Programming, provisioning and governing IoT cloud systems

Abstract

In den letzten Jahren konvergieren Cloud Computing und das Internet der Dinge (IoT) immer stärker und schaffen große, geographisch verteilte Systeme. Solche IoT Cloud Systeme haben die Verbreitung von verschiedenen Anwendungen gefördert. Der dringende Bedarf an Volumen, Geschwindigkeit, die Vielfalt von IoT-Daten und schnellere Übertragung von geschäftskritischen Entscheidungen an den Rand der Infrastruktur zu ermöglichen waren die haupt Antriebe dafür. Die Vorteile von IoT Cloud sind zweifellos erkennbar. Jedoch, werden sie von einer Reihe von Herausforderungen begleitet. Eine davon ist das Programmieren von IoT Cloud Anwendungen. Gründe dafür sind die Verarbeitung großer Menge von IoT-Daten, die großen Anzahl von Domainabhängigen IoT Steuerungen und die komplexen Abhängigkeiten zwischen der Anwendungslogik und der Eigenschaften neuer Infrastrukturen. In IoT Cloud Systemen ist eine traditionelle Provisionierung aufgrund der Dynamic, Heterogenität, Umfangs und geographischer Verteilung von IoT Cloud kaum möglich ist. Bei der traditionellen Provisionierung wird implizit davon ausgegangen, dass das IoT-Gerät vor Ort verfügbar ist und eine manuelle Interaktion möglich. Schließlich ist IoT Cloud ein integraler Bestandteil der bestehenden Geschäftsmodelle und Wegbereiter für neue Geschäftsmöglichkeiten. Dies erfordert eine systematische Vorgehensweise in IoT Cloud Governance, die bisher unterentwickelt blieb. Diese Dissertation entwickelt ein reiches Ökosystem, das neue Modelle, Frameworks und Werkzeuge umfasst, die eine erleichterte Programmierung, Provisionierung und Governance von IoT Cloud Systemen ermöglichen. Zuerst wird ein umfassendes Programmierungsframework eingeführt, dass die Programmierung auf ein deutlich höheres Abstraktion-Niveau hebt und eine einfachere und intuitivere Entwicklung von IoT Cloud Anwendungen ermöglicht. Andererseits, stellt das Framework ein flexibles Programmier- Modell, dass speziell auf ressourcenbeschränkte IoT-Geräte zugeschnitten ist und zur Unterstützung von Domain Experte vorgesehen ist. Zweitens werden ein Provisionierungsmodell und Middleware eingeführt, die unter anderem folgendes anbieten: i) Mechanismen für die Ressourcen Abstraktion und anwendungsspezifische Anpassungen; ii) Unterstützung für die automatisierte Provisionierung von IoT Cloud Ressourcen, Anwendungskomponenten und Konfigurationsmodelle, in einer logisch-zentralisierten Art und Weise, durch Middleware verwaltete APIs; iii) Flexible Provisionierungs-Modelle, die auf Nachfrage Verbrauch von beiden IoT und Cloud Ressourcen unterstützen. Schlußendlich stellt diese Dissertation GovOps vor - ein neuartiges Governance-Modell für die IoT Cloud Systemen. Dieses ermöglicht die nahtlose Ausrichtung von High-Level Governance-Zielen mit ausführbaren Operations-Prozessen und unterstützt GovOps Manager: i) Zeitkonsistente Governance-Prozesse in die IoT Cloud Systemen zu implementieren; ii) Unsicherheit- und Elastizität-bewusste Govenrnacestrategien zu entwicklen. Die vorgesttelten Ansätze wurden evaluiert basierend auf der realen Welt Fahrzeugflotteund Gebäudemanagementsysteme.

Over the recent years, cloud computing and the Internet of Things (IoT) have been converging ever stronger, sparking creation of large-scale, geographically distributed systems. Such IoT Cloud systems have fostered proliferation of various applications, driven by an urgent need to respond to volume, velocity and variety of IoT data, but also to enable timely propagation of business-crucial decisions to the edge of the infrastructure. The benefits of IoT Cloud are undoubtable, but they are also accompanied with a number of challenges. Programming IoT Cloud applications is challenging due to the need to handle large volumes of IoT data in a nontrivial manner, plethora of domain-dependent IoT controls and, inherently complex dependencies between application business logic and novel infrastructure features. Because of dynamicity, heterogeneity, scale and geographical distribution of IoT Cloud, traditional provisioning approaches, which implicitly assume on-site presence or manual interactions with IoT devices are hardly feasible in this novel landscape. Finally, IoT Cloud systems are becoming an integral part of existing business models and key enabler for new business opportunities. This calls for systematic approach to IoT Cloud governance, which to date remains largely underdeveloped. This doctoral thesis contributes a rich ecosystem comprising novel models, frameworks and tools, intended to facilitate programming, provisioning and governing IoT Cloud systems. First, a comprehensive programming framework is introduced, which raises the level of programming abstraction, enabling easier and more intuitive development of cloud-centric IoT Cloud applications. On the other side, it provides a flexible programming model, specifically tailored for resource-constrained IoT devices, which is intended to support domain expert developers. Second, a provisioning model and middleware are introduced, which among other, offer: i) Light-weight mechanisms for resource abstraction and application-specific customizations; ii) Support for automated provisioning of IoT Cloud resources, application components and configuration models in a logically centralized manner through middleware managed APIs and; iii) Flexible provisioning models, supporting on-demand consumption of both IoT and Cloud resources. Finally, the thesis introduces GovOps - a novel governance model for IoT Cloud systems. It enables seamless alignment of high-level governance objectives with executable operations processes and supports GovOps managers to: i) Implement time-consistent governance processes for IoT Cloud systems and; ii) Develop uncertainty- and elasticity-aware governance strategies. The proposed approaches have been evaluated based on real-world Fleet- and Building Management Systems.