Arquitectura sostenible de comunicación oportunista para el despliegue de aplicaciones edge-fog-cloud en zonas rurales aisladas
- Autores: Manuel Jesús Azabal
- Directores de la Tesis: José Manuel García Alonso (dir. tes.), Jaime Galán Jiménez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Extremadura ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Manuel Murillo Rodríguez (presid.), Ramón Agüero Calvo (secret.), María José Rodríguez Fortiz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Informáticas (TIN) por la Universidad de Extremadura
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
1) Motivación de la tesis.
El acceso a Internet ha supuesto una auténtica disrupción en la sociedad moderna. Las posibilidades de la comunicación entre dispositivos, la transmisión de información y las capacidades de difusión han iniciado una significativa revolución económica, social y cultural. Entre las disciplinas emergentes a raíz de esta evolución, el denominado Internet of Things (IoT) ha planteado un nuevo paradigma en los sistemas distribuidos, innovando en la manera en la que la información es obtenida, transmitida y procesada. La capacidad de captación y comunicación de los dispositivos IoT ha motivado la concepción de nuevas abstracciones, como el modelo Edge-Fog-Cloud. Con el objetivo de mejorar la eficiencia general del sistema, este paradigma pretende distribuir los diferentes actores que intervienen en la comunicación de dispositivos en tres capas principales: Edge, aquella formada por los dispositivos que generan y reciben la información; Fog, compuesta por los elementos capaces de transmitir la información hacia Internet; y Cloud, capa que agrupa los componentes y procesos llevados a cabo de manera remota. La inclusión de este modelo pretende reducir la carga de trabajo que tradicionalmente se desempeña en la nube, distribuyendo las tareas entre los dispositivos que intervienen en la comunicación. Como resultado, es posible equilibrar la labor de cada componente y aprovechar en mayor medida los recursos involucrados. Sin embargo, existen sistemas que no pueden explotar este modelo debido a la alta exigencia en la disponibilidad de conexión a Internet.
Algunas zonas rurales aisladas carecen de la infraestructura de comunicación necesaria para desplegar aplicaciones distribuidas o sistemas IoT. Factores como las limitaciones geográficas o el alto coste de inversión motivan la falta de acceso a Internet en estas regiones, impidiendo así la digitalización de su población e industria. Considerando el contexto de estos territorios, el presente trabajo de tesis propone una arquitectura sostenible de comunicación oportunista que aplica el modelo Edge-Fog-Cloud para el despliegue de aplicaciones distribuidas en entornos que carecen de conexión a Internet.
2) Desarrollo teórico.
La arquitectura propuesta en el trabajo de tesis se fundamenta en el paradigma Edge-Fog-Cloud para proporcionar el depliegue de aplicaciones distribuidas en áreas donde el acceso a Internet no es posible. De esta manera, la solución se compone de una capa Edge conformada por los dispositivos finales que reciben y emiten información, los cuales son empleados para emprender comunicaciones oportunistas mediante interfaces de corto alcance. Esta estrategia de transmisión aprovecha los desplazamientos y encuentros físicos de los dispositivos para transmitir la información hasta los nodos Fog, equipados con acceso a Internet y capaces de comunicarse con los nodos Cloud. Como resultado, es posible establecer comunicaciones a través de una arquitectura que no precisa de un alto coste de despliegue, mitigando así las existentes limitaciones de conexión de las áreas rurales aisladas.
La propuesta de tesis detalla las entidades y procesos involucrados en la arquitectura, identificando las principales necesidades y la adaptación del modelo Edge-Fog-Cloud a un esquema de comunicación oportunista. Del mismo modo, se definen diferentes algoritmos de encaminamiento que aplican un conjunto de métricas basadas en el comportamiento individual de los nodos para optimizar la transmisión de información en la red. Estos procesos de comunicación son optimizados mediante la elección de aquellos nodos intermedios que proporcionen una mayor solidez en las comunicaciones, recurriendo a patrones como las preferencias o los encuentros históricos para identificarlos.
Con el objetivo de analizar el rendimiento de la solución, se plantea un conjunto de potenciales aplicaciones y escenarios que responden a necesidades particulares de entornos rurales, pero también de contextos inteligentes. De esta forma, se estudia la calidad de servicio en las comunicaciones, comparando los resultados con alternativas del estado del arte. Además, se determina el consumo energético de la propuesta, así como la viabilidad en el uso de energía solar para suministrar corriente a elementos de la red.
3) Conclusión.
Tras la evaluación de los hallazgos obtenidos en los contextos de aplicación de la arquitectura, la propuesta evidencia resultados positivos en los escenarios implementados, con un consumo energético viable y sostenible, alcanzando métricas de calidad de servicio superiores a las alternativas. Esto conduce a la consideración de la propuesta como un potencial mecanismo para acercar los servicios digitales a entornos que carecen de infraestructuras de acceso a Internet.
