Enhancement of Fog/Edge and Cloud based IIoT Architectures

• ZUZENDARIAK: Josu Bilbao eta Pedro M. Crespo Bofill
• UNIBERTSITATEA: Tecnun

LABURPENA

4.0 industriak bilakaera teknologiko bat islatzen du industria eta fabrikazioaren digitalizazioaren bitartez. Industria eraldaketa hau posible egiten duten funtsezko teknologiak Sistema Ziberfisikoak (Cyber-Physical Systems, CPS) eta Gauzen Interneta (Internet of Things, IoT) dira nagusiki, eta milioika gailuren arteko konexioa ahalbidetzen dute. IoT teknologiak industria eremuan aplikatzen direnean, Gauzen Internet Industriala (Industrial IoT, IIoT) sortzen da, Machine-to-Machine (M2M) eta industria-komunikazioko teknologiak barne hartzen dituena. IIoT zerbitzuen garapenak baldintza zorrotzak ezartzen ditu industriako zenbait sektoretan, aipatutako transformazio industriala ahalbidetuko duten soluzio berrien beharra sortuz.

Teknologia berri eta aurreratuak aplikatzeaz gain, ezinbestekoa da IIoT-aren baldintza berriak bermatzen dituen arkitektura bat inplementatzea. Cloud-ean oinarritutako datu-prozesaketa sistemak oso garrantzitsuak dira IIoT aplikazioentzat, batez ere denbora-errealeko datuen kasuan. Hala ere, cloud computing-a ez da beti gai izango denborarekiko sentikorrak diren IIoT aplikazioen baldintza zorrotzak betetzeko. Muga horiek gainditzeko, fog computing-a da azaleratzen ari den topologietako bat, cloud-aren gaitasunak sarearen ertzera, IoT gailuetatik hurbilago, zabaltzen dituena. Aurrekoa kontuan hartuta, tesi honetan arkitektura industrial desberdinen potentziala eta gaitasunak aztertu dira. Hiru-mailako arkitektura baten erabilera (IoT-fog-cloud) etorkizun handiko konponbidea dela ondorioztatu dugu, aplikazio bakoitzaren beharretara hobeto egokitu daitekeelako eta sareari malgutasuna eta eskalagarritasuna ematen dizkiolako. Hiru-mailako arkitektura erreferentziatzat hartuz, hainbat tresna eta teknika aztertu ditugu arkitektura honen berezko ezaugarri eta abantailak hobetzeko duten ahalmena ikusteko, hala nola, Network Coding (NC) eta Machine Learning (ML).

Tesiaren lehenengo ekarpena NC datu kodifikazio teknikek biltegiratze sistemen gaineko egokitasuna aztertzea izan da. Kostu txikiko cloud zerbitzuak erabili ditugu NC-rekin batera, errentagarritasun ekonomikoa eta fidagarritasuna bermatzeko helburuarekin. Emaitzen arabera, biltegiratzea minimizatzen duten konfigurazioek kostuak gehiago murrizten dituzte, eta honez gain, biltegiratze kostua txikiagotu egiten da cloud kopuru handiagoz osatutako sistemetan. NC teknikekin jarraituz, eta berriro ere datu-banaketa mekanismo gisa NC teknikak erabiliz, fog-cloud arkitektura batean biltegiratutako datuak deskargatzeko behar den denbora aztertu dugu. Kasu honetan nodoei errendimendu-parametro desberdinak esleitu dizkiegu. Deskarga-denbora minimizatzen duen datu-banaketa optimoa lortzeko, sistemaren parametroak kontutan hartzen dituen banaketa-algoritmo optimo bat garatu dugu. Burututako analisiek erakusten dute proposatutako eskemak beste banaketa-estrategia batzuk gainditzen dituela, baita konektibitate baldintza eskasetan ere. Aurreko bi ekarpen hauek NC tekniken potentziala frogatzen dute. Gainera, teknika horiek estrapolatu egin daitezke beste faktore batzuk hobetzeko, adibidez, sistemaren nodoen arteko komunikazioetan jasan daiteken atzerapena.

Tesi honen hurrengo ekarpena ML-a erabiltzen duten datu-iragarleen aplikazioa izan da. Teknika/teknologia hau aplikatuz fog computing-ean oinarritutako arkitektura baten parte diren IoT nodoen eraginkortasun energetikoa hobetu nahi izan da. Horretarako, MQTT komunikazioa oinarri duen komunikazio-eredu bat definitu dugu. Eredu horrek bit bakoitzaren energia kontsumoa eta komunikazioan elkarbanatutako byte kopurua hartzen ditu kontuan, baita algoritmo prediktiboaren doitasun-maila ere. Frogatu ahal izan dugunez, energia gutxiago kontsumitzen da iragarlearen doitasun-maila hobetzean, eta QoS maila altuagoekin, proposatutako eredua errentagarriagoa da, bereziki tamaina handiagoko mezuak trukatzen direnean.

Azkenik, Homomorphic Encryption (HE) zifratze teknologia NC teknikekin batera erabiltzea proposatu dugu, IoT-aren pribatutasun-arazoak gainditzeko, eta baita NC-ek IoT arkitekturarentzako ekar ditzakeen onurak handitzeko. Aipatutako arkitekturaren gaineko aplikagarritasuna era teoriko batean erakutsi dugu, momentuko ikerketa lanetan oinarrituta. Bukatzeko, bi teknologia hauen aplikazioak arkitektura mota horretan dituen onurak eta muga nagusiak eztabaidatu ditugu.