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Framework PON C++ 4.0 IoT: paradigma orientado a notificações para ambiente de internet das coisas

The Internet of Things (IoT) has transformed the way the physical and digital worlds interact through the interconnection of everyday objects. These objects with computing, communication, sensing and acting capabilities can interact collaboratively and execute a variety of tasks in an autonomous way...

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Autor principal:	Figueiredo, Luis Henrique Pelegrin
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2023
Assuntos:	Internet das coisas Sistemas de parâmetros distribuidos C++ (Linguagem de programação de computador) Comunicação e tecnologia Redes de computadores - Controle de qualidade Internet of things Distributed parameter systems C++ (Computer program language) Communication and technology Computer networks - Quality control CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30398
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id	riut-1-30398
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spelling	riut-1-303982023-01-21T06:06:43Z Framework PON C++ 4.0 IoT: paradigma orientado a notificações para ambiente de internet das coisas NOP Framework C++ 4.0 IoT: notification-oriented paradigm for internet of things environment Figueiredo, Luis Henrique Pelegrin Vendramin, Ana Cristina Barreiras Kochem https://orcid.org/0000-0002-1234-0884 http://lattes.cnpq.br/3005557336605080 Simão, Jean Marcelo https://orcid.org/0000-0002-2139-1261 http://lattes.cnpq.br/3593420323268103 Vendramin, Ana Cristina Barreiras Kochem https://orcid.org/0000-0002-1234-0884 http://lattes.cnpq.br/3005557336605080 Maziero, Carlos Alberto https://orcid.org/0000-0003-2592-3664 http://lattes.cnpq.br/5659788852261811 Simão, Jean Marcelo https://orcid.org/0000-0002-2139-1261 http://lattes.cnpq.br/3593420323268103 Talau, Marcos https://orcid.org/0000-0001-7027-1023 http://lattes.cnpq.br/4522157219119759 Linhares, Robson Ribeiro https://orcid.org/0000-0002-4256-3819 http://lattes.cnpq.br/0625140430173288 Internet das coisas Sistemas de parâmetros distribuidos C++ (Linguagem de programação de computador) Comunicação e tecnologia Redes de computadores - Controle de qualidade Internet of things Distributed parameter systems C++ (Computer program language) Communication and technology Computer networks - Quality control CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação The Internet of Things (IoT) has transformed the way the physical and digital worlds interact through the interconnection of everyday objects. These objects with computing, communication, sensing and acting capabilities can interact collaboratively and execute a variety of tasks in an autonomous way. However, while promoting benefits to society, the IoT further aggravates the só-called “Software Crisis”. The difficulty in software development in this context is mainly caused by the IoT system characteristics, such as the communication architecture and distributed integration with heterogeneous components and devices. The current dominant programming paradigms present inefficiencies for designing and executing in a distributed environment, requiring additional and customized software engineering techniques for each application. As an alternative to the mentioned problems, the emerging Notification Oriented Paradigm (NOP) presents itself as a new approach for computer systems built by reactive and decoupled entities that interact through accurate notifications, uncoupling factual-executional from logical-causal computing. NOP aims to make the task of systems development less arduous by allowing a high-level design, making the code and its execution more efficient by avoiding redundancies (structural and temporal) and, finally, enabling its execution to be distributed through its intrinsic entities decoupling model. Currently, NOP presents several materializations in software, the most technologically mature being those developed through frameworks, implemented in different programming languages. In this context, this work presents advances in the state of the technique, implementing the NOP Framework C++ 4.0 IoT, which allows the distribution of the NOP’s entities using, in an innovative way, a Publish/Subscribe architecture and the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol, both of which are commonly used in IoT environments. Furthermore, the types of NOP entities are also classified in relation to their possible distribution modes. Three experiments are presented using NOP Framework C++ 4.0 IoT to verify the functional and non-functional aspects of NOP and compare it with the Event-Driven Paradigm (EDP) through implementations in C++ using the Publish/Subscribe architecture and the MQTT protocol. Results show that the time for processing messages of applications developed with NOP Framework C++ 4.0 IoT is up to 11.2 times smaller, however it consumed up to 6.7 times more memory than the application in EDP. Regarding the use of the network, the number of messages transmitted for both implementations was similar. In all experiments, it was observed a greater expressiveness and ease of application distribution developed with NOP compared to EDP. In the NOP Framework C++ 4.0 IoT implementation, there was a reduction in processing redundancy by up to 39.6% when using distributed entity sharing correctly. A Internet das Coisas tem transformado o modo como os mundos físico e digital interagem por meio da interconexão de objetos do dia a dia. Esses objetos, equipados com recursos de computação, comunicação, sensores e atuadores, são capazes de interagir de forma colaborativa e realizar uma variedade de tarefas de forma autônoma. Porém, ao mesmo tempo em que promove benefícios para a sociedade, a Internet das Coisas agrava ainda mais a chamada “Crise de Software”. Nota-se a dificuldade na produção de softwares devido a características presentes em sistemas da Internet das Coisas, como a arquitetura de comunicação e integração distribuída com componentes e dispositivos heterogêneos. Os atuais paradigmas de programação dominantes apresentam ineficiências para a concepção e execução em ambiente distribuído, sendo geralmente necessárias técnicas de programação e mesmo de engenharia de software adicionais e customizadas para cada aplicação. Como alternativa aos problemas mencionados, o emergente Paradigma Orientado a Notificação (PON) se apresenta como uma nova abordagem para sistemas computacionais construídos por entidades reativas que interagem por meio de notificações pontuais, desacoplando a computação facto-execucional da computação lógicocausal. O PON tem o objetivo de tornar menos árdua a tarefa de desenvolvimento de sistemas por permitir uma concepção em alto nível, tornando o código e sua execução mais eficiente por evitar redundâncias (estruturais e temporais) e, por fim, permitindo a sua execução distribuída por garantir o desacoplamento intrínseco entre as entidades. Atualmente, o PON apresenta várias materializações em software sendo as mais tecnologicamente maduras aquelas que se dão por meio de frameworks desenvolvidos em diferentes linguagens de programação. Neste contexto, o presente trabalho apresenta avanços no estado da técnica, implementando o Framework PON C++ 4.0 IoT o qual permite a distribuição das entidades constituintes do PON utilizando uma arquitetura Publish/Subscribe e o protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), ambos comumente utilizados em ambientes IoT. Ademais, são classificados também os tipos de entidades do PON em relação aos seus possíveis modos de distribuição. São apresentados três experimentos utilizando o PON por meio do Framework PON C++ 4.0 IoT com o objetivo de verificar os aspectos funcionais e não funcionais do PON e compará-lo com o Paradigma Orientado a Eventos (POE) por meio de implementações em C++ utilizando a arquitetura Publish/Subscribe e o MQTT. Os resultados demonstram que o tempo para processamento de mensagens das aplicações desenvolvidas com o Framework PON C++ 4.0 IoT foi até 11,2 vezes menor, porém consumiu até 6,7 vezes mais memória que as aplicações em POE. Com relação ao uso de rede, o número de mensagens transmitidas para ambas as implementações foi semelhante. Observou-se em todos os experimentos a maior expressividade e facilidade de distribuição das aplicações desenvolvidas no PON em comparação com o POE. Nas implementações em Framework PON C++ 4.0 IoT, houve uma redução na redundância de processamento em até 39,6% ao se utilizar corretamente o compartilhamento de entidades distribuídas. 2023-01-20T18:11:06Z 2023-01-20T18:11:06Z 2022-12-01 masterThesis FIGUEIREDO, Luis Henrique Pelegrin. Framework PON C++ 4.0 IoT: paradigma orientado a notificações para ambiente de Internet das Coisas. 2022. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30398 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada UTFPR
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topic	Internet das coisas Sistemas de parâmetros distribuidos C++ (Linguagem de programação de computador) Comunicação e tecnologia Redes de computadores - Controle de qualidade Internet of things Distributed parameter systems C++ (Computer program language) Communication and technology Computer networks - Quality control CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO Ciência da Computação
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description	The Internet of Things (IoT) has transformed the way the physical and digital worlds interact through the interconnection of everyday objects. These objects with computing, communication, sensing and acting capabilities can interact collaboratively and execute a variety of tasks in an autonomous way. However, while promoting benefits to society, the IoT further aggravates the só-called “Software Crisis”. The difficulty in software development in this context is mainly caused by the IoT system characteristics, such as the communication architecture and distributed integration with heterogeneous components and devices. The current dominant programming paradigms present inefficiencies for designing and executing in a distributed environment, requiring additional and customized software engineering techniques for each application. As an alternative to the mentioned problems, the emerging Notification Oriented Paradigm (NOP) presents itself as a new approach for computer systems built by reactive and decoupled entities that interact through accurate notifications, uncoupling factual-executional from logical-causal computing. NOP aims to make the task of systems development less arduous by allowing a high-level design, making the code and its execution more efficient by avoiding redundancies (structural and temporal) and, finally, enabling its execution to be distributed through its intrinsic entities decoupling model. Currently, NOP presents several materializations in software, the most technologically mature being those developed through frameworks, implemented in different programming languages. In this context, this work presents advances in the state of the technique, implementing the NOP Framework C++ 4.0 IoT, which allows the distribution of the NOP’s entities using, in an innovative way, a Publish/Subscribe architecture and the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol, both of which are commonly used in IoT environments. Furthermore, the types of NOP entities are also classified in relation to their possible distribution modes. Three experiments are presented using NOP Framework C++ 4.0 IoT to verify the functional and non-functional aspects of NOP and compare it with the Event-Driven Paradigm (EDP) through implementations in C++ using the Publish/Subscribe architecture and the MQTT protocol. Results show that the time for processing messages of applications developed with NOP Framework C++ 4.0 IoT is up to 11.2 times smaller, however it consumed up to 6.7 times more memory than the application in EDP. Regarding the use of the network, the number of messages transmitted for both implementations was similar. In all experiments, it was observed a greater expressiveness and ease of application distribution developed with NOP compared to EDP. In the NOP Framework C++ 4.0 IoT implementation, there was a reduction in processing redundancy by up to 39.6% when using distributed entity sharing correctly.
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