Lightweight middleware for SDR inter-components communication

The ability to use Software Defined Radio (SDR) in the civilian mobile applications will make it possible for the next generation of mobile devices to handle multi-standard personal wireless devices and ubiquitous wireless devices. The original military standard created many beneficial characteristics for SDR, but resulted in a number of disadvantages as well. Many challenges in commercializing SDR are still the subject of interest in the software radio research community. Four main issues that have been already addressed are performance, size, weight, and power. ^ This investigation presents an in-depth study of SDR inter-components communications in terms of total link delay related to the number of components and packet sizes in systems based on Software Communication Architecture (SCA). The study is based on the investigation of the controlled environment platform. Results suggest that the total link delay does not linearly increase with the number of components and the packet sizes. The closed form expression of the delay was modeled using a logistic function in terms of the number of components and packet sizes. The model performed well when the number of components was large. ^ Based upon the mobility applications, energy consumption has become one of the most crucial limitations. SDR will not only provide flexibility of multi-protocol support, but this desirable feature will also bring a choice of mobile protocols. Having such a variety of choices available creates a problem in the selection of the most appropriate protocol to transmit. An investigation in a real-time algorithm to optimize energy efficiency was also performed. Communication energy models were used including switching estimation to develop a waveform selection algorithm. Simulations were performed to validate the concept.^

A middleware to support services delivery in a domain-specific virtual machine

The increasing use of model-driven software development has renewed emphasis on using domain-specific models during application development. More specifically, there has been emphasis on using domain-specific modeling languages (DSMLs) to capture user-specified requirements when creating applications. The current approach to realizing these applications is to translate DSML models into source code using several model-to-model and model-to-code transformations. This approach is still dependent on the underlying source code representation and only raises the level of abstraction during development. Experience has shown that developers will many times be required to manually modify the generated source code, which can be error-prone and time consuming. ^ An alternative to the aforementioned approach involves using an interpreted domain-specific modeling language (i-DSML) whose models can be directly executed using a Domain Specific Virtual Machine (DSVM). Direct execution of i-DSML models require a semantically rich platform that reduces the gap between the application models and the underlying services required to realize the application. One layer in this platform is the domain-specific middleware that is responsible for the management and delivery of services in the specific domain. ^ In this dissertation, we investigated the problem of designing the domain-specific middleware of the DSVM to facilitate the bifurcation of the semantics of the domain and the model of execution (MoE) while supporting runtime adaptation and validation. We approached our investigation by seeking solutions to the following sub-problems: (1) How can the domain-specific knowledge (DSK) semantics be separated from the MoE for a given domain? (2) How do we define a generic model of execution (GMoE) of the middleware so that it is adaptable and realizes DSK operations to support delivery of services? (3) How do we validate the realization of DSK operations at runtime? ^ Our research into the domain-specific middleware was done using an i-DSML for the user-centric communication domain, Communication Modeling Language (CML), and for microgrid energy management domain, Microgrid Modeling Language (MGridML). We have successfully developed a methodology to separate the DSK and GMoE of the middleware of a DSVM that supports specialization for a given domain, and is able to perform adaptation and validation at runtime. ^

Cloud Stratus: uma plataforma de middleware para desenvolvimento de aplicações em nuvem

Cloud Computing is a paradigm that enables the access, in a simple and pervasive way, through the network, to shared and configurable computing resources. Such resources can be offered on demand to users in a pay-per-use model. With the advance of this paradigm, a single service offered by a cloud platform might not be enough to meet all the requirements of clients. Ergo, it is needed to compose services provided by different cloud platforms. However, current cloud platforms are not implemented using common standards, each one has its own APIs and development tools, which is a barrier for composing different services. In this context, the Cloud Integrator, a service-oriented middleware platform, provides an environment to facilitate the development and execution of multi-cloud applications. The applications are compositions of services, from different cloud platforms and, represented by abstract workflows. However, Cloud Integrator has some limitations, such as: (i) applications are locally executed; (ii) users cannot specify the application in terms of its inputs and outputs, and; (iii) experienced users cannot directly determine the concrete Web services that will perform the workflow. In order to deal with such limitations, this work proposes Cloud Stratus, a middleware platform that extends Cloud Integrator and offers different ways to specify an application: as an abstract workflow or a complete/partial execution flow. The platform enables the application deployment in cloud virtual machines, so that several users can access it through the Internet. It also supports the access and management of virtual machines in different cloud platforms and provides services monitoring mechanisms and assessment of QoS parameters. Cloud Stratus was validated through a case study that consists of an application that uses different services provided by different cloud platforms. Cloud Stratus was also evaluated through computing experiments that analyze the performance of its processes.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais

Lightweight Middleware for Software Defined Radio (SDR) Inter-Components Communication

The ability to use Software Defined Radio (SDR) in the civilian mobile applications will make it possible for the next generation of mobile devices to handle multi-standard personal wireless devices and ubiquitous wireless devices. The original military standard created many beneficial characteristics for SDR, but resulted in a number of disadvantages as well. Many challenges in commercializing SDR are still the subject of interest in the software radio research community. Four main issues that have been already addressed are performance, size, weight, and power. This investigation presents an in-depth study of SDR inter-components communications in terms of total link delay related to the number of components and packet sizes in systems based on Software Communication Architecture (SCA). The study is based on the investigation of the controlled environment platform. Results suggest that the total link delay does not linearly increase with the number of components and the packet sizes. The closed form expression of the delay was modeled using a logistic function in terms of the number of components and packet sizes. The model performed well when the number of components was large. Based upon the mobility applications, energy consumption has become one of the most crucial limitations. SDR will not only provide flexibility of multi-protocol support, but this desirable feature will also bring a choice of mobile protocols. Having such a variety of choices available creates a problem in the selection of the most appropriate protocol to transmit. An investigation in a real-time algorithm to optimize energy efficiency was also performed. Communication energy models were used including switching estimation to develop a waveform selection algorithm. Simulations were performed to validate the concept.

A distributed middleware for IT/OT convergence in modern industrial environments

The modern industrial environment is populated by a myriad of intelligent devices that collaborate for the accomplishment of the numerous business processes in place at the production sites. The close collaboration between humans and work machines poses new interesting challenges that industry must overcome in order to implement the new digital policies demanded by the industrial transition. The Industry 5.0 movement is a companion revolution of the previous Industry 4.0, and it relies on three characteristics that any industrial sector should have and pursue: human centrality, resilience, and sustainability. The application of the fifth industrial revolution cannot be completed without moving from the implementation of Industry 4.0-enabled platforms. The common feature found in the development of this kind of platform is the need to integrate the Information and Operational layers. Our thesis work focuses on the implementation of a platform addressing all the digitization features foreseen by the fourth industrial revolution, making the IT/OT convergence inside production plants an improvement and not a risk. Furthermore, we added modular features to our platform enabling the Industry 5.0 vision. We favored the human centrality using the mobile crowdsensing techniques and the reliability and sustainability using pluggable cloud computing services, combined with data coming from the crowd support. We achieved important and encouraging results in all the domains in which we conducted our experiments. Our IT/OT convergence-enabled platform exhibits the right performance needed to satisfy the strict requirements of production sites. The multi-layer capability of the framework enables the exploitation of data not strictly coming from work machines, allowing a more strict interaction between the company, its employees, and customers.

QoS-aware architectures, technologies, and middleware for the cloud continuum

The recent trend of moving Cloud Computing capabilities to the Edge of the network is reshaping how applications and their middleware supports are designed, deployed, and operated. This new model envisions a continuum of virtual resources between the traditional cloud and the network edge, which is potentially more suitable to meet the heterogeneous Quality of Service (QoS) requirements of diverse application domains and next-generation applications. Several classes of advanced Internet of Things (IoT) applications, e.g., in the industrial manufacturing domain, are expected to serve a wide range of applications with heterogeneous QoS requirements and call for QoS management systems to guarantee/control performance indicators, even in the presence of real-world factors such as limited bandwidth and concurrent virtual resource utilization. The present dissertation proposes a comprehensive QoS-aware architecture that addresses the challenges of integrating cloud infrastructure with edge nodes in IoT applications. The architecture provides end-to-end QoS support by incorporating several components for managing physical and virtual resources. The proposed architecture features: i) a multilevel middleware for resolving the convergence between Operational Technology (OT) and Information Technology (IT), ii) an end-to-end QoS management approach compliant with the Time-Sensitive Networking (TSN) standard, iii) new approaches for virtualized network environments, such as running TSN-based applications under Ultra-low Latency (ULL) constraints in virtual and 5G environments, and iv) an accelerated and deterministic container overlay network architecture. Additionally, the QoS-aware architecture includes two novel middlewares: i) a middleware that transparently integrates multiple acceleration technologies in heterogeneous Edge contexts and ii) a QoS-aware middleware for Serverless platforms that leverages coordination of various QoS mechanisms and virtualized Function-as-a-Service (FaaS) invocation stack to manage end-to-end QoS metrics. Finally, all architecture components were tested and evaluated by leveraging realistic testbeds, demonstrating the efficacy of the proposed solutions.

Message-oriented Middleware per Routing Acceleration basato su eBPF/XDP in Contesto Serverless

Negli ultimi anni la necessità di processare e mantenere dati di qualsiasi natura è aumentata considerevolmente, in aggiunta a questo, l’obsolescenza del modello centralizzato ha contribuito alla sempre più frequente adozione del modello distribuito. Inevitabile dunque l’aumento di traffico che attraversa i nodi appartenenti alle infrastrutture, un traffico sempre più in aumento e che con l’avvento dell’IoT, dei Big Data, del Cloud Computing, del Serverless Computing etc., ha raggiunto picchi elevatissimi. Basti pensare che se prima i dati erano contenuti in loco, oggi non è assurdo pensare che l’archiviazione dei propri dati sia completamente affidata a terzi. Così come cresce, quindi, il traffico che attraversa i nodi facenti parte di un’infrastruttura, cresce la necessità che questo traffico sia filtrato e gestito dai nodi stessi. L’obbiettivo di questa tesi è quello di estendere un Message-oriented Middleware, in grado di garantire diverse qualità di servizio per la consegna di messaggi, in modo da accelerarne la fase di routing verso i nodi destinazione. L’estensione consiste nell’aggiungere al Message-oriented Middleware, precedentemente implementato, la funzione di intercettare i pacchetti in arrivo (che nel caso del middleware in questione possono rappresentare la propagazione di eventi) e redirigerli verso un nuovo nodo in base ad alcuni parametri. Il Message-oriented Middleware oggetto di tesi sarà considerato il message broker di un modello pub/sub, pertanto la redirezione deve avvenire con tempi molto bassi di latenza e, a tal proposito, deve avvenire senza l’uscita dal kernel space del sistema operativo. Per questo motivo si è deciso di utilizzare eBPF, in particolare il modulo XDP, che permette di scrivere programmi che eseguono all’interno del kernel.

Sviluppo di applicazioni real-time multi-utente: un middleware basato sulla piattaforma Croquet

Il crescente aumento del numero di dispositivi connessi in rete e delle applicazioni che vengono sviluppate su di essa ha trasformato completamente lo standard delle applicazioni che una volta erano single-user, facendo quindi arrivare lo standard ad un modello multi-utente, dove si ha un ambiente collaborativo e condiviso in cui le azioni di un determinato utente vanno ad influire anche sugli altri. Altra necessità al giorno d'oggi è inoltre che queste applicazioni multi-utente siano anche real-time, ovvero che si aggiornino in tempo reale e che di conseguenza l'azione di un singolo utente debba essere trasmessa e notificata a tutti gli altri in modo che possano gestirla di conseguenza. Lo sviluppo di tali applicazioni risulta quindi particolarmente complesso, tuttavia esistono anche soluzioni architetturali e framework che risultano essere dedicati all'implementazione di tale tipo di applicazioni, il quale obiettivo è quindi quello di semplificarne e velocizzarne lo sviluppo, tramite l'utilizzo di pattern o architetture mirate all'implementazione di un tipo specifico di tali applicazioni. Un esempio di tali soluzioni è Croquet, che permette la creazione di applicazioni real-time multi-utente, senza la necessità di scrivere alcun codice per la parte server o per la gestione delle comunicazioni tra i peer, ma solamente sviluppando il modello del client, ovvero la parte in esecuzione sulla macchina dell'utente. Questa tesi andrà quindi ad effettuare uno studio sul funzionamento e sull'architettura di Croquet proseguendo quindi con lo sviluppo di un middleware che permetta la creazione di applicazioni real-time multi-utente indipendenti dal linguaggio di sviluppo, le quali si potranno quindi appoggiare sull'architettura di Croquet per funzionare e comunicare, avendo quindi a disposizione tutte le garanzie che vengono offerte da Croquet e dalla sua architettura.

Middleware per integrazione di dati eterogenei per sistemi SAP su Openshift

Questo lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo di una soluzione applicativa nell'ambito dell'integrazione di sistemi software basati su tecnologie considerate legacy. In particolar modo è stato studiata una soluzione integrativa per il popolare ERP gestionale Sap su piattaforma Cloud OpenShift. La soluzione è articolata su diversi livelli basati sull'architettura proposta da Gartner nell'ambito della Digital Integration Hub. È stata sviluppata tramite tecnologie open source leader nel settore e tecnologie cloud avanzate.

Bus de mensagens

Este trabalho foca a comunicação entre aplicações, em especial o caso em que estas são tecnologicamente diferentes entre si. Pretende-se uma forma de as aplicações trocarem informação em segurança, abstraindo-se das suas diferenças e localização física. Para tal, é necessário um meio transversal às tecnologias/plataformas, capaz de esconder as especificidades de cada interveniente e tornar a comunicação transparente entre os seus interlocutores. Um bus de mensagens apresenta-se neste cenário como o meio de alcançar tais necessidades. O bus de mensagens desenvolvido neste projecto dispõe de mecanismos de tolerância a falhas, encaminhamento, transformação e segurança. O encaminhamento suporta comunicação ponto–a–ponto e publicador–subscritor. A transformação de mensagens pode ser feita ao nível dos tipos de dados, do formato e do transporte. Relativamente à segurança, é controlado o acesso a cada aplicação e protegida a informação trocada entre clientes. A solução implementada apresenta ainda vários pontos de extensibilidade ao nível das funcionalidades, dos comandos e dos protocolos de comunicação com os clientes. O bus de mensagens implementado foi testado e avaliado em diferentes cenários de carga, que verificam a conformidade das funcionalidades desenvolvidas e permitiram medir o seu nível de serviço.

Sistemas de informação: message integration bus

O trabalho apresentado por este documento aborda os problemas que advêm da necessidade de integração de aplicações, desenvolvidas em diferentes instantes no tempo, por diferentes equipas de trabalho, que para enriquecer os processos de negócio necessitam de comunicar entre si. A integração das aplicações tem de ser feita de forma opaca para estas, sendo disponibilizada por uma peça de software genérica, robusta e sem custos para as equipas desenvolvimento, na altura da integração. Esta integração tem de permitir que as aplicações comuniquem utilizando os protocolos que desejarem. Este trabalho propõe um middleware orientado a mensagens como solução para o problema identificado. A solução apresentada por este trabalho disponibiliza a comunicação entre aplicações que utilizam diferentes protocolos, permite ainda o desacoplamento temporal, espacial e de sincronismo na comunicação das aplicações. A implementação da solução tem base num sistema publish/subscribe orientado ao conteúdo e tem de lidar com as maiores exigências computacionais que este tipo de sistema acarta, sendo que a utilização deste se justifica com o enriquecimento da semântica de subscrição de eventos. Esta implementação utiliza uma arquitectura semi-distribuída, com o objectivo de aumentar a escalabilidade do sistema. A utilização da arquitectura semi-distribuída implica que a implementação da solução tem de lidar com o encaminhamento de eventos e divulgação das subscrições, pelos vários servidores de eventos. A implementação da solução disponibiliza garantias de persistência, processamento transaccional e tolerância a falhas, assim como transformação de eventos entre os diversos protocolos. A extensibilidade da solução é conseguida à custa de um sistema de pluggins que permite a adição de suporte a novos protocolos de comunicação. Os protocolos suportados pela implementação final do trabalho são RestMS e TCP.