Service placements, fog and mobility: a study towards the state of the art

Abstract

Com o advento da Internet das Coisas (IoT), sistemas de posicionamento tem desbravado cenários além de fins navais e bélicos. Hoje, tais sistemas podem ser apoiados pelo conjunto de protocolos TCP/IP, acelerando sua implementação em diferentes cenários em vários setores da sociedade. Por definição, IoT pode ser descrito como uma rede de objetos físicos e heterogêneos conectados à Internet. Devido à ubiquidade destes dispositivos que podem ser denominados como borda, e de sua conexão com a Internet, estes contribuem para a implementação de sistemas de posicionamento em vários contextos. Tais aplicações integram hardware e software para fornecer continuamente a localização dos dispositivos. Cenários internos, como hospitais e demais edifícios, por serem cercados por concreto, requerem tecnologias e métodos de localização diferentes daqueles usados em cenários externos, como sistemas de navegação por satélite. Além disso, certos contextos, como museus e aeroportos inteligentes, podem ter variáveis dinâmicas, como o número de dispositivos detectáveis, resultando em alta latência de rede para arquiteturas baseadas em nuvens centrais. O crescente desenvolvimento de IoT tem motivado a distribuição do poder computacional para a borda das arquiteturas, reduzindo o tempo de requisição-resposta e resultando em menos processamento em data centers de alto desempenho. Entre a nuvem e os usuários finais, existe a névoa (fog), um paradigma computacional que visa dimensionar os recursos computacionais para mais próximo dos usuários e melhorar a qualidade do serviço reduzindo a latência e aumentando o conhecimento do serviço (awareness). No entanto, ao se aproximar do poder de processamento da borda da rede, ainda utilizamse estratégias tradicionais de alocação de serviços. Em ambientes móveis dinâmicos, um estudo avaliando o desempenho do sistema pode beneficiar seu desempenho e compreender suas particularidades além de modelos de mobilidade e posicionamento de nodos de névoa. Desta forma, o este estudo teve como objetivo investigar se as alocações tradicionais de serviços de localização podem ser tão agnósticas de aplicação espacial (space-application-agnostic) em IPS (sistemas de posicionamento interno) quanto em OPS (sistemas de posicionamento externo), ou mesmo se poderiam ser equivalentes. Para diversificar o estudo, experimentos foram feitos usando padrões de mobilidade aleatórios adaptados em simulações. Usando as metodologias propostas e o software de simulação iFogSim v2, foi possível explorar posicionamentos clustered e edge-ward em sistemas de posicionamento indoor e outdoor e desenvolver um conjunto de modelos de mobilidade com base na equivalência dos posicionamentos. A pesquisa mostrou que as estratégias tradicionais de posicionamento não são equivalentes ao IPS, provando que não são estratégias comparáveis e tendem a ter pior desempenho para migrações indoor. Além disso, foi determinado que a falta de definição do que se constitui ambientes internos e consciência de contexto (context-awareness) é um fator importante para o IPS, uma vez que os modelos de mobilidade usados tendem a ser aleatórios na literatura. Além das descobertas mencionadas e dos benchmarks padronizados desenvolvidos, foi atestado que as colocações em cluster tendem a estar mais próximas do agnosticismo de espacial promovido e almejado pela comunidade de código aberto.

As most of the scenarios for positioning systems were outdoors and were historically used for naval and warfare purposes, positioning systems were satellite-based. However, with the advent of the Internet of Things (IoT), these systems can be supported by the TCP/IP protocol suite, which is able to accelerate their implementation in different scenarios. By definition, the IoT can be described as a network of physical and heterogeneous objects connected to the Internet, and nowadays it is part of a wide range of intelligent solutions, ranging from essential scenarios such as agriculture and power grids to other solutions closer to end users, which can be smartphones, for example. Because of their ubiquity, these devices, which can be referred to as edge devices, contribute to the implementation of positioning systems in various contexts. These applications integrate hardware and software to continuously provide the location of devices. Indoor scenarios, such as hospitals and other buildings, because their spaces are surrounded by concrete, require technologies and location methods different from those used in outdoor scenarios, like GPS and other global navigation satellite systems. Furthermore, certain contexts, such as museums and smart airports, may have dynamic variables, such as the number of discoverable devices, resulting in high network latency for architectures based on Core Clouds. The growing development of IoT has motivated the distribution of computational power to the edge of architectures, reducing the request-response time and resulting in less processing in high-performance data centers. Between the cloud and the users, there is the fog, a computing paradigm that aims to scale computational resources closer to the users and enhance the quality of service by reducing latency and increasing service awareness. However, as it brings processing power closer to the edge of the network, it uses traditional service placement strategies. Nevertheless, in dynamic mobile environments, a study evaluating the system?s performance could benefit their performance and comprehend their particularities (contextness) aside from fog node positioning and mobility models. This way, the present work aimed to investigate if traditional location service placements could be as space application agnostic in IPS (indoor positioning systems) as they are in OPS (outdoor positioning systems), or even if they could be equivalent. To diversify the study, experiments were made using adapted random mobility patterns supported by simulations. Using the proposed methodologies and the simulation software iFogSim v2, it was possible to explore clustered and edge-ward placements in both indoor and outdoor positioning systems and develop a set of mobility models based on the equivalence of the positionings. Our research showed the traditional placement strategies are not equivalent to IPS, proving they are not comparable strategies and tend to have worse performance for migration indoors. Also, it was determined that a lack of definition of what constitutes indoor environments and context-awareness is an important factor for IPS since the mobility models used tend to be randomized in the literature. Besides the aforementioned findings and the standardized benchmarks developed, it was attested that clustered placements tend to be closer to the space application agnosticism promoted by the open source community.