Resilience in the Internet of Things for Smart City Applications

Abstract

Nowadays companies and governments are using Information and Communication Technologies as tools to deploy their services and make them accessible to citizens; in order to expand urban resource efficiency with a low environmental impact and contributing with the development of the economy. This trending is known as the Smart City paradigm and it has taken advantage of the Cloud to Internet of Things continuum to provide communication and collect a massive amount of data. This scenario permits that the data can be processed and analyzed by applications to support smart services, enabling heavy calculations that run inside powerful data centers in the Cloud.

The Cloud to Internet of Things not only offers power to process data, but also makes it possible to use virtualization technologies to enhance how the object heterogeneity could be managed. Services like eHealth, smart traffic control, and smart home applications are composed of different functions that can be virtualized over physical hardware components within the network landscape. These Virtual Functions are grouped in a structure called Service Chains that fulfill particular smart service requirements, enabling a new broader set of smart end-user applications. The Cloud to Internet of Things continuum infrastructure provides communication, processing, and storage support for these applications. However, this complex, heterogeneous, and distributed landscape requires orchestration and management mechanisms in order to guarantee their proper functioning, especially in the face of failures.

One particular factor to manage is the resilience to provide service availability even in the event of failures. Automated proactive solutions to enhance the survivability of Service Chains when failures occur have to be considered within the orchestration solution for the Cloud to Internet of Things continuum. This research proposes an architecture and a set of mechanisms to orchestrate, formalize, and embed a collection of service requests for chaining Virtual Functions jointly to fulfill specific requirements of applications while enhancing their resilience.

The first contribution of this work is a resilience architecture for the deployment of Internet of Things services and applications in Smart Cities. The architecture proposed takes advantage of virtualization techniques to deal with the heterogeneity in the Cloud to Internet of Things continuum, as well as to provide a set of components focused on improving the resilience of applications. Specifically, the Resilience Manager module in the architecture implements a set of functions to enhance the availability of applications in case of failures. The architecture proposed worked as an inspiration for the design and implementation of an ontology to describe the Internet of Things infrastructure, to standardize how the information of the underlying components is exchanged.

The second set of contributions of this work are focused on the Resilience Manager module of the proposed architecture. In detail, a framework to address the composition and embedding of Service Chains in the Cloud to Internet of Things continuum with support of replicas to increase the availability of applications was designed and implemented.

The composition element in the framework is tackled via a formal grammar that enables the description of customized applications, allowing the definition of replicas for their components. In a second step, once the applications were specified, a Pareto analysis is used to optimize the selection of the components of the applications according to a given set of goals.

Regarding the embedding of Virtual Functions in the substrate infrastructure, three contributions are proposed: (1) an Integer Linear Programming model that prioritizes the use of nodes with higher availability; (2) a genetic algorithm that uses a fitness function that combines node availability, use of disjoint nodes, and the tiers to which the nodes belong to; and (3) a heuristic to handle more complex scenarios by taking advantage of the multi-tier scenario comprising the Cloud-Fog-Mist-Internet of Things.

The embedding mechanisms proposed in this work were evaluated via simulation. The assessment included measurements of failure rate, node utilization, and response time of the Service Chains embedded in the subtracted infrastructure. Simulation results show that it is possible to increase the resilience of chained Virtual Functions, while balancing the load of the infrastructure nodes.

Atualmente, governos e empresas estão a usar Tecnologias de Informação e Comunicação como ferramentas para disponibilizar os seus serviços e torná-los acessíveis aos cidadãos; de forma a expandir a eficácia dos seus recursos urbanos, com pouco impacto ambiental e contribuindo para o desenvolvimento da economia. Esta tendência é conhecida como o paradigma Cidades Inteligentes e tem tirado partido do continuum Nuvem-Internet das Coisas para proporcionar comunicações e recolher dados em larga escala. Este cenário permite que os dados sejam processados e analisados em aplicações que suportam os Serviços Inteligentes, tornando possível correr cálculos pesados dentro de grandes centros de dados na Nuvem.

A Nuvem não somente oferece poder computacional para processar dados da, e para a, Internet das Coisas, como também torna possível o uso de tecnologias de virtualização que melhoram a forma como a heterogeneidade dos dispositivos pode ser gerida. Serviços como saúde eletrónica, controlo de trânsito inteligente, e aplicações para casas inteligentes são compostos por diferentes funcionalidades que podem ser virtualizados em componentes de hardware físico, dentro do ambiente da rede. Estas Funções Virtuais são agrupadas em estruturas denominadas Cadeias de Serviço. As Cadeias de Serviço são responsáveis por cumprir requisitos específicos de serviços inteligentes, possibilitando um novo conjunto de aplicações inteligentes para os utilizadores finais. A infraestrutura do continuum Nuvem-Internet das Coisas proporciona comunicações, poder computacional e armazenamento para suportar estas aplicações. Contudo, este ambiente distribuído, complexo e heterogéneo necessita de mecanismos de orquestração e gestão de forma a garantir o seu correto funcionamento, especialmente em caso de falhas.

Um fator particular a ter em consideração é a resiliência, de modo a que um serviço se mantenha disponível, incluso em caso de falhas. Soluções proativas e automáticas para melhorar a capacidade de sobrevivência de Cadeias de Serviço, quando ocorrem falhas, têm de ser consideradas na orquestração do continuum Nuvem-Internet das Coisas. Esta tese propõe uma arquitetura e um conjunto de mecanismos para orquestrar, formalizar e incorporar um conjunto de pedidos de serviços para agrupar Funções Virtuais, de forma a cumprir requisitos específicos das aplicações e ao mesmo tempo melhorar a sua resiliência.

A primeira contribuição deste trabalho é uma arquitetura para a implantação de serviços de Internet das Coisas e aplicações em Cidades Inteligentes. A arquitetura proposta tira partido das técnicas de virtualização para lidar com a heterogeneidade no continuum Nuvem-Internet das Coisas, e ainda providencia um conjunto de componentes focados em melhorar a resiliência das aplicações. Especificamente, o módulo Gestor de Resiliência da arquitetura implementa um conjunto de funções para melhorar a disponibilidade das aplicações na presença de falhas. A arquitetura proposta serviu ainda de inspiração para projetar e implementar uma ontologia para descrever a infraestrutura da Internet das Coisas, de modo a uniformizar a maneira como a informação é comunicada entre os componentes subjacentes.

O segundo conjunto de contribuições deste trabalho foca o módulo Gestor de Resiliência da proposta arquitetura. Nomeadamente, foi projetada e desenvolvida uma framework para abordar a composição e incorporação de Cadeias de Serviços no continuum Nuvem-Internet das Coisas com suporte de réplicas para aumentar a disponibilidade das aplicações.

Considerando a incorporação das Funções Virtuais no substrato da infraestrutura, são propostos três mecanismos: (1) um modelo de Programação Linear Inteira que prioriza a utilização de nós com alta disponibilidade; (2) um algoritmo genético que usa uma função de adequação que combina a disponibilidade dos nós, uso de nós não adjacentes e a camada a que os nós pertencem; (3) uma heurística para cenários mais complexos, que tira partido do ambiente multicamada Nuvem-Névoa-Neblina-Internet das Coisas.

Os mecanismos embebidos propostos neste trabalho foram avaliados através de simulações. A avaliação inclui medições da taxa de falha, utilização dos nós e o tempo de resposta das Cadeias de Serviço embebidas no substrato da infraestrutura. Os resultados das simulações demonstram que é possível aumentar a resiliência de cadeias de Funções Virtuais, ao mesmo tempo que se equilibra a carga da infraestrutura dos nós.