Implementazione di un protocollo Header-compression a livello applicazione per scenari IoT

Il fenomeno noto come Internet of Things costituisce oggi il motore principale dell'espansione della rete Internet globale, essendo artefice del collegamento di miliardi di nuovi dispositivi. A causa delle limitate capacità energetiche e di elaborazione di questi dispositivi è necessario riprogettare molti dei protocolli Internet standard. Un esempio lampante è costituito dalla definizione del Constrained Application Protocol (CoAP), protocollo di comunicazione client-server pensato per sostituire HTTP in reti IoT. Per consentire la compatibilità tra reti IoT e rete Internet sono state definite delle linee guida per la mappatura di messaggi CoAP in messaggi HTTP e viceversa, consentendo così l'implementazione di proxies in grado di connettere una rete IoT ad Internet. Tuttavia, questa mappatura è circoscritta ai soli campi e messaggi che permettono di implementare un'architettura REST, rendendo dunque impossibile l'uso di protocolli di livello applicazione basati su HTTP.La soluzione proposta consiste nella definizione di un protocollo di compressione adattiva dei messaggi HTTP, in modo che soluzioni valide fuori dagli scenari IoT, come ad esempio scambio di messaggi generici, possano essere implementate anche in reti IoT. I risultati ottenuti mostrano inoltre che nello scenario di riferimento la compressione adattiva di messaggi HTTP raggiunge prestazioni inferiori rispetto ad altri algoritmi di compressione di intestazioni (in particolare HPACK), ma più che valide perchè le uniche applicabili attualmente in scenari IoT.

CoS: a new perspective of operating systems design for the cyber-physical world

Our day-to-day life is dependent on several embedded devices, and in the near future, many more objects will have computation and communication capabilities enabling an Internet of Things. Correspondingly, with an increase in the interaction of these devices around us, developing novel applications is set to become challenging with current software infrastructures. In this paper, we argue that a new paradigm for operating systems needs to be conceptualized to provide aconducive base for application development on Cyber-physical systems. We demonstrate its need and importance using a few use-case scenarios and provide the design principles behind, and an architecture of a co-operating system or CoS that can serve as an example of this new paradigm.

Measuring data transfer in heterogeneous IoT environments

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Quality-of-service aware routing for static and mobile IPv6-based low-power and lossy sensor networks using RPL

The Internet of Things (IoT) has emerged as a paradigm over the last few years as a result of the tight integration of the computing and the physical world. The requirement of remote sensing makes low-power wireless sensor networks one of the key enabling technologies of IoT. These networks encompass several challenges, especially in communication and networking, due to their inherent constraints of low-power features, deployment in harsh and lossy environments, and limited computing and storage resources. The IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL) [1] was proposed by the IETF ROLL (Routing Over Low-power Lossy links) working group and is currently adopted as an IETF standard in the RFC 6550 since March 2012. Although RPL greatly satisfied the requirements of low-power and lossy sensor networks, several issues remain open for improvement and specification, in particular with respect to Quality of Service (QoS) guarantees and support for mobility. In this paper, we focus mainly on the RPL routing protocol. We propose some enhancements to the standard specification in order to provide QoS guarantees for static as well as mobile LLNs. For this purpose, we propose OF-FL (Objective Function based on Fuzzy Logic), a new objective function that overcomes the limitations of the standardized objective functions that were designed for RPL by considering important link and node metrics, namely end-to-end delay, number of hops, ETX (Expected transmission count) and LQL (Link Quality Level). In addition, we present the design of Co-RPL, an extension to RPL based on the corona mechanism that supports mobility in order to overcome the problem of slow reactivity to frequent topology changes and thus providing a better quality of service mainly in dynamic networks application. Performance evaluation results show that both OF-FL and Co-RPL allow a great improvement when compared to the standard specification, mainly in terms of packet loss ratio and average network latency. 2015 Elsevier B.V. Al

Modelos de negócios para a internet das coisas baseados em big data : Muzzley, um estudo de caso

A Internet das Coisas tal como o Big Data e a análise dos dados são dos temas mais discutidos ao querermos observar ou prever as tendências do mercado para as próximas décadas, como o volume económico, financeiro e social, pelo que será relevante perceber a importância destes temas na atualidade. Nesta dissertação será descrita a origem da Internet das Coisas, a sua definição (por vezes confundida com o termo Machine to Machine, redes interligadas de máquinas controladas e monitorizadas remotamente e que possibilitam a troca de dados (Bahga e Madisetti 2014)), o seu ecossistema que envolve a tecnologia, software, dispositivos, aplicações, a infra-estrutura envolvente, e ainda os aspetos relacionados com a segurança, privacidade e modelos de negócios da Internet das Coisas. Pretende-se igualmente explicar cada um dos “Vs” associados ao Big Data: Velocidade, Volume, Variedade e Veracidade, a importância da Business Inteligence e do Data Mining, destacando-se algumas técnicas utilizadas de modo a transformar o volume dos dados em conhecimento para as empresas. Um dos objetivos deste trabalho é a análise das áreas de IoT, modelos de negócio e as implicações do Big Data e da análise de dados como elementos chave para a dinamização do negócio de uma empresa nesta área. O mercado da Internet of Things tem vindo a ganhar dimensão, fruto da Internet e da tecnologia. Devido à importância destes dois recursos e á falta de estudos em Portugal neste campo, com esta dissertação, sustentada na metodologia do “Estudo do Caso”, pretende-se dar a conhecer a experiência portuguesa no mercado da Internet das Coisas. Visa-se assim perceber quais os mecanismos utilizados para trabalhar os dados, a metodologia, sua importância, que consequências trazem para o modelo de negócio e quais as decisões tomadas com base nesses mesmos dados. Este estudo tem ainda como objetivo incentivar empresas portuguesas que estejam neste mercado ou que nele pretendam aceder, a adoptarem estratégias, mecanismos e ferramentas concretas no que diz respeito ao Big Data e análise dos dados.

Communications with QoS in IoT&Cloud environment

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Telecomunicações e Informática

Load balancing in P2P smartphone based distributed IoT systems

With the new age of Internet of Things (IoT), object of everyday such as mobile smart devices start to be equipped with cheap sensors and low energy wireless communication capability. Nowadays mobile smart devices (phones, tablets) have become an ubiquitous device with everyone having access to at least one device. There is an opportunity to build innovative applications and services by exploiting these devices’ untapped rechargeable energy, sensing and processing capabilities. In this thesis, we propose, develop, implement and evaluate LoadIoT a peer-to-peer load balancing scheme that can distribute tasks among plethora of mobile smart devices in the IoT world. We develop and demonstrate an android-based proof of concept load-balancing application. We also present a model of the system which is used to validate the efficiency of the load balancing approach under varying application scenarios. Load balancing concepts can be apply to IoT scenario linked to smart devices. It is able to reduce the traffic send to the Cloud and the energy consumption of the devices. The data acquired from the experimental outcomes enable us to determine the feasibility and cost-effectiveness of a load balanced P2P smart phone-based applications.

Sensor communication in Smart cities and regions: An efficient IoT-based remote health monitoring system

Recent advances in Information and Communication Technology (ICT), especially those related to the Internet of Things (IoT), are facilitating smart regions. Among many services that a smart region can offer, remote health monitoring is a typical application of IoT paradigm. It offers the ability to continuously monitor and collect health-related data from a person, and transmit the data to a remote entity (for example, a healthcare service provider) for further processing and knowledge extraction. An IoT-based remote health monitoring system can be beneficial in rural areas belonging to the smart region where people have limited access to regular healthcare services. The same system can be beneficial in urban areas where hospitals can be overcrowded and where it may take substantial time to avail healthcare. However, this system may generate a large amount of data. In order to realize an efficient IoT-based remote health monitoring system, it is imperative to study the network communication needs of such a system; in particular the bandwidth requirements and the volume of generated data. The thesis studies a commercial product for remote health monitoring in Skellefteå, Sweden. Based on the results obtained via the commercial product, the thesis identified the key network-related requirements of a typical remote health monitoring system in terms of real-time event update, bandwidth requirements and data generation. Furthermore, the thesis has proposed an architecture called IReHMo - an IoT-based remote health monitoring architecture. This architecture allows users to incorporate several types of IoT devices to extend the sensing capabilities of the system. Using IReHMo, several IoT communication protocols such as HTTP, MQTT and CoAP has been evaluated and compared against each other. Results showed that CoAP is the most efficient protocol to transmit small size healthcare data to the remote servers. The combination of IReHMo and CoAP significantly reduced the required bandwidth as well as the volume of generated data (up to 56 percent) compared to the commercial product. Finally, the thesis conducted a scalability analysis, to determine the feasibility of deploying the combination of IReHMo and CoAP in large numbers in regions in north Sweden.

Interoperability for IoT Health Systems Using HL7 Standard

Internet of Things or IoT is revolutionizing the world we are living in, similarly the way Internet and the web did few decades ago. It is changing how we interact with the things surrounding us. Electronic health and remote patient monitoring are the ways of utilizing these technological improvements towards the healthcare. There are many applications of IoT in eHealth such as, it will open the gate to provide healthcare to the remote areas of the world, where healthcare through traditional hospital systems cannot be provided. To connect these new eHealth IoT systems with the existing healthcare information systems, we can use the existing interoperability standards commonly used in healthcare information systems. In this thesis we implemented an eHealth IoT system based on Health Level 7 interoperability standard for continuous data transmission. There is not much previous work done in implementing the HL7 for continuous sensor data transmission. Some of the previous work was limited to sensors which are not continuous in nature and some of it is only theatrical architecture. This thesis aims to prove that it is possible to implement an eHealth IoT system by using sensors which require continues data transmission, such as respiratory sensors, and to connect it with the existing eHealth information system semantically by using HL7 interoperability standard. This system will be beneficial in implementing eHealth IoT systems for those patients, who requires continuous healthcare personal monitoring. This includes elderly people and patients, whose health need to be monitored constantly. To implement the architecture, HL7 v2.5 is selected due to its ease of implementation and low size. We selected some open source technologies because of their open licenses and large developer community. We will also review the most efficient technology available in every layer of eHealth IoT system and will propose an efficient system.

Distributed access control and privacy for the internet of me

This article presents an experimental scalable message driven IoT and its security architecture based on Decentralized Information Flow Control. The system uses a gateway that exports SoA (REST) interfaces to the internet simplifying external applications whereas uses DIFC and asynchronous messaging within the home environment.

Use of shared memory in the context of embedded multi-core processors: exploration of the technology and its limits

Modern embedded systems embrace many-core shared-memory designs. Due to constrained power and area budgets, most of them feature software-managed scratchpad memories instead of data caches to increase the data locality. It is therefore programmers’ responsibility to explicitly manage the memory transfers, and this make programming these platform cumbersome. Moreover, complex modern applications must be adequately parallelized before they can the parallel potential of the platform into actual performance. To support this, programming languages were proposed, which work at a high level of abstraction, and rely on a runtime whose cost hinders performance, especially in embedded systems, where resources and power budget are constrained. This dissertation explores the applicability of the shared-memory paradigm on modern many-core systems, focusing on the ease-of-programming. It focuses on OpenMP, the de-facto standard for shared memory programming. In a first part, the cost of algorithms for synchronization and data partitioning are analyzed, and they are adapted to modern embedded many-cores. Then, the original design of an OpenMP runtime library is presented, which supports complex forms of parallelism such as multi-level and irregular parallelism. In the second part of the thesis, the focus is on heterogeneous systems, where hardware accelerators are coupled to (many-)cores to implement key functional kernels with orders-of-magnitude of speedup and energy efficiency compared to the “pure software” version. However, three main issues rise, namely i) platform design complexity, ii) architectural scalability and iii) programmability. To tackle them, a template for a generic hardware processing unit (HWPU) is proposed, which share the memory banks with cores, and the template for a scalable architecture is shown, which integrates them through the shared-memory system. Then, a full software stack and toolchain are developed to support platform design and to let programmers exploiting the accelerators of the platform. The OpenMP frontend is extended to interact with it.

IoT e progettazione di sistemi di Home Automation: un caso di studio reale basato su framework e standard open

La nascita della Internet of Things, come conseguenza dell'aumento della capacità di calcolo e adozione di connettività in nuovi dispositivi, ha permesso l'apporto di nuove tecnologie negli oggetti di uso quotidiano e ha cambiano il modo in cui le persone utilizzano e interagiscono con questi oggetti. La Home Automation, da sempre orientata al controllo locale e remoto di apparecchiature domestiche, non ha mai raggiunto una grande diffusione per colpa del costo elevato, una controproducente chiusura rispetto ad altri sistemi e una certa difficoltà nella sua programmazione da parte dei possibili utenti. Le possibilità offerte dalla IoT e i limiti della Home Automation hanno suggerito lo sviluppo di un sistema in grado si superare queste limitazioni sfruttando le tecnologie più adatte a integrare Smart Object e sistemi, gli uni con gli altri, in maniera semplice e rapida. Il progetto e lo sviluppo di una soluzione reale di Home Automation basata su un impianto domotico commerciale ha permesso di dimostrare come strumenti opensource e tecnologie orientate alla IoT consentano, se opportunamente integrate, di migliorare sia la fruibilità dei sistemi domotici, attraverso la maggiore apertura verso altri sistemi, sia l'interazione con l'utente che sarà in grado di creare in modo semplice e diretto scenari di utilizzo sempre nuovi.

Sistema Bluetooth-based di remarketing pervasivo

Il progetto si propone di dotare la realta fisica di un estensione digitale. Sensori, attuatori e tecnologie embedded hanno cambiato il nostro modo di lavorare, allenarci e seguire i nostri interessi. Il mondo del commercio non e rimasto a guardare ed ha dovuto adattarsi alla metamorfosi high-tech del settore dei servizi. Il sistema proposto costituisce un promotore per acquisti ed un raccoglitore intelligente di abitudini sullo shopping e si compone di applicazione mobile, microcontroller e web server. Caratteristica prima e principale del progetto e sicuramente la pervasivita. All'utente ed utilizzatore dell'app dello shopping center deve essere certamente resa nota la collaborazione al fine di raccogliere dati statistici sulle sue abitudini, tuttavia sono le modalita di tale operazione a dover rimanere velate, in modo da non appesantire il cliente con tediose operazioni di invio di feedback e valutazioni ed allo stesso tempo permettere una raccolta capillare delle informazioni. Parallelamente alla raccolta di dati funzionali al producer, sono state implementate features per il consumatore, come notifiche promozionali place-triggered e pubblicita mirata. Tra tutte le tecnologie adibite allo scambio di informazioni, si e scelto l'utilizzo del Bluetooth e del piu recente Bluetooth Low Energy (BLE) per permettere ai dispositivi di comunicare tra loro.

Gestione Efficiente di Eventi Complessi su Piattaforma IoT ThingWorx

Nella prima parte di questa tesi viene introdotto il concetto di Internet of Things. Vengono discussi gli elementi costituitivi fondamentali di tale tecnologia, le differenti architetture proposte nel corso degli anni e le sfide che devono ancora essere affrontate per vedere realizzato l’IoT. Questa prima parte si conclude inoltre con due esempi di applicazione dell’IoT. Questi due esempi, Smart City e Smart Healthcare, hanno l’obbiettivo di evidenziare quali sono i vantaggi ed i servizi che possono essere offerti all’utente finale una volta applicato l’IoT. Nel secondo capitolo invece, vengono presentate le funzionalità della piattaforma IoT ThingWorx, la quale mette a disposizione un ambiente di sviluppo per applicazioni IoT con l’obbiettivo di ridurre i tempi e quindi anche i costi di sviluppo delle stesse. Questa piattaforma cerca di ridurre al minimo la necessità di scrivere codice, utilizzando un sistema di sviluppo di tipo “Drag and Drop”. ThingWorx mette anche a disposizione degli SDK per facilitare la programmazione dei device, gestendo soprattutto la parte di comunicazione nodo – piattaforma. Questo argomento viene trattato ampiamente nella parte finale di questo capitolo dopo aver visto quali sono i concetti fondamentali di modellazione e rappresentazione dei dati sui quali si basa la piattaforma. Nel terzo e ultimo capitolo di questa tesi viene presentato innanzitutto il tutorial Android di ThingWorx. Svolgere e successivamente estendere il tutorial ha evidenziato alcune limitazioni del modello iniziale e questo ci ha portato a progettare e sviluppare il componente Aggregated & Complex Event Manager per la gestione di eventi complessi e che permette di sgravare parzialmente la piattaforma da tale compito. La tesi si conclude evidenziando, tramite dei test, alcune differenze fra la situazione iniziale nella quale il componente non viene utilizzato e la situazione finale, nella quale invece viene usato.