Analysing IoT device and application behaviour modelling to foster efficient management of Cloud and Fog environments  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
131793
Type FK
Principal investigator Kertész, Attila
Title in Hungarian IoT eszközök és alkalmazások modelljeinek vizsgálata Felhő és Köd rendszerek hatékony vezérléséhez
Title in English Analysing IoT device and application behaviour modelling to foster efficient management of Cloud and Fog environments
Keywords in Hungarian Internet of Things, Cloud computing, Fog computing, Simulation
Keywords in English Dolgok Internete, Felhő rendszerek, Köd rendszerek, Szimuláció
Discipline
Information Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Informatics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Department of Software Engineering (University of Szeged)
Participants Al-Haboobi, Ali Sadeq Abdulhameed
Bani Ata Bassam, Hamza
Dombi, József
Dombi, József Dániel
Gavua, Ebenezer Komla
Kecskeméti, Gábor
Kertészné dr. Váradi, Szilvia
Márkus, András
Pflanzner, Tamás
SALLO, DILSHAD HASSAN
Starting date 2019-12-01
Closing date 2022-11-30
Funding (in million HUF) 29.487
FTE (full time equivalent) 10.50
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Projektünk fő célja köd és felhő-alapú Internet of Things alkalmazások hatékony és biztonságos vezérlésének vizsgálata alapkutatási módszerekkel a ködök, felhők és az IoT rendszerek területén. Kutatási terveink közt szerepel az IoT megoldások elterjedtségének növelése köd és felhő technológiák segítségével, amelyekkel lehetővé válik a különböző komponensekből álló komplex IoT rendszerek vizsgálata, és a rajtuk kifejlesztendő alkalmazások létrehozása és vezérlése. Célunk eléréséhez modellezzük az IoT eszközök és alkalmazások viselkedését, amelyek vizsgálatát szimulációs környezetekben tesszük elérhetővé. Ezen felhő és köd szolgáltatásokkal támogatott IoT rendszerek alaptulajdonságai, hogy személyes adatokkal dolgoznak, ezért fontos azok - esetlegesen több felhő és köd szolgáltató részvételével történő - tárolását és feldolgozását az adatvédelmi előírásoknak megfelelően kezelni, már az alkalmazások tervezésekor figyelembe venni.

A projekt főbb kutatási célkitűzései a következők:
- valós IoT adatsorok gyűjtése, rendszerezése és elérhetővé tétele IoT alkalmazások szimulációs vizsgálataihoz,
- a számos alkalmazási területen fellelhető IoT eszközök és szenzorok viselkedésének modellezése,
- az IoT eszközmodellek alkalmazhatóságának demonstrálása többféle, az alkalmazások vizsgálatát lehetővé tevő szimulációs környezetekbe építésével, amelyek képesek támogatni a különböző komponensekből álló komplex felhő- és köd-alapú IoT rendszerek vizsgálatát,
- szenzor adatok okos, fuzzy módszeren alapuló, köd és felhő gateway szolgáltatásokat dinamikusan kihasználó tárolásának, feldolgozásának és összesítésének hatékonysági és biztonsági szempontokból történő vizsgálata.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásaink kiinduló hipotézise, hogy a közeljövőben kialakuló, nagyszámú eszközből álló, heterogén IoT rendszereket képesek leszünk hatékony és biztonságos módon kezelni. Ahhoz hogy igazoljuk ezt a hipotézist és támogassuk ezen rendszerek vizsgálatát, a következő kérdéseket kell megválaszolnunk:

- Hogyan modellezhetjük az IoT szenzorok, eszközök és alkalmazások viselkedését?
- Melyek a napjaink okos otthonaiban, városaiban és régióiban használt IoT eszközök legfontosabb tulajdonságaik, és az ezeket kezelő IoT alkalmazásokat milyen részletességgel szükséges vizsgálnunk?
- Milyen eszközmodellek alkalmasabbak hatékony és adatvédelmi irányelveknek megfelelő adatkezelés megvalósításához, köd és felhő szolgáltatások esetében?
- Milyen módszerekkel használhatnánk ki hatékonyabban a többféle köd és felhő szolgáltatás együttes igénybevételét IoT adatkezeléshez?
- Meg tudunk-e valósítani elosztott módon egy biztonságos IoT adatkezelő köd szolgáltatást több eszköz együttműködtetésével?
- Ezek az eltérő megközelítések hogyan teljesítenek skálázhatóság, reakcióidő és adatvédelem szempontjából?
- Milyen tervezési mintákat vagy elveket határozhatunk meg vizsgálataink alapján?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A Gartner előrejelzések szerint rohamosan növekszik az IoT eszközök száma, és a közeljövőben továbbra is fragmentált lesz az IoT rendszerek piaca. Az üzleti szférában tapasztalható verseny számos IoT szolgáltatót szül, amelyek eltérő üzleti és technológiai modellekre épülnek kialakult standard megoldások hiányában. Emellett nehezen tervezhető és előrejelezhető a különféle IoT alkalmazások erőforrásigénye és működtetési költsége. Projektünk megvalósítása során fő célunk egy IoT eszköz viselkedési modell és egy ezt alkalmazó metodológia kidolgozása, amelyeknek alkalmazásával könnyebben tervezhetővé és vizsgálhatóvá válik az IoT alkalmazások kifejlesztése és működtetése. Módszereinkkel algoritmikus módon elemezhetjük a különféle IoT eszközök felől áramló nagy adatmennyiség hatékony és biztonságos kezelését köd és felhő szolgáltatások együttműködtetésével. Az így kidolgozandó módszerek mind akadémiai, mind ipari hasznosításban fontos szerepet játszhatnak. Az IoT terület az európai H2020-as kutatás-fejlesztési programokban és projektekben is kiemelt szerepet tölt be. Ezekkel a megközelítésekkel a mi kutatási céljaink olyan módszerek kidolgozására összpontosítanak, amely általánosan használható lesz különféle megvalósítású és felépítésű rendszerek esetén. A tervezett szimulációs megoldásaink segítségével magas beruházási költségek nélkül tervezhetünk és vizsgálhatunk köd- és felhő-alapú IoT rendszereket, és a kidolgozott fuzzy-alapú vezérlési módszerekkel hatékony és biztonságos adatkezelést érhetünk el.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban egyre nagyobb teret hódítanak a különböző felhő szolgáltatások, amelyek igény szerinti hozzáférést nyújtanak távoli számítási és adattároló erőforrásokhoz. A jelenlegi Internet használatot egyre több okoseszköz és szenzor megjelenése jellemzi, amely nagymértékben meg fogja növelni az adatforgalmazást és tárolást. Ezen kommunikációs eszközök nagy része Internet of Things (dolgok internete) hálózatokba csatlakozik, amelyek olyan dinamikus infrastruktúrák, amely rendelkeznek önkonfigurációs és adaptációs tulajdonságokkal, így emberi beavatkozás nélkül képesek adatot és információt felfedezni, megosztani és feldolgozni. Projektünk fő célja az IoT eszközök viselkedésének modellezése, és az ezt alkalmazó köd- és felhő-alapú IoT rendszerek hatékony és biztonságos vezérlésének vizsgálata alapkutatási módszerekkel. Terveink közt szerepel az IoT alkalmazások fejlesztésének és működtetésének könnyebben tervezhetővé és vizsgálhatóvá tétele a kutatási eredményeink segítségével.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of this project proposal is to investigate the efficient and secure (privacy-aware) management of IoT-Fog-Cloud systems by performing fundamental research in the area of Fog and Cloud computing and the Internet of Things (IoT). This research plans to contribute to the proliferation of IoT with the help of fog and cloud technologies by enabling experimenting with complex IoT systems consisting of interdependent components that work together to enable the creation and management of user applications. To reach these aims we will model the behavior of IoT devices, sensors and applications, and make these models available in simulated environments for analysis. IoT-Fog-Cloud systems inherently have capabilities that need to be secured with legal compliance and privacy-by-design planning, since sharing and combining data through fogs and clouds will increase locations and jurisdictions, where personal data resides.

The main goals of our project are the followings:
- to gather, classify and make available real-world sensor datasets for investigating IoT applications and systems in simulated environments;
- to model the behavior of IoT devices and sensors in various application fields,
to demonstrate the wide applicability of these device models by realising, analysing and using them in different simulation environments for IoT-Fog-Cloud systems,
- to develop algorithms for analyzing the efficiency and privacy of sensor data processing, aggregation and storage with smart, fuzzy-based selection of fog and cloud gateway services.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The starting hypothesis of our research is that we will be able to manage efficiently and securely the robust, heterogeneous IoT systems consisting of numerous devices that are to be realized in the near future. To prove this hypothesis and to achieve our goals, our basic research questions here are the followings:

- How can we model IoT sensor, device and application behavior with a generic approach?
- What level of detail is needed for what scenario, and what are the most important properties of everyday IoT devices utilised in smart home, smart city or smart region environments?
- What kind of device models support better privacy-aware data management of Fog and Cloud services?
- What kind of sophisticated methods could be developed to efficiently utilize both Fog and Cloud services for IoT data management?
- Could a fog service be realized as a secure distributed service to manage IoT sensor data in multiple fog nodes?
- How these different approaches behave when tested against scalability, responsiveness and data protection?
- What design patterns or best practices can we draw from these investigations?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
According to Gartner prediction reports, the number of IoT devices is continuously growing, and the IoT market will still be fragmented in the near future. More and more IoT solutions and providers appear on the market, using different business models and technology due to the lack of standards in the field. Besides, the planning and development costs of different IoT applications are hard to be estimated. The research aim of our project is to propose a model of IoT device behavior, and a methodology for enabling such estimations and analysis. By using our methods, one can investigate efficient and secure data management of various IoT devices with different algorithms by interoperating fog and cloud services. The planned methods will play an important role both in academic and industrial application. The IoT research is also in the focus of the European H2020 funding programme and projects for research and innovation. Beside these approaches we plan to develop such a methodology that could be applicable in general to any IoT system possibly composed of different, dynamic services. By using our planned simulation solutions, IoT-Fog-Cloud systems could be designed and evaluated without major investment costs, and by following the proposed fuzzy-based algorithms, efficient and secure data management could be reached.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Cloud Computing offers on-demand access to computational, infrastructure and data resources operated from a remote source. In the current worldwide ICT scenario a constantly growing number of powerful devices join the Internet, significantly impacting on the global traffic volume and foreshadowing a world of smart devices, or things in the Internet of Things perspective, interconnected by the Internet. By addressing the challenges of this vision, the overall goal of this project is to support the proliferation of IoT with the help of fog and cloud technologies. The aim of this project is to model the behavior of IoT devices and sensors, and to apply this model in simulated environments to enable the analysis of efficient and secure management strategies of IoT applications by performing fundamental research in the area of Fog and Cloud computing and the Internet of Things. This research plans to contribute to the better planning and estimation of IoT application costs by using our proposed solutions.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Projektünkben az IoT eszközök és alkalmazások viselkedésének szimulációs vizsgálatának témakörében végeztünk kutatást. A projekt megvalósítása alatt végig a munkatervnek megfelelően haladtunk. Kezdetben részletes irodalomkutatást végeztünk, majd elkezdtük egy általános IoT viselkedési modell kidolgozását. A DISSECT-CF szimulációs környezetet bővítettük: Köd és IoT infrastruktúra modellezés, trace betöltés, mobilitás, lokalizáció, IoT workflow és grafikus interfész funkciók tekintetében. A kiterjesztett szimulátorral több használati eset viselkedését modelleztük és elemeztük, valós szenzoradatok alkalmazásával. Fuzzy módszeren alapuló adatkezelő algoritmusokat fejlesztettünk ki és elemeztünk, és új módszereket dolgoztunk ki a workflow és MapReduce alkalmazások végrehajtási hatékonyságának növelésére, és az adatvédelmi megfelelőség és magánszféra védelem elősegítésére. A projekt eredményeit illetően, a szakirodalomban fellelhető megoldásokhoz képest a következő megoldásainkkal értük el a legjelentősebb új eredményeket: - IoT szenzor és aktuátor eszközök és alkalmazások viselkedési modelljének kifejlesztése; - szimulációs megoldások heterogén felhő, köd, harmat és blokklánc infrastruktúrák kezelésének modellezésére; - hatékony és biztonságos IoT adatkezelési módszerek kidolgozása. Több BSc és MSc hallgató bevonásával végeztük kiértékeléseinket. A projekt keretében összesen 27 publikáció jelent meg, melyek nyilvánosan elérhetők és olvashatók a ResearchGate-en.
Results in English
In our project, we conducted research on the topic of simulation and behaviour analysis of IoT devices and applications. We progressed according to the work plan throughout the implementation of the project. At the beginning, we performed a detailed literature review, and then developed a general IoT behavior model. We extended the DISSECT-CF simulation environment by: Fog and IoT infrastructure, mobility, localisation and IoT workflow modelling, trace loading and graphical interface functions. With our extended framework, we modelled and analysed the behaviour of several use cases, using real sensor data. We developed and analysed data management algorithms based on a fuzzy method, and developed new methods to increase the execution efficiency of workflow and MapReduce applications, and to enable data protection compliance and privacy protection. We have achieved the most significant new results going beyond the state-of-the-art with the following contributions: - development of a behaviour model of IoT sensor and actuator devices and applications; - simulation solutions for modelling the management of heterogeneous cloud, fog, dew and blockchain infrastructures; - development of efficient and secure IoT data management methods. We carried out our evaluations with the involvement of several BSc and MSc students. A total of 27 publications were published within the framework of the project, which are publicly available and can be read on our ResearchGate page.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=131793
Decision
Yes





 

List of publications

  
Baniata H., Anaqreh A., Kertesz A.: PF-BTS: A Privacy-Aware Fog-enhanced Blockchain-assisted task scheduling, INFORMATION PROCESSING & MANAGEMENT 58: (1) 102393, 2021
Baniata H., Kertesz A.: A Survey on Blockchain-Fog Integration Approaches, IEEE ACCESS 8: pp. 102657-102668., 2020
Baniata H., Kertesz A.: PF-BVM: A Privacy-aware fog-enhanced blockchain validation mechanism, In Proc. of the 10th International Conference on Cloud Computing and Services Science, SCITEPRESS-Science and Technology Publications, Lda (2020) pp. 430-439., 2020
Baniata Hamza, Almobaideen Wesam, Kertesz Attila: A Privacy Preserving Model for Fog-enabled MCC systems using 5G Connection, In 2020 Fifth International Conference on Fog and Mobile Edge Computing (FMEC), IEEE (2020) pp. 223-230., 2020
Baniata Hamza, Sharieh Ahmad, Mahmood Sami, Kertesz Attila: GRAFT: A Model for Evaluating Actuator Systems in terms of Force Production, SENSORS 20: (7) 1894, 2020
Kirimtat A., Krejcar O., Kertesz A., Tasgetiren M.F.: Future Trends and Current State of Smart City Concepts: A Survey, IEEE ACCESS 8: pp. 86448-86467., 2020
Markus Andras, Gacsi Peter, Kertesz Attila: Develop or Dissipate Fogs? Evaluating an IoT Application in Fog and Cloud Simulations, In Proc. of the 10th International Conference on Cloud Computing and Services Science, SCITEPRESS-Science and Technology Publications, Lda (2020) pp. 193-203., 2020
Markus Andras, Kertesz Attila: A survey and taxonomy of simulation environments modelling fog computing, SIMULATION MODELLING PRACTICE AND THEORY 101: 102042, 2020
Mishra B., Kertesz A.: The Use of MQTT in M2M and IoT Systems: A Survey, IEEE ACCESS 8: pp. 201071-201086., 2020
Al-Haboobi, A., & Kecskeméti, G.: Reducing Execution Time of An Existing Lambda based Scientific Workflow System, The 12th Conference of PhD Students in Computer Science - Volume of short papers (pp. 3–6)., 2020
Ebenezer, K. G., & Kecskeméti, G.: Improving MapReduce Speculative Executions with Global Snapshots, The 12th Conference of PhD Students in Computer Science - Volume of short papers (pp. 62–65), 2020
Sallo, D. H., & Kecskeméti, G.: Parallel Simulation for The Event System of DISSECT-CF, The 12th Conference of PhD Students in Computer Science - Volume of short papers (pp. 58–61), 2020
Markus Andras, Kertesz Attila: A survey and taxonomy of simulation environments modelling fog computing, SIMULATION MODELLING PRACTICE AND THEORY 101: 102042, 2020
Baniata Hamza, Sharieh Ahmad, Mahmood Sami, Kertesz Attila: GRAFT: A Model for Evaluating Actuator Systems in terms of Force Production, SENSORS 20: (7) 1894, 2020
Kirimtat A., Krejcar O., Kertesz A., Tasgetiren M.F.: Future Trends and Current State of Smart City Concepts: A Survey, IEEE ACCESS 8: pp. 86448-86467., 2020
Baniata H., Kertesz A.: A Survey on Blockchain-Fog Integration Approaches, IEEE ACCESS 8: pp. 102657-102668., 2020
Baniata H., Anaqreh A., Kertesz A.: PF-BTS: A Privacy-Aware Fog-enhanced Blockchain-assisted task scheduling, INFORMATION PROCESSING & MANAGEMENT 58: (1) 102393, 2021
Mishra B., Kertesz A.: The Use of MQTT in M2M and IoT Systems: A Survey, IEEE ACCESS 8: pp. 201071-201086., 2020
Markus A., Biro M., Kecskemeti G., Kertesz A.: Actuator behaviour modelling in IoT-Fog-Cloud simulation, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e651 , 27 p., 2021
Baniata H., Kertesz A.: FoBSim: an extensible open-source simulation tool for integrated fog-blockchain systems, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e431, 2021
Baniata H., Sami M., Kertesz A.: Assessing anthropogenic heat flux of public cloud data centers: current and future trends, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e478 , 18 p., 2021
Sallo, D. H., Kecskemeti G.: A Parallel Event System for Large-Scale Cloud Simulations in DISSECT-CF, Acta Cybernetica, 2021
Al-Haboobi, A., Kecskemeti, G.: Execution Time Reduction in Function Oriented Scientific Workflows, Acta Cybernetica, 2021
Markus A., Dombi J. D., Kertesz A.: Location-aware Task Allocation Strategies for IoT-Fog-Cloud Environments, In: Cristina, Ceballos (szerk.) 2021 29th Euromicro International Conference on Parallel, Distributed and Network-Based Processing (PDP), IEEE, pp. 185-192., 2021
Gültekin-Várkonyi G., Kertész A., Váradi Sz.: Application of the General Data Protection Regulation for Social Robots in Smart Cities, In: Augusto, Juan Carlos (szerk.) Handbook of Smart Cities. Springer International Publishing, 1, 25 p., 2021
Márkus A., Kertész A.: Investigating IoT Application Behaviour in Simulated Fog Environments, In: Helfert, Markus; Pahl, Claus; Ferguson, Donald (szerk.) Cloud Computing and Services Science, Springer International Publishing, pp. 258-276., 2021
Al-Haboobi, A., & Kecskeméti, G.: Improving Existing WMS for Reduced Makespan of Workflows with Lambda, In: Balis B. et al. (eds) Euro-Par 2020: Parallel Processing Workshops. Euro-Par 2020. Lecture Notes in Computer Science, vol 12480. Springer, Cham., 2021
Baniata H., Anaqreh A., Kertesz A.: PF-BTS: A Privacy-Aware Fog-enhanced Blockchain-assisted task scheduling, INFORMATION PROCESSING & MANAGEMENT 58: (1) 102393, 2021
Baniata H., Sami M., Kertesz A.: Assessing anthropogenic heat flux of public cloud data centers: current and future trends, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e478 , 18 p., 2021
Baniata H., Kertesz A.: FoBSim: an extensible open-source simulation tool for integrated fog-blockchain systems, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e431, 2021
Markus A., Biro M., Kecskemeti G., Kertesz A.: Actuator behaviour modelling in IoT-Fog-Cloud simulation, PEERJ COMPUTER SCIENCE, 7 Paper: e651 , 27 p., 2021
Baniata H., Anaqreh A., Kertesz A.: DONS: Dynamic Optimized Neighbor Selection for smart blockchain networks, FUTURE GENERATION COMPUTER SYSTEMS, 130, pp. 75-90., 2022
Markus A.: Towards Modelling IoT Workflows, In: 13th Conference of PhD Students in Computer Science : Volume of Short Papers, pp. 25-29., 2022
Kertesz A., Baniata H.: Consistency Analysis of Distributed Ledgers in Fog-Enhanced Blockchains, In: Euro-Par 2021: Parallel Processing Workshops : Euro-Par 2021 International Workshops, Lisbon, Portugal, August 30-31, 2021, Revised Selected Papers, Springer Internat, 2022
Sallo, D. H., Kecskemeti G.: Towards Generating Realistic Trace for Simulating Functions-as-a-Service, In: Euro-Par 2021: Parallel Processing Workshops : Euro-Par 2021 International Workshops, Lisbon, Portugal, August 30-31, 2021, Revised Selected Papers, Springer Internat, 2022
Al-Haboobi, A., Kecskemeti, G.: Developing a Workflow Management System Simulation for Capturing Internal IaaS behavioural knowledge, Journal of Grid Computing. 20 pages. Accepted on 25th November, 2022., 2022
Markus A., Biro M., Skala K., Sojat Z., Kertesz A.: Modeling Dew Computing in DISSECT-CF-Fog, APPLIED SCIENCES-BASEL, 12 : 17, Paper: 8809, 12 p., 2022




 

Events of the project

  
2020-01-29 15:07:21
Résztvevők változása



Back »