Self-adaptation for Internet of things applications

par Francisco Javier Acosta Padilla

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Frédéric Weis et de Johann Bourcier.

Soutenue le 12-12-2016

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) , Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) , Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique) (laboratoire) , IRISA (laboratoire) , Inria Rennes – Bretagne Atlantique (laboratoire) , TACOMA (laboratoire) et de DiverSe (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Auto-adaptation pour les applications de l’Internet des objets


  • Résumé

    L'Internet des Objets (IdO) couvre peu à peu tous les aspects de notre vie. À mesure que ces systèmes deviennent plus répandus, le besoin de gérer cette infrastructure complexe comporte plusieurs défis. En effet, beaucoup de petits appareils interconnectés fournissent maintenant plus d'un service dans plusieurs aspects de notre vie quotidienne, qui doivent être adaptés à de nouveaux contextes sans l'interruption de tels services. Cependant, ce nouveau système informatique diffère des systèmes classiques principalement sur le type, la taille physique et l'accès des nœuds. Ainsi, des méthodes typiques pour gérer la couche logicielle sur de grands systèmes distribués comme on fait traditionnellement ne peuvent pas être employées dans ce contexte. En effet, cela est dû aux capacités très différentes dans la puissance de calcul et la connectivité réseau, qui sont très contraintes pour les appareils de l'IdO. De plus, la complexité qui était auparavant gérée par des experts de plusieurs domaines, tels que les systèmes embarqués et les réseaux de capteurs sans fil (WSN), est maintenant accrue par la plus grande quantité et hétérogénéité des logiciels et du matériel des nœuds. Par conséquent, nous avons besoin de méthodes efficaces pour gérer la couche logicielle de ces systèmes, en tenant compte les ressources très limitées. Cette infrastructure matérielle sous-jacente pose de nouveaux défis dans la manière dont nous administrons la couche logicielle de ces systèmes. Ces défis peuvent entre divisés en : Intra-nœud, sur lequel nous faisons face à la mémoire limitée et à la puissance de calcul des nœuds IdO, afin de gérer les mises à jour sur ces appareils ; Inter-noeud, sur lequel une nouvelle façon de distribuer les mises à jour est nécessaire, en raison de la topologie réseau différente et le coût en énergie pour les appareils alimentés par batterie ; En effet, la puissance de calcul limitée et la durée de vie de chaque nœud combiné à la nature très distribuée de ces systèmes, ajoute de la complexité à la gestion de la couche logicielle distribuée. La reconfiguration logicielle des nœuds dans l'Internet des objets est une préoccupation majeure dans plusieurs domaines d'application. En particulier, la distribution du code pour fournir des nouvelles fonctionnalités ou mettre à jour le logiciel déjà installé afin de l'adapter aux nouvelles exigences, a un impact énorme sur la consommation d'énergie. La plupart des algorithmes actuels de diffusion du code sur l'air (OTA) sont destinés à diffuser un microprogramme complet à travers de petits fragments, et sont souvent mis en œuvre dans la couche réseau, ignorant ainsi toutes les informations de guidage de la couche applicative. Première contribution : Un moteur de modèles en temps d'exécution représentant une application de l'IdO en cours d'exécution sur les nœuds à ressources limitées. La transformation du méta-modèle Kevoree en code C pour répondre aux contraintes de mémoire spécifiques d'un dispositif IdO a été réalisée, ainsi que la proposition des outils de modélisation pour manipuler un modèle en temps d'exécution. Deuxième contribution : découplage en composants d'un système IdO ainsi qu'un algorithme de distribution de composants efficace. Le découplage en composants d'une application dans le contexte de l'IdO facilite sa représentation sur le modèle en temps d'exécution, alors qu'il fournit un moyen de changer facilement son comportement en ajoutant/supprimant des composants et de modifier leurs paramètres. En outre, un mécanisme pour distribuer ces composants en utilisant un nouvel algorithme appelé Calpulli est proposé.


  • Résumé

    The Internet of Things (IoT) is covering little by little every aspect on our lives. As these systems become more pervasive, the need of managing this complex infrastructure comes with several challenges. Indeed, plenty of small interconnected devices are now providing more than a service in several aspects of our everyday life, which need to be adapted to new contexts without the interruption of such services. However, this new computing system differs from classical Internet systems mainly on the type, physical size and access of the nodes. Thus, typical methods to manage the distributed software layer on large distributed systems as usual cannot be employed on this context. Indeed, this is due to the very different capacities on computing power and network connectivity, which are very constrained for IoT devices. Moreover, the complexity which was before managed by experts on several fields, such as embedded systems and Wireless Sensor Networks (WSN), is now increased by the larger quantity and heterogeneity of the node’s software and hardware. Therefore, we need efficient methods to manage the software layer of these systems, taking into account the very limited resources. This underlying hardware infrastructure raises new challenges in the way we administrate the software layer of these systems. These challenges can be divided into: intra-node, on which we face the limited memory and CPU of IoT nodes, in order to manage the software layer and ; inter-node, on which a new way to distribute the updates is needed, due to the different network topology and cost in energy for battery powered devices. Indeed, the limited computing power and battery life of each node combined with the very distributed nature of these systems, greatly adds complexity to the distributed software layer management. Software reconfiguration of nodes in the Internet of Things is a major concern for various application fields. In particular, distributing the code of updated or new software features to their final node destination in order to adapt it to new requirements, has a huge impact on energy consumption. Most current algorithms for disseminating code over the air (OTA) are meant to disseminate a complete firmware through small chunks and are often implemented at the network layer, thus ignoring all guiding information from the application layer. First contribution: A models@runtime engine able to represent an IoT running application on resource constrained nodes. The transformation of the Kevoree meta-model into C code to meet the specific memory constraints of an IoT device was performed, as well as the proposition of modelling tools to manipulate a model@runtime. Second contribution: Component decoupling of an IoT system as well as an efficient component distribution algorithm. Components decoupling of an application in the context of the IoT facilitates its representation on the model@runtime, while it provides a way to easily change its behaviour by adding/removing components and changing their parameters. In addition, a mechanism to distribute such components using a new algorithm, called Calpulli is proposed.


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