IoT@run-time: a model-based approach to support deployment and self-adaptations in IoT systems

Abstract

Today, most Internet of Things (IoT) systems leverage edge and fog computing to meet increasingly restrictive requirements and improve quality of service (QoS). Although these multi-layer architectures can improve system performance, their design is challenging because the dynamic and changing IoT environment can impact the QoS and system operation. In this thesis, we propose a modeling-based approach that addresses the limitations of existing studies to support the design, deployment, and management of self-adaptive IoT systems. We have designed a domain specific language (DSL) to specify the self-adaptive IoT system, a code generator that generates YAML manifests for the deployment of the IoT system, and a framework based on the MAPE-K loop to monitor and adapt the IoT system at runtime. Finally, we have conducted several experimental studies to validate the expressiveness and usability of the DSL and to evaluate the ability and performance of our framework to address the growth of concurrent adaptations on an IoT system.

Hoy en día, la mayoría de los sistemas de internet de las cosas (IoT, por su sigla en inglés) aprovechan la computación en el borde (edge computing) y la computación en la niebla (fog computing) para cumplir requisitos cada vez más restrictivos y mejorar la calidad del servicio. Aunque estas arquitecturas multicapa pueden mejorar el rendimiento del sistema, diseñarlas supone un reto debido a que el entorno de IoT dinámico y cambiante puede afectar a la calidad del servicio y al funcionamiento del sistema. En esta tesis proponemos un enfoque basado en el modelado que aborda las limitaciones de los estudios existentes para dar soporte en el diseño, el despliegue y la gestión de sistemas de IoT autoadaptables. Hemos diseñado un lenguaje de dominio específico (DSL) para modelar el sistema de IoT autoadaptable, un generador de código que produce manifiestos YAML para el despliegue del sistema de IoT y un marco basado en el bucle MAPE-K para monitorizar y adaptar el sistema de IoT en tiempo de ejecución. Por último, hemos llevado a cabo varios estudios experimentales para validar la expresividad y usabilidad del DSL y evaluar la capacidad y el rendimiento de nuestro marco para abordar el crecimiento de las adaptaciones concurrentes en un sistema de IoT.

Avui dia, la majoria dels sistemes d'internet de les coses (IoT, per la sigla en anglès) aprofiten la informàtica a la perifèria (edge computing) i la informàtica a la boira (fog computing) per complir requisits cada cop més restrictius i millorar la qualitat del servei. Tot i que aquestes arquitectures multicapa poden millorar el rendiment del sistema, dissenyar-les suposa un repte perquè l'entorn d'IoT dinàmic i canviant pot afectar la qualitat del servei i el funcionament del sistema. En aquesta tesi proposem un enfocament basat en el modelatge que aborda les limitacions dels estudis existents per donar suport al disseny, el desplegament i la gestió de sistemes d'IoT autoadaptatius. Hem dissenyat un llenguatge de domini específic (DSL) per modelar el sistema d'IoT autoadaptatiu, un generador de codi que produeix manifestos YAML per al desplegament del sistema d'IoT i un marc basat en el bucle MAPE-K per monitorar i adaptar el sistema d'IoT en temps d'execució. Finalment, hem dut a terme diversos estudis experimentals per validar l'expressivitat i la usabilitat del DSL i avaluar la capacitat i el rendiment del nostre marc per abordar el creixement de les adaptacions concurrents en un sistema d'IoT.