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A. Gallauner:
"Area Monitoring with Gossip for Spatially-Distributed Internet of Things";
Supervisor: S. Dustdar, C. Tsigkanos; Institute of Information Systems Engineering, Distributed Systems Group, 2022; final examination: 2022-03-08.

Within spatially-distributed Internet of Things, a common setting entails devices equipped with sensors being deployed over a region to monitor a specific phenomenon, a problem known as area monitoring. Challenges encountered revolve around optimizing resource usage and achieving full coverage of a target area, while centralized communication is undesirable or infeasible because of operation over wide areas, absence of network coverage or utilization of range-constrained devices. The overall goal is to provide a decentralized infrastructure that is not performance-intensive but robust, predictable and fault-tolerant. To this end, gossip protocols are a solution that fits the problem particularly well. Within a gossip protocol, nodes interact periodically with random peers and exchange information about their respective states. Usually, developers encode gossip protocol solutions by hand, a practice which is error-prone, leads to non-reusable solutions and an absence of high-level constructs to design, compose and validate implementations -- something particularly relevant in the development of spatial monitoring solutions for IoT. In this thesis, we first identify common problems in spatial monitoring, providing methodological support to designers. Subsequently, we provide corresponding reference implementations utilizing gossip. Those are intended as model solutions, and are given in terms of an existing high-level gossip framework which abstracts away low-level details, augmented with various facilities to aid development. Finally, we adopt simulations to demonstrate the effects various parameters of the framework have within spatial monitoring for IoT.

Ein üblicher Anwendungsfall im Bereich der Internet der Dinge ist es, Sensoren in einem Gebiet zu verteilen, um bestimmte Phänomene zu beobachten. Diese Art von Anwendung bezeichnen wir als Gebietsüberwachung. Dabei gilt es einige Herausforderungen zu meistern, wie zum Beispiel Energie-Effizienz bei batteriebetriebenen Geräten zu gewährleisten. Außerdem kann es eine Schwierigkeit darstellen, die Sensoren in einer Region so anzuordnen, damit das gesamte Gebiet flächendeckend überwacht wird. In weiterer Folge liegt der Fokus auf dezentralisierte Lösungen, um sowohl Engpässe als auch lange Kommunikationsstrecken zu einer zentralen Stelle zu vermeiden. Weitere Eigenschaften, die durch Dezentralisierung begünstigt sind, sind Stabilität und Ausfallsicherheit des Netzwerkes. Eine Technologie, die diese Anforderungen weitgehend unterstützt und deshalb Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist, ist das Gossip Protokoll, das die Kommunikation zwischen den Geräten steuert. Dieses Protokoll bestimmt, dass Daten nur in regelmäßigen Abständen und mit einem zufällig gewählten Kommunikationspartner ausgetauscht werden dürfen.Bei Implementierungen mit Gossip Protokollen war es in der Vergangenheit nicht unüblich, dass für jedes Problem eine eigene Softwarelösung geschaffen wurde, die oft auf das jeweilige Problem zugeschnitten war und deswegen oft Mängel bei Wartbarkeit und Erweiterbarkeit aufwies. Außerdem ist es oft ein Problem dieser Lösungen, dass diese nicht ausreichend getestet werden und deshalb fehleranfällig sind. Um dem entgegenzuwirken, stellen wir ein Code-Grundgerüst, ein sogenanntes Framework, zur Verfügung, das bereits einige Basisfunktionen in Bezug auf Gebietsüberwachung mit Gossip Protokollen implementiert, jedoch auch auf einfache Weise erweitert werden kann, um komplexeren Szenarien gerecht zu werden. Ein weiterer Zweck des Frameworks ist, dass sich Entwickler nicht mehr mit Details und Prinzipien des Gossip Protokolls beschäftigen müssen, sondern sich voll und ganz den Funktionen des eigentlichen Überwachungsproblems widmen können. Um einen umfassenden Überblick über dieses Thema zu geben und damit zukünftige Entwicklungen unterstützen zu können, identifizieren wir die Hauptanwendungsfälle der Gebietsüberwachung und beschreiben die wichtigsten Charakteristiken. Darauf aufbauend wird eine Methodik vorgestellt, um neue Probleme der Gebietsüberwachung kategorisieren zu können und mögliche unbekannte Faktoren zu identifizieren. Die Erkenntnisse fließen in Referenzimplementierungen, die mit Hilfe des Frameworks erstellt wurden und die Basisfunktionen in Anwendung zeigen. Abschließend werden Simulationen durchgeführt, die aufzeigen, wie sich Gossip Protokolle in Überwachungsszenarien verhalten und welche Parameter welchen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems haben.

area monitoring; gossip; IoT; decentralized; problem identification; framework; reference solution; applicability

http://dx.doi.org/10.34726/hss.2022.76267