Cross Layer Optimisatie Van IoT Systemen

Het internet der dingen (Internet of Things – IoT) integreert sensoren, actuatoren en computatie in alledaagse dingen zoals lichten, thermostaten en koffiezetmachines. Deze dingen worden gemonitord en bestuurd vanop afstand via digitale processen door ze met het internet te verbinden. Applicatieontwikkeling voor IoT blijft echter complex vanwege de beperkte systeembronnen van IoT platformen, gelimiteerde communicatie en de dynamische aard van IoT applicaties.

Draadloze communicatie domineert het energieverbruik van IoT apparaten, en IoT applicaties zijn vaak vereist om voor lange periodes te functioneren op een enkele batterijlading. Applicatieontwikkelaars moeten daarom het gebruik van systeembronnen optimaliseren met oog op de applicatievereisten. Bijkomend worden IoT applicaties run-time geherconfigureerd vanwege veranderingen van de applicatievereisten. Deze run-time herconfiguraties veranderen het gebruik van systeembronnen. In dit geval is het belangrijk dat systeembronnen dynamisch gealloceerd worden om functionele correctheid te garanderen.

Deze dissertatie handelt over cross-layer optimalisatie aanpakken voor IoT systemen. Vanwege de proliferatie van technologieën voor IoT, begint deze dissertatie met een empirische analyse van IoT besturingssystemen en programmeermodellen. Vervolgens wordt er een energiemodel ontwikkeld en geëvalueerd op real-world IoT systemen. Gebaseerd op de resultaten van de empirische analyse en de lessen geleerd uit het energiemodel, kiest deze dissertatie een modulair besturingssysteem uitgebreid met een herconfigureerbare middleware als representatief software platform. Dit wordt ondersteund door representatieve IoT netwerktechnologieën.

Draadloze communicatie is de voornaamste bron van energieconsumptie in IoT installaties. Energieconsumptie kan geminimaliseerd worden door data aggregatie, een techniek waarin meerdere berichten gecombineerd worden in een enkel datagram, en bijgevolg radiotransmissies gereduceerd worden. Eigentijdse aanpakken voor data aggregatie ondersteunen ofwel network-wide optimale data aggregatie structuren die de topologie van de gedistribueerde applicatie beperken, of integreren generieke aggregatie functionaliteit in de onderliggende netwerk stack zonder de eigenlijke applicatie te overwegen. Deze dissertatie stelt Hitch Hiker voor, een component binding model met ingebouwde ondersteuning voor data aggregatie. Het Hitch Hiker binding model staat ontwikkelaars toe om hoge prioriteit bindingen te creëren die radio transmissies genereren, of lage prioriteit bindingen die exclusief communiceren door middel van een data aggregatie overlay netwerk en bijgevolg geen additionele transmissies genereren. Door netwerkverkeer van lagere prioriteit te routeren over deze data aggregatie overlay, reduceert Hitch Hiker aanzienlijk energieconsumptie. Bovendien bieden lage prioriteit bindingen ontwikkelaars een elegante manier aan om data aggregatie te configureren.

De dynamische aard van IoT applicaties gekoppeld aan de heterogeniteit van netwerkverkeer leidt tot suboptimale bandbreedte allocatie in IoT netwerken. Over-alloceren van bandbreedte om piekverkeer op te vangen verhoogt energieverbruik, terwijl onder-alloceren resulteert in pakketverlies. Het probleem is vooral moeilijk in dynamische systemen waar bandbreedtevereisten veranderen over tijd. Deze dissertatie pakt dit probleem aan met Dawn, een autonome middleware voor dynamische IoT systemen. Dawn reserveert bandbreedte voor IoT applicatie rekening houdend met hun vereisten. Wanneer een applicatie geherconfigureerd wordt, herberekent en alloceert Dawn de optimale bandbreedte om zowel performantie als energie-efficiëntie te garanderen.

Tot slot, om verder onderzoek te ondersteunen in het veld van dynamische IoT systemen, draagt deze dissertatie zowel applicatie- als netwerklaag testbeds bij. Het applicatielaag testbed is uitgerold in DR Congo om ontwikkelingsprojecten te ondersteunen. Dit testbed heeft onze collega’s toegestaan om een slimme medische koelkast applicatie te ontwikkelen, die medische voorzieningen zoals bloed en vaccines monitoren in Kikwit. Verder is er een netwerklaag testbed ontwikkeld, DeltaIoT, om onderzoekers te ondersteunen in hun werk in het veld van adaptieve systemen. Vroege resultaten van DeltaIoT laten zien dat het erg nuttig is om adaptieve oplossingen in real-world systemen te testen door middel van experimentatie.