Proposta de um gateway IoT em computação Fog com técnicas de aceleração WAN

Abstract

O crescimento do número de dispositivos de Internet das Coisas (IoT), especialmente daqueles considerados como dispositivos inteligentes (smart devices), se, por um lado, representa um desafio para a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico, por outro lado, estimula um paradigma computacional distribuído conhecido como computação em nevoeiro (Fog Computing). Este paradigma aproveita a capacidade de processamento e armazenamento dos dispositivos inteligentes, assim como dos equipamentos de comunicação e servidores, instalados na borda da rede, ou seja, provendo serviços computacionais mais próximo ao usuário, reduzindo o volume de dados que precisa ser transmitido para o conjunto de servidores centrais que constituem denominada nuvem computacional da Internet. A computação em nevoeiro se combina e complementa com o paradigma de computação em nuvem, levando também à redução da latência e do tempo de resposta, o que é particularmente de interesse para aplicações de IoT, pois no intervalo entre as percepções obtidas pelos sensores IoT e a ativação de comandos enviados para o controle de atuadores IoT, as tomadas de decisão ocorrem na área de borda da rede, encurtando consideravelmente o tempo necessário para transmissões, com relação ao mesmo processo realizado com intermediação de entidades em nuvem computacional. Com base nessa ideia geral, esta dissertação tem como objetivo criar uma arquitetura fim a fim de IoT em fog, composta com módulos próprios dos dispositivos inteligentes de IoT, bem como gateways e middleware de IoT, sob coordenação de um módulo orquestrador. Tal arquitetura tem como requisito ser capaz de realizar o processamento, armazenamento e tomada de decisão de forma distribuída para dar suporte a instâncias de redes IoT. Além da proposição da arquitetura em fog para IoT, para efeito de validação da proposta, foram desenvolvidos ao longo deste trabalho módulos de software utilizando técnicas de aceleração WAN, ou seja, técnicas de compressão na comunicação entre os dispositivos inteligentes, gateways, middleware de IoT e módulos em nuvem. Como resultado, além de mostrar o efetivo funcionamento geral da arquitetura proposta, a validação mostra também como o gateway fog proposto no trabalho permite o armazenamento e processamento de parte dos dados próximo aos sensores/atuadores de IoT, o que, conjuntamente com a aceleração WAN, leva a reduzir a necessidade de transmissão para a nuvem. Testes de validação do conjunto de protótipos de software permitiram mostrar uma redução superior 70% no encaminhamento de dados, com relação a uma solução pura de nuvem, ou seja, sem computação em fog.