Scalable and robust fog-computing design & dimensioning in dynamic, trustless smart cities

Abstract

Le concept de Ville Intelligent concerne l’interconnectivité totale de plusieurs industries vers l’amélioration des modes de vie des résidents. Ceci est rendu possible par la croissance et l'utilisation généralisée de l'Internet des objets (IoT), un vaste réseau de dispositifs de collecte de données répartis dans de multiples applications. Cependant, la plupart des appareils IoT disposent de peu de ressources et s'appuient sur des serveurs externes pour traiter et stocker les données collectées. En raison de la congestion et de la distance élevées, les centres de données Nuage (Cloud) peuvent entraîner une latence élevée dans leur réponse IoT, ce qui peut être inacceptable dans certaines applications IoT. Au lieu de cela, l'informatique Brouillard (fog-computing) a été proposé comme une couche hétérogène hautement virtualisée de serveurs à la périphérie du réseau, ce qui permet un traitement des données IoT à faible latence.

Les contributions actuelles au brouillard informatique supposent qu'une infrastructure de brouillard est déjà en place. De plus, chaque contribution nécessite des caractéristiques différentes sur l’infrastructure du brouillard. Cette thèse formule un schéma de conception et de dimensionnement évolutif et modifiable pour une infrastructure de brouillard généralisée. Ceci est modélisé et résolu sous la forme d'un programme linéaire à nombres entiers mixtes (MILP), et détendu à l'aide de plusieurs techniques telles que la génération de colonnes et la décomposition de Benders. De nombreuses préoccupations concernant les performances du réseau brouillard sont prises en compte et résolues, telles que le trafic IoT élevé, la congestion du réseau et les dysfonctionnements des nœuds brouillard. Les nœuds de brouillard dynamiques, tels que les nœuds de brouillard à la demande et les véhicules aériens sans pilote mobiles (UAV-brouillard) sont intégrés dans les modèles de conception et de dimensionnement actuels pour ajouter de la flexibilité et de la robustesse au réseau. Un système basé sur la blockchain et des preuves de connaissance nulle est introduit pour renforcer l'intégrité des nœuds de brouillard. Le résultat est un schéma de conception et de dimensionnement évolutif pour une infrastructure de brouillard robuste, flexible et fiable dans un environnement de brouillard-IoT dynamique et malveillant.

The concept of a Smart City relies on the full interconnectivity of several industries towards the amelioration of resident lifestyles. This is made possible by the growth and wide-spread use of the Internet of Things (IoT) -- a large network of data collection devices throughout multiple applications. However, most IoT devices have few resources, and rely on external servers to process and store the collected data. Due to high congestion and distance, Cloud data centres may cause high latency in their IoT response, which may be unacceptable in certain IoT applications. Instead, fog-computing has been proposed as a highly-virtualized heterogeneous layer of servers on the network edge, resulting in low-latency IoT data processing.

Current contributions in fog-computing assume a fog infrastructure is already in-place. Furthermore, each contribution requires different characteristics on the fog infrastructure. This thesis formulates a scalable and modifiable design & dimensioning scheme for a generalized fog infrastructure. This is modeled and solved as a mixed-integer linear program (MILP), and relaxed using several techniques such as Column Generation and Benders Decomposition. Many concerns on the fog network performance are considered and addressed, such as high IoT traffic, network congestion, and fog node malfunctions. Dynamic fog nodes, such as on-demand fog nodes and mobile fog-enabled unmanned aerial vehicles (fog-UAVs) are integrated into current design & dimensioning models to add flexibility and robustness to the network. A system based on blockchain and zero-knowledge proofs is introduced to enforce integrity on the fog nodes. The result is a scalable design & dimensioning scheme for a robust, flexible, and reliable fog infrastructure in a dynamic and malicious IoT-fog environment.