Using Blockchain and Low Power in Smart Cities to internet of thigs applications : a Fog Computing approach.
| dc.contributor.advisor | Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo | pt_BR |
| dc.contributor.advisor | Silva, Jorge Sá | pt_BR |
| dc.contributor.author | Ferreira, Célio Márcio Soares | |
| dc.contributor.referee | Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Aquino, André Luiz Lins de | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Cavalcanti, Carlos Frederico Marcelo da Cunha | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Ramos Filho, Heitor Soares | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Correia, Luiz Henrique Andrade | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Silva, Saul Emanuel Delabrida | pt_BR |
| dc.contributor.referee | Silva, Jorge Miguel Sá | pt_BR |
| dc.date.accessioned | 2022-11-08T21:12:32Z | |
| dc.date.available | 2022-11-08T21:12:32Z | |
| dc.date.issued | 2022 | pt_BR |
| dc.description | Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. Departamento de Ciência da Computação, Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto. | pt_BR |
| dc.description.abstract | With the advent and popularization of Internet of Things (IoT) devices, new possibilities for applications that use data extracted from the things we use in everyday life arise. Cars, wearables, health sensors, and home appliances will generate unprecedented amounts of data and bring insights that will revolutionize our daily routines. A potential scenario significantly impacted is Smart Cities (SC), which uses devices spread out on a large scale in an urban environment to extract traffic, weather, and equipment maintenance data to obtain insights acting on city management and disaster prevention. The network infrastructure currently available for these network applications uses proprietary communication technologies and is dependent on mobile phone companies. Their systems are proprietary, centralized, isolated from other databases, and constantly exposed to Single Point of Failure (SPOF). IoT applications are still primarily embryonic and do not provide reliable verification of the data source at the edge, as in the case of IoT devices, often with outdated firmware. Our work investigates the use in SC of a composition of Low Power Wide Area Networks (LPWAN) and the popular Personal Area Networks (PAN), independence of mobile network providers, and Low Power consumption. For this, we used development kits with LoRa and BLE to verify the feasibility and possible problems in this integration, and we evaluated the scalability of LoRa using a simulator. Security gaps in IoT Apps in Smart Cities mainly come from the difficulty of knowing and trusting edge devices. The problem of standardizing and updating these devices during their lifetime justifies our search for using tools that support transparency, scalability, reliability, resilience, and implicit requirements of decentralized Blockchain networks that support Smart Contracts. For this, we present a network architecture using Fog Computing and Smart Contracts Blockchain, which, through API gateways, authorizes and authenticates edge communication from IoT devices previously known by their metadata and firmware. To provide standard and link data from Blockchain with existing Web datasets, we use and add new components to ontologies that model Ethereum entities. This approach allows us to use the semantic web for data consumption and linking, which exposes data from Ethereum networks in soft-realtime through middleware. This work investigates the potential use of Fog Computing in SC in Low Power networks, strategies to identify and authenticate IoT devices at the edges using Blockchain and Smart Contract, and consumption and data link of Blockchain with the current web using the Semantic web. The set of these resources used in Fog computing allows searching for a composition of independent SC network infrastructures, Low Power, with reliable information coming from the edges and integrable with other pre-existing data sets. As the main results, we show the limits of the LoRa network, using a simulator in single-gateway and multi-gateway scenarios. We present scenarios of mixed use of traditional using Blockchain as authentication and validation background, by API gateway in Fog Computing architecture, and we present the times in transactions per second of this approach considering signatures and validation of payloads using Ethereum Blockchain. We present a middleware to expose Ethereum data in soft-realtime using ontologies that model Ethereum in the literature and extended by our EthExtras ontology, providing classes and properties for links and queries.The main advances of this work are the models using the Fog Computing paradigm for Smart Cities, where we present its use as a mixing point of LoRa and BLE and the Blockchain API Gateway to validate data from IoT devices. In addition to our Middleware for extracting and consuming Ethereum data in soft real-time using our EthExtras and EthOn vocabulary. | pt_BR |
| dc.description.abstracten | Com o advento e popularização dos dispositivos da Internet das Coisas (IoT), surgem novas possibilidades de aplicações que utilizam dados extraídos das coisas que usamos no dia a dia. Carros, wearables, sensores de saúde e eletrodomésticos gerarão quantidades sem precedentes de dados e trarão insights que revolucionarão nossas rotinas diárias. Um cenário potencial impactado significativamente é o Smart Cities (SC), que utiliza dispositivos espalhados em grande escala em um ambiente urbano para extrair dados de tráfego, clima e manutenção de equipamentos, para obter insights que atuam na gestão da cidade e prevenção de desastres. A infraestrutura de rede atualmente disponível para esses aplicativos de rede usa tecnologias de comunicação proprietárias e depende das empresas de telefonia móvel. Seus sistemas são proprietários, centralizados, isolados de outros bancos de dados e constantemente expostos a Single Point of Failure (SPOF). Os aplicativos IoT ainda são principalmente embrionários e não fornecem verificação confiável da fonte de dados na borda, como no caso de dispositivos IoT, muitas vezes com firmware desatualizado. Nosso trabalho investiga o uso em SC de uma composição de Low Power Wide Area Networks (LPWAN) e as populares Personal Area Networks (PAN), buscando independência de provedores de rede móvel e baixo consumo de energia. Para isso, utilizamos kits de desenvolvimento com LoRa e BLE para verificar a viabilidade e possiveis problemas nesta integração, e avaliamos a escalabilidade do LoRa utilizando um simulador. As lacunas de segurança em aplicativos de IoT em cidades inteligentes vêm princi- palmente da dificuldade de conhecer e confiar em dispositivos de borda. O problema de padronizar e atualizar esses dispositivos durante sua vida útil justifica o uso de ferramentas que suportam transparência, escalabilidade, confiabilidade, resiliência e requisitos implícitos de redes Blockchain descentralizadas que suportam Smart Contracts. Para isso, apresentamos uma arquitetura de rede utilizando Fog Computing e Smart Contracts Blockchain, que, por meio de API gateways, autoriza e autentica a comunica ̧c ̃ao de borda de dispositivos IoT anteriormente conhecidos por seus metadados e firmware. Para fornecer dados padrão e de link do Blockchain com conjuntos de dados da Web existentes, usamos e adicionamos novos componentes a ontologias que modelam entidades Ethereum. Essa abordagem nos permite usar a web semântica para consumo e link de dados, expondo dados de redes Ethereum em soft-realtime por meio de um middleware. Este trabalho investiga o potencial de uso de Fog Computing em SC em redes Low Power, e estratégias para identificar e autenticar dispositivos IoT nas bordas utilizando Blockchain e Smart Contract, provendo consumo e enlace de dados de Blockchain com a web atual utilizando a web semântica. O conjunto desses recursos utilizados na Fog computing permite buscar uma composição de infraestruturas de rede SC independentes, Low Power, com informações confiáveis provenientes das bordas e integráveis com outros conjuntos de dados pré-existentes. Como principais resultados, mostramos os limites da rede LoRa, usando simulador em cenarios de um gateway e multigateway. Apresentamos cenários de uso hibrido de aploicacoes tradicionais e Blockchain, usado API gateway em arquitetura Fog Computing, e aprsentamos os tempos em transacoes por segundo desta abordagem considerando assintauras e valida ̧c ̃ao dos payloads usando Blockchain Ethreum. Apresentamos um midleware para expor dados do Ethreum em soft-realtime usando ontologias que modelam o Ethereum na literatura e extendidda pela nossa ontologia EthExtras, fornecendo classes e proriedades para links e consultas. Os principais avanços deste trabalho são os modelos utilizando o paradigma Fog Computing para Smart Cities, onde apresentamos seu uso como ponto de mistura de LoRa e BLE e o Blockchain API Gateway para validar dados provenientes de dispositivos IoT. Alem de nosso Middleware para extração e consumo de dados Ethereum em soft real-time usando nosso vocabulário EthExtras e EthOn. | pt_BR |
| dc.identifier.citation | FERREIRA, Célio Márcio Soares. Usando Blockchain e redes Low Power em Smart Cities para aplicações internet das coisas: uma abordagem Fog Coputing. 2022. 197 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2022. | pt_BR |
| dc.identifier.uri | http://www.repositorio.ufop.br/jspui/handle/123456789/15787 | |
| dc.language.iso | en_US | pt_BR |
| dc.rights | aberto | pt_BR |
| dc.rights.license | Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 01/11/2022 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação. | pt_BR |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/ | * |
| dc.subject | Ethereum | pt_BR |
| dc.subject | Blockchain | pt_BR |
| dc.title | Using Blockchain and Low Power in Smart Cities to internet of thigs applications : a Fog Computing approach. | pt_BR |
| dc.title.alternative | Usando Blockchain e redes Low Power em Smart Cities para aplicações internet das coisas : uma abordagem Fog Coputing. | pt_BR |
| dc.type | Tese | pt_BR |