Smart ecoMobility Disseny d'una solució IoT basada en Fog/Edge Computing aplicada a l'àmbit

114 Pages·2017·6.48 MB·English

Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Informàtica
Universitat Politècnica de València
Smart ecoMobility
Disseny d’una solució IoT basada en
Fog/Edge Computing aplicada a l’àmbit del
trànsit sostenible a les ciutats intel·ligents
TREBALL FI DE GRAU
Grau en Enginyeria Informàtica
Autor: Daniel Pedrós i Oliver
Tutor: Joan Fons i Cors
Vicente Pelechano i Ferragud
Curs 2017-2018

Resum
L’objectiu d’aquest projecte és el desenvolupament d’un sistema aplicable a
l’àmbit de les ciutats intel·ligents que permeta la computació distribuïda de ma-
neraseguraenunaxarxadedispositiusIoT.Elfogcomputingésl’arquitecturaem-
pradapertaldedistribuirlacomputació(ilaintel·ligènciadelsistema)iapropar-
la on realment són aplicables les mesures que aquesta prenga. Gràcies a aquest
repartiment de la intel·ligència, és possible l’aplicació de mesures efectives en
tempsreal.
Una ciutat no és un ent estàtic, sinó que varia les condicions dinàmicament.
L’adaptabilitat i escalabilitat del sistema és un factor crític que es busca des del
primermomentdeldisseny. Delamateixamanera,laseguretatdelescomunica-
cions és un factor crític també. Per això, aquest projecte desenvolupa també una
capadeseguretatqueblindalescomunicacionsiasseguralainformaciód’aques-
tes.
El resultat del desenvolupament d’aquest projecte és un prototip format per
un conjunt de components que poden ser desplegats distribuïdament en un en-
tornreal. Aquestdocumenttracta,desdel’anàlisidelaproblemàticaieldisseny
de la solució, fins el desplegament dels diferents components finals, passant per
totelprocésd’implementació.
Paraules clau: IoT, ciutats intel·ligents, fog computing, escalabilitat, adaptabilitat,
seguretat,comunicacions
Resumen
Elobjetivodeesteproyectoeseldesarrollodeunsistemaaplicableenelámbi-
todelasciudadesinteligentesquepermitalacomputacióndistribuidademanera
segura en una red de dispositivos IoT. El fog computing es la arquitectura utiliza-
da para distribuir la computación (i la inteligencia del sistema) i acercarla donde
realmente son aplicables las medidas que ésta tome. Gracias a éste reparto de la
inteligencia,esposiblelaaplicacóndemedidasefectivasentiemporeal.
Una ciudad no es un ente estático, sinó que varia las condiciones dinámica-
mente. La adaptabilidad y escalabilidad del sistema es un factor crítico que se
busca desde el primer momento del diseño. Del mismo modo, la seguridad de
las comunicaciones es un factor crítico también. Por eso, éste proyecto desarro-
lla también una capa de seguridad que blinda las comunicaciones y asegura la
informacióndeéstas.
El resultado del desarrollo de este proyecto es un prototipo formado por un
conjunto de componentes que pueden ser desplegados distribuidamente en un
entorno real. Este documento trata, desde el análisis de la problemática y el di-
seño de la solución, hasta el despliegue de los diferentes compoenentes finales,
pasandoportodoelprocesodeimplementación.
Palabras clave: IoT, ciudades inteligentes, fog computing, escalabilidad, adaptabi-
lidad,seguridad,comunicaciones
iii
iv
Abstract
The objective of this project is the development of a system applicable in the
field of smart cities that allows securely distributed computing on a network of
IoTdevices. Fogcomputingisthearchitectureusedtodistributecomputing(and
system intelligence) and bring it closer to where the measures it takes are really
applicable. Thanks to this distribution of the intelligence, it is possible to apply
effectivemeasuresinrealtime.
A city is not a static entity, but one that varies conditions dynamically. The
adaptability and scalability of the system is a critical factor that is considered
from the very beginning of the design. Similarly, the security of communications
is a critical factor as well. This project also develops a security layer that shields
communicationsandsecurestheirinformation.
The result of this project development is a prototype formed by a set of com-
ponentsthatcanbedeployedinarealenvironment. Thisdocumentcovers,from
the analysis of the problem and the design of the solution, to the deployment of
thedifferentfinalcomponents,goingthrougthewholeimplementationprocess.
Key words: IoT, smart cities, fog computing, scalability, adaptability, security,
communications
Índex
Índex v
Índexdefigures ix
1 Introducció 1
1.1 Motivació . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Problemàtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Objectius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Pladetreballimetodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Contexttecnològic 5
2.1 Desenvolupament: entorn,llenguatgeiframework . . . . . . . . . . 5
2.1.1 EclipseIDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 OSGi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Desenvolupament: controldeversionsigestiódeprojectes . . . . . 9
2.2.1 GitHub+GitHubDesktop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Asana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Comunicacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 RabbitMQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 RaspberryPi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Desplegament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.1 Docker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Shellscript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Amenacesreals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.1 BotnetMirai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Plantejamentinicialdelproblema 21
3.1 SobredispositiusIoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Fogcomputing: dissenyiaplicació . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Comunicacionsenelfogambl’IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Conclusionsprèvies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Anàlisidelproblema 27
4.1 Organitzaciódelsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1 Segmentacióbasadaenlageografia . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.2 Segmentacióbasadaenlafuncionalitat . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Estratègiesdecomunicació . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.1 Comunicaciósíncronaodirecta . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.2 Comunicacióassíncronaoindirecta . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Organitzaciódelescomunicacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
v
vi ÍNDEX
4.3.1 Segmentaciópertipusdedispositiu . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.2 Segmentacióperfuncionalitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.3 Segmentacióperabast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4 Organitzaciódelesdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.1 Tipusdedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4.2 Campsdelesdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5 Establimentdeclausiprotocolsdexifrat . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.5.1 Criptografiadeclausimètricavs. clauassimètrica . . . . . . 37
4.5.2 Assignacióestàticadeclauvs. derivacióapartirdetoken . . 39
4.5.3 Valoraportatpelsecretcompartitopeltoken . . . . . . . . . 39
4.6 Modelconceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6.1 Componentsprincipals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6.2 Componentscomplementaris . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6.3 Reestructuraciódel’esquema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.6.4 Diagramad’anàlisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Dissenydelasolució 45
5.1 Dissenydelsdispositius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.1 Sensorsiactuadors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.2 Nodecentralogateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Dissenydelescomunicacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.1 APIsREST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2.2 Cuesdemissatgeria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3 Capesdecomunicació . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.1 Capa1-Comunicacióintrafog . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.2 Capa2-Comunicacióinterfog . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.3 Capa3-Comunicaciódegestió . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 Formatdelesdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4.1 JSON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.2 XML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.5 Dissenydelacapadeseguretat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5.1 Dissenydelprotocoldehandshake . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5.2 Xifratidesxifratdedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.6 Componentització/modularització . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.6.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.6.2 Diagramadeclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 Implementació 61
6.1 Programacióorientadaacomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.1 Definiciódelparadigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.2 DesenvolupamentbasatenOSGi . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2 Implementaciódelescomunicacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.1 ServidorRabbitMQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.2 Exchangesicues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 Implementaciódelagestiódelesdades . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.1 Llibreriaorg.json . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.2 Llibreriaorg.dom4j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4 Implementaciódelacapadeseguretat . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4.1 AdaptaciódelprotocolDiffie-HellmanKeyExchange . . . . . 68
6.4.2 XifratidesxifratambAdvancedEncryptionStandard . . . . . 69
ÍNDEX vii
6.5 Componentsfinalsdelsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.5.1 Gateways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.5.2 CO Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2
6.5.3 TrafficLights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7 Escenariconcretd’ús 73
7.1 Organitzaciódelsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1.1 Particionatdelaciutat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1.2 Elecciódefogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2 Organitzaciódelsfogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.2.1 Benimacletfog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.2.2 Extramursfog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3 Exemplefuncional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.1 Derivaciódeclaussimètriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.2 Produccióiconsumiciódemissatges . . . . . . . . . . . . . . 81
7.3.3 Xifratidesxifratdedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.3.4 Modificacionsdel’estatdelfog . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8 Conclusions 89
8.1 Objectiusassolits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.2 Objectiusnoassolits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.3 Futursprojectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.4 Valoraciópersonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliografia 93
Apèndixs
A Formatdelesdades 95
A.1 DadesenformatJSON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A.2 DadesenformatXML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
B Empaquetamentdelscomponents 99
B.1 Estructuradelsdirectorisiarxius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
B.2 Configuraciódedependències . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
B.3 Configuraciópròpiadelscomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
C DesplegamentdeservidorsRabbitMQambDocker 103

Índex de figures
1.1 Cicledevidadeldissenyiteratiuiincremental. . . . . . . . . . . . . 3
1.2 DiagramadeGanttamblaplanificaciótemporaldelprojecte. . . . . 4
2.1 Logotipd’EclipseIDE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Workbenchd’Eclipse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 LogotipdeJava. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Cicledevidad’unbundleOSGi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 LogotipdeGitHub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 ExemplederevisiódecanvisutilitzantGitHubDesktop. . . . . . . 10
2.7 Logotipd’Asana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.8 Detalld’unatascaalaplataformaAsana. . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9 LogotipdeRabbitMQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.10 LogotipdeLoRa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.11 LogotipdeRaspberryPi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.12 Fotografiad’unaRaspberryPi3ModelB. . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.13 Logotipd’Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.14 Fotografiad’unaplacaArduinoUNO. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.15 Diferències entre utilització de contenidors Docker i virtualització
ambmàquinesvirtuals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.16 Exempledeshellscript. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Diferènciesentrelacomputaciócloudilacomputaciófog. . . . . . . 23
4.1 DistrictesdelaciutatdeValència. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 Esquema d’interacció entre dos dispositius utilitzant comunicació
síncrona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Esquema d’interacció entre dos dispositius utilitzant comunicació
assíncrona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Esquemadelasegmentacióperfuncionalitatutilitzadaal’exemple. 33
4.5 Esquemadelasegmentacióperabastutilitzadaal’exemple. . . . . 34
4.6 Esquemadexifratidesxifratambcriptografiadeclausimètrica. . . 38
4.7 Esquema de xifrat i desxifrat amb criptografia de clau assimètrica
opública. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.8 Diagramad’anàlisiambelmodelatd’unfog. . . . . . . . . . . . . . 44
5.1 Esquema d’una cua de missatgeria basada en publicadors i subs-
criptors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Esquemadelescapesdecomunicacióielsdispositiusqueinterve-
nen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 ExemplededadesenformatJSON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 ExemplededadesenformatXML. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
ix
x ÍNDEX DE FIGURES
5.5 Esquemadelfuncionamentdelprotocoldehandshake. . . . . . . . . 54
5.6 Diagramadeclassessimplificatdelprojecte. . . . . . . . . . . . . . . 58
6.1 Relacionsentrediferentsbundlesd’OSGi. . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2 Representació de les relacions de comunicacions establides entre
components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3 Exchangeslayer1ilayer3alservidorRabbitMQ. . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Cuescontingudesdinsdel’exchangelayer1. . . . . . . . . . . . . . . 66
6.5 Esquemadel’intercanvideclausDiffie-Hellman. . . . . . . . . . . . 69
7.1 MapadeldistrictedeBenimaclet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2 Mapadeldistricted’Extramurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3 DistribuciódelsdiferentsdispositiusqueformenelBenimacletfog. 77
7.4 Distribuciódelsdiferentsdispositiusqueformenl’Extramursfog. . 79
7.5 Derivació de la clau compartida entre un sensor i un node central
perpartdelnodecentral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.6 Derivació de la clau compartida entre un sensor i un node central
perpartdelsensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.7 Generaciód’unamesuraperpartd’unsensor. . . . . . . . . . . . . . 82
7.8 Consumiciód’uncomandamentperpartd’unactuador. . . . . . . . 82
7.9 Mesuraoriginalgeneradaperunsensor. . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.10 Dadesxifradesrebudesidesxifradesperunnodecentral. . . . . . . 84
7.11 Desxifratmanualdelesdades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.12 Conversiódedecimalahexadecimaldelaclausimètrica. . . . . . . 85
7.13 GatewayfuncionantenmodeOPEN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.14 Canvidefuncionamentd’unagatewayd’OPENaCNGSTAV. . . . . 86
B.1 Arbre de directoris i arxius que formen part d’un component em-
paquetat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
B.2 ConsultadelesdependènciesalaRunconfigurationd’Eclipse. . . . 100
B.3 ArxiusJARambelspluginsnecessarisexportats. . . . . . . . . . . . 101
B.4 Arxiudeconfiguraciódelesdependènciesdelspluginsd’OSGi. . . 101
B.5 Scriptdeconfiguracióiarrancdelcomponent. . . . . . . . . . . . . 102
C.1 Dockerfile que permet la construcció d’una imatge modificada de
RabbitMQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
C.2 ScriptdeconfiguracióidesplegamentdelsservidorsRabbitMQ. . . 104