Este trabalho explora a gerência de segurança e cooperação de aplicações em sistemas distribuídos móveis. Neste contexto, é feito um estudo sobre os diferentes middlewares para ambientes móveis (mobile middleware): suas capacidades de enfrentar os desafios da mobilidade e da segurança. As análises do estudo mostram que esses middlewares devem possuir características que lhes permitem uma melhor adaptação às necessidades das aplicações e à natureza dos ambientes móveis. Os middlewares existentes pouco abordam a questão da segurança. A segurança ainda é um problema complexo que deve ser gerido em todos os níveis de um sistema distribuído móvel, incluindo novos mecanismos. Com base nessa análise, foi desenvolvido um modelo de gerência de segurança que implementa um mecanismo de autenticação mútua, confidencialidade, detecção de intruso e controle de acesso em ambientes móveis. O objetivo é garantir a confiabilidade, a disponibilidade de serviços e a privacidade do usuário através da tecnologia PET - Privacy-Enhancing Tecnologies. A idéia é fundamentada em agentes interceptadores e autoridades de segurança que distribuem tíquetes de segurança e controlam o acesso a recursos e espaços de tuple do ambiente. O estudo de caso apresentou resultados satisfatórios que permitem julgar a pertinência do modelo proposto. O modelo será integrado a um sistema de e-saúde. / The work exploits the security management and the cooperation of applications in mobile distributed systems. In this context a study of different mobile middleware is made. The study examines their capacities to face the challenges of mobility and security issues. The analysis shows that the existing middleware has very few approaches on security problems; security is still a complex issue to be managed in all the levels of mobile distributed system including new mechanisms. Based on this analysis, a security management model is developed that implements a mechanism for mutual authentication, confidentiality, intrusion detection, access control of mobile agents in mobile environments, ensures services availability and user privacy, through technology PET (Privacy-Enhancing Technologies). The idea is based on interceptor agents and security authorities that distribute security tickets and control the access to resources and Tuple spaces in mobile environment. The proposed model presents good performance and is integrated to an e-health system: Relationship Management with Chronic Patient GRPC.

Este trabalho de pesquisa aprofunda o conhecimento associado aos sistemas de automação modernos baseados em redes de controle LonWorks®, visando torná-los mais facilmente utilizáveis como meios de implementar ambientes pervasivos. Para tanto, foi proposto um modelo de relacionamento dinamicamente reconfigurável entre dispositivos de uma rede de controle, que permite conferir a um sistema de automação distribuído algumas características previstas na computação pervasiva. É proposta uma extensão do modelo de objetos na tecnologia LonWorks®, utilizando conceitos de middleware, de forma a conferir aos módulos da rede a capacidade de auto-gerenciamento dinâmico, de modo a modificar os seus comportamentos à medida que novas situações sejam identificadas. A extensão proposta foi aplicada experimentalmente, visando a sua validação e refinamento, como o sistema de comunicação interno de uma empresa, substituindo os PABXs convencionais, considerado em maiores detalhes. Constatou-se a impossibilidade de sua implementação com a tecnologia LonWorks® atual, que utiliza conexões estáticas, necessitando de um operador ou integrador para configurá-las, caso não seja adotada a extensão proposta. Como estudo de caso o projeto de um PABX baseado na tecnologia LonWorks® foi avaliado e discutido, contribuindo para a geração de uma nova metodologia de concepção de sistemas de automação que possam atender algumas propostas previstas na computação pervasiva. É proposto integrar a Tecnologia da Informação e Comunicação, com as ações e os comportamentos convencionais que as pessoas apresentam. Essa metodologia proposta supera os desafios de projetistas de sistemas de automação de ambientes, em especial os prediais, e obtém integração entre processos de forma que as pessoas não percebam que estão interagindo com um computador, cuja presença deverá cada vez mais se tornar onipresente. Além de facultar interfaces fáceis e naturais, tem-se também a incorporação dos conceitos da computação sensível a contexto nos sistemas de automação. / Pervasive or ubiquitous computing, proposes the integration between the information and communication technology with the actions and common behaviors presented by people. One of the challenges that it imposes to the environmental automation systems developers, specially building automation developers, is that this integration is processed in such a way that people do not realize they are interacting with a computer, thus its presence becomes omnipresent. Besides the need of an easy and natural interface, there is also the need to incorporate the sensitive computing context to the automation systems. The current control networks utilized in automation systems, building, home and industrial control do not show resources that support the requirements of pervasive computing. This research intend to improve the knowledge associated to modern automation systems, based on LonWorks® control networks, viewing to make them more easily usable as ways to implement pervasive environments. For that, a dynamically settable relationship model was proposed between the intelligent devices of a control network, which allows providing some foreseen characteristics on pervasive computing in a distributed automation system. A LonWorks® technology object model extension is proposed, using middleware concepts, in a dynamic way, to modify behaviors when new situations are identified. The proposed extension was experimentally applied to a few use cases, aiming at its validation and refinement, such as the internal communication of a company, which replaces the usual PABX, which was considered in greater detail. The impossibility of its implementation was found with the current technology, without the use of the proposed extension. Those cases were evaluated and discussed, contributing to a new automation system concept technology that can support provided proposals on pervasive computing.

Although soundtracks play an essential role in the experience delivered by digital games, there are a number of design restrictions it suffers from due to technology limitations. This is specially true for real-time effects, a natural demand in the interactive media of games. Developers may either implement their own solutions each time, rely on proprietary software, or neglect the soundtrack altogether. Besides, even the best commercial tools support only sample-based audio, which is one of the main causes for the aforementioned design restrictions. Thus, this thesis proposes VORPAL, a free software game audio middleware implementation that focuses on procedural audio instead while maintaining the possibility of sample-based audio as a more accessible and adequate tool for composing real-time soundtracks for digital games. The middleware, inspired by its commercial predecessors, is divided in two main pieces of software: an audio engine and a soundtrack creation kit. The audio engine comprises a native C++ programming library, which games and game engines can be linked to to play and control in real-time soundtrack pieces created using the soundtrack creation kit, which consists of building blocks provided as Pure Data abstractions. We have interviewed and partnered with professional sound designers to validate our technology, and came to develop a proof of concept game called Sound Wanderer, which showcases the possibilities and limitations of the VORPAL middleware. / Muito embora trilhas sonoras desempenhem um papel essencial na experiência criada por jogos digitais, elas sofrem de diversas restrições de projeto causadas por limitações tecnológicas. Isso afeta principalmente efeitos em tempo real, que são uma demanda natural na mídia interativa dos jogos. Desenvolvedores precisam optar entre implementar uma solução própria caso a caso, investir em software proprietário, ou simplesmente negligenciar a trilha sonora por falta de opção melhor. Além disso, mesmo as melhores ferramentas comerciais trabalham apenas com áudio baseado em amostras, o que é uma das principais causas das ditas restrições de projeto. Portanto, esta dissertação propõe VORPAL, um middleware livre para áudio em jogos que foca em áudio procedural mas mantém compatibilidade com áudio baseado em amostras como uma ferramenta mais acessível e adequada para a composição de trilhas sonoras em tempo real para jogos digitais. O middleware, inspirado em seus antecessores comerciais, é dividido em duas principais componentes de software: um motor de áudio e um kit de criação de trilhas sonoras. O primeiro é constituído por uma biblioteca de programação nativa em C++, com a qual jogos e motores de jogos podem se ligar para reproduzir e controlar, em tempo real, peças da trilha sonora criadas usando a outro componente, que é um kit de blocos de construção providos como abstrações de Pure Data. Projetistas de som profissionais foram entrevistados e depois trabalharam em parceria com os autores para validar a tecnologia proposta, o que levou ao desenvolvimento de um jogo de prova conceitual chamado Sound Wanderer, que demonstra as possibilidades e limitações do middleware VORPAL.

Sistemas computacionais são constituídos por componentes de hardware e software que podem eventualmente falhar. Por esse motivo, o mecanismo de transação sempre foi imprescindível para a construção de sistemas robustos. O suporte transacional para a tecnologia Web services foi definido em agosto de 2005, num conjunto de três especificações denominadas WS-Coordination, WS-AtomicTransaction e WS-BusinessActivity. Juntas, essas especificações definem um alicerce sobre o qual aplicações robustas baseadas em Web services podem ser construídas. Nesta dissertação realizamos um estudo sobre transações atômicas em ambientes Web services. Em particular, estendemos o gerenciador de transações presente no servidor de aplicações JBoss, de modo que ele passasse a comportar transações distribuídas envolvendo Web services. Além disso, avaliamos o desempenho desse gerenciador de transações quando ele emprega cada um dos seguintes mecanismos de chamada remota: Web services/SOAP, CORBA/IIOP e JBoss Remoting. Finalmente, realizamos experimentos de escalabilidade e interoperabilidade. / Computing systems consist of a multitude of hardware and software components that may fail. For this reason, the transaction mechanism has always been essential for the development of robust systems. Transactional support for the Web services technology was defined in August 2005, in a set of three specifications, namely WS-Coordination, WS-AtomicTransaction, and WS-BusinessActivity. Together, such specifications enable the development of robust Web services applications. In this dissertation we studied atomic transactions in the Web services realm. Particularly, we added Web services atomic transaction support to the existing JBoss application server transaction manager. Furthermore, we evaluated the performance of this transaction manager when it employs each of the following remote method invocation mechanisms: Web services/SOAP, CORBA/IIOP and JBoss Remoting. Finally, we performed scalability and interoperability experiments.

Although soundtracks play an essential role in the experience delivered by digital games, there are a number of design restrictions it suffers from due to technology limitations. This is specially true for real-time effects, a natural demand in the interactive media of games. Developers may either implement their own solutions each time, rely on proprietary software, or neglect the soundtrack altogether. Besides, even the best commercial tools support only sample-based audio, which is one of the main causes for the aforementioned design restrictions. Thus, this thesis proposes VORPAL, a free software game audio middleware implementation that focuses on procedural audio instead while maintaining the possibility of sample-based audio as a more accessible and adequate tool for composing real-time soundtracks for digital games. The middleware, inspired by its commercial predecessors, is divided in two main pieces of software: an audio engine and a soundtrack creation kit. The audio engine comprises a native C++ programming library, which games and game engines can be linked to to play and control in real-time soundtrack pieces created using the soundtrack creation kit, which consists of building blocks provided as Pure Data abstractions. We have interviewed and partnered with professional sound designers to validate our technology, and came to develop a proof of concept game called Sound Wanderer, which showcases the possibilities and limitations of the VORPAL middleware. / Muito embora trilhas sonoras desempenhem um papel essencial na experiência criada por jogos digitais, elas sofrem de diversas restrições de projeto causadas por limitações tecnológicas. Isso afeta principalmente efeitos em tempo real, que são uma demanda natural na mídia interativa dos jogos. Desenvolvedores precisam optar entre implementar uma solução própria caso a caso, investir em software proprietário, ou simplesmente negligenciar a trilha sonora por falta de opção melhor. Além disso, mesmo as melhores ferramentas comerciais trabalham apenas com áudio baseado em amostras, o que é uma das principais causas das ditas restrições de projeto. Portanto, esta dissertação propõe VORPAL, um middleware livre para áudio em jogos que foca em áudio procedural mas mantém compatibilidade com áudio baseado em amostras como uma ferramenta mais acessível e adequada para a composição de trilhas sonoras em tempo real para jogos digitais. O middleware, inspirado em seus antecessores comerciais, é dividido em duas principais componentes de software: um motor de áudio e um kit de criação de trilhas sonoras. O primeiro é constituído por uma biblioteca de programação nativa em C++, com a qual jogos e motores de jogos podem se ligar para reproduzir e controlar, em tempo real, peças da trilha sonora criadas usando a outro componente, que é um kit de blocos de construção providos como abstrações de Pure Data. Projetistas de som profissionais foram entrevistados e depois trabalharam em parceria com os autores para validar a tecnologia proposta, o que levou ao desenvolvimento de um jogo de prova conceitual chamado Sound Wanderer, que demonstra as possibilidades e limitações do middleware VORPAL.

Este trabalho explora a gerência de segurança e cooperação de aplicações em sistemas distribuídos móveis. Neste contexto, é feito um estudo sobre os diferentes middlewares para ambientes móveis (mobile middleware): suas capacidades de enfrentar os desafios da mobilidade e da segurança. As análises do estudo mostram que esses middlewares devem possuir características que lhes permitem uma melhor adaptação às necessidades das aplicações e à natureza dos ambientes móveis. Os middlewares existentes pouco abordam a questão da segurança. A segurança ainda é um problema complexo que deve ser gerido em todos os níveis de um sistema distribuído móvel, incluindo novos mecanismos. Com base nessa análise, foi desenvolvido um modelo de gerência de segurança que implementa um mecanismo de autenticação mútua, confidencialidade, detecção de intruso e controle de acesso em ambientes móveis. O objetivo é garantir a confiabilidade, a disponibilidade de serviços e a privacidade do usuário através da tecnologia PET - Privacy-Enhancing Tecnologies. A idéia é fundamentada em agentes interceptadores e autoridades de segurança que distribuem tíquetes de segurança e controlam o acesso a recursos e espaços de tuple do ambiente. O estudo de caso apresentou resultados satisfatórios que permitem julgar a pertinência do modelo proposto. O modelo será integrado a um sistema de e-saúde. / The work exploits the security management and the cooperation of applications in mobile distributed systems. In this context a study of different mobile middleware is made. The study examines their capacities to face the challenges of mobility and security issues. The analysis shows that the existing middleware has very few approaches on security problems; security is still a complex issue to be managed in all the levels of mobile distributed system including new mechanisms. Based on this analysis, a security management model is developed that implements a mechanism for mutual authentication, confidentiality, intrusion detection, access control of mobile agents in mobile environments, ensures services availability and user privacy, through technology PET (Privacy-Enhancing Technologies). The idea is based on interceptor agents and security authorities that distribute security tickets and control the access to resources and Tuple spaces in mobile environment. The proposed model presents good performance and is integrated to an e-health system: Relationship Management with Chronic Patient GRPC.

Este trabalho de pesquisa aprofunda o conhecimento associado aos sistemas de automação modernos baseados em redes de controle LonWorks®, visando torná-los mais facilmente utilizáveis como meios de implementar ambientes pervasivos. Para tanto, foi proposto um modelo de relacionamento dinamicamente reconfigurável entre dispositivos de uma rede de controle, que permite conferir a um sistema de automação distribuído algumas características previstas na computação pervasiva. É proposta uma extensão do modelo de objetos na tecnologia LonWorks®, utilizando conceitos de middleware, de forma a conferir aos módulos da rede a capacidade de auto-gerenciamento dinâmico, de modo a modificar os seus comportamentos à medida que novas situações sejam identificadas. A extensão proposta foi aplicada experimentalmente, visando a sua validação e refinamento, como o sistema de comunicação interno de uma empresa, substituindo os PABXs convencionais, considerado em maiores detalhes. Constatou-se a impossibilidade de sua implementação com a tecnologia LonWorks® atual, que utiliza conexões estáticas, necessitando de um operador ou integrador para configurá-las, caso não seja adotada a extensão proposta. Como estudo de caso o projeto de um PABX baseado na tecnologia LonWorks® foi avaliado e discutido, contribuindo para a geração de uma nova metodologia de concepção de sistemas de automação que possam atender algumas propostas previstas na computação pervasiva. É proposto integrar a Tecnologia da Informação e Comunicação, com as ações e os comportamentos convencionais que as pessoas apresentam. Essa metodologia proposta supera os desafios de projetistas de sistemas de automação de ambientes, em especial os prediais, e obtém integração entre processos de forma que as pessoas não percebam que estão interagindo com um computador, cuja presença deverá cada vez mais se tornar onipresente. Além de facultar interfaces fáceis e naturais, tem-se também a incorporação dos conceitos da computação sensível a contexto nos sistemas de automação. / Pervasive or ubiquitous computing, proposes the integration between the information and communication technology with the actions and common behaviors presented by people. One of the challenges that it imposes to the environmental automation systems developers, specially building automation developers, is that this integration is processed in such a way that people do not realize they are interacting with a computer, thus its presence becomes omnipresent. Besides the need of an easy and natural interface, there is also the need to incorporate the sensitive computing context to the automation systems. The current control networks utilized in automation systems, building, home and industrial control do not show resources that support the requirements of pervasive computing. This research intend to improve the knowledge associated to modern automation systems, based on LonWorks® control networks, viewing to make them more easily usable as ways to implement pervasive environments. For that, a dynamically settable relationship model was proposed between the intelligent devices of a control network, which allows providing some foreseen characteristics on pervasive computing in a distributed automation system. A LonWorks® technology object model extension is proposed, using middleware concepts, in a dynamic way, to modify behaviors when new situations are identified. The proposed extension was experimentally applied to a few use cases, aiming at its validation and refinement, such as the internal communication of a company, which replaces the usual PABX, which was considered in greater detail. The impossibility of its implementation was found with the current technology, without the use of the proposed extension. Those cases were evaluated and discussed, contributing to a new automation system concept technology that can support provided proposals on pervasive computing.

Malgré de nombreuses années de travail en robotique, il existe toujours un manque d’architecture logicielle et de middleware stables pour les systèmes multi-robot. Un intergiciel robotique devrait être conçu pour faire abstraction de l’architecture matérielle de bas niveau, faciliter la communication et l’intégration de nouveaux logiciels. Cette thèse se concentre sur le middleware pour systèmes multi-robot et sur la façon dont nous pouvons améliorer les frameworks existantes dans un contexte multi-robot en ajoutant des services de coordination multi-robot, des outils de développement et de déploiement massif. Nous nous attendons à ce que les robots soient de plus en plus utiles car ils peuvent tirer profit des données provenant d’autres périphériques externes dans leur prise de décision au lieu de simplement réagir à leur environnement local (capteurs, robots coopérant dans une flotte, etc.). Cette thèse évalue d’abord l’un des intergiciels les plus récents pour robot(s) mobile(s), Robot operating system (ROS), suivi par la suite d’un état de l’art sur les middlewares couramment utilisés en robotique. Basé sur les conclusions, nous proposons une contribution originale dans le contexte multi-robots, appelé SDfR (Service discovery for Robots), un mécanisme de découverte des services pour les robots. L’objectif principal est de proposer un mécanisme permettant aux robots de garder une trace des pairs accessibles à l’intérieur d’une flotte tout en utilisant une infrastructure ad-hoc. A cause de la mobilité des robots, les techniques classiques de configuration de réseau pair à pair ne conviennent pas. SDfR est un protocole hautement dynamique, adaptatif et évolutif adapté du protocole SSDP (Simple Service Discovery Protocol). Nous conduisons un ensemble d’expériences, en utilisant une flotte de robots Turtlebot, pour mesurer et montrer que le surdébit de SDfR est limité. La dernière partie de la thèse se concentre sur un modèle de programmation basé sur un automate temporisé. Ce type de programmation a l’avantage d’avoir un modèle qui peut être vérifié et simulé avant de déployer l’application sur de vrais robots. Afin d’enrichir et de faciliter le développement d’applications robotiques, un nouveau modèle de programmation basé sur des automates à états temporisés est proposé, appelé ROSMDB (Robot Operating system Model Driven Behaviour). Il fournit une vérification de modèle lors de la phase de développement et lors de l’exécution. Cette contribution est composée de plusieurs composants : une interface graphique pour créer des modèles basés sur un automate temporisé, un vérificateur de modèle intégré basé sur UPPAAL et un générateur de squelette de code. Enfin, nous avons effectué deux expériences : une avec une flotte de drones Parrot et l’autre avec des Turtlebots afin d’illustre le modèle proposé et sa capacité à vérifier les propriétés. / Despite many years of work in robotics, there is still a lack of established software architecture and middleware for multi-robot systems. A robotic middleware should be designed to abstract the low-level hardware architecture, facilitate communication and integration of new software. This PhD thesis is focusing on middleware for multi-robot system and how we can improve existing frameworks for fleet purposes by adding multi-robot coordination services, development and massive deployment tools. We expect robots to be increasingly useful as they can take advantage of data pushed from other external devices in their decision making instead of just reacting to their local environment (sensors, cooperating robots in a fleet, etc). This thesis first evaluates one of the most recent middleware for mobile robot(s), Robot operating system (ROS) and continues with a state of the art about the commonly used middlewares in robotics. Based on the conclusions, we propose an original contribution in the multi-robot context, called SDfR (Service discovery for Robots), a service discovery mechanism for Robots. The main goal is to propose a mechanism that allows highly mobile robots to keep track of the reachable peers inside a fleet while using an ad-hoc infrastructure. Another objective is to propose a network configuration negotiation protocol. Due to the mobility of robots, classical peer to peer network configuration techniques are not suitable. SDfR is a highly dynamic, adaptive and scalable protocol adapted from Simple Service Discovery Protocol (SSDP). We conduced a set of experiments, using a fleet of Turtlebot robots, to measure and show that the overhead of SDfR is limited. The last part of the thesis focuses on programming model based on timed automata. This type of programming has the benefits of having a model that can be verified and simulated before deploying the application on real robots. In order to enrich and facilitate the development of robotic applications, a new programming model based on timed automata state machines is proposed, called ROSMDB (Robot Operating system Model Driven Behaviour). It provides model checking at development phase and at runtime. This contribution is composed of several components: a graphical interface to create models based on timed automata, an integrated model checker based on UPPAAL and a code skeleton generator. Moreover, a ROS specific framework is proposed to verify the correctness of the execution of the models and to trigger alerts. Finally, we conduct two experiments: one with a fleet of Parrot drones and second with Turtlebots in order to illustrates the proposed model and its ability to check properties.

Sensor networks are being used in several emerging applications not even imagined some years ago due to advances in sensing, computing, and communication techniques. However, these advances also pose various challenges that must be faced. One important challenge is related to the autonomous capability needed to setup and adapt the networks, which decentralizes the control of the network, saving communication and energy resources. Middleware technology helps in addressing this kind of problem, but there is still a need for additional solutions, particularly considering dynamic changes in users' requirements and operation conditions. This paper presents an agent-based framework acting as an integral part of a middleware to support autonomous setup and adaptation of sensor networks. It adds interoperability among heterogeneous nodes in the network, by means of autonomous behavior and reasoning. These features also address the needs for system setup and adaptations in the network, reducing the communication overhead and decentralizing the decision making mechanism. Additionally, preliminary results are also presented.

This thesis addresses a multi-phase research and development project that spanned nearly four years, targeted at providing an ultra high-efficiency, user-friendly, and economic intelligent lighting solution for commercial facility applications, initially targeting underground parking specifically. The system would leverage the strengths of four key technologies: high brightness white Light Emitting Diodes (LEDs), wireless sensor and actuator networks, single board computers, and cloud computing. An introduction to these technologies and an overview of how they were combined to build an intelligent lighting solution is given, followed by an in-depth description of the design and implementation of one of the main subsystems – the Sensor Middleware System – residing on a single board computer. Newly-available LED luminaires (a.k.a. light fixtures) bring the combination of high efficiency, reliability, illumination quality, and long-lifetime to the lighting market. Emerging low-power – and recently low-cost – 802.15.4 wireless networks offer high controllability and responsiveness to deployed luminaires and sensors. The cost- associativity, low maintenance, and easy build-up of Internet Data Center “cloud” computing resources make data collection and remote management infrastructure for Building Automation Systems accessible to even small companies. Additionally, these resources can be much more appropriately sized and allocated, which reduces energy use. These technologies are combined to form an Intelligent Lighting System (ILS). Fitting well within the Internet of Things paradigm, this highly distributed messaging-based “system of systems” was designed to be reliable through loose coupling – spanning multiple network layers and messaging protocols. Its goal was to deliver significant energy savings over incumbent technologies, configurable and responsive lighting service behaviour, and improved experience for users within the facility (pedestrians and drivers) and those interacting with its web-based tools (building managers and ILS administrators). The ILS was partitioned into three main subsystems as follows. The installed Wireless Field Network (WFN) of luminaires and sensors provided coordinated scheduled and real-time output level adjustment (i.e. dimming), with the help of motion sensor triggers. The Monitoring and Configuration System (MCS) in the cloud provided remote data collection and a web-based monitoring and configuration Graphical User Interface application. Network hardware and Message-Oriented Middleware (MOM) were responsible for tying these subsystems together. The MOM layer that provided the message brokering, translating, envelope wrapping, and guaranteed delivery services between the WFN and MCS, as well as field supervisory and quality-of-service functions for the WFN, was called the Sensor Middleware System (SMS). It was hosted on a single board computer located at the facility. / Graduate