Software technologieën voor multi-tenant internet of things platformen

Het Internet der Dingen (Engels: Internet of Things, afkorting IoT) is een evolutie binnen de informatietechnologie waar intelligentie verweven wordt in alledaagse Dingen, om ze zo computatie-, communicatie-, bediening-, en meeting-mogelijkheden te verschaffen.

De snelle groei en unieke kenmerken van de IoT introduceren nieuwe uitdagingen vanwege de heterogeniteit in hardware en software en een gebrek aan lichtgewicht en volwassen softwaretechnologieën.

IoT-infrastructuren kunnen hun groei niet ondersteunen zonder flexibele, efficiënte en veilige software voor zowel platformen als netwerken.

Om de visie van een alomtegenwoordig en bruikbaar IoT te verwezenlijken, moeten industrie en wetenschap kosteneffectieve oplossingen bieden met een duidelijk rendement op investeringen dat de IoT mogelijk maakt als een veilige, open en herbruikbare infrastructuur waarop alle betrokkenen betrouwbaar hun diensten kunnen aanbieden.

Voorbeeldtoepassingen van deze visie zijn slimme woningen, slimme steden en Industrie 4.0 die de fysieke en virtuele werelden overbruggen en de kans bieden om de maatschappij en de industrie te verbeteren.

Moderne IoT-softwaretechnologieën bieden geen holistische oplossingen voor een veilig en open gebruik van de diverse soorten platformen.

Gedeeltelijke oplossingen zijn afkomstig van onderzoek in zowel mainstream computing als sensornetwerken, maar behandelen niet de specifieke kenmerken van de IoT.

Het cloud model is een bewezen paradigma dat computerinfrastructuur veilig en transparant schaalt en deelt.

De aanpassing van de cloud aan de IoT; vaak bestempeld als edge computing, verplaatst intelligentie naar de randen van het IoT-netwerk en krijgt veel onderzoeksbelangstelling.

De huidige benaderingen zijn echter vaak niet geschikt voor de grenzen van het internet-geschikte netwerk, waar zich bijvoorbeeld klasse-1 IoT-toestellen bevinden, en bieden geen holistische, veilige en deelbare oplossingen voor resource-beperkte platformen.

Analoog levert voorafgaand onderzoek naar ingebedde apparaten van draadloze sensornetwerken wel lichtgewicht beveiligingsmethoden en multi-tenancy-oplossingen, maar houdt het geen rekening met de hedendaagse implicaties van alomtegenwoordige (internet)connectiviteit.

Voor de verdere ontwikkeling van de IoT zijn softwaretechnologieën nodig die technieken van beide gebieden hanteren, integreren en aanpassen, terwijl ze ook de specifieke kenmerken van de IoT in acht nemen.

Dit proefschrift presenteert vier bijdragen die edge computing ondersteunen door de ontwikkeling van softwaretechnologieën voor multi-tenant IoT-platformen.

De eerste bijdrage, genaamd CerberOS, is het eerste IoT-besturingssysteem dat resource security en multi-tenancy mogelijk maakt voor zelfs beperkte klasse-1 IoT-apparaten.

CerberOS ondersteunt services van derde partijen, ontwikkeld in een hogere programmeertaal, om platformen veilig te delen zonder speciale hardware- of softwaremodules.

De tweede bijdrage, genaamd Polyglot CerberOS, verbetert de vorige bijdrage door isolatie, resource security en veilige interacties toe te laten tussen services in verschillende programmeertalen op klasse-1 IoT-platformen.

Polyglot CerberOS stelt ontwikkelaars in staat verschillende programmeertalen te gebruiken om resource-secure services te realiseren met behoud van de expressiviteit, interoperabiliteit en andere voordelen van hogere programmeertalen.

De derde bijdrage is een  zero configuration group communication framework dat gebruikmaakt van de  IPv6-specificatie standaard en groepsmanagementtechnologieën om lichtgewicht servicegroepconfiguratie en -communicatie mogelijk te maken.

De vierde en laatste bijdrage, genaamd Niflheim, is een middleware die end-to-end modulaire microservice-gebaseerde applicatieorkestratie biedt op alle lagen van de IoT.

Niflheim maakt efficiënt gebruik van heterogene IoT-platformen, waaronder CerberOS, en biedt een gebruiksvriendelijke grafische interface aan voor de specificatie en implementatie van applicaties.

De resultaten van deze bijdragen zijn een groep softwaretechnologieën die toelaten cloud computing naar de randen van de IoT te brengen, waarbij het gebruik van gedeelde, veilige en flexibele platformen door de verschillende belanghebbenden wordt bevorderd.

Elke bijdrage is experimenteel gevalideerd op hardware in representatieve IoT-implementaties van real-life use-cases.

Uit evaluatie blijkt dat deze technologieën geschikt zijn voor beperkte klasse-1 IoT-platformen, waarbij een langdurige operationele levensduur blijft behouden en veiligheid, multi-tenancy en interoperabiliteit worden geboden.

Verder toonden experimenten, die tot 150 apparaten omvatten, de haalbaarheid en het potentieel van zowel Niflheim als CerberOS aan als een manier om het gebruik en de schaalbaarheid van IoT-infrastructuur te verbeteren via veilige, interoperabele microservice-hostingplatformen.