Semantic framework for abstraction of things and applications in the future internet

Abstract

The rapid evolution of the Internet technologies leads to the deployment of the new infrastructures that allow the interconnection of an increasingly larger number of devices and machines on the Internet. The dramatically increasing number of devices and machines that embed Information and Communication Technology (ICT) capabilities has led to a new era for the Internet that is known as “Internet of Things” (IoT) and it will constitute core part of the Future Internet. The huge amounts of the real world things/objects that will be part of the IoT, the heterogeneity of the communication technologies, as well as the requirements for the provision of composite functional capabilities and complex IoT services and applications, require the design and the development of innovative technological solutions that will enable the management of heterogeneous IoT infrastructures.The abstraction of things and the application constitutes the milestone for the deployment of innovative IoT solutions, by realizing the vision of real world things that will be complemented by semantically enriched “virtual abstract representations”, making them available in the IoT world. The development of “virtual abstract representations” requires the composition of techniques, methodologies and technologies from the fields of the “Virtualization”, for the software abstraction of things and applications functionalities, and the “Semantics”, for the semantically enriched description of the virtualized entities’ capabilities. Furthermore, the management and the exploitation of the functional capabilities provided by the virtualized entities, requires the introduction of cognitive technologies, for the cognitive management, in different functional levels, ranging from the virtual things level to the level of the services and the applications.Considering the above, this dissertation focuses on the design and the development of a “Semantic Framework for the abstraction of things and applications for the Future Internet”. The architectural design of the proposed framework composes technologies from the “Semantics”, the “Cognitive Management”, as well as from the “Virtualization” and by extension from the field of the Cloud computing. These technological fields are composed so as to structure an innovative solution as the outcome of this dissertation. Aiming to this achievement, the framework initially introduces concepts of the semantic modelling and the virtualization of things, as the enablers for the abstraction and the aggregation of the functional capabilities of the real world things, creating virtual abstract representations complemented by semantic descriptions. The building blocks of the “Semantic Abstraction and Virtualization of Things”, and the “Semantic Storage System” support the software virtualization and the semantic description data management, of the semantically enriched abstract virtual representations, respectively. The cognitive management of the virtualized things, in terms of their deployment, composition and control, for the provision of composite functional capabilities is achieved by the “Cognitive Management and Composition of Virtual Things” building block. Complementing the last building block with the “Cognitive Management of Services” building block, the proposed framework allows the cognitive management of (composite) virtual things and services. The services are realized based on the composite virtual things and provide complex functional capabilities that satisfy advanced IoT requirements, supporting in the same time the provision of innovative IoT applications. Moreover, the cloud computing architectural principles are adopted, allowing the introduction of an integrated Cloud-IoT framework that ensures high-performance, availability and support scalability features. Finally, this dissertation aims to the validation of the proposed framework as an appropriate solution for the Future Internet challenges.

Η αλματώδης εξέλιξη των διαδικτυακών τεχνολογιών έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων υποδομών που επιτρέπουν την διασύνδεση όλο και περισσότερων συσκευών και μηχανών στο διαδίκτυο. Ο θεαματικά αυξανόμενος αριθμός συσκευών και μηχανών με δυνατότητες διασύνδεσης στο διαδίκτυο έχει οδηγήσει στην εκκίνηση μιας νέας εποχής του διαδικτύου, που αναφέρεται ως το «Διαδίκτυο των Αντικειμένων» - “Internet of Things” (IoT), το οποίο και θα αποτελέσει κύριο κορμό του Μελλοντικού Διαδικτύου. Το μεγάλο πλήθος αντικειμένων, του πραγματικού κόσμου, που δύναται να γίνουν μέρος του IoT, η ποικιλία των δικτύων και των επικοινωνιών που θα πρέπει να υποστηρίζονται, καθώς και οι απαιτήσεις για την παροχή σύνθετων λειτουργικών δυνατοτήτων και IoT υπηρεσιών και εφαρμογών, απαιτούν τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την χρήση νέων τεχνολογιών που θα καταστήσουν δυνατή την αποτελεσματική διαχείριση ετερογενών IoT υποδομών.Η «αφαιρετικότητα» - “abstraction” αντικειμένων και εφαρμογών αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για την αποτελεσματική υποστήριξη των απαιτήσεων στο IoT, πραγματοποιώντας την ιδέα κατά την οποία, κάθε αντικείμενο που είναι διαθέσιμο, προσβάσιμο και ελέγξιμο στον πραγματικό κόσμο, μπορεί να έχει μια σημασιολογικά εμπλουτισμένη «εικονική αναπαράσταση» – “virtual representation” στο IoT. Για την ανάπτυξη «εικονικών αναπαραστάσεων» - “virtual representations” απαιτείται ο συνδυασμός τεχνικών, μεθοδολογιών και τεχνολογιών από το πεδίο της «εικονικοποίηση» - “virtualization”, για την βασιζόμενη στο λογισμικό αφαιρετικότητα των αντικειμένων και των εφαρμογών, και της «Σημασιολογίας» - “Semantics”, για την ανάπτυξη σημασιολογικών περιγραφών των λειτουργικών δυνατοτήτων των εικονικοποιημένων οντοτήτων. Επιπλέον, η διαχείριση και αξιοποίηση των λειτουργικών δυνατοτήτων των εικονικών αντικειμένων, απαιτεί την εισαγωγή γνωσιακών τεχνολογιών διαχείρισης σε διαφορετικά επίπεδα λειτουργικότητας, κυμαινόμενα από το επίπεδο εικονικών οντοτήτων, στο επίπεδο υπηρεσιών και εφαρμογών.Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή εστιάζει στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη «Σημασιολογικού Πλαισίου για την αφαιρετικότητα αντικειμένων και εφαρμογών στο Διαδίκτυο του μέλλοντος». Ο αρχιτεκτονικός σχεδιασμός του προτεινόμενου πλαισίου συνδυάζει τεχνολογίες από το χώρο της «Σημασιολογίας» - “Semantics”, της «Γνωσιακής διαχείρισης» – “Cognitive Management”, καθώς και του πεδίου της «εικονικοποίησης»-“Virtualization” και κατ’ επέκταση από το χώρο του «Υπολογιστικού νέφους» - “Cloud Computing”. Τα παραπάνω τεχνολογικά πεδία συνθέτονται προκειμένου να δομήσουν μια καινοτόμο λύση που θα προκύψει ως αποτέλεσμα της παρούσας διατριβής. Στοχεύοντας στη επίτευξη αυτού του στόχου, το προτεινόμενο πλαίσιο εισάγει τις έννοιες της σημασιολογικής μοντελοποίησης και της εικονικοποίησης των αντικειμένων, ως τα στοιχεία που θα επιτρέψουν την αφαιρετικότητα και την ενοποίηση των λειτουργικών δυνατοτήτων των αντικειμένων του πραγματικού κόσμου, αναπτύσσοντας αφαιρετικές εικονικές αναπαραστάσεις που συμπληρώνονται από την σημασιολογική τους περιγραφή. Τα αρχιτεκτονικά δομικά τμήματα «Σημασιολογικής Αφαιρετικότητας και Εικονικοποίηση Αντικειμένων», και «Σημασιολογικού Συστήματος Αποθήκευσης», υποστηρίζουν την εικονικοποίηση και την διαχείριση των σημασιολογικών δεδομένων των σημασιολογικά εμπλουτισμένων εικονικών αναπαραστάσεων, αντιστοίχως. Η γνωσιακή διαχείριση των εικονικών αντικειμένων, υπό τις έννοιες της σύνθεσης και ανάπτυξης τους, καθώς και του ελέγχου τους, για την παροχή σύνθετων λειτουργικών δυνατοτήτων, επιτυγχάνεται από το δομικό τμήμα «Γνωσιακής Διαχείρισης και Σύνθεσης Εικονικών Αντικειμένων». Το τελευταίο δομικό τμήμα, σε συνδυασμό με αυτό της «Γνωσιακής Διαχείρισης Υπηρεσιών», επιτρέπουν την εισαγωγή δυνατοτήτων γνωσιακής διαχείρισης σύνθετων εικονικών οντοτήτων και υπηρεσιών από το προτεινόμενο πλαίσιο. Οι υπηρεσίες προκύπτουν ως αποτέλεσμα και βασίζουν τις λειτουργικές τους δυνατότητες στη σύνθεσης των εικονικών οντοτήτων, παρέχοντας σύνθετες λειτουργικές δυνατότητες που ικανοποιούν τις απαιτήσεις του IoT, υποστηρίζοντας επιπλέον την παροχή προηγμένων IoT εφαρμογών. Επιπροσθέτως, οι αρχές του «Υπολογιστικού Νέφους» υιοθετούνται στα πλαίσια του προτεινόμενου πλαισίου, επιτρέποντας την ανάπτυξη του ως Cloud-IoT υποδομή, εξασφαλίζοντας υψηλή διαθεσιμότητα, αποδοτικότητα και επεκτασιμότητα της υποδομής. Τέλος, βασικός στόχος αυτής της διατριβής είναι να επικυρώσει ότι το «Σημασιολογικό Πλαίσιο» είναι κατάλληλο για την αντιμετώπιση των προκλήσεων του «Μελλοντικού Διαδικτύου».