networking (SDN) e Management and Network Orchestration (MANO) presentes nas redes 5G. A computação em névoa ocupa um lugar de destaque neste cenário, por estender as capacidades computacionais aos níveis localizados entre os dispositivos de IoT e a nuvem, corroborando com o estabelecimento de um escopo mais amplo, o \"contínuo da nuvem para as coisas\" (do inglês CloudtoThings Continuum). No entanto, o sucesso do CloudtoThings Continuum requer uma nova geração de plataformas de IoT capazes de abarcar esse novo paradigma afim de permitir que o gerenciamento e o processamento das informações de contexto sejam realizados nos múltiplos níveis da rede. Diante deste cenário, esta tese de doutorado propõe a plataforma Helix Multi-layered, inspirada no FIWARE, que apresenta uma arquitetura baseada na federação horizontal e vertical de brokers dotados de recursos avançados para viabilizar que o gerenciamento e o processamento de informações de contexto sejam distribuídos nos múltiplos níveis da rede. A plataforma Helix Multi-layered estabelece um Cloud-to-Things Continuum a partir da integração de novas tecnologias de infraestrutura virtualizada, atuando como um middleware que oferece uma visão holística entre produtores e consumidores de contexto localizados nos níveis de nuvem, névoa e borda desse contínuo. Ademais, disponibiliza modos de operação intermediados por Helix Brokers distribuídos no Cloud-to-Things Continuum, que a depender da arquitetura da aplicação, permitem ampliar a capacidade de processamento, fusão e a disseminação das informações de contexto através da infraestrutura disponível, além de habilitar a comunicação device-to-device em fluxos edge-to-edge, edge-to-cloud, fog-to-cloud e cloud-tocloud. O Cloud Context Information Management (CCIM) e os Helix Brokers utilizam modelos de dados padronizados, habilitam o uso de relacionamentos entre entidades, subscrições condicionadas, operações com geolocalização e podem ser associados a IoT agents capazes de interoperar com protocolos de IoT. Os módulos e componentes da plataforma foram avaliados através de experimentos laboratoriais e Proof of Concepts (PoCs), tendo como destaque, os real-world testbed realizados em ambiente industrial e no Aveiro Tech City Living Lab. Além disso, a plataforma foi avaliada em um testbed compatível com a visão 5G da European Telecommunications Standards Institute (ETSI), sobre um cenário que se baseia na plataforma Novel Enablers for Cloud Slicing (NECOS) para automatização da instanciação dos módulos Helix Broker em cloud-network slices. Os experimentos permitiram avaliar e validar os módulos, componentes e modos de operação da plataforma Helix Multi-layered em diferentes casos de uso. Os resultados obtidos sugerem que os modos de operação aprovisionados pelo Helix Multi-layered permitiram redução nas taxas de One-Way Delay (OWD) na comunicação entre dispositivos de IoT mediados por brokers localizados nos níveis de névoa e borda. The growing volume of research and the development of new backend platforms for the Internet of Things (IoT) reinforce the proposition of new architectures that offer greater flexibility, a high degree of integration and greater capacity for managing and processing context information. Especially in the face of a new horizon paved by disruptive technologies such as Software- Defined Networking (SDN) and Management and Network Orchestration (MANO) present in 5G networks. Fog computing occupies a prominent place in this scenario, as it extends computing capabilities to the levels located between IoT devices and the cloud, corroborating the establishment of a broader scope, the CloudtoThings Continuum. However, the success of the CloudtoThings Continuum requires a new generation of IoT platforms capable of embracing this new paradigm to allow the management and processing of context information to be performed at multiple levels of the network. Given this scenario, this doctoral thesis proposes the Helix Multi-layered platform, inspired by FIWARE, which presents an architecture based on the horizontal and vertical federation of brokers endowed with advanced resources to enable the management and processing of context information to be distributed at multiple levels of the network. The Helix Multi-layered platform establishes a Cloud-to-Things Continuum from the integration of new virtualized infrastructure technologies, acting as a middleware that offers a holistic view between context producers and consumers located at the cloud, fog and edge levels of this continuous. Furthermore, it provides operating modes mediated by Helix Brokers distributed in the Cloud-to-Things Continuum, which, depending on the application architecture, allow expanding the processing capacity, merging, and dissemination of context information through the available infrastructure, in addition to enabling device-to-device communication across edge-to-edge, edge-to-cloud, fog-to-cloud and cloud-to-cloud flows. Cloud Context Information Management (CCIM) and Helix Brokers use standardized data models, enable the use of entity relationships, conditional subscriptions, geolocation operations, and can be associated with IoT agents capable of interoperating with IoT protocols. The modules and components of the platform were evaluated through laboratory experiments and Proof of Concepts (PoCs), highlighting the real-world testbed conducted in an industrial environment and at the Aveiro Tech City Living Lab. In addition, the platform was evaluated in a testbed compatible with the 5G vision of the European Telecommunications Standards Institute (ETSI), on a scenario that is based on the Novel Enablers for Cloud Slicing (NECOS) platform for automating the instantiation of the Helix Broker in cloud-network slices. The experiments allowed us to evaluate and validate the modules, components, and operating modes of the Helix Multi-layered platform in different use cases. The results obtained suggest that the operating modes provided by Helix Multi-layered allowed a reduction in One-Way Delay (OWD) rates in the communication between IoT devices mediated by brokers found at the fog and edge levels. https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-12082022-132117info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2023-12-21T18:48:13Zoai:teses.usp.br:tde-12082022-132117Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212022-08-15T11:46:25Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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