Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Computação
Mestrado e Doutorado em Ciência da Computação
Estratégia autônoma para conectividade e
comunicação em ambientes inteligentes
ILDO RAMOS VIEIRA
Fortaleza
ILDO RAMOS VIEIRA
Estratégia autônoma para conectividade e comunicação em ambientes inteligentes
Dissertação de Mestrado submetida à Coor-denação do Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação (MDCC) da Universi-dade Federal do Ceará (UFC) como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação.
Orientador: Miguel Franklin de Castro Coorientador: Arthur de Castro Callado
Fortaleza
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
V1e VIEIRA, ILDO RAMOS.
Estratégia autônoma para conectividade e comunicação em ambientes inteligentes / ILDO RAMOS VIEIRA. – 2016.
84 f. : il. color.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciências, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Fortaleza, 2016.
Orientação: Prof. Dr. Muiguel Franklin de Castro. Coorientação: Prof. Dr. Arthur de Castro Callado.
1. Internet das Coisas. 2. Computação Oportunista. 3. Conectividade e Comunicação. I. Título.
ILDO RAMOS VIEIRA
Estratégia autônoma para conectividade e comunicação em ambientes inteligentes Dissertação de Mestrado submetida à Coor-denação do Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação (MDCC) da Universi-dade Federal do Ceará (UFC) como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação.
Aprovada em 30/11/2016.
BANCA EXAMINADORA
Miguel Franklin de Castro (Orientador)
MDCC-UFC
Arthur de Castro Callado (Coorientador)
UFC-QUIXADA
Emanuel Bezerra Rodrigues
MDCC-UFC
Joaquim Celestino Júnior
UECE
Márcio Espindola Freire Maia
UFC-QUIXADA
Fortaleza
Dedicada a minha mãe Maimuna Có, a qual segurou a minha mão na hora em que eu mais precisava, me apoiou nas minhas derrotas e nas minhas conquistas. Eu te amo
minha mãe querida sempre te amarei, você é a minha estrela guia.
Apesar que nessa vida nunca mais a verei, mais sei que mesmo estando tão distante, eu a amo de todo o meu coração, sei que existe vida após a morte, e é isso que me dá forças
AGRADECIMENTOS
RESUMO
A tendência da Internet do futuro é uma nova forma de comunicação que vai se expandir do atual modelo humano-humano para chegar à comunicação humano-objeto e objeto-objeto, onde cada objeto pode ser identificado e conectado na Internet, uma vez possua a tecnologia adequada. Este novo cenário levará a comunicação entre humanos a ser minoria em relação aos objetos. Estes objetos serão capazes de trocar grandes quantidades de informações entre si, sendo, em grande maioria das vezes, os únicos responsáveis pela geração e recepção de tráfego, sem muita ou nenhuma supervisão.
Neste novo cenário, o uso dos dispositivos móveis está transformando a forma como usuários interagem, permitindo que aplicativos explorem as proximidades físicas dos outros para oferecer serviços inteligentes. Estes dispositivos estão cada vez mais poderosos computa-cionalmente e diversificados em termos de interfaces de comunicação. Esta diversidade aumenta a conectividade dos dispositivos ao seu ambiente, mas torna a escolha da melhor conexão mais complexa e dependente de contexto.
Neste sentido, desenvolvemos uma estratégia autónoma para conexão e comunicação em ambientes inteligentes capaz de oferecer aos desenvolvedores das aplicações novas funcionalidades que possam auxiliar na diminuição da complexidade nas interações entre dispositivos, usando mecanismo para conectividade inteligente como forma de facilitar a comunicação entre dispositivos na internet das Coisas, onde a decisão é baseada em critérios definidos pelas métricas da rede e de contexto. Resultados experimentais demonstram que o comportamento de um sistema que utiliza as funcionalidades desenvolvidas de fato se adaptam às variações de conectividade do ambiente.
Palavras-chave: Internet das Coisas. Computação Oportunista. Conectividade e
ABSTRACT
The future of the Internet trend is a new form of communication that will expand the current human-human model to reach the human-object communication and object-object, where each object can be identified and connected to the Internet, once he has the proper technology. This new scenery will lead to communication between humans to be a minority in relation to objects. These objects will be able to exchange large amounts of information with each other, and, in most cases, the only responsible for generating and receiving traffic, with little or no supervision.
In this new scenery, the use of mobile devices is transforming the way users interact, allowing applications to explore the physical proximity of others to offer intelligent services. These devices are increasingly powerful computationally and diversified in terms of communication interfaces. This diversity increases the connectivity of devices to their environment, but makes choosing the best connection more complex and dependent on context.
In this sense, we have developed an autonomous strategy for connection and communication in intelligent environments able to offer developers application new features that can help to reduce the complexity of the interactions between devices using mechanism for intelligent connectivity in order to facilitate communication between the Internet devices of Things, where the decision is based on criteria defined by the metrics of the network and context. Experimental results show that the behavior of a system that utilizes the features developed in fact adapt to environmental variations connectivity.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Camada de identificação virtuar em (JUNG et al., 2012) . . . 47
Figura 2 – Processo de meta-resolução com ORS. Fonte (JUNG et al., 2012) . . . 48
Figura 3 – Um esquema XML para metadados armazenados em um repositório de metadados. Fonte (JUNG et al., 2012) . . . 48
Figura 4 – Arquiteturas de NDN (à esquerda) e arquitetura iot-aal proposta através da abordagem NDN (direita). Fonte (HAIL; FISCHER, 2015) . . . 49
Figura 5 – (IoT Internet das Coisas) Arquitetura com ID Global, TIDS, TPS e TALP. Fonte (JEONG et al., 2012) . . . 50
Figura 6 – Papel dos Componentes na Arquitetura IOT e procedimento de serviços. Fonte (JEONG et al., 2012) . . . 51
Figura 7 – Arquitetura conceitual Haggle. Fonte (CONTI et al., 2010) . . . 52
Figura 8 – Arquitetura USABle apresentada em (MAIA et al., 2014). . . 54
Figura 9 – Esquema da estratégia implementada . . . 59
Figura 10 – Arquitetura com estratégia EsGuloss implementado acima de (MAIA et al., 2014) . . . 60
Figura 11 – Esquema de avaliação do link . . . 61
Figura 12 – Gráfo da media exponencial simples. . . 65
Figura 13 – variações de atrasos. . . 71
Figura 14 – Variação de atraso bluetooth . . . 73
Figura 15 – Variação de atraso, perda de pacote e a taxa de transferência do bluetooth 73 Figura 16 – Resultado de avaliação com apenas atraso ocorrido no enlace WiFi . . 74
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Análise comparativa entre os trabalhos relacionados. . . 56
Tabela 2 – Tabela de métricas em relação à qualidade de serviço . . . 61
Tabela 3 – Tabela PB - Porcentagem de bateria . . . 62
Tabela 4 – Tabela - Possíveis eventos que podem acontecer . . . 62
Tabela 5 – Tabela de composição de pacote de monitoramento . . . 64
Tabela 6 – Pesos p(w) -valores de pesos atribuidos para cada cálculo; w é o peso para cada tipo de tráfego . . . 65
Tabela 7 – Fatores controláveis utilizados nos experimentos . . . 69
Tabela 8 – Apreciação das métricas do contexto (Bateria e Processamento) . . . . 72
Tabela 9 – Avaliação do enlace WiFi usando apenas variação de atraso . . . 74
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
IoT Internet das Coisas
QoS Qualidas de Serviços
EsGuloss Estratégia Gulosa para conexão e comunicação em Ambiente Inteligente
IPSO IP for Smart Objects
RPL Routing Protocol for Low-power and lossy network
CoAP Constrained Application Protocol
6LOWPAN Low Power Wireless
RFID Radio Frequency Identification
NFC Near Field Communication
TI Tecnologia de Informação
QR-Code Quick Response Code
ICI Inteligencia, Conectividade, Integração
DIAT Distributed Internet-like Architecture for Things
VIL Virtual Identifier Layer
NDN Named Data Network
AAL Ambient Assisted Living
TPS Things Profile Service
TIDS Things Identification Service
TALP Things Application Level Protocol
ITRON Industry oriented Operation System
LTE Long Term Evolution
JSON JavaScript Object Notation
UDP User Datagram Protocol
MAC Media Access Control
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . 23
1.1 Motivação . . . 23
1.2 Objetivos . . . 25
1.2.1 Objetivo Geral . . . 25
1.2.2 Objetivo Específicos . . . 25
1.3 Metodologia . . . 25
1.3.1 Metodologia de pesquisa . . . 25
1.3.2 Metodologia de avaliação . . . 27
1.4 Organização da Dissertação. . . 27
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . 29
2.1 Internet das Coisas . . . 29
2.1.1 Definição . . . 30
2.1.2 Característica das Coisas Inteligentes . . . 32
2.1.3 Aplicação . . . 33
2.1.4 Desafios da Internet das Coisas – IoT . . . 35
2.1.4.1 Distribuição . . . 36
2.1.4.2 Segurança . . . 36
2.1.4.3 Qualidade de Serviço. . . 36
2.1.4.4 Heterogeneidade . . . 37
2.2 Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas. . . 37
2.2.1 Redesad-hod . . . 37
2.2.1.1 Características de rede ad-hoc . . . 38
2.2.1.2 Classificação de rede ad-hoc . . . 39
2.2.2 Rede oportunista . . . 39
2.2.2.1 Característica de rede Oportunista. . . 40
2.2.3 Métricas de Qualidade de Serviços . . . 40
2.2.4 Contexto . . . 41
2.2.4.1 Definição do contexto . . . 42
3 TRABALHOS RELACIONADOS . . . 45
3.1 Introdução . . . 45
3.1.1 Future Internet: The Internet of Things . . . 45
3.1.3 An OID-based identifier framework supporting the interoperability of
hetero-geneous identifiers . . . 47
3.1.4 IoT for AAL: An Architecture via Information-Centric Networking . . . 49
3.1.5 Enabling Transparent Communication with Global ID for the Internet of Things 50 3.1.6 From opportunistic networks to opportunistic computing . . . 52
3.1.7 An Internet of Things (IoT) Architecture for Embedded Appliances . . . 53
3.1.8 USABle – A Communication Framework for Ubiquitous Systems . . . 53
3.2 Discussão . . . 55
3.3 Conclusão . . . 56
4 ESTRATÉGIA AUTÔNOMA PARA CONECTIVIDADE E COMU-NICAÇÃO EM AMBIENTES INTELIGENTES - ESGULOSS . . . . 57
4.1 Mecanismos de avaliação de enlaces para conectividade e comuni-cação . . . 57
4.1.1 Introdução . . . 58
4.1.2 Visão Geral . . . 59
4.1.3 Tecnologias . . . 61
4.1.3.1 Monitoramento para comunicação WiFi . . . 61
4.1.3.2 Comunicação para Bluetooth . . . 62
4.1.3.3 Composição do pacote do monitoramento . . . 63
4.1.3.4 Algoritmo de cálculos de métricas baseados nas regras, tipos de tráfego ou eventos . . . 64
4.1.3.5 Algoritmo que usa contexto baseado em consumo de energia e processamento de dados para tomada de decisões parciais . . . 66
4.2 Conclusões . . . 67
5 AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL . . . 69
5.1 Protótipo . . . 69
5.2 Avaliação dos enlaces de comunicação . . . 70
5.2.1 Resultados experimentais . . . 70
5.2.1.1 Avaliação de abordagem no enlace Bluetooth . . . 72
5.2.1.1.1 Avaliação com as métricas de Atraso, Perdas de Pacotes e taxas de transferências . . . 73
5.2.1.2 Avaliação de abordagem no enlace WiFi . . . 73
5.2.1.2.1 Avaliação com as métricas de Atraso, Perdas de Pacotes e a taxa de transferência . . . 74
5.3 Conclusões . . . 75
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 77
6.1 Coclusão . . . 77
6.2 Trabalhos Futuros . . . 78
23
1 INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
Durante os últimos anos, nas áreas da comunicação sem fio e de redes, foi alcançada infraestrutura global, que interliga pessoas e objetos físicos e virtuais. Essa infraestrutura inclui a Internet existente e em evolução. Ela já oferece a identificação de objetos específicos, com capacidade de sensoriamento e conexão, como base para desenvolvimento de aplicações e serviços.
Estamos entrando em uma era ubíqua, em que qualquer objeto inteligente pode comunicar-se com outros ou humanos, uma vez que é endereçável e possibilita a conecti-vidade em qualquer momento, com qualquer Coisa (TAN; WANG, 2010). O que levará a comunicação entre humanos ser minoria em relação aos objetos. Estes objetos serão capazes de trocar grandes quantidades de informações entre si, ser os responsáveis pela geração e recepção de tráfego.
O uso dos dispositivos móveis está transformando a forma como usuários interagem, per-mitindo que aplicativos explorem as proximidades físicas dos outros para oferecer serviços inteligentes (MAIA et al.,2014). Assim, num futuro não muito distante, qualquer coisa inteligente poderá ser endereçável na rede (MOTA; BATISTA,2013). Este novo paradigma se chama Internet das Coisas (IoT- Internet of Things).
Segundo (ATZORI; IERA; MORABITO, 2010), a principal força da visão deste novo paradigma revolucionário é o alto impacto que terá sobre vários aspectos do dia-a-dia na vida dos usuários finais.
Com o crescimento dos dispositivos que atuam nesta rede de comunicação totalmente conectada em que sensores e atuadores se combinam perfeitamente com os ambientes que nos rodeiam, os efeitos mais evidentes serão visíveis no trabalho, em casa e na área de saúde, oferecendo capacidade de medir, inferir e entender fenômenos ambientais através de sensoriamento onipresente, capturando grande quantidade de informações (GUBBI et al., 2013),(ATZORI; IERA; MORABITO, 2010).
Para (GUBBI et al.,2013), "a Internet das Coisas tem saído de sua infância e é a próxima tecnologia revolucionária para transformar a Internet em uma Internet do Futuro total-mente integrada".
Segundo a Aliança IPSO (IP for Smart Objects), "em um futuro próximo um grande número de dispositivos embarcados irá suportar o protocolo IP"(MOTA; BATISTA,
24 Capítulo 1. Introdução
apenas alguns exemplos de possíveis cenários de aplicação em que o novo paradigma irá desempenhar um papel de liderança no futuro, e da mesma forma, a partir da perspectiva dos usuários finais.
Com isso, as consequências mais evidentes serão visíveis em áreas como automação industrial e fabricação, logística, gestão de processos de negócios, transporte de pessoas e bens (ATZORI; IERA; MORABITO,2010). Estes serão caracterizados por um elevado grau de captura autônoma de dados, transferência de eventos, conectividade e interoperabilidade de rede, onde a conectividade inteligente é possibilitada através das redes existentes e computação utilizando recursos de rede sensíveis ao contexto que é uma parte indispensável da Internet das coisas. No entanto, com a evolução crescente das novas tecnologias como Wi-Fi e 4G-LTE no acesso à Internet sem fios e outras como Bluetooth, RFID e NFC, a evolução para redes de informação e comunicação onipresentes já é evidente (GUBBI et al., 2013).
A partir do momento em que se teve a necessidade de disponibilizar essa Internet das coisas na Web, criou-se outra arquitetura conhecida como Redes das Coisas. Nestas redes das coisas, cada elemento, além de ter uma identificação única, está ligado à Internet normalmente utilizando uma conexão ponto a ponto (MOTA; BATISTA, 2013). No entanto, muitas questões desafiadoras precisam ser abordadas tais como: 1) alcançar plena interoperabilidade entre dispositivos interligados e fornecê-la com um alto grau de inteligência, permitindo a sua adaptação e comportamento autônomo; 2) garantir a confiança, segurança e privacidade dos usuários e dos seus dados.
Para possibilitar as criações de aplicativos reais, conectados à Internet, seguindo a ideia de Internet das Coisas, foram necessárias as tecnologias IEEE 802.15.4, 6LOWPAN (Low Power Wireless), RPL (Routing Protocol for Low-power and lossy networks - RPL) e
CoAP (Constrained Application Protocol) , uma vez que elas trabalham com melhorias
no uso de recursos como processamento, banda, baterias e memória (MOTA; BATISTA,
2013).
1.2. Objetivos 25
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Esse trabalho tem como objetivo propor uma estratégia autônoma para conexão e comunicação em ambientes inteligentes, oferecendo aos desenvolvedores das aplicações primitivas que possam auxiliar na diminuição da complexidade nas interações entre dispositivos usando mecanismo para conectividade inteligente como forma de facilitar a comunicação entre dispositivos na internet das Coisas.
1.2.2 Objetivo Específicos
Para alcançarmos o objetivo geral deste trabalho, definimos alguns objetivos espe-cíficos seguintes:
• Analizar a possibilidade dos dispositivos explorarem as suas proximidades levando em consideração os contextos e tipo de tráfego;
• Apresentar um mecanismo que possibilita a conexão e conectividade dos dispositivos no ambiente inteligente;
• Avaliar seu desempenho levando em consideração a qualidade de serviço da rede.
1.3 Metodologia
Nessa seção apresentamos as duas metodologias: a de pesquisa, que visa apresentar como foi feita a pesquisa levando em consideração os critérios de elaboração da revisão sistemática da literatura e a de avaliação, que mostra como vai ser avaliada a proposta, as métricas usadas e os materiais.
1.3.1 Metodologia de pesquisa
Na nossa metodologia de pesquisa, fizemos séries de avaliações e definições de critérios para uma descrição de elaboração de revisão sistemática, onde definimos algumas etapas a serem seguidas. Com isso, começamos com a definição da pergunta a ser respondida na pesquisa, onde especificamos a pergunta, que é:
1. Como garantir a qualidade de comunicação entre dispositivos em IoT?
26 Capítulo 1. Introdução
• IEEEexplorer;
• ACM;
• SBRC;
• Scielo;
• Elsevier;
• Scopus;
• Web of Science;
Na primeira fase, foram selecionados os artigos que respondem pelo menos a questão citada acima a partir da leitura de resumo e conclusão, onde foram descartados artigos que não atenderam ao critério. Sobraram artigos que respeitaram os critérios estabelecidos.
Na segunda fase foi feita a leitura aprofundada levando em consideração as soluções propostas e aplicaram-se critérios na seleção de todos os artigos, justificando possíveis exclusões.
Em seguida, analisamos criteriosamente e avaliamos todos os estudos incluídos na revisão, onde para cada artigo fizemos um resumo crítico, sintetizando as informações disponibilizadas pelos artigos que foram incluídos na revisão com os seguintes quesitos:
1. Identificação
2. Problema tratado
3. Qual é o problema?
4. Trabalhos relacionados
5. Contribuição do artigo
6. Pontos positivos
7. Pontos negativos
Com base nisso, apresentamos resultados e classificamos suas propostas levando em consideração as principais caraterísticas da Qualidade de serviço do enlace na resolução
de problema de conectividade e comunicação.
1.4. Organização da Dissertação 27
foi descrita no capitulo 4.
A nossa contrubuição foi feita em cima da arquitetura USABLe (MAIA et al., 2014), já existente, descrita na seção 3.1.8.
1.3.2 Metodologia de avaliação
Nesse trabalho foi implementado o módulo Mecanismo da inteligência para lidar com problema de múltiplas interfaces na melhoria do desempenho do
enlace, na camada de rede que é uma extensão da arquitetura proposta no trabalho
chamado USABLe em (MAIA et al., 2014). Esse trabalho teve como principal objetivo oferecer aos desenvolvedores ricas primitivas que vão auxiliar na criação dos aplicativos para solucionar problemas de conectividade e comunicação entre os dispositivos.
A implementação foi feita na plataforma Android, para isso, foram usados dispositivos móveis como celulares e tablet para teste real do sistema.
O cenário escolhido é uma casa inteligente, com isso, são seguidos os seguintes passos:
1. São selecionados alguns dispositivos móveis com múltiplas interfaces, com e sem endereços IP. O número de dispositivos são limitados, pois não vamos preocupar com escalabilidade devido ao cenário que escolhemos.
2. São espalhados os dispositivos pelo ambiente para coleta de informações e consequente avaliação do mecanismo proposto.
3. Os testes são feitos baseados nas principais primitivas/funcionalidades propostas levando em consideração as métricas de qualidade de serviços do módulo mencionados acima.
1.4 Organização da Dissertação
29
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo, começaremos a falar da Internet das Coisas (Internet of Things - IoT) e seu significado. Abordaremos algumas definições apresentadas na literatura, o surgimento do termo IoT, as características dos objetos inteligentes envolvidos neste paradigma, a arquitetura necessária para implantação da IoT, as tecnologias utilizadas, as aplicações e seus desafios, Conectividade e Comunicação, Rede ad hoc, Redes Oportunistas, Métricas de qualidade de serviço de redes e por último abordaremos o Contexto.
2.1 Internet das Coisas
A tendência da Internet do futuro é uma nova forma de comunicação que não será apenas humano-humano, mas entre humano-objeto e objeto-objeto. Nela, cada objeto pode ser identificado e conectado à Internet, uma vez que possua a tecnologia adequada. Num futuro não muito distante, a comunicação entre humanos será minoria em relação aos objetos. Estes objetos serão capazes de trocar grandes quantidades de informações entre si, ser os responsáveis pela geração e recepção de tráfego.
Estamos testemunhando uma era ubíqua, em que qualquer objeto inteligente pode comunicar-se com outros objetos ou humanos, uma vez que é endereçável e possibilita a conectividade em qualquer momento, com qualquer Coisa (TAN; WANG, 2010). Por conseguinte, o uso dos dispositivos móveis está transformando a forma como usuários interagem, permitindo que aplicativos explorem as proximidades físicas dos outros para oferecer serviços inteligentes (MAIA et al.,2014).
Uma vez que dispositivos inteligentes como eletrodomésticos, câmeras e sensores estão conectados à rede para trabalhar em conjunto com outros dispositivos, são capazes de oferecer serviços otimizados à sociedade (YASHIRO et al.,2013). Como um exemplo de pessoas com deficiências, estas tecnologias podem ser usadas para auxiliar as atividades de profissionais de saúdes para melhor atendê-las. O que motiva a clareza deste novo paradigma.
Para (SALLABI; SHUAIB,2016), a IoT é um paradigma complexo que compreende duas vertentes: vertical (aplicações inteligentes) e horizontal (integrações de tecnologias). Nesse sentido, a arquitetura para o novo paradigma deve abordar todos os requisitos funcionais e não funcionais no que diz respeito à extensibilidade, escalabilidade e interope-rabilidade entre dispositivos heterogêneos e os seus modelos de negócios. Além de uma conectividade inteligente de modo oportunista.
gigan-30 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
tesco de dispositivos, sistemas e equipamentos, além de incluir quaisquer coisas que possam ser representadas ou distinguidas no mundo virtual, mesmo sem ter todas as tecnologias de comunicação.
Existem na literatura várias definições técnicas em busca de tópicos que pos-sam contribuir para Internet das Coisas (SALLABI; SHUAIB, 2016),(ATZORI; IERA; MORABITO,2010).
No entanto, foram definidos alguns tópicos que abordam problemas que, hoje, estão no topo da investigação para sanear problemas necessários como dimensionamento maciço, arquitetura e dependências, criação de conhecimento e de dados grandes, robustez, segurança, privacidade de humanos. Isso será abordado na seção seguinte.
2.1.1 Definição
Na literatura, existem várias definições baseadas no fato de que a IoT é composta por dois termos fundamentais, “Internet” e “Coisas”. O primeiro termo tem uma visão orientada à rede da Internet. O segundo representa os objetos genéricos inteligentes. Quando colocados juntos, assumem um significado chamado Internet das Coisas, ou seja, “rede mundial de objetos interligados unicamente endereçáveis, com base em protocolos
padrão” (ATZORI; IERA; MORABITO,2010). Isto significa que nesta rede um grande número de objetos possivelmente heterogêneos estarão envolvidos.
Para (TAN; WANG, 2010), “as coisas tem identidades e personalidades virtuais que operam em espaços inteligentes utilizando interfaces inteligentes para se conectar e se comunicar dentro de um ambiente social usando o contexto do usuário.” Estes dispositivos não vão só conectar com outros de forma oportunista, mas também estarão cientes dos acontecimentos de vários outros objetos do mundo real (SARKAR et al.,2014). No futuro, os usuários carregarão grandes quantidades de dispositivos que se comunicam uns com outros para darem suporte à vida cotidiana de forma inteligente.
Em (IERC-IOT, 2012), a IoT é definida como uma infraestrutura dinâmica de rede global com capacidade de autoconfiguração, com base em protocolos de comunicação padrão, e interoperável. Nela, as coisas físicas e virtuais têm identidades, atributos físicos e personalidades virtuais, usam interfaces inteligentes e estão perfeitamente integradas à rede de informação.
2.1. Internet das Coisas 31
em nuvem.
Para (WU et al., 2010), a Internet das Coisas não é uma extensão da Internet tradicional, mas sim, uma revolução tecnológica que representa o futuro da computação e da comunicação. Ela tem uma característica de ambas, Internet e redes de telecomunicação. Seu desenvolvimento depende da inovação técnica e dinâmica em vários domínios importantes.
A partir de uma perspectiva para atingir a ambição da IoT, como foi prevista na literatura, a sua tendência de desenvolvimento inclui três etapas: Inteligência, Conectividade e Interação (TAN; WANG,2010). Sendo que a inteligência é incorporada aos objetos para poder fazer ações de forma automática. Como, por exemplo, a incorporação do RFID nos alimentos para gravar informação da sua identificação através do leitor RFID, controlador de máquina de lavar que faz a máquina concluir sua tarefa de forma automática. Com esta inteligência a execução do trabalho pode ser feita localmente e sozinha.
Para se comunicar com outros objetos, é necessária a rede para conectividade, pois o dispositivo precisa estar conectado e isso pode ser feito através de redes com ou sem fio, usando alguma das tecnologias de conexão disponíveis. Para que os dispositivos possam interagir, trocar as suas informações e explorar recursos de outros dispositivos, há a necessidade de criar novas Coisas inteligentes que pode processar informações, auto-configurar, auto-manter, auto-reparar e tomar decisões independentes. Isso torna possíveis as comunicações entre objetos.
A IoT pode representar o próximo grande salto à frente no setor de TI – Tecnologia de Informação, com a possibilidade de fundir perfeitamente o mundo real e o virtual, através da implantação maciça de dispositivos embarcados, que pode abrir novas direções, tanto para pesquisa quanto para empresas.
Para (IERC-IOT, 2012), IoT permite que os objetos em nosso ambiente tornem-se participantes ativos, ou seja, compartilhem informações com outros membros da rede ou com qualquer outra parte interessada, e devem ser capazes de reconhecer eventos e mudanças em seus arredores, de agir e reagir automaticamente de forma adequada. Conforme (IERC-IOT, 2012), questões mais desafiadoras da IoT são: a identificação única de objeto, a representação e armazenamento da informação trocada.
Da perspectiva dos objetos inteligentes, a IoT tem como foco integrar objetos genéricos e heterogêneos em um framework, e serem identificados por rádio frequência (RFID-Radio frequency identification) (MIORANDI et al., 2012).
De acordo com (MOTA; BATISTA, 2013), a crescente utilização de RFID na prática, como por exemplo, a utilização em passaportes e uniformes escolares, pode-se observar a importância da pesquisa realizada, visto que em um futuro não muito distante, as aplicações para IoT cada vez mais farão parte da rotina das pessoas.
32 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
leve que já se conecta a um grande números de dispositivos e é executado neles, que em geral, são alimentados por baterias. Isso garante que IP tenha todas as qualidades para fazer da IoT uma realidade. É provável que, com uma mistura inteligente do IP com o protocolo IEEE 802.15.4, como feito em 6LoWPAN (IERC-IOT,2012), a implantação da IoT em larga escala vai ser uma realidade.
Em IoT, os objetos devem se tornar participantes ativos nos negócios, processos comunicativos e sociais, nos quais são capazes de interagir e de comunicar entre si e com o ambiente, trocando dados e informações coletadas, enquanto reagem automaticamente aos eventos do mundo físico, e o influenciam ao desencadear ações com ou sem a intervenção humana de forma direta.
Na Internet das Coisas, os objetos não estão apenas conectados, mas também são identificados e capazes de agir. Para (CERP-IOT, 2010), no mundo físico, objetos inteligentes respondem aos estímulos do meio ambiente de maneira coerente.
A cada mensagem trocada, os objetos podem interagir com seus arredores. Assim, para tornar compreensível ao mundo virtual, é necessário haver consistência em mensagens e suas respostas. Isso é ativado através da interface padrão que, por sua vez, facilita a interoperabilidade.
Finalmente, podemos concluir que a Internet das Coisas são objetos ("Coisas") com poder de se auto-conectar, auto-configurar e auto-gerenciar, ou seja, um objeto com uma inteligência embutida que lhe permite gerenciar conectividades e os recursos de maneira autônoma para tomada de decisões precisa.
2.1.2 Característica das Coisas Inteligentes
As Coisas Inteligentes são dispositivos que apresentam várias características que levam a sua heterogeneidade, como diferentes tamanhos, capacidades de processamento, capacidade de computação, e também por apoiarem diferentes aplicações em IoT. Algumas características são comuns e outras dependem do domínio em que serão usados.
Para isso, o (CERP-IOT, 2010) apresentou cinco domínios das Coisas que podem identificar as características dos objetos inteligentes através dos domínio:
2.1. Internet das Coisas 33
• No domínio das suas características comuns : [a] estariam competindo “com outras Coisas” sobre os recursos, serviços e sujeitas as pressões seletivas; [b] podem ter sensores ligados, que podem interagir com o ambiente.
• No domínio social: [a] podem se comunicar com outras "Coisas", dispositivos de computação, e também com as pessoas; [b] podem colaborar para criar grupos ou redes; [c] podem iniciar a comunicação.
• No domínio da autonomia: [a] podem fazer muitas tarefas de forma autônoma; [b] podem negociar, compreender e se adaptar ao seu ambiente; [c] podem extrair padrões do ambiente ou aprender com outras; [d] podem tomar decisões através de suas capacidades de raciocínio; [e] seletivamente podem evoluir e propagar informações. No domínio das Inteligências: [a] podem criar, gerenciar e destruir outras "coisas".
Para (ATZORI; IERA; MORABITO, 2010) (IERC-IOT, 2012), há três características fundamentais que resumem os domínios apresentados anteriormente.
• Tudo se comunica: os objetos inteligentes têm a capacidade de se comunicar sem fios e com capacidade de formar redes ad hoc.
• Tudo interage: os objetos inteligentes podem interagir com o ambiente local através da detecção e capacidade de atuação sempre presentes.
• Qualquer Coisa é identificada: os objetos inteligentes são identificados com um nome digital. Relações entre as Coisas podem ser especificadas no domínio digital sempre que a interconexão física não puder ser estabelecida.
Baseado nas características acima, podemos concluir que os objetos com inteligência embutida poderão transformar o mundo atual num mundo mais inteligente e automatizado, de modo que as necessidades dos usuários no futuro serão responsabilizados pelos objetos inteligente, que tomarão a frente de resolver a maioria dos problemas humanos.
2.1.3 Aplicação
O novo paradigma de Internet das Coisas oferece potencialidades que tornam possível desenvolver inúmeras aplicações baseadas nele, sendo que apenas algumas aplica-ções estão atualmente destacadas. Segundo (MIORANDI et al., 2012), no futuro haverá aplicações inteligentes para residências e escritórios, sistemas de transporte, hospitais, empresas, previsão de desastres naturais, monitoramento de escassez das águas, fábricas etc.
34 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
aeronáutica, as falsificações de peças que não estejam em conformidade com as rigorosas restrições das indústrias, da aviação de qualidade, violam a segurança de aeronaves. Para resolver este problema, pode ser introduzido um objeto eletrônico inteligente capaz de determinar categorias das peças de aeronaves (MIORANDI et al., 2012). A previsão de desastres naturais, onde a combinação de sensores e sua coordenação autônoma pode ajudar a prever a ocorrência de deslizamento da terra ou outros desastres naturais, permitirá tomar as medidas apropriadas com antecedência (KHAN et al.,2012).
Outro exemplo é a utilização de objetos inteligentes para monitorar e relatar vários parâmetros de pressão de pneus nas indústrias automotivas, e também para o controle de qualidade dos produtos. Esses dispositivos contêm informações relacionadas ao nome do fabricante e quando o produto foi feito, o seu número de série, o tipo e o código do produto.
Segundo (GUBBI et al., 2013), nas empresas, o monitoramento ambiental é a primeira aplicação comum que é implementada para manter o controle do número de ocupantes e gerenciar os serviços públicos no interior do edifício. Sensores sempre foram uma parte integrante da configuração de fábricas para garantir segurança e automação. Isso eventualmente será substituído por um sistema sem fio que dá flexibilidade para fazer alterações à configuração sempre que necessário.
O controle de equipamentos de casa, tais como aparelhos de ar condicionado, geladeiras e máquinas de lavar, permitirá uma melhoria na administração da casa e do consumo de energia. Este setor verá os consumidores se envolverem na revolução da IoT, da mesma maneira como a própria revolução da Internet.
O consumo eficiente de energia pode ser alcançado através do monitoramento contínuo. Por exemplo, todos os pontos de energia elétrica dentro de uma casa, se usarmos estas informações para modificar a forma como a eletricidade deve ser consumida. Outra informação interessante como da escala da cidade que pode ser usada para manter o equilíbrio de carga dentro da rede de distribuição de energia, garantindo alta qualidade de serviço.
Na comunicação, a utilização das coisas inteligentes, como NFC (NFC - Near Field Communication), permite a comunicação entre objetos de uma forma simples e segura. Um exemplo desta aplicação é o Bluetooth de baixa potência, basta tê-lo perto para realizar a comunicação.
Outro exemplo da utilização de IoT é na área de medicina, como controle de pacientes para prevenção, monitoramento de parâmetros de saúde, acompanhamento das atividades (KHAN et al., 2012), e também para entrega de medicamento na hora certa e no lugar certo, principalmente para os idosos, que hoje em dia já é usado.
polui-2.1. Internet das Coisas 35
ção do ruído de tráfego e um dos principais contribuintes para as emissões que geram degradação da qualidade do ar e gases de efeito estufa. O congestionamento do tráfego impõe diretamente custos significativos sobre as atividades econômicas e sociais na maioria das cidades. A eficiência da cadeia de abastecimento e produtividade, incluindo apenas em operações de tempo, estão gravemente afetadas por este congestionamento, causando atrasos de carga e falhas de programação de entrega. Entretanto, a informações de tráfego dinâmico influenciarão o movimento de mercadorias, permitindo um melhor planejamento e uma melhor programação.
No transporte, IoT irá permitir a utilização de redes de sensores de grande porte para o monitoramento on-line de tempos de viagem, origem - destino (O-D), além do comportamento de escolha de rota, comprimentos de fila e emissões de poluentes do ar e de ruído (GUBBI et al.,2013).
2.1.4 Desafios da Internet das Coisas – IoT
No futuro próximo haverá elevado grau de captura autônoma de dados na rede, com grande fluxo de trabalho no ambiente empresarial e outros espaços inteligentes, que serão caracterizados pela interação transversal, onde teremos operações altamente dinâmicas. Nesta rede, teremos um enorme potencial de recursos computacionais e de comunicação em objetos de uso comum.
Segundo (ATZORI; IERA; MORABITO,2010), (MIORANDI et al.,2012), existem duas características adicionais que devem ser levadas em consideração: Identificação e sensoriamento. Com identificação, cada objeto deve ser identificável e, dependendo dos cenários específicos, os objetos podem requerer a identificação exclusiva, ou ser identificado como pertencente a uma determinada classe. Isto poderia ser feito basicamente de duas maneiras.
A primeira é para marcar fisicamente um objeto por meio de RFID, o código QR (em inglês, Quick Response) ou similar. De tal forma que um objeto pode estar "lendo"por meio de um dispositivo apropriado, retornando um identificador que pode ser visto em um banco de dados para recuperar um conjunto de características (descrição) associadas ao seu perfil.
A segunda possibilidade é a de fornecer um objeto com a sua própria descrição: se equipado com os meios de comunicação sem fio, pode comunicar diretamente sua própria identidade e características relevantes.
36 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
2.1.4.1 Distribuição
Quando é necessária a interação entre objetos no mundo real, pode haver um processo de forma descentralizada, ou seja, ausência de uma autoridade administrativa.
Então, os objetos que fazem parte dessa rede distribuem a responsabilidade entre eles, o que aumenta a escalabilidade e o desempenho na rede (IERC-IOT, 2012). Nesta conjuntura, a disponibilidade de endereçamento é um fator crucial. Além disso, manter o roteamento eficiente e efetivo é necessário.
2.1.4.2 Segurança
À medida que a Internet das Coisas torna-se um elemento chave da Internet do futuro e uma infra estrutura crítica, a necessidade de fornecer segurança adequada para a infra-instrutura da Internet das Coisas se torna cada vez mais importante, inclusive em um ambiente completamente distribuído.
Em (IERC-IOT, 2012), aplicações e serviços em larga escala baseados na Internet das Coisas são cada vez mais vulneráveis à interrupção por ataque ou roubo de informações. Avanços são necessários em várias áreas para proteger a IoT de pessoas com intenções maliciosas, incluindo os ataques DoS/DDoS que já são bem compreendidos para a Internet atual. Mas a IoT é também suscetível a tais ataques e exigirá técnicas e mecanismos específicos para garantir que o transporte, energia e infra-instrutura da cidade não possam ser desativados ou subvertidos.
Para uma rede das coisas ser segura, ela deverá garantir que diversos requisitos como atomicidade, confidencialidade, integridade e disponibilidade sejam cumpridas. No entanto, os desafios são maiores, à medida em que a transitividade da confiança é mais complexa de realizar, pois nem sempre haverá uma conectividade com a infra-instrutura da internet convencional.
2.1.4.3 Qualidade de Serviço
Cenários IoT orientados a aplicação consistem de uma integração de várias tecnolo-gias, sendo necessária assim, uma criteriosa investigação sobre arquiteturas de qualidade de serviço (QoS - Quality of Service), para possibilitar, na prática, a oferta de serviços
com qualidade (MOTA; BATISTA, 2013).
Ainda em (MOTA; BATISTA,2013), os requisitos de QoS são resumidos através da análise das características de aplicações para controle, consultas, monitoramento em tempo real e monitoramento genérico. Cada modelo de aplicação pode requerer parâmetros diferentes de QoS.
2.2. Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas 37
acarretando a má qualidade de serviço na rede (considerando-se a definição de QoS mais ampla).
2.1.4.4 Heterogeneidade
A variabilidade do poder computacional dos dispositivos a Internet bastante he-terogênea, de forma que temos desde dispositivos como RFID em redes até automóveis, aeronaves e prédios. Dispositivos no ambiente da Internet das Coisas podem colaborar para desempenhar uma determinada função. Neste caso, pode haver vários dispositivos conectados na rede, onde cada um funciona de acordo com a sua especialidade.
Existem vários objetos com diferentes capacidades (por exemplo, com baixa capaci-dade de processamento, armazenamento, interfaces, com diferentes níveis de mobilicapaci-dade e capacidade de armazenamento de energia) e arquiteturas, isso tudo pode dificultar a operação entre objetos e entre objetos e humanos, o que torna a heterogeneidade um desafio.
2.2 Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas
Nesta seção, abordaremos as principais formas de comunicação e conectividade dos objetos inteligentes no mundo IoT, incluindo definições importantes de diferentes redes, suas características e classificações.
2.2.1 Redes
ad-hod
Rede ad hoc sem fio é uma rede descentralizada, que é criada através de coleção de nós sem fios que formam dinamicamente uma rede, sem depender de qualquer infra estrutura pré-definida. Cada nó (usuário final) nesta rede é capaz de transmitir pacotes de dados para outros nós (DUNG; HIEU; CHOI,2016).
O principal objetivo desta rede é manter a conectividade entre nós e transportar com segurança os pacotes de dados. A rede ad hoc é formada uma vez que um nó sem
fio possuir a necessidade de comunicar com outros nós,. Além disso, os nós podem se comunicar sem ter uma conexão direta. Para isso, é criado um caminho de roteamento sem fio, que muitas vezes é multissalto (DUNG; HIEU; CHOI, 2016). Cada nó determina dinamicamente o seu próximo salto para um determinado destino baseado na topologia da rede.
38 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
quantidade de saltos de sua tabela de roteamento determina o número de salto de origem até o destino.
MANET é um tipo de rede com a capacidade de autoconfiguração, onde os nós móveis podem formar uma topologia dinâmica e são responsáveis pala comunicação entre eles. Em MANET, geralmente, os dispositivos se interligam entre eles para formar uma rede de comunicação sem fio dentro de uma área relativamente limitada e compartilhada (ZADIN; FEVENS, 2016). Assim, a topologia da rede sem fio pode mudar rapidamente e de forma imprevisível. Uma rede desse tipo pode funcionar de uma forma independente, ou podem ser ligada à Internet pública (ALOTAIBI; MUKHERJEE, 2012). A contagem de saltos no caminho formado por esta redead hoc é muito importante porque auxilia na
avaliação de desempenho da rede, no que diz respeito a taxa de entrega de pacotes, ao fluxo de comunicação simultânea, de atraso, determinar o custo de inundação e latência, conectividade e a capacidade de número de saltos possíveis na rede (DUNG; HIEU; CHOI,
2016).
2.2.1.1 Características de rede ad-hoc
Numa redead hoc, não há topologia predeterminada, nem controle centralizado,
devido ao movimento frequente de nós móveis, o que estimula a mudança dinâmica na sua topologia de conexão entre nós (LIU et al., 2016). Ou seja, esta rede não requer uma infraetrutura tal como umbackbone ou pontos de acessos configurados antecipadamente. Os
nós se comunicam com conexão física entre eles, criando uma rede em tempo real, na qual alguns dos dispositivos da rede fazem parte dela apenas durante a seção de comunicação ou, no caso de dispositivos móveis ou portáteis, enquanto estão a uma certa proximidade do restante da rede (TRUONG, 2014) (ALOTAIBI; MUKHERJEE, 2012).
No modo ad hoc, o usuário se comunica diretamente com outros, pois são eles mesmo os responsáveis pela comunicação (ZADIN; FEVENS, 2016). Além da ausência de infra-instrutura fixa, outras características distintivas destas redes incluem o modo de operação distribuída ponto a ponto e roteamento multiponto. As mudanças são relativamente frequentes na concentração dos nós da rede.
A responsabilidade pela organização e controle da rede é distribuída entre os próprios dispositivos (nós). E nesta rede alguns pares de nós não são capazes de se comunicar diretamente entre si devido à heterogeneidade do protocolo. Então, alguma forma de retransmissão de mensagens é necessária, para que esses pacotes sejam entregues ao seu destino.
2.2. Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas 39
Dessa forma, cada um participa da descoberta e da manutenção de rotas para os outros nós (ALOTAIBI; MUKHERJEE, 2012), (HAN et al., 2013), (TRINDADE; VAZãO, 2014).
2.2.1.2 Classificação de rede ad-hoc
Redes ad hoc podem ser classificadas usando vários parâmetros.
• Tipo de tráfego a ser transmitido pelos nós - O tráfego pode ser de dados normais ou de dados em tempo real para aplicações multimídia, como som e vídeo. Os esquemas e protocolos usados nas diferentes camadas de nós são em geral modelados para adaptar-se ao tráfego transmitido.
• Métodos de roteamento empregados nas várias redes - De modo geral, a classificação do tipo de roteamento pode ser unicast, multicast ou geocast.
• Redes simétricas ou assimétricas - Redes simétricas são aquelas em que todos os nós têm capacidade igual e dividem responsabilidades similares. Ao contrário das redes assimétricas, onde os nós tem capacidades diferentes (tais como raio de transmissão, processamento e velocidade de movimento) e suas responsabilidades (como a de efetuar roteamento), variam de nó para nó.
• Métodos de endereçamento - podem ser baseados no host, no conteúdo ou até mesmo na capacidade.
2.2.2 Rede oportunista
À medida em que aumentam as necessidades dos usuários com relação à tecnologia, a perspectiva da Internet do futuro será caracterizada pela generalização dos dispositivos computacionais, tais como: celulares, PDAs, sensores, atuadores, câmeras com capacidades e recursos heterogêneos, agrupando várias interfaces de rede sem fio. Tais dispositivos poderão suportar tarefas computacionais intensivas e estarão equipados com meios poderosos para produzir diferentes tipos de conteúdos.
40 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
2.2.2.1 Característica de rede Oportunista
Nas redes oportunistas, assim como nas redes móveis ad-hoc (MANET), os
disposi-tivos são espalhados por todas partes, e se juntam em uma rede (CONTI et al.,2010), (M.; S.; N., 2014a), (SADIQ et al., 2015a). Ainda assim, nessa rede, existem regras dos eventos de desconexão longa e partição da rede, e não há caminho multissalto (passando por vários nós) simultâneos que podem ser garantidos. Também neste tipo de rede, a mobilidade dos dispositivos é uma oportunidade para comunicação.
Nessa rede, os dispositivos móveis comunicam-se uns com outros, mesmo sem existência de um enlace direto entre eles (CONTI et al.,2010). Os dispositivos desconhecem a topologia da rede. As suas rotas são construídas de forma dinâmica, enquanto trafegam os dados da origem ao destino, e qualquer nó na rede pode ser usado como um salto.
Segundo (SADIQ et al., 2015a), “quando dois dispositivos entrarem em contato, ainda que de forma oportunista, é também uma grande oportunidade para compartilhar e explorar os recursos uns dos outros (software e hardware), trocando informações e formando um novo paradigma chamado computação oportunista”.
2.2.3 Métricas de Qualidade de Serviços
Conforme a expectativa da IoT, a quantidade de dispositivos diferentes e redes heterogêneas faz com que se torne difícil satisfazer a QoS, alcançar a composição e implementação de serviços rápidos. Além disso, existem alguns serviços que precisam ser reconfigurados e combinados para garantir QoS (LI; LI; ZHAO,2014).
Para (DUAN; CHEN; XING, 2011), QoS é um indicador usado para avaliar a satisfação dos clientes de um determinado serviço, que por sua vez será apresentado dois modelos de QoS (de Rede e da Internet). Em geral, a QoS de rede significa uma medida para desempenho de serviço da rede, e a QoS de Internet é concentrada na exigência do desempenho da comunicação ponto a ponto com capacidade de transmissão de dados.
A IoT é um paradigma que pode ser visto como rede totalmente conectada, onde qualquer dispositivo, uma vez endereçável, estará conectado a qualquer hora e em qualquer lugar. Estas redes possuem como atributos a complexidade das tecnologias e estilos de aplicações, onde será desenvolvida uma série de funções, incluindo percepção, processamento, transmissão, decisão e prestação de serviços. Além de integrar várias tecnologias heterogêneas e dispositivos de percepção, também é uma rede de comunicação para processamento de dados de forma inteligente.
2.2. Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas 41
Com isso, serão descritas algumas métricas de QoS na camada da aplicação e da rede. Na camada da aplicação, os atributos relacionados com os níveis de serviço de QoS incluem: mobilidade, criptografia de dados, precisão e integridade dos dados, atraso de transmissão de dados, taxa de transmissão média, taxa de perda de pacotes, confiabilidade e disponibilidade do terminal, informações de localização e prioridade diferenciada com base no negócio (DUAN; CHEN; XING, 2011) (ZHOU; MA, 2013).
Para a camada de rede, os atributos de QoS, bem como seus mecanismos, dependem do tipo de rede. Uma vez que a sua rede de comunicação pode ser móvel ou fixa, todos eles têm seus próprios sistemas de QoS.
Entretanto, como IoT é um paradigma robusto, sua QoS pode ser avaliada pelos seguintes indicadores principais: largura de banda, atraso, taxa de perda de pacotes e variação do atraso. Isso é devido à necessidade da conectividade inteligente que nosso trabalho propõe. No entanto, o principal problema é como traduzir os requisitos da camada superior para camada da rede e garantir mecanismos de QoS aplicados pela rede (LI; LI; ZHAO,2014) (DUAN; CHEN; XING, 2011) (ZHOU; MA,2013). A seguir, serão definidos os principais indicadores de QoS da rede:
• Largura de banda - é a medida da capacidade de transmissão de um determinado meio, conexão ou rede, determinando a velocidade com que os dados passam através desta rede específica.
• Atraso - é o acumulo de atrasos de processamento, de propagação nos enlaces, de transmissão e de fila nos roteadores.
• Perda de pacote - ocorre quando a fila de algum roteador no caminho entre o
remetente e o destinatário não puder receber o pacote.
• variação de atraso - é a variabilidade dos atrasos entre pacotes de um mesmo fluxo de pacotes.
Estas métricas (KUROSE; ROSS, 2012) serão usadas para auxiliar na escolha da tecnologia para a comunicação. Na seção de metodologia vamos expandir mais o estudo sobre as métricas.
2.2.4 Contexto
A progressão do avanço tecnológico, faz com que a sociedade atual se mova em direção a um paradigma onde os dispositivos estarão em todas partes, sempre ligados numa rede ou de modo ad hoc (COETZEE; EKSTEEN, 2011).
42 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
e automóveis terão a necessidade de conectar-se e comunicarem-se para tornar o ambiente mais inteligente, com a capacidade de coletar informações, armazenar, e processá-las de acordo com o contexto.
O contexto é especialmente interessante em cenários móveis, onde o contexto da aplicação é altamente dinâmico, exigindo dos aplicativos que lidem com as restrições dos dispositivos móveis (HOFER et al., 2003). Estes dispositivos possuem limitações em termo de capacidade de armazenamento, processamento e em sua maioria são operados por bateria em um determinado momento.
2.2.4.1 Definição do contexto
Sensibilidade ao Contexto é uma expressão cunhada na década de 1990, que hoje em dia está caracterizando a computação pervasiva. No entanto, a evolução da computação contextual foi vista desde aplicativos Desktop, computação móveis, aplicações web e
computação ubíqua para Internet das Coisas (PERERA et al., 2014) .
A partir do momento que o termo “computação ubíqua” foi introduzido por Mark Weiser (WEISER, 2002) em 1991, tornou-se popular. Posteriormente, (SCHILIT; THEIMER, 1994) foram os primeiros a introduzir o termo “sensível ao contexto” no seu trabalho em 1994. Desde então, abriu uma nova perspectiva na área de pesquisa para ciência de computação. Na literatura, surgiram várias definições relacionadas e que foram aceitas pela comunidade científica.
Para (BABU; SIVAKUMAR,2014), Sensibilidade ao Contexto permite a descoberta dos serviços oferecido por outros dispositivos, além de adaptação de dispositivos para aplicação no ambiente inteligente. O objetivo fundamental não é apenas fornecer serviços para usuários a qualquer momento, em qualquer lugar, com quaisquer meios de comunicação, mas sim, para comunicar as informações certas no momento certo e pelo caminho certo (HOFER et al., 2003).
Para tanto, a introdução do paradigma da Internet das Coisas desencadeou um papel fundamental, onde por exemplo, os dados são coletados de forma limitada a partir de uma dita característica. Evitando, assim, a coleta de informações desnecessárias. O paradigma IoT prevê uma era onde milhões de dispositivos estarão conectados à rede/Internet.(PERERA et al., 2014) .
Segundo a literatura, a implementação dos sensores em ambientes inteligentes em grande escala, vai produzir uma grande quantidade de informações (ZASLAVSKY; PERERA; GEORGAKOPOULOS,2013) que poderão ser complexas. Isso exigirá a análise, interpretação e compreensão das mesmas (PERERA et al., 2014) .
2.2. Conectividade e Comunicação na Internet das Coisas 43
informações através da inundação de mensagens ou outra técnica de comunicação como foi discutido em (MAIA et al., 2014), usando uma estratégia autônoma para conexão e comunicação entres dispositivos com múltiplas interfaces, onde os dispositivos poderão selecionar o enlace que melhor se adequa à QoS exigida para tal tráfego.
Neste caso, haverá a necessidade de analisar o contexto em relação ao consumo de energia, pois, o consumo de energia nas redes móveis está crescendo muito mais rápido do que o tráfego (WU, 2011) .
Para isso, neste trabalho, adicionamos consumo de energia como o contexto (onde será verificado se dispositivo está ou não conectado na energia, ou a condição de nível de bateria), que poderá influenciar a tomada de decisão do dispositivo para escolha de um determinado enlace, como uma parte da métrica para escolha.
45
3 TRABALHOS RELACIONADOS
Este capítulo apresenta os trabalhos relacionados que propõem alguma arquitetura para suprir as limitações relacionadas à conectividade inteligente, comunicações e confiabili-dade nos encaminhamentos dos dados para ambientes inteligentes, além de outros recursos importantes. Foram descritos os trabalhos mais expressivos, considerando seus pontos fortes e suas limitações. Ao final deste capítulo será realizada uma análise comparativa entre os trabalhos expostos.
3.1 Introdução
Na perspectiva de atingir a ambição da IoT para ambientes inteligentes, foram divididas três etapas de desenvolvimento que incluem: Inteligência, Conectividade e a Integração (ICI). A inteligência é incorporada nos objetos para fazer ações de forma automática. Como, por exemplo, etiquetas que são incorporados nos alimentos para gravar as informações de sua identificação através do leitor RFID, e também o controlador de máquina de lavar que faz a máquina concluir sua tarefa sozinha de forma automática e vários outros objetos que usam a inteligências para suas tarefas. Com esta inteligência, é permitida apenas a execução do seu trabalho localmente.
Para comunicar-se com outros objetos, é necessário ter conectividade e isso pode ser feito através de redes com fios e sem fios usando uma tecnologia de conexão, como por exemplo WiFi, GSM,Bluetooth, NFC. Para que as coisas possam interagir e trocar informações, haverá a necessidade de criar novas coisas inteligentes que possam processar informações, auto-configurar, auto-manuter, auto-reparar e tomar decisões independentes. Isso fará com que a comunicação entre objetos seja possível.
3.1.1 Future Internet: The Internet of Things
Em (KHAN et al., 2012), foi usada uma estratégia para suprir as limitações relacionadas à confiabilidade, escalabilidade, modularidade, interoperabilidade, interface e QoS. Para isso, foi proposto um projeto de arquitetura orientada ao serviço, com intuito de explorar a Internet e as interfaces com amplas tecnologias de ponta.
46 Capítulo 3. Trabalhos Relacionados
Para isso, foram implantadas as etiquetas RFID para ajudar no monitoramento dos edifícios. A arquitetura proposta permite o monitoramento de comportamentos dos equipamentos, recolhendo informações, sentindo as mudanças do seu ambiente e coletando suas localizações.
Na sua implementação, foram colocados gerentes de aquisição do contexto em cada edifício, que recebe informações geradas através de sistema de controle de contexto, que tem como função interligar o mundo físico com o mundo de informação virtuais através de ações e decisões que podem ser tomadas após o processamento dos dados coletados. Como, por exemplo, envio de mensagens de configuração para etiquetas ou desligamento de algumas máquinas (por exemplo, condicionadores de ar, lâmpadas e ventiladores) para economia de energia que pode ser feita de forma automática sem intervenções humanas. Também com estas informações de contexto, poderão conhecer a situação de manutenção das instalações no caso de haver potencial problema que pode provocar algum dano.
A principal limitação desse trabalho é a falta de conectividade inteligente dos equipamentos. Além disso, apenas é usada a infraestrutura e topologia centralizada. Não há mobilidade na sua arquitetura, que poderia facilitar ou permitir outros dispositivos como celulares,tablets e sensores interagirem com os demais dispositivos para coleta de informações. Também há falta de mecanismo de múltiplas tecnologias entre dispositivos para exploração da conectividade através da proximidade.
3.1.2 DIAT: A Scalable Distributed Architecture for IoT
(SARKAR et al., 2015) apresenta uma arquitetura distribuída para IoT chamada DIAT (DIAT - Distributed Internet-like Architecture for Things) para superar grandes
obstáculos relacionados à escalabilidade e à heterogeneidade dos dispositivos. Também permite adição contínua de novos dispositivos na aplicação. Outra contribuição do DIAT é oferecer um modelo de política de controle de uso de dispositivos para auxiliar na segurança e privacidade em ambientes distribuídos.
A sua arquitetura em camadas disponibiliza vários níveis de abstração para re-solver problemas como escalabilidade, heterogeneidade, interoperabilidade, segurança e privacidade. Sua arquitetura também acopla capacidade cognitiva que ajuda na tomada de decisões inteligentes e permite a criação de serviços automatizados.
3.1. Introdução 47
em camadas.
Outra contribuição foi assegurar a integração das características desejadas para mostrar como a dinâmica de criação de serviços e a modelagem podem ser alcançadas. Para apoiar a segurança e privacidade em ambientes distribuídos, foi descrito o mecanismo de controle de uso. Os autores usaram o caso de uso para mostrar que a sua arquitetura tem distributividade, além de possuir a capacidade de resolver a heterogeneidade, escalabilidade e interoperabilidade e enriquecer os recursos como automação, inteligência, dinamicidade e zero-configuração.
Apesar de recursos e características muito enriquecedoras para solucionar alguns desafios da IoT, o DIAT não disponibiliza múltiplas tecnologias para suprir as necessidades que hoje os dispositivos de mão possuem para uso de modelo epidêmicos com o intuito de explorar as proximidades entre dispositivos para ambiente inteligente, além do mecanismo de múltiplas interfaces que garantiria a qualidade e a integridade no encaminhamento do pacote.
3.1.3 An OID-based identifier framework supporting the interoperability of
heterogeneous identifiers
Segundo (JUNG et al., 2012), a interoperabilidade parece ser uma questão muito difícil devido às diferentes capacidades de hardware e os diferentes protocolos e esquemas de endereçamento. No entanto, foi proposta uma arquitetura com uma camada de iden-tificador virtual chamada de VIL (Virtual Identifier Layer) que foi adicionada na pilha,
para solucionar o problema da heterogeneidade em IoT. O VIL foi criado em cima da infraestrutura de identificadores existente para forçar a solução de interoperabilidade entre objetos pertencentes à infraestrutura de identificador heterogêneo como mostra a figura 1.
48 Capítulo 3. Trabalhos Relacionados
Para solucionar o problema relacionado ao design, foram introduzidos dois conceitos. O primeiro chamado meta-resolução apresentado na figura2e outro, repositório de meta-dados figura 3. A meta-resolução significa a resolução dos servidores, de onde todos os objetos solicitam ao servidor um identificador único e ele retorna um link do repositório de meta dados, onde ficam armazenados todos os identificadores.
Figura 2: Processo de meta-resolução com ORS. Fonte (JUNG et al.,2012)
O segundo conceito sugerido é uma espécie do servidor de resolução, que oferece uma distribuição de identificação abundante. Isto exige que os meta-dados possuam formato XML e assim possam conter quaisquer informações relacionadas ao perfil do dispositivo como, por exemplo, modo de operação e tipo de endereço.
Figura 3: Um esquema XML para metadados armazenados em um repositório de metada-dos. Fonte (JUNG et al., 2012)
3.1. Introdução 49
o repositório. Se existir o dispositivo solicitado, o servidor de meta-dados retornará o identificador e sua respectivas informações. O repositório de meta-dados tem informações essenciais dos dispositivos pertencentes à infraestrutura de identificador heterogêneo para poder estabelecer a comunicação entre eles. Para os outros, a arquitetura pode funcionar com qualquer infraestrutura de identificação de código de barra passivo.
Esse trabalho se limita em identificação e comunicação entre dispositivos. Ele não implementa multiplos saltos, ou seja, os dispositivos não tem a capacidade de encaminhar pacotes para outros dispositivos, como uma forma de entrega ao destino. Além disso, não tem implementado modelo epidêmico (em inglês carry-and-forward), que é uma forma
de garantir uma troca de mensagem mais precisa, essencial para ambientes inteligente em IoT, nem mecanismo de tratamento de múltiplas interfaces para escolha do link mais adequado de acordo com o tráfego.
3.1.4 IoT for AAL: An Architecture via Information-Centric Networking
(HAIL; FISCHER,2015) apresenta uma arquitetura flexível baseado em NDN (NDN - Named Data Network) para atender à exigência de IoT-AAL (IoT-AAL - Internet of Thing for Ambient Assisted Living). A arquitetura proposta foi dividida em três mecanismos:
Nomeação, Encaminhamento e Expedição. Nomeação é o conceito definido para solicitação de dados em NDN e é baseado em um nome hierarquicamente estruturado.
A estrutura do nome em NDN permite o controle na transmissão de dados entre dois dispositivos (produtor e consumidor) através da aplicação. Além disso, a NDN possibilita que quaisquer nós intermediários salvem uma cópia de informação trafegada na rede para outro(s) nó(s). Assim se posteriormente for precisar dessa informação poderá utilizá-la. Para os autores, tais mecanismos são benéficos para o sistema de IoT por causa da redução da carga de tráfego na rede.
50 Capítulo 3. Trabalhos Relacionados
Encaminhamento e Expedição (Routing and Forwarding) dos pacotes de um nó
usando NDN são baseados nos nomes. O trabalho usa um modelo epidêmico para encami-nhamento de pacote. Este modelo é uma das contribuições desse trabalho para permitir que os dispositivos de origem não se preocupem com os destinos, apenas contenham o prefixo do nome. Este mecanismo permite a inundação de dados entre vizinhos até o nó destino. Essa estratégia de nomeação em NDN permite solucionar problemas de agregação de dados no ambiente IoT.
Nesse trabalho, foi introduzido o armazenamento de dados pelos nós vizinhos. Como dispositivos possuem capacidades limitadas, isso irá acarretar mais processamento e uso da memória dos dispositivos. No entanto, esse modelo não é adequado para esses tipos de dispositivos em IoT.
Esse trabalho não tem implementado conectividade inteligênte, nomeadamente o uso de múltiplas interfaces, ou seja, a escolha da melhor forma de conectividade dos dispositivos quando estes têm mais de uma interface. Isso seria uma estratégia ideal para AAL, pois ajudaria na consistência de dados, isto é, uma entrega confiável de dados críticos que minimiza a perda de pacotes.
3.1.5 Enabling Transparent Communication with Global ID for the Internet
of Things
(JEONG et al., 2012) apresenta uma arquitetura para Internet das Coisas onde os usuários ou objetos podem descobrir, identificar e comunicar-se com outros objetos independentemente da sua tecnologia ou protocolo de rede. Para isso, cada objeto usa um nome e um identificador para ser globalmente identificado independente de sua localização. Com isso, foi criado um perfil chamadoTPS - Things Profile Service apresentado na figura
5, que auxilia os objetos na recuperação da identificação de um determinado objeto e reconhecem as suas propriedades.
3.1. Introdução 51
Outra contribuição é a criação do serviço de identificação chamadoTIDS - Thing’s Identification Services, que auxilia os dispositivos na recuperação dos endereços de outros
dispositivos na redes. Devido à grande mobilidade dos dispositivos no ambiente IoT, foi utilizado o mecanismo de DNS/DDNS já existente para assegurar a mobilidade dos objetos, o que permite a extensibilidade dos dispositivos na internet.
O mesmo projeto disponibiliza um protocolo de comunicação para camada de aplicação chamado Thing’s Application Level Protocol -TALP, para facilitar ao usuário
final o acesso às informações dos objetos de forma transparente. O principal objetivo é facilitar a interação entre objetos inteligentes e entre objetos e humanos. Além disso, prevê suporte a dispositivos heterogêneos.
Figura 6: Papel dos Componentes na Arquitetura IOT e procedimento de serviços. Fonte (JEONG et al., 2012)
A utilização do ID global substitui os IPs na identificação dos objetos independente-mente dos endereços e protocolos de camada subjacente. Este trabalho apresenta algumas soluções importantes para atender características da IoT, mas não foi implementado o mecanismo da inteligência de múltiplas interfaces, que poderia ajudar na identificação e encaminhamento dos dados críticos. Além disso, sua arquitetura não é extensível (somente o suporte a dispositivos, para garantir heterogeneidade), o que pode diminuir o conforto e a facilidade do programador das aplicações para IoT.
52 Capítulo 3. Trabalhos Relacionados
3.1.6 From opportunistic networks to opportunistic computing
Haggle (CONTI et al., 2010), é um projeto com infraestrutura para desenvolver aplicativos baseados no paradigma da computação oportunista. Ele fornece aos desenvolve-dores primitivas que lidam com confiança, segurança, descoberta de recursos e capacidades de roteamento, além do encaminhamento (Carry-and-forward) de pacote.
O seu encaminhamento é projetado para lidar com auto-organização, dinamicidade e um ambiente volátil de comunicação ponta a ponta. Para explorar a conectividade, foi introduzida uma estratégia onde para cada dispositivo, ao encaminhar um determinado pacote, executa uma decisão de forma independente a fim de explorar a oportunidade de conectividade usando sua informação do contexto.
Figura 7: Arquitetura conceitual Haggle. Fonte (CONTI et al.,2010)
Outra contribuição importante deste trabalho é a implementação do algoritmo de multi-salto através do módulo de encaminhamento de pacote sensível ao contexto, que usa a interface de rede disponível para facilitar a identificação dos seus vizinhos mais próximos como mostra figura7.
