Διαχείριση πληροφορίας περιβάλλοντος σε συστήματα διάχυτης υπολογιστικής

Abstract

The evolution of communication and computing systems has led to the implementation of the pervasive computing vision. According to it, the physical environment is embedded with computing and communication skills and provides support to the everyday activities of people in an unobtrusive, friendly and trustworthy manner. One of the most critical challenges towards the realisation of pervasive computing is the creation and delivery of context-aware services. These services use data from the physical, social and computing environment in order to make decisions and trigger actions on behalf of the users. However, the successful provisioning of context-aware services depends on the data that they utilise and the mechanisms providing it. In this framework, it is necessary to implement solutions for effectively and efficiently managing the collection, processing, storage and dissemination of the context information provided by the heterogeneous and distributed context sources. In this respect, middleware solutions, separating the service logic from the context management functionality and offering global and flexible provisioning of the dynamic context data, are proposed. This thesis studies solutions that optimise the mechanisms realizing the context management functionality. Firstly, this thesis discusses about context-aware computing and the challenges towards the implementation of it, and describes some typical paradigms of context-aware systems, services and artifacts that are presented in the literature. It also discusses about context information and the most important issues towards the design and development of a management system. Furthermore, it reviews the middleware solutions that have been implemented for this purpose. It focuses on the distributed context management system which comprises the basis for the analysis of the optimisation problems studied. The first problem refers to the selection of the context information to be used by the context-aware services in order to satisfy the objectives of the customised services in whatever pervasive computing environment they are executed. In this respect, the context information discovery system is enhanced with a selection mechanism that estimates the trustworthiness of the context sources and estimates the utility of the offered data in terms of its actuality, freshness and the services’ requirements. In order to decide on the final selection of the context information to be used, a heuristic algorithm is introduced. This algorithm maximises the expected utility and balances the quality and the cost constraints. The performance of both the context selection mechanism and the proposed algorithm is evaluated through simulation tests. The second problem refers to the real-time provisioning of context information given the resource constraints of the context dissemination system. The proposed solution optimises the utilisation of the system resources through a dynamic scheduling algorithm that determines the order of serving the requests and the distribution of the data updates. This algorithm maximises the number of the information updates that are delivered to the consumers in time as well as the freshness of the delivered data. The performance of the proposed solution under different system conditions is evaluated through simulation tests.

Οι τελευταίες εξελίξεις στα επικοινωνιακά και υπολογιστικά συστήματα έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη της διάχυτης υπολογιστική. Σύμφωνα με αυτή, η τεχνολογία διαχέεται ομοιόμορφα στο περιβάλλον και υποστηρίζει τις καθημερινές δραστηριότητες των χρηστών με διακριτικό, φιλικό και ταυτόχρονα αξιόπιστο τρόπο. Μια από τις κρισιμότερες προκλήσεις κατά την υλοποίηση της διάχυτης υπολογιστικής είναι η δημιουργία και παροχή υπηρεσιών με επίγνωση του περιβάλλοντος. Οι υπηρεσίες αυτές ανακτούν δεδομένα από το φυσικό, κοινωνικό και υπολογιστικό περιβάλλον προκειμένου να λάβουν αποφάσεις και να εκτελέσουν ενέργειες εκ μέρους των χρηστών. Ωστόσο, η επιτυχής λειτουργία των υπηρεσιών αυτών εξαρτάται άμεσα από την πληροφορία που χρησιμοποιούν και τους μηχανισμούς ανάκτησης της. Στο πλαίσιο αυτό, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν λύσεις για την αποδοτική και αποτελεσματική συλλογή, επεξεργασία, αποθήκευση και διανομή των δεδομένων που παρέχονται από τις ετερογενείς και κατανεμημένες πηγές πληροφορίας. Για το σκοπό αυτό, προτείνονται λύσεις μεσισμικού με τις οποίες επιτυγχάνεται ο απαιτούμενος διαχωρισμός των υπηρεσιών από την επικοινωνία με τις πηγές, και η ομοιόμορφη και ευέλικτη παροχή των δεδομένων. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μελέτη λύσεων βελτιστοποίησης της διαχείρισης της πληροφορίας περιβάλλοντος. Αρχικά, παρουσιάζεται η έννοια της υπολογιστικής με επίγνωση του περιβάλλοντος, αναλύονται οι προκλήσεις κατά την υλοποίηση της, και πραγματοποιείται μια σύντομη επισκόπηση των συστημάτων, υπηρεσιών και αντικειμένων που έχουν υλοποιηθεί. Στη συνέχεια, αναλύεται η έννοια της πληροφορίας περιβάλλοντος, και παρουσιάζονται τα βασικότερα ζητήματα που προκύπτουν κατά το σχεδίασμά και την υλοποίηση ενός συστήματος διαχείρισης πληροφορίας περιβάλλοντος. Επιπλέον, παρουσιάζονται κάποια τυπικά παραδείγματα συστημάτων διαχείρισης της πληροφορίας περιβάλλοντος, δίνοντας μεγαλύτερη έμφαση στο κατανεμημένο σύστημα διακίνησης πληροφορίας περιβάλλοντος, βάσει του οποίου μελετούνται τα δύο ειδικότερα προβλήματα βελτιστοποίησης. Το πρώτο πρόβλημα αφορά στην επιλογή της πληροφορίας που χρησιμοποιείται από τις υπηρεσίες με επίγνωση του περιβάλλοντος, ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των προσωποποιημένων υπηρεσιών σε οποιοδήποτε περιβάλλον διάχυτης υπολογιστικής λειτουργούν. Προτείνεται ο εμπλουτισμός των συστημάτων ανακάλυψης πληροφορίας με ένα μηχανισμό επιλογής πληροφορίας, ο οποίος ελέγχει την αξιοπιστία των πηγών πληροφορίας και υπολογίζει τη χρησιμότητα της πληροφορίας, ως προς την εγκυρότητα και τη επικαιρότητα της αλλά και σε σχέση με τις απαιτήσεις της προσωποποιημένης υπηρεσίας. Για την τελική επιλογή της πληροφορίας που θα χρησιμοποιηθεί προτείνεται ένας ευριστικός αλγόριθμος με τον οποίο επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση της χρησιμότητας και η ικανοποίηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών και του κόστους. Η απόδοση του αλγορίθμου και του προτεινόμενου μηχανισμού αξιολογείται μέσω προσομοιώσεων. Το δεύτερο πρόβλημα αφορά στη διακίνηση της πληροφορίας περιβάλλοντος σε πραγματικό χρόνο, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς πόρων επεξεργασίας και διανομής. Προτείνεται ένας δυναμικός αλγόριθμος ανάθεσης προτεραιοτήτων με τον οποίο καθορίζεται η σειρά εξυπηρέτησης των αιτημάτων και η σειρά διανομής των ανανεώσεων πληροφορίας. Με την προτεινόμενη λύση μεγιστοποιείται ο αριθμός των ανανεώσεων που διανέμονται έγκαιρα καθώς και η φρεσκάδα των δεδομένων που παραδίδονται. Η απόδοση της προτεινόμενης λύσης αξιολογείται μέσω προσομοιώσεων στις οποίες μεταβάλλεται κάθε φορά μία παράμετρος του συστήματος.