Emerging technologies, IoT/IIoT architectures and Edge/-Fog computing mechanisms for cybersecurity, energy efficiencyand decentralized/distributed communications

Resumen

El internet de las cosas (IoT o Internet of Things) es un paradigma en el que diversos dispositivos físicos intercomunicados entre si que pueden ser capaces de autogestionarse y transmitir información entre ellos. Dichos dispositivos pueden ser vehículos, electrodomésticos, infraestructuras urbanas, maquinaria o herramientas industriales. Para que esta comunicación se pueda llevar a cabo es necesario integrar componentes electrónicos que permitan obtener información del entorno (sensores), realizar acciones físicas (actuadores) y enviar y recibir la información necesaria (interfaces de comunicaciones de red), pudiéndose requerir de un procesado adicional mediante dispositivos remotos (e.g., a través de sistema de Cloud o Edge Computing). La gran expansión que ha experimentado el paradigma en las últimas dos décadas ha provocado la evolución y aparición de nuevas tecnologías para superar muchos de los retos actuales. A lo largo de esta tesis se analiza esta evolución en varias líneas diferentes, abordando aspectos clave, mejoras y retos futuros de las tecnologías de vanguardia actuales, así como un enfoque práctico que incluye el diseño e implementación de diferentes sistemas IoT. Estas líneas de investigación involucran aspectos como los fundamentos de IoT, los sistemas críticos, la capacidad de procesamiento y respuesta, la seguridad y el consumo energético. Uno de los principales elementos clave de la evolución del IoT son los paradigmas de comunicación distribuidos, los cuales permiten gestionar de manera más eficiente el volumen masivo de información generado por las distintas redes de sensores. En concreto, soluciones como Fog o Edge Computing han demostrado ser un complemento ideal en situaciones de tráfico masivo. Los requerimientos en cuanto a tiempo de respuesta y Calidad del Servicio (QoS) son otro aspecto clave de la tecnología, en este caso, aparte de verse favorecidos por dichos paradigmas, también han experimentado una mejora notable gracias a la evolución de las tecnologías inalámbricas así como la capacidad de procesado del propio hardware. Sin embargo, la implementación de estos sistemas supone diferentes retos. En primer lugar, la diversidad de las distintas tecnologías, así como la heterogeneidad que presentan los distintos entornos en los que se desarrolla, supone un reto desde el punto de vista de la estandarización. En segundo lugar, con respecto a las comunicaciones distribuidas, a pesar de las ventajas que ofrecen, resulta complejo aplicar los mecanismos apropiados de seguridad, ya que su implementación difiere considerablemente de las arquitecturas centralizadas. En tercer lugar, con la creciente crisis climática, la sostenibilidad de la tecnología es otro aspecto de vital importancia, en este sentido, la capacidad de interconexión y automatización inherente de la tecnología permite mejorar la eficiencia en los desarrollos, al mismo tiempo que se mejora la sostenibilidad de la propia tecnología con hardware y protocolos de comunicación más eficientes así como con fuentes de energía alternativas. Esta tesis proporciona un análisis práctico de las principales tecnologías punteras que han habilitado el IoT hasta la fecha, enfocado especialmente en paradigmas de comunicación distribuidos, sistemas críticos, seguridad y eficiencia energética. Debido al gran espectro de tecnologías que abarca el IoT, esta tesis empieza con un extensivo análisis de los fundamentos del IoT, seguido de varios casos de uso prácticos en distintos escenarios para ofrecer una visión práctica de estos fundamentos. Posteriormente, a lo largo de la tesis se analizarán distintos casos prácticos desarrollados dentro del marco de los sistemas críticos, la capacidad de procesado y respuesta automática, la seguridad y la eficiencia energética. En concreto, se desarrollan distintos casos de uso en diferentes entornos de IoT Industrial (IIoT) validándose empíricamente en entornos reales, así como distintos sistemas de IoT crítico. En cuanto a la capacidad de procesado y respuesta, se presenta una solución de borde que hace uso de técnicas de Aprendizaje Máquina (ML) que permiten su completo funcionamiento offline. En el ámbito de la ciberseguridad, se analizan exhaustivamente los últimos avances en materia de seguridad para sistemas distribuidos/descentralizados. Finalmente, se analizan distintos mecanismos de optimización energética tanto en comunicaciones inalámbricas como soluciones de borde inteligente (Intelligent Edge) así como distintos mecanismos de recolección de energía.