Sensoriamento urbano e cidades inteligentes têm sido tópicos derivados da computação ubíqua em alta nos últimos anos, tanto para a academia como para a indústria, devido ao contínuo avanço tecnológico aliado à maior facilidade de acesso e aceitação pelos usuários. Na literatura pesquisada sobre plataformas que englobam tais tópicos foi constatado que diversas delas possuem algum processo autonômico utilizado para atender alguma necessidade de autoadaptação em tempo de execução. Apesar disso, nenhuma das plataformas pesquisadas focou especificamente em encontrar e propor uma solução para tratar exclusivamente a autoadaptação. Nesse contexto, esta dissertação tem por objetivo propor um mecanismo de autoadaptação para sistemas de sensoriamento urbano, além de avaliar seu comportamento. Como primeiro passo para realizar tal objetivo, foi conduzida uma pesquisa literária tendo em vistas identificar os principais casos de adaptação em sistemas de sensoriamento urbano, além de requisitos específicos da arquitetura de sensoriamento urbano UrboSenti, utilizada para implementação. Como segundo passo, a partir dos requisitos identificados, o modelo MAPE-K da computação autonômica foi escolhido como a base da construção do mecanismo de autoadaptação. A implementação deste modelo utilizou as técnicas de eventos passivos para monitoramento do ambiente, regras Evento-Condição-Ação, para tomada de decisão, planos estáticos para planejamento e adaptações por parâmetros e componentes para execução. Tanto o modelo como as técnicas escolhidas foram implementadas devido atenderem as necessidades dos cenários avaliados. Por fim, as avaliações aplicadas apontam resultados preliminares satisfatórios, dados os casos avaliados e os experimentos de tempo de resposta a eventos internos e interações; no entanto, tais avaliações revelarem diversos pontos que devem ser explorados em trabalhos futuros. / In the last years, urban sensing and smart cities have been popular topics derived from the ubiquitous computing, for both the academia and the industry, due to its continuous technological development combined with greater facilities of access and acceptance by the users. The reviewed literature about platforms that encompass such topics showed that many of them have some kind of autonomic process used to meet any need for self-adaptation at runtime. Despite this, none of the researched platforms focused in proposing a solution to exclusively meet the self-adaptation properties. In this way, this dissertation aims to propose a self-adaptive mechanism to urban sensing systems, as well as evaluating its behavior. As the first step to achieving such goal, a literature review was performed aiming to identify the main adaptation cases in urban sensing systems, as well to identify the specific requirements of the UrboSenti architecture for urban sensing. As the second step, the autonomic computing MAPE-K model was chosen to compose the foundation of the self-adaptive mechanism based on the identified requirements. The implementation of this model used the techniques of passive events for monitoring, rules Event-Condition-Action for decision making, static plans for planning and parameter and component adaptations for execution were used in the proposed implementation to meet the evaluated scenario needs. Lastly, the applied evaluations indicate satisfactory results, given the assessed cases and the experiments of scalability at the response of internal events and interactions. However, they have left many open points that should be explored in future works.

Estudos recentes sobre padrões de gerenciamento em redes de produção apontam que apenas um pequeno e estático conjunto de dados de gerenciamento tende a ser utilizado. Eles também revelam que o fluxo de dados de gerenciamento é relativamente constante e que as operações em uso para a comunicação agente-gerente são reduzidas a alguns, as vezes obsoletos, conjuntos. Essa realidade demonstra uma expressiva falta de progresso nos processos de monitoração, levando em consideração o seu papel estratégico e o potencial, por exemplo, para antecipar e prevenir falhas, perdas de desempenho e problemas de segurança em redes, serviços e aplicações. Uma das razões para tal limitação recai no fato de que o operador, ainda considerado um elemento fundamental no loop de controle, já não suporta o rápido crescimento tanto do tamanho quanto da heterogeneidade de ambos os componentes de software e de hardware, os quais constituem os modernos sistemas de computação em rede. Essa forma de "administrador no loop de gerenciamento" certamente dificulta a realização de adaptações oportunas nos processos de monitoração. Para resolver este problema, esse trabalho apresenta um modelo para monitoração adaptativa de redes, serviços e aplicações inspirado na abordagem de aprendizado por reforço. O modelo é analisado por meio da implementação de um protótipo de um elemento autonômico, o qual baseia-se em valores históricos, muitas vezes inesperados, obtidos de objetos gerenciados. Por meio do raciocínio sobre essas informações, o elemento autonômico dinamicamente amplia ou restringe o conjunto de objetos gerenciados a ser monitorado. / Recent investigations of management patterns in production networks suggest that just a small and static set of management data tends to be used, the flow of management data is relatively constant, and the operations in use for manager-agent communication are reduced to a few, sometimes obsolete set. This reality demonstrates an impressive lack of progress of monitoring processes, taking into account their strategic role and potential, for example, to anticipate and prevent faults, performance bottlenecks, and security problems. One of the key reasons for such limitation relies on the fact that operators, who still are a fundamental element of the monitoring control loop, can no longer handle the rapidly increasing size and heterogeneity of both hardware and software components that comprise modern networked computing systems. This form of human-in-the-loop management certainly hampers timely adaptation of monitoring processes. To tackle this issue, this work presents a model, inspired by the reinforcement learning theory, for adaptive network, service and application monitoring. The model is analyzed through a prototypical implementation of an autonomic element, which, based on historical and even unexpected values retrieved for management objects, dynamically widens or restricts the set of management objects to be monitored.

O Gerenciamento Autonômico de Redes é uma visão que utiliza princípios da Computação Autonômica para o Gerenciamento de Redes. Além disso, algum grau de descentralização é necessário para habilitar capacidades autonômicas completas. Uma alternativa interessante de infraestrutura para essa união é a utilização de overlays Peer-to-Peer (P2P). No entanto, a consistência do estado dos dados de gerenciamento entre os peers é um desafio importante. Mecanismos tradicionais para manter a consistência desses estados são implementados por meio de centralização, o que desperdiça algumas propriedades desejáveis de abordagens P2P. Em contraste com esses mecanismos, é proposto um mecanismo distribuído, escalável e robusto para a manutenção da consistência do estado dos dados de gerenciamento pela introdução de funcionalidades de Manutenção da Verdade Multiagente. Além disso, são propostas estratégias de comunicação para prover suporte a essas funcionalidades. São apresentados também estudos de caso para ilustrar as possibilidades da proposta: o gerenciamento cooperativo de falhas em enlaces Ethernet em provedores de serviços e a ativação distribuída de políticas de gerenciamento de redes. Experimentos simulados são realizados a fim de verificar as propriedades de escalabilidade e robustez da presente proposta. / Autonomic network management is a vision that brings Autonomic Computing principles to Network Management. Besides, it is necessary some level of decentralization to enable broad autonomic capabilities. An interesting alternative of infrastructure for this union is the utilization of Peer-to-Peer (P2P) overlays. However, the consistency of state of management data among peers is an important challenge. Traditional mechanisms to maintain consistency of these states are supported by some centralization which wastes some desirable properties of P2P approach. In contrast to these mechanisms, a distributed, scalable and robust mechanism to maintain the consistency of state of management data is proposed through the introduction of Multi-Agent Truth Maintenance features. Besides, communication strategies are proposed to support these features. Case studies are presented to show possibilities of this proposal: cooperative fault management of Ethernet links in service providers and distributed activation of network management policies. Simulated experiments are performed to verify the scalability and robustness properties of this proposal.

Ces dernières décennies, les environnements informatiques sont devenus de plus en plus complexes, parsemés de dispositifs miniatures et sophistiqués gérant la mobilité et communiquant sans fil. L'informatique ubiquitaire, telle qu'imaginée par Mark Weiser en 1991, favorise l'intégration transparente de ces environnements avec le monde réel pour offrir de nouveaux types d'applications. La conception de programmes pour environnements ubiquitaires soulève cependant de nombreux défis, en particulier le problème de rendre une application auto-adaptable dans un contexte en constante évolution. Parallèlement, alors que la taille et la complexité de systèmes plus classiques ont explosé, IBM a proposé le concept d'informatique autonomique afin de réduire le fardeau de l'administration de systèmes imposants et largement disséminés. Cette thèse se base sur une approche où les applications sont conçues sous la forme de composants utilisant et fournissant des services. Un modèle de développement fondé sur une architecture de référence pour la conception d'applications ubiquitaires est proposée, fortement inspiré des recherches dans le domaine de l'informatique autonomique. Dans ce modèle, les applications sont prises en charge par une hiérarchie de gestionnaires autonomiques, qui appuient leurs décisions sur une représentation centrale du système. La mise en œuvre de cette contribution requiert de rendre la couche d'exécution sous-jacente plus réflexive, en vue de supporter de nouveaux types d'adaptations à l'exécution. Nous proposons également un modèle qui décrit le système à l'exécution et reflète sa dynamique de manière uniforme, suivant les principes du style d'architecture REST. Les applications reposant sur ce cette couche d'exécution réflexive et représentées par ce modèle sont qualifiées d'Autonomic-Ready. L'implantation de nos propositions ont été intégrées dans le modèle à composant orienté service Apache Felix iPOJO. Le modèle de représentation du système, nommé Everest, est publié en tant que sous-projet d'OW2 Chameleon. Ces propositions ont été évaluées et validées par la conception et l'exécution d'une application ubiquitaire sur iCASA, un environnement de développement et de simulation. / In the last decades, computing environments have been getting more and more complex, filled with miniaturized and sophisticated devices that can handle mobility and wireless communications. Ubiquitous computing, as envisioned by Mark Weiser in 1991, promote the seamless integration of those computing environments with the real world in order to offer new kinds of applications. However, writing software for ubiquitous environments raises numerous challenges, mainly the problem of how to make an application adapt itself in an ever changing context. From another perspective, as classical softwares were growing in size and complexity, IBM proposed the concept of autonomic computing to help to contain the burden of administering massive and numerous systems. This PhD thesis is based on an approach where applications are designed in terms of components using and providing services. A development model based on a reference architecture for the conception of ubiquitous applications is proposed, greatly inspired by researches in the autonomic computing field. In this model, the application is managed by a hierarchy of autonomic managers, that base their decisions on a central representation of the system. The fulfilment of this contribution requires to make the underlying middleware more reflexive, in order to support new kinds of runtime adaptations. We also provide a model that depicts the running system and its dynamics in a uniform way, based on REST principles. Applications relying on this reflexive middleware and represented by this model are what we called Autonomic-Ready. Implementations of our proposals have been integrated in the Apache Felix iPOJO service-oriented component model. The system representation, named Everest, is provided as a OW2 Chameleon subproject. Validation is based on the iCASA pervasive environment development and simulation environment.

La problématique d'adaptation autonomique prend de plus en plus d'importance dans l'administration des applications modernes, notamment pervasives. En effet, la composition entre les différentes ressources de l'application (dispositifs physiques, services et applications tierces) doit souvent être dynamique, et s'adapter automatiquement et rapidement aux évolutions du contexte d'exécution. Pour cela, les composants orientés services offrent un support à l'adaptation au niveau architectural. Cependant, ils ne permettent pas d'exprimer l'ensemble des contraintes de conception qui doivent être garanties lors de l'exécution du système. Pour lever cette limite, cette thèse a modélisé les architectures de conception, de déploiement et de l'exécution. De plus, elle a établi des liens entre celle-ci et proposé des algorithmes afin de vérifier la validité d'une architecture de l'exécution par rapport à son architecture de conception. Cela nous a conduits à considérer de près le cycle de vie des composants et à définir un ensemble de concepts afin de les faire participer à des architectures supportant la variabilité. Notons que cette formalisation peut être exploitée aussi bien par un administrateur humain, que par un gestionnaire autonomique qui voit ainsi sa base de connaissances augmentée et structurée. L'implantation a donné lieu à la réalisation d'une base de connaissance, mise à disposition d'un atelier (Cilia IDE) de conception, déploiement et supervision d'applications dynamiques, ainsi que d'un gestionnaire autonomique capable de modifier la structure d'une application pervasive. Cette thèse a été validée à l'aide d'une application pervasive nommée <<~Actimétrie~>>, développée dans le cadre du projet FUI~MEDICAL. / The autonomic adaptation of software application is becoming increasingly important in many domains, including pervasive field. Indeed, the integration fo different application resources (physical devices, services and third party applications) often needs to be dynamic and should adapt rapidly and automatically to changes in the execution context. To that end, service-oriented components offer support for adaptation at the architectural level. However, they do not allow the formalisation of all the design constraints that must be guaranteed during the execution of the system. To overcome this limitation, this thesis modeled the design, deployment and runtime architectures. Also, it proposes to establish links between them and has developed algorithms to check the validity of an execution architecture with respect to its architectural design. This led us to consider the entire life cycle of components and to define a set of concepts to be included in architectures supporting variability. This formalisation can be exploited both by a human administrator and by an autonomic manager that has its knowledge base increased and structured. The implementation resulted in the realization of a knowledge base, providing a studio (Cilia IDE) for the design, deployment and supervision of dynamic applications, as well as an autonomic manager that can update the structure of pervasive applications. This thesis has been validated using a pervasive application called “Actimetry”, developed in the FUI~MEDICAL project.

L'émergence des nouveaux types d'environnements informatiques amplifie le besoin pour des systèmes logiciels d'être capables d'évoluer dynamiquement. Cependant, ces systèmes rendent très difficile le déploiement de logiciels en utilisant des processus humains. Il y a donc un besoin croissant d'outils d'automatisation qui permettent de déployer et reconfigurer des systèmes logiciels sans en interrompre l'exécution. Le processus de déploiement continu et automatisé permet de mettre à jour ou d'adapter un logiciel en exécution en fonction des changements contextuels et des exigences opérationnelles. Les solutions existantes ne permettent pas des déploiements reproductibles et tolérant aux pannes dans des environnements fluctuants, et donc requérant une adaptation continue. Cette thèse se concentre en particulier sur des solutions de déploiement continu pour les plates-formes d'exécution dynamiques, tels que celle utilisé dans les environnements ubiquitaires. Elle adopte une approche basée sur un processus transactionnel et idempotent pour coordonner les actions de déploiement. La thèse propose, également, un ensemble d'outils, y compris un gestionnaire de déploiement capable de mener des déploiements discret, mais également d'adapter les applications continuellement en fonction des changements contextuels. La mise en œuvre de ces outils, permet notamment aux développeurs et aux administrateurs de développer des déploiements d'applications grâce à un langage spécifique suivant les principes de l‘infrastructure-as-code. En utilisant l'implantation de Rondo, les propositions de cette thèse sont validées dans plusieurs projets industriels et académiques à la fois pour l'administration de plates-formes ubiquitaires ainsi que pour l'installation d'applications et leurs reconfigurations continues. / Driven by the emergence of new computing environments, dynamically evolving software systems makes it impossible for developers to deploy software with human-centric processes. Instead, there is an increasing need for automation tools that continuously deploy software into execution, in order to push updates or adapt existing software regarding contextual and business changes. Existing solutions fall short on providing fault-tolerant, reproducible deployments that would scale on heterogeneous environments. This thesis focuses especially on enabling continuous deployment solutions for dynamic execution platforms, such as would be found in Pervasive Computing environments. It adopts an approach based on a transactional, idempotent process for coordinating deployment actions. The thesis proposes a set of deployment tools, including a deployment manager capable of conducting deployments and continuously adapting applications according to the changes in the current state of the target platform. The implementation of these tools, Rondo, also allows developers and administrators to code application deployments thanks to a deployment descriptor DSL. Using the implementation of Rondo, the propositions of this thesis are validated in several industrial and academic projects by provisioning frameworks as well as on installing application and continuous reconfigurations.

Sensoriamento urbano e cidades inteligentes têm sido tópicos derivados da computação ubíqua em alta nos últimos anos, tanto para a academia como para a indústria, devido ao contínuo avanço tecnológico aliado à maior facilidade de acesso e aceitação pelos usuários. Na literatura pesquisada sobre plataformas que englobam tais tópicos foi constatado que diversas delas possuem algum processo autonômico utilizado para atender alguma necessidade de autoadaptação em tempo de execução. Apesar disso, nenhuma das plataformas pesquisadas focou especificamente em encontrar e propor uma solução para tratar exclusivamente a autoadaptação. Nesse contexto, esta dissertação tem por objetivo propor um mecanismo de autoadaptação para sistemas de sensoriamento urbano, além de avaliar seu comportamento. Como primeiro passo para realizar tal objetivo, foi conduzida uma pesquisa literária tendo em vistas identificar os principais casos de adaptação em sistemas de sensoriamento urbano, além de requisitos específicos da arquitetura de sensoriamento urbano UrboSenti, utilizada para implementação. Como segundo passo, a partir dos requisitos identificados, o modelo MAPE-K da computação autonômica foi escolhido como a base da construção do mecanismo de autoadaptação. A implementação deste modelo utilizou as técnicas de eventos passivos para monitoramento do ambiente, regras Evento-Condição-Ação, para tomada de decisão, planos estáticos para planejamento e adaptações por parâmetros e componentes para execução. Tanto o modelo como as técnicas escolhidas foram implementadas devido atenderem as necessidades dos cenários avaliados. Por fim, as avaliações aplicadas apontam resultados preliminares satisfatórios, dados os casos avaliados e os experimentos de tempo de resposta a eventos internos e interações; no entanto, tais avaliações revelarem diversos pontos que devem ser explorados em trabalhos futuros. / In the last years, urban sensing and smart cities have been popular topics derived from the ubiquitous computing, for both the academia and the industry, due to its continuous technological development combined with greater facilities of access and acceptance by the users. The reviewed literature about platforms that encompass such topics showed that many of them have some kind of autonomic process used to meet any need for self-adaptation at runtime. Despite this, none of the researched platforms focused in proposing a solution to exclusively meet the self-adaptation properties. In this way, this dissertation aims to propose a self-adaptive mechanism to urban sensing systems, as well as evaluating its behavior. As the first step to achieving such goal, a literature review was performed aiming to identify the main adaptation cases in urban sensing systems, as well to identify the specific requirements of the UrboSenti architecture for urban sensing. As the second step, the autonomic computing MAPE-K model was chosen to compose the foundation of the self-adaptive mechanism based on the identified requirements. The implementation of this model used the techniques of passive events for monitoring, rules Event-Condition-Action for decision making, static plans for planning and parameter and component adaptations for execution were used in the proposed implementation to meet the evaluated scenario needs. Lastly, the applied evaluations indicate satisfactory results, given the assessed cases and the experiments of scalability at the response of internal events and interactions. However, they have left many open points that should be explored in future works.

A2B Electronics AB is a company that develops and manufactures products and technology for digital cable television. A2B's new EXM-product family translates digital television channels from multiple source networks into a single destination network. Multiple EXM-units are connected in a system to provide a custom set of TV channels. To minimize the administrative effort, the units in a system should be able to interact and collaborate without manual intervention. The purpose of this thesis is to propose an underlying system that supports seamless interaction and collaboration between units. The autonomic system concept has served as a foundation for the proposed solution. The requirements for the EXM-system proved to be similar to many properties of an autonomic system. The proposed solution was elaborated by answering five reseach questions. The answers describe how an autonomic system can be implemented with the prerequisites of the EXM-system. Solutions for service availability, configuration preservation, system state changes and automatic addressing and communication are provided. The project has resulted in a proposal of a general autonomic system. The solution has also been implemented as prototype that runs both in a simulator and on the EXM-hardware. The simulator was also developed in the scope of this project as a side-effect of the limited access to EXM-hardware. The proposed solution together with the prototype can hopefully serve as a base for projects with prerequisites similar to the project described in this thesis.

O Gerenciamento Autonômico de Redes é uma visão que utiliza princípios da Computação Autonômica para o Gerenciamento de Redes. Além disso, algum grau de descentralização é necessário para habilitar capacidades autonômicas completas. Uma alternativa interessante de infraestrutura para essa união é a utilização de overlays Peer-to-Peer (P2P). No entanto, a consistência do estado dos dados de gerenciamento entre os peers é um desafio importante. Mecanismos tradicionais para manter a consistência desses estados são implementados por meio de centralização, o que desperdiça algumas propriedades desejáveis de abordagens P2P. Em contraste com esses mecanismos, é proposto um mecanismo distribuído, escalável e robusto para a manutenção da consistência do estado dos dados de gerenciamento pela introdução de funcionalidades de Manutenção da Verdade Multiagente. Além disso, são propostas estratégias de comunicação para prover suporte a essas funcionalidades. São apresentados também estudos de caso para ilustrar as possibilidades da proposta: o gerenciamento cooperativo de falhas em enlaces Ethernet em provedores de serviços e a ativação distribuída de políticas de gerenciamento de redes. Experimentos simulados são realizados a fim de verificar as propriedades de escalabilidade e robustez da presente proposta. / Autonomic network management is a vision that brings Autonomic Computing principles to Network Management. Besides, it is necessary some level of decentralization to enable broad autonomic capabilities. An interesting alternative of infrastructure for this union is the utilization of Peer-to-Peer (P2P) overlays. However, the consistency of state of management data among peers is an important challenge. Traditional mechanisms to maintain consistency of these states are supported by some centralization which wastes some desirable properties of P2P approach. In contrast to these mechanisms, a distributed, scalable and robust mechanism to maintain the consistency of state of management data is proposed through the introduction of Multi-Agent Truth Maintenance features. Besides, communication strategies are proposed to support these features. Case studies are presented to show possibilities of this proposal: cooperative fault management of Ethernet links in service providers and distributed activation of network management policies. Simulated experiments are performed to verify the scalability and robustness properties of this proposal.

Estudos recentes sobre padrões de gerenciamento em redes de produção apontam que apenas um pequeno e estático conjunto de dados de gerenciamento tende a ser utilizado. Eles também revelam que o fluxo de dados de gerenciamento é relativamente constante e que as operações em uso para a comunicação agente-gerente são reduzidas a alguns, as vezes obsoletos, conjuntos. Essa realidade demonstra uma expressiva falta de progresso nos processos de monitoração, levando em consideração o seu papel estratégico e o potencial, por exemplo, para antecipar e prevenir falhas, perdas de desempenho e problemas de segurança em redes, serviços e aplicações. Uma das razões para tal limitação recai no fato de que o operador, ainda considerado um elemento fundamental no loop de controle, já não suporta o rápido crescimento tanto do tamanho quanto da heterogeneidade de ambos os componentes de software e de hardware, os quais constituem os modernos sistemas de computação em rede. Essa forma de "administrador no loop de gerenciamento" certamente dificulta a realização de adaptações oportunas nos processos de monitoração. Para resolver este problema, esse trabalho apresenta um modelo para monitoração adaptativa de redes, serviços e aplicações inspirado na abordagem de aprendizado por reforço. O modelo é analisado por meio da implementação de um protótipo de um elemento autonômico, o qual baseia-se em valores históricos, muitas vezes inesperados, obtidos de objetos gerenciados. Por meio do raciocínio sobre essas informações, o elemento autonômico dinamicamente amplia ou restringe o conjunto de objetos gerenciados a ser monitorado. / Recent investigations of management patterns in production networks suggest that just a small and static set of management data tends to be used, the flow of management data is relatively constant, and the operations in use for manager-agent communication are reduced to a few, sometimes obsolete set. This reality demonstrates an impressive lack of progress of monitoring processes, taking into account their strategic role and potential, for example, to anticipate and prevent faults, performance bottlenecks, and security problems. One of the key reasons for such limitation relies on the fact that operators, who still are a fundamental element of the monitoring control loop, can no longer handle the rapidly increasing size and heterogeneity of both hardware and software components that comprise modern networked computing systems. This form of human-in-the-loop management certainly hampers timely adaptation of monitoring processes. To tackle this issue, this work presents a model, inspired by the reinforcement learning theory, for adaptive network, service and application monitoring. The model is analyzed through a prototypical implementation of an autonomic element, which, based on historical and even unexpected values retrieved for management objects, dynamically widens or restricts the set of management objects to be monitored.