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

Resumo

O internet das cousas (IoT ou Internet of Things) é un paradigma no que diversos dispositivos físicos intercomunicados entre si poden ser capaces de autoxestionarse e transmitir información entre eles. Devanditos dispositivos poden ser vehículos, electrodomésticos, infraestructuras urbanas, maquinaria ou ferramentas industriais. Para que esta comunicación póidase levar a cabo é necesario integrar compoñentes electrónicos que permitan obter información da contorna (sensores), realizar accións físicas (actuadores) e enviar e recibir a información necesaria (interfaces de comunicacións de rede), podéndose requirir dun procesado adicional mediante dispositivos remotos (e.g., a través de sistema de Cloud ou Edge Computing). A gran expansión experimentada polo paradigma nas últimas dúas décadas provocou a evolución e aparición de novas tecnoloxías para superar moitos dos retos actuais. Ao longo desta tese, analizarase dita evolución en varias liñas diferentes, abordando aspectos chave, melloras e retos futuros das tecnoloxías de vangarda actuais, así coma un enfoque práctico que inclúe o deseño e implantación de diferentes sistemas IoT. Estas liñas de investigación involucran aspectos coma os fundamentos do IoT, os sistemas críticos, a capacidade de procesamento e resposta, a seguridade e o consumo enerxético. Un dos principais elementos chave na evolución do IoT son os paradigmas de comunicación distribuídos, os cales permiten xestionar de maneira mais eficiente o volumen masivo de información xerada polas distintas redes de sensores. En concreto, solución coma Fog ou Edge Computing amosaron ser un complemento ideal en situacións de tráfico masivo. Os requirimentos en canto a tempo de resposta e Calidade do Servizo (QoS) son outro aspecto chave da tecnolox´ıa, neste tocante, aparte de verse favorecidos por devanditos paradigmas, tamén experimentaron unha mellora notable grazas a evolución das tecnoloxías inalámbicas así como a capacidade de procesado do propio hardware. Porén, a implantación de ditos sistemas supón diferentes retos. En primeiro lugar, a diversidade das distintas tecnoloxías, así como a heteroxeneidade que presentan as distintas contornas nos que se desenvolven, supoñen un reto dende o punto de vista da estandarización. En segundo lugar, no tocante as comunicacións distribuídas, a pesar das vantaxes que ofrecen, resulta complexo aplicar os mecanismos de seguridade axeitados, xa que a súa implantación difire considerabelmente das arquitecturas centralizadas. En terceiro lugar, coa emerxente crise climática, a sostibilidade da tecnoloxía e outro aspecto de vital importancia, neste xeito, a capacidade de interconexión e automatización inherente da tecnoloxía permite mellorar a eficiencia nos desenvolvementos, ao mesmo tempo que se mellora a sostibilidade da propia tecnoloxía con hardware e protocolos de comunicación máis eficientes así como con fontes de enerxía alternativas. Nesta tese proporcionase unha análise practica das principais tecnoloxías punteiras que habilitaron o IoT ata o de agora, enfocado especialmente en paradigmas de comunicación distribuídos, sistemas críticos, seguridade e eficiencia enerxética. Debido ao grande espectro de tecnoloxías que abarca o IoT, esta tese comeza cunha extensiva análise dos fundamentos do IoT, seguido de varios casos de uso práctico en distintos escenarios para ofrecer unha visión práctica de ditos fundamentos. Posteriormente, ao longo da tese, analizaranse distintos casos prácticos desenvoltos dentro do marco dos sistemas críticos, a capacidade de procesado e resposta automática, a seguridade e a eficiencia enerxética. En concreto, desenvolvéronse distintos casos de uso en diferentes contornas do IoT Industrial (IIoT) validándose empiricamente en contornas reais, así como distintos sistemas de IoT Crítico. No tocante a capacidade de procesado e resposta, preséntase unha solución de bordo que fai uso de tecnoloxías de Aprendizaxe Máquina (ML) que permiten o seu completo funcionamento offline. No ámbito da ciberseguridade, analízanse exhaustivamente os últimos avances en materia de seguridade para sistemas distribuídos/descentralizados. Finalmente, analízanse distintos mecanismos de optimización enerxética tanto en comunicacións inarámbicas como solucións de beira intelixente (Intelligent Edge) así como distintos mecanismos de recolección de enerxía.