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Data Storage and Dissemination in Pervasive Edge Computing Environments
Publication . Silva, João André Almeida e; Paulino, Hervé; Lourenço, João
Nowadays, smart mobile devices generate huge amounts of data in all sorts of gatherings.
Much of that data has localized and ephemeral interest, but can be of great use if shared
among co-located devices. However, mobile devices often experience poor connectivity,
leading to availability issues if application storage and logic are fully delegated to a
remote cloud infrastructure. In turn, the edge computing paradigm pushes computations
and storage beyond the data center, closer to end-user devices where data is generated
and consumed. Hence, enabling the execution of certain components of edge-enabled
systems directly and cooperatively on edge devices.
This thesis focuses on the design and evaluation of resilient and efficient data storage
and dissemination solutions for pervasive edge computing environments, operating with
or without access to the network infrastructure. In line with this dichotomy, our goal can
be divided into two specific scenarios. The first one is related to the absence of network
infrastructure and the provision of a transient data storage and dissemination system
for networks of co-located mobile devices. The second one relates with the existence of
network infrastructure access and the corresponding edge computing capabilities.
First, the thesis presents time-aware reactive storage (TARS), a reactive data storage
and dissemination model with intrinsic time-awareness, that exploits synergies between
the storage substrate and the publish/subscribe paradigm, and allows queries within a
specific time scope. Next, it describes in more detail: i) Thyme, a data storage and dis-
semination system for wireless edge environments, implementing TARS; ii) Parsley, a
flexible and resilient group-based distributed hash table with preemptive peer relocation
and a dynamic data sharding mechanism; and iii) Thyme GardenBed, a framework
for data storage and dissemination across multi-region edge networks, that makes use of
both device-to-device and edge interactions.
The developed solutions present low overheads, while providing adequate response
times for interactive usage and low energy consumption, proving to be practical in a
variety of situations. They also display good load balancing and fault tolerance properties.
WiFi-Direct InterNetworking
Publication . Teófilo, António Gelásio Frazão Isidro; Paulino, Hervé; Lourenço, João
We are on the verge of having ubiquitous connectivity. However, there are still scenarios
where public communication networks are not reachable, are saturated or simply
cannot be trusted. In such cases, our mobile phones can leverage device-to-device communication
to reach the public network or to enable local connectivity.
A device-to-device communication technology, with at least WiFi speed and range,
will offer sufficient connectivity conditions for interconnection in areas/situations where
it is not currently possible. Such advance will foster a new breed of systems and applications.
Their widespread adoption is, nonetheless, bound to their usage in off-the-shelf
devices. This raises a problem because the device-to-device communication technologies
currently available in off-the-shelf mobile devices have several limitations: Bluetooth is
limited in speed and range,Wi-Fi Direct is limited in speed and connectivity for medium
and large scenarios, and WiFi-Aware is a new and untested technology, whose specification
does not cover large scenarios.
In this thesis, we address this problem by presenting two communication topologies
and a network formation algorithm that enable the use of Wi-Fi Direct communication
between off-the-shelf mobile devices in medium and large scale scenarios. The communication
topologies, named Group-Owner Client-Relay Group-Owner and Group-Owner
Group-Owner, allow for Wi-Fi Direct intergroup communication, whilst the network
formation algorithm, named RedMesh, systematically creates networks of Wi-Fi Direct
groups. The algorithm proved to be very effective, achieving full connectivity in 97.28%
of the 1 250 tested scenarios.
The RedMesh algorithm distinguishes itself for being the first one to useWi-Fi Direct
communication topologies that can form tree and mesh structures, and for being the first
algorithm able to build networks that can rely only on unicast communication. We may
hence conclude that the work developed in this thesis makes significant progress in the
formation of large scale networks of off-the-shelf mobile devices.
Middleware para controlo cooperativo a partir de uma rede de dispositivos móveis
Publication . Ribeiro, Diogo Pinhal; Paulino, Hervé
Os dispositivos móveis são atualmente uma das principais ferramentas na nossa sociedade, devido às suas grandes capacidades a nível computacional e à sua portabilidade. Para além de comunicação, estes dispositivos são utilizados em variadas atividades do dia-a-dia. A crescente capacidade computacional dos dispositivos móveis tem fornecido a base para o desenvolvimento de novos tipos de aplicações de modo a melhorar a qualidade de vida dos seus utilizadores. Nesta dissertação exploramos mais um desses casos, fornecendo uma forma de suportar a cooperação entre dispositivos.
A solução desenvolvida nesta dissertação oferece um middleware para controlo cooperativo. Foi concebida uma framework genérica que permite a dispositivos móveis, com o sistema operativo Android, combinarem os seus comandos de forma a controlarem em conjunto uma aplicação. O sistema tem como função receber fluxos de informação fornecidos pelos dispositivos móveis, agrega-los e retornar a combinação das informações enviadas pelos dispositivos. Esse resultado final é depois aplicado numa aplicação destino, independente do sistema.
Para validação foi concebido todo o sistema que permite a cooperação entre dispositivos e foi desenvolvida uma aplicação Android de modo a testar o sistema implementado. Foi utilizado como caso de estudo, ou seja, como aplicação destino, um jogo desenvolvido pela Faculdade de Ciências e Tecnologias, semelhante ao jogo Pong, de modo a obter resultados.
Os resultados obtidos mostram que a solução desenvolvida apresenta o comportamento desejado em ambientes com um número considerável de dispositivos conectados.
Comprovou-se que o sistema apresenta tempos de processamento de informação relativamente baixos, o que permite que a frequência de informação enviada para a aplicação destino seja suficientemente alta para que se consiga o comportamento desejado. Foi ainda possível verificar que o consumo energético do protótipo desenvolvido é baixo, o que permite a sua utilização em eventos de curta e média duração.
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Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
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Número da atribuição
CMUP-ERI/FIA/0048/2013