[PDF] Système de gestion de flux pour lInternet des objets intelligents

View - Download Système de gestion de flux pour lInternet des objets intelligents

Previous PDF

Next PDF

Thèse de doctorat de l"université de Versailles

Saint-Quentin-En-Yvelines

travaux conduits du 01/02/2012 au 31/01/2015

Spécialité

Informatique - Systèmes distribués

École doctorale Sciences et Technologies de Versailles (STV)

Présentée par

BenjaminBillet

Pour obtenir le grade de

Docteur de l"université de Versailles Saint-Quentin-En-Yvelines Sujet de la thèse :Système de gestion de flux pour l"Internet des objets intelligents

Data Stream Management System for the Future

Internet of Thingssoutenue le19 Mars 2015, devant le jury composé de : JulienBourgeois(Institut FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, FR) Rapporteur NathalieMitton(Inria Lille-Nord Europe, FR) Rapporteur SilviaGiordano(University of Applied Science - SUPSI, CH) Examinateur PhilippePucheral(Université de Versailles Saint-Quentin-En-Yvelines, FR) Examinateur FrançoiseSailhan(Conservatoire National des Arts et Métiers, FR)Examinateur ValérieIssarny(Inria Paris-Rocquencourt, FR)Directrice de thèse

À ma famille et à mes amis.

d"objets connectés, c"est-à-dire d"appareils possédant une identité propre et des capacités

de calcul et de communication de plus en plus sophistiquées : téléphones, montres, appareils ménagers, etc. Ces objets embarquent un nombre grandissant de capteurs et d"actionneurs leur permettant de mesurer l"environnement et d"agir sur celui-ci, faisant ainsi le lien entre le monde physique et le monde virtuel. Spéci?quement, l"Internet des objets pose plusieurs problèmes, notamment du fait de sa très grande échelle, de sa

nature dynamique et de l"hétérogénéité des données et des systèmes qui le composent

(appareils puissants/peu puissants, ?xes/mobiles, batteries/alimentations continues, etc.). Ces caractéristiques nécessitent des outils et des méthodes idoines pour la réalisation de données disponibles et (ii) d"interagir aussi bien avec l"environnement, au moyen des actionneurs, qu"avec les utilisateurs, au moyen d"interfaces dédiées. Dans cette optique, nous défendons la thèse suivante : en raison de la nature continue des données (mesures physiques, évènements, etc.) et leur volume, il est important de

considérer (i) les ?ux comme modèle de données de référence de l"Internet des objets et

(ii) le traitement continu comme modèle de calcul privilégié pour transformer ces ?ux. En

et au respect de la vie privée, il est préférable de laisser les objets agir au plus près des

utilisateurs, si possible de manière autonome, au lieu de déléguer systématiquement l"ensemble des tâches à de grandes entités extérieures telles que lecloud. de gestion de ?ux de données pour l"Internet des objets. Nous réexaminons notamment

deux aspects clés du génie logiciel et des systèmes distribués : les architectures de services

et le déploiement. Ainsi, nous apportons des solutions (i) pour l"accès aux ?ux de données sous la forme de services et (ii) pour le déploiement automatique des traitements continus en fonction des caractéristiques des appareils. Ces travaux sont concrétisés sous la forme d"un intergiciel,Dioptase, spéci?quement conçu pour être exécuté directement sur les objets et les transformer en fournisseurs génériques de services de calcul et de stockage. Pour valider nos travaux et montrer la faisabilité de notre approche, nous introduisons un prototype deDioptasedont nous évaluons les performances en pratique. De plus, nous montrons queDioptaseest une solution viable, capable de s"interfacer avec les systèmes antérieurs de capteurs et d"actionneurs déjà déployés dans l"environnement.

Mots clés :

Internet des objets, Gestion de ?ux de données, Réseau de capteurs et d"ac- tionneurs, Intergiciel, Architecture orientée service. III AbstractTheInternet of Things(IoT) is currently characterized by an ever-growing number of networked Things, i.e., devices which have their own identity together with advanced computation and networking capabilities : smartphones, smart watches, smart home appliances, etc. In addition, these Things are being equipped with more and more sensors and actuators that enable them to sense and act on their environment, enabling the physi- cal world to be linked with the virtual world. Speci?cally, the IoT raises many challenges related to its very large scale and high dynamicity, as well as the great heterogeneity of the data and systems involved (e.g., powerful versus resource-constrained devices, mobile versus ?xed devices, continuously-powered versus battery-powered devices, etc.). These challenges require new systems and techniques for developing applications that are able to (i) collect data from the numerous data sources of the IoT and (ii) interact both with the environment using the actuators, and with the users using dedicated GUIs. To this end, we defend the following thesis : given the huge volume of data conti- nuously being produced by sensors (measurements and events), we must consider (i) data streams as the reference data model for the IoT and (ii) continuous processing as the reference computation model for processing these data streams. Moreover, knowing that privacy preservation and energy consumption are increasingly critical concerns, we claim that all the Things should be autonomous and work together in restricted areas as close as possible to the users rather than systematically shifting the computation logic into powerful servers or into the cloud. For this purpose, our main contribution can be summarized as designing and deve- loping a distributed data stream management system for the IoT. In this context, we revisit two fundamental aspects of software engineering and distributed systems : service- oriented architecture and task deployment. We address the problems of (i) accessing data streams through services and (ii) deploying continuous processing tasks automatically, according to the characteristics of both tasks and devices. This research work lead to the development of a middleware layer calledDioptase, designed to run on the Things and abstract them as generic devices that can be dynamically assigned communication, storage and computation tasks according to their available resources. In order to validate the feasability and the relevance of our work, we implemented a prototype ofDioptase and evaluated its performance. In addition, we show thatDioptaseis a realistic solution which can work in cooperation with legacy sensor and actuator networks currently deployed in the environment.

Keywords :

Internet of Things, Data Stream Management, Sensor and Actuator Network,

Middleware, Service-Oriented Architecture.

V RemerciementsJe voudrais remercier les personnes qui ont rendu possibles ces trois années de re- cherche. En premier lieu ma directrice de thèse, ValérieIssarny, qui m"a aidée ces trois dernières années à Arles-MiMoveet ceux de la startup Ambientic, tout spé- cialement RobertoSpeicys-Cardosoet Pierre-GuillaumeRaverdy, grâces auxquels j"ai pu faire le stage de ?n d"études qui m"a conduit à devenir doctorant. Je souhaiterais, en outre, remercier mes parents, ma famille et mes amis, dont je me

suis éloigné pour venir pro?ter du climat parisien si caractéristique. Merci d"avoir été là,

merci pour vos encouragements et merci de votre soutien dans les moments de doutes. Je sais bien que mon travail vous apparaît comme terriblement obscur vu de loin, mais je tiens à vous rassurer : vu de près aussi. Une dédicace spéciale à BlandineBourouliouqui a dépensé beaucoup de temps et d"énergie à corriger ce mémoire. En?n, ces remerciements ne seraient pas complets sans citer la créature excentrique qui m"accompagne, et dont l"Histoire retiendra les mots emplis de sagesse : "Greuh». Dans la plupart des documents sérieux, le lecteur s"attendra à rencontrer des épigraphes

solennelles, érudites ou spirituelles, habituellement destinés à démontrer que le rédacteur est

un individu cultivé. Mais qu"y a-t"il au-delà de ces aphorismes prétentieux et de ces apophtegmes

1sentencieux, si ce n"est un sentiment di?us de solitude?

-Benjamin Billet1. J"ai gagné mon pari. VII

Table des matières

1 Introduction1

1.1 Problématiques posées par l"Internet des objets . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1 Échelle de l"Internet des objets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.2 Hétérogénéité de l"Internet des objets . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.3 In?uence du monde physique sur l"Internet des objets . . . . . . 10

1.1.4 Sécurité et vie privée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Vers un système distribué de gestion de ?ux pour l"Internet des objets . . 15

2 Internet des objets et traitement de ?ux : état de l"art21

2.1 Visions de l"Internet des objets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1 ÉtiquettesRFID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.2 Réseaux de capteurs sans ?l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.3 Ouverture des objets à Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1.3.1 Le Web des objets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.3.2 Le Web sémantique des objets . . . . . . . . . . . . . . 36

2.1.4 Gestion de l"échelle de l"Internet des objets . . . . . . . . . . . . 40

2.2 Systèmes de traitement de ?ux : une analyse de l"existant . . . . . . . . . 43

2.2.1 Systèmes de traitement de ?ux issus du modèle relationnel . . . . 45

2.2.1.1 Traitement continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.2.1.2 Flux vers relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.2.1.3 État interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1.4 Déploiement et contrôle d"exécution . . . . . . . . . . 52

2.2.2 Plateformes génériques de traitement de ?ux . . . . . . . . . . . 55

2.2.2.1 Traitement continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.2.2.2 Exécution des applications orientées ?ux . . . . . . . . 58

2.2.3 Traitement de ?ux dans le Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.3 Conclusion sur le traitement de ?ux dans l"Internet des objets . . . . . . 63

3 Modèle de données et de calcul orienté ?ux pour l"Internet des objets 65

3.1 Modèle de données pour l"Internet des objets : ?ux continu . . . . . . . . 67

3.1.1 Flux, élément de ?ux, schéma de ?ux . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1.2 Familles de ?ux et ?ux remarquables . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.1.3 Notion d"ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

IX

3.1.4 Relations structurelles entre les ?ux . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1.5 Débit de ?ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.2 Modèle de calcul pour l"Internet des objets : traitement continu . . . . . 74

3.2.1 Architecture orientée service pour le traitement continu . . . . . 74

3.2.1.1 Interface de service continu . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.2.1.2 Familles de services continus : les quatre rôles . . . . . 78

3.2.1.3 Composition de services continus . . . . . . . . . . . . 81

3.2.2 Langage de traitement de ?ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.2.1 Expression et manipulation des types primitifs . . . . . 86

3.2.2.2 Fonctions primitives de gestion de ?ux et d"instance . . 89

3.2.2.3 Exemple de programmeDiSPL. . . . . . . . . . . . . . 90

3.2.3 Opérateur de fenêtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.2.3.1 Formulation générale des fenêtres . . . . . . . . . . . . 92

3.2.3.2 Fenêtre positionnelle et fenêtre temporelle . . . . . . . 93

3.2.3.3 Utilisation des fenêtres enDiSPL. . . . . . . . . . . . . 95

3.2.4 Opérateurstreamer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4 Exécution de services distribués dans l"Internet des objets97

4.1 Architecture et implémentation deDioptase. . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.1.1 Composants deDioptase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.1.1.1 Pilotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.1.1.2 Gestionnaire de services continus . . . . . . . . . . . . 100

4.1.1.3 Implémentations par défaut des services continus . . . 101

4.1.1.4 Serveur Web embarqué . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.1.2 Connecteurs et protocoles de transport de ?ux . . . . . . . . . . 104

4.1.2.1 ConnecteurHTTP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.1.2.2 ConnecteurCoAP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.1.3 Déploiement et contrôle des services continus . . . . . . . . . . . 108

4.1.4 Exemple d"application écrite avecDioptase. . . . . . . . . . . . . 109

4.1.5 Déploiement deDioptasesur les objets . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.2 Discussion sur la protection de la vie privée . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.1 Espaces publics et privés, agrégats d"espaces . . . . . . . . . . . . 113

4.2.2 Description et application des politiques de contrôle d"accès . . . 114

4.2.3 Autres mécanismes de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.3 Évaluation deDioptase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.3.1 Évaluation des capacités de di?usion . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.3.2 Évaluation des capacités de traitement . . . . . . . . . . . . . . . 121

5 Déploiement automatique de services dans l"Internet des objets 125

5.1 Problème dit demapping de tâche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.1.1 Formulation historique du problème demappingde tâche . . . . 129

5.1.2 Optimisation linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.1.3 Métaheuristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.2TGCA: une approche demappingstatique pour l"Internet des objets . . . 136

5.2.1 Formalisation du problème demappingde tâche . . . . . . . . . . 137

5.2.1.1 Représentation des coûts . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.2.1.2 Contraintes de déploiement . . . . . . . . . . . . . . . 140

5.2.1.3 Représentation des objets . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5.2.1.4 Recherche d"une con?guration . . . . . . . . . . . . . . 143

5.2.1.5 Résolution exacte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.2.1.6 Modi?cations et extensions de la formulation . . . . . 147

5.2.2 Résolution approchée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.2.2.1 Algorithme général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.2.2.2 Parcours epsilon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.3 Implémentation et évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.3.1 Évaluation du gain relatif à la modélisation continue . . . . . . . 153

quotesdbs_dbs49.pdfusesText_49

[PDF] annuaire psychologue tizi ouzou

[PDF] annuaire rectorat de lyon 2015-2016

[PDF] annuaire rectorat de lyon 2016

[PDF] annuaire rectorat lyon pdf

[PDF] annuaire téléphonique tunisie telecom

[PDF] annual report 2015 pdf

[PDF] annual report 2016 pdf

[PDF] annual report nestlé 2015

[PDF] annual report tesco 2016

[PDF] annualisation du temps de travail fonction publique territoriale

[PDF] annulation question m bac 2015

[PDF] anny cordy france age

[PDF] anode sacrificielle bateau

[PDF] anode sacrificielle pour bateaux zinc

[PDF] anonymat des copies dexamen