Emerging technologies, IoT/IIoT architectures and Edge/-Fog computing mechanisms for cybersecurity, energy efficiencyand decentralized/distributed communications

• Autores: Iván Froiz Míguez
• Directores de la Tesis: Tiago M. Fernández-Caramés (dir. tes.), Paula Fraga-Lamas (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidade da Coruña ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 361
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Cotos Yáñez (presid.), Paula-María Castro-Castro (secret.), José Carlos López Ardao (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RUC
• Resumen
  • español

    El internet de las cosas (IoT o Internet of Things) es un paradigma en el que diversos dispositivos físicos intercomunicados entre si que pueden ser capaces de autogestionarse y transmitir información entre ellos. Dichos dispositivos pueden ser vehículos, electrodomésticos, infraestructuras urbanas, maquinaria o herramientas industriales. Para que esta comunicación se pueda llevar a cabo es necesario integrar componentes electrónicos que permitan obtener información del entorno (sensores), realizar acciones físicas (actuadores) y enviar y recibir la información necesaria (interfaces de comunicaciones de red), pudiéndose requerir de un procesado adicional mediante dispositivos remotos (e.g., a través de sistema de Cloud o Edge Computing). La gran expansión que ha experimentado el paradigma en las últimas dos décadas ha provocado la evolución y aparición de nuevas tecnologías para superar muchos de los retos actuales. A lo largo de esta tesis se analiza esta evolución en varias líneas diferentes, abordando aspectos clave, mejoras y retos futuros de las tecnologías de vanguardia actuales, así como un enfoque práctico que incluye el diseño e implementación de diferentes sistemas IoT. Estas líneas de investigación involucran aspectos como los fundamentos de IoT, los sistemas críticos, la capacidad de procesamiento y respuesta, la seguridad y el consumo energético. Uno de los principales elementos clave de la evolución del IoT son los paradigmas de comunicación distribuidos, los cuales permiten gestionar de manera más eficiente el volumen masivo de información generado por las distintas redes de sensores. En concreto, soluciones como Fog o Edge Computing han demostrado ser un complemento ideal en situaciones de tráfico masivo. Los requerimientos en cuanto a tiempo de respuesta y Calidad del Servicio (QoS) son otro aspecto clave de la tecnología, en este caso, aparte de verse favorecidos por dichos paradigmas, también han experimentado una mejora notable gracias a la evolución de las tecnologías inalámbricas así como la capacidad de procesado del propio hardware. Sin embargo, la implementación de estos sistemas supone diferentes retos. En primer lugar, la diversidad de las distintas tecnologías, así como la heterogeneidad que presentan los distintos entornos en los que se desarrolla, supone un reto desde el punto de vista de la estandarización. En segundo lugar, con respecto a las comunicaciones distribuidas, a pesar de las ventajas que ofrecen, resulta complejo aplicar los mecanismos apropiados de seguridad, ya que su implementación difiere considerablemente de las arquitecturas centralizadas. En tercer lugar, con la creciente crisis climática, la sostenibilidad de la tecnología es otro aspecto de vital importancia, en este sentido, la capacidad de interconexión y automatización inherente de la tecnología permite mejorar la eficiencia en los desarrollos, al mismo tiempo que se mejora la sostenibilidad de la propia tecnología con hardware y protocolos de comunicación más eficientes así como con fuentes de energía alternativas. Esta tesis proporciona un análisis práctico de las principales tecnologías punteras que han habilitado el IoT hasta la fecha, enfocado especialmente en paradigmas de comunicación distribuidos, sistemas críticos, seguridad y eficiencia energética. Debido al gran espectro de tecnologías que abarca el IoT, esta tesis empieza con un extensivo análisis de los fundamentos del IoT, seguido de varios casos de uso prácticos en distintos escenarios para ofrecer una visión práctica de estos fundamentos. Posteriormente, a lo largo de la tesis se analizarán distintos casos prácticos desarrollados dentro del marco de los sistemas críticos, la capacidad de procesado y respuesta automática, la seguridad y la eficiencia energética. En concreto, se desarrollan distintos casos de uso en diferentes entornos de IoT Industrial (IIoT) validándose empíricamente en entornos reales, así como distintos sistemas de IoT crítico. En cuanto a la capacidad de procesado y respuesta, se presenta una solución de borde que hace uso de técnicas de Aprendizaje Máquina (ML) que permiten su completo funcionamiento offline. En el ámbito de la ciberseguridad, se analizan exhaustivamente los últimos avances en materia de seguridad para sistemas distribuidos/descentralizados. Finalmente, se analizan distintos mecanismos de optimización energética tanto en comunicaciones inalámbricas como soluciones de borde inteligente (Intelligent Edge) así como distintos mecanismos de recolección de energía.

  • English

    The Internet of Things (IoT) is a paradigm in which various physical devices that communicate with each other can be capable of self-managing and exchanging information among them. These devices can be vehicles, household appliances, urban infrastructure, machinery or industrial tools. In order to enable this communication, it is necessary to integrate electronic components that allow for obtaining information from the environment (sensors), performing physical actions (actuators) and sending and receiving the necessary information (network communication interfaces). Additional processing may be required by remote devices (e.g., through a Cloud or Edge Computing system). The great expansion that the paradigm has undergone over the last two decades has led to the evolution and emergence of new technologies to overcome many of the present challenges. Throughout this thesis this evolution will be analyzed in several different lines, providing key aspects, improvements and future challenges of the current state-of-the-art technologies, as well as a practical approach that includes the design and implementation of different IoT systems. These research lines involve aspects such as IoT fundamentals, critical systems, processing and response capacity, security and energy consumption. One of the main drivers of the IoT evolution are distributed communication paradigms, which allow managing in a more efficient way the massive volume of information generated by the different sensor networks. In particular, solutions such as Fog or Edge Computing have proven to be an ideal complement in massive traffic situations. The requirements in terms of response time and Quality of Service (QoS) are another key aspect of the technology, in this respect, apart from being enhanced by these paradigms, they have also experienced a significant improvement thanks to the evolution of Wireless technologies as well as the processing capacity of the hardware itself. However, the implementation of these systems poses different challenges. Firstly, the diversity of the different technologies, as well as the heterogeneity of the different environments in which they are developed, presents a challenge from the point of view of standardization. Secondly, with respect to distributed communications, despite the advantages they offer, it is complex to apply appropriate security mechanisms, since their implementation differs considerably from centralized architectures. Thirdly, with the rising climate crisis, the sustainability of the technology is another key factor. In this regard, the inherent interconnection and automation capability of the technology enables efficiency improvements of the developments, while enhancing the sustainability of the technology itself with more efficient hardware and communication protocols as well as alternative energy sources. This thesis provides a practical analysis of the main state-of-the-art technologies that have enabled the IoT to date, with special focus on distributed communication paradigms, critical systems, security and energy efficiency. Due to the broad spectrum of technologies that the IoT encompasses, this thesis begins with an extensive analysis of the fundamentals of the IoT, followed by several practical use cases in different scenarios to provide a practical view of these fundamentals. Throughout the thesis, several use cases are analyzed within the context of critical systems, automatic processing and response capabilities, security and energy efficiency. In particular, different cases of use in different Industrial IoT (IIoT) environments are developed and empirically validated in real environments as well as different Critical IoT systems. Regarding the processing and response capacity, an edge solution is presented that involves the use of ML techniques, allowing its complete offline operation. In the field of cybersecurity, the state-of-the-art in security for distributed/decentralized systems is extensively analyzed. Finally, different energy optimization mechanisms are analyzed, both in wireless communications and Edge Intelligence solutions, as well as different energy harvesting mechanisms.

  • galego

    O internet das cousas (IoT ou Internet of Things) é un paradigma no que diversos dispositivos físicos intercomunicados entre si poden ser capaces de autoxestionarse e transmitir información entre eles. Devanditos dispositivos poden ser vehículos, electrodomésticos, infraestructuras urbanas, maquinaria ou ferramentas industriais. Para que esta comunicación póidase levar a cabo é necesario integrar compoñentes electrónicos que permitan obter información da contorna (sensores), realizar accións físicas (actuadores) e enviar e recibir a información necesaria (interfaces de comunicacións de rede), podéndose requirir dun procesado adicional mediante dispositivos remotos (e.g., a través de sistema de Cloud ou Edge Computing). A gran expansión experimentada polo paradigma nas últimas dúas décadas provocou a evolución e aparición de novas tecnoloxías para superar moitos dos retos actuais. Ao longo desta tese, analizarase dita evolución en varias liñas diferentes, abordando aspectos chave, melloras e retos futuros das tecnoloxías de vangarda actuais, así coma un enfoque práctico que inclúe o deseño e implantación de diferentes sistemas IoT. Estas liñas de investigación involucran aspectos coma os fundamentos do IoT, os sistemas críticos, a capacidade de procesamento e resposta, a seguridade e o consumo enerxético. Un dos principais elementos chave na evolución do IoT son os paradigmas de comunicación distribuídos, os cales permiten xestionar de maneira mais eficiente o volumen masivo de información xerada polas distintas redes de sensores. En concreto, solución coma Fog ou Edge Computing amosaron ser un complemento ideal en situacións de tráfico masivo. Os requirimentos en canto a tempo de resposta e Calidade do Servizo (QoS) son outro aspecto chave da tecnolox´ıa, neste tocante, aparte de verse favorecidos por devanditos paradigmas, tamén experimentaron unha mellora notable grazas a evolución das tecnoloxías inalámbicas así como a capacidade de procesado do propio hardware. Porén, a implantación de ditos sistemas supón diferentes retos. En primeiro lugar, a diversidade das distintas tecnoloxías, así como a heteroxeneidade que presentan as distintas contornas nos que se desenvolven, supoñen un reto dende o punto de vista da estandarización. En segundo lugar, no tocante as comunicacións distribuídas, a pesar das vantaxes que ofrecen, resulta complexo aplicar os mecanismos de seguridade axeitados, xa que a súa implantación difire considerabelmente das arquitecturas centralizadas. En terceiro lugar, coa emerxente crise climática, a sostibilidade da tecnoloxía e outro aspecto de vital importancia, neste xeito, a capacidade de interconexión e automatización inherente da tecnoloxía permite mellorar a eficiencia nos desenvolvementos, ao mesmo tempo que se mellora a sostibilidade da propia tecnoloxía con hardware e protocolos de comunicación máis eficientes así como con fontes de enerxía alternativas. Nesta tese proporcionase unha análise practica das principais tecnoloxías punteiras que habilitaron o IoT ata o de agora, enfocado especialmente en paradigmas de comunicación distribuídos, sistemas críticos, seguridade e eficiencia enerxética. Debido ao grande espectro de tecnoloxías que abarca o IoT, esta tese comeza cunha extensiva análise dos fundamentos do IoT, seguido de varios casos de uso práctico en distintos escenarios para ofrecer unha visión práctica de ditos fundamentos. Posteriormente, ao longo da tese, analizaranse distintos casos prácticos desenvoltos dentro do marco dos sistemas críticos, a capacidade de procesado e resposta automática, a seguridade e a eficiencia enerxética. En concreto, desenvolvéronse distintos casos de uso en diferentes contornas do IoT Industrial (IIoT) validándose empiricamente en contornas reais, así como distintos sistemas de IoT Crítico. No tocante a capacidade de procesado e resposta, preséntase unha solución de bordo que fai uso de tecnoloxías de Aprendizaxe Máquina (ML) que permiten o seu completo funcionamento offline. No ámbito da ciberseguridade, analízanse exhaustivamente os últimos avances en materia de seguridade para sistemas distribuídos/descentralizados. Finalmente, analízanse distintos mecanismos de optimización enerxética tanto en comunicacións inarámbicas como solucións de beira intelixente (Intelligent Edge) así como distintos mecanismos de recolección de enerxía.