Energy efficient software update mechanism for networked component-based IoT devices

Bui, Ngoc Hai (2019). Energy efficient software update mechanism for networked component-based IoT devices. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Due to security issues and incremental user requirements, software in IoT devices needs to be changed frequently to improve existing functionalities or to fix bugs. Software updates have become an integral task of IoT systems to maintain effective operations. Recently, the common software architecture in advanced IoT devices is component-based, in which components can be updated at run time. In such IoT networks, devices can download updated components from neighbor nodes, enabling quick deployment of updates. In this context, there are two main issues in the distribution of software components that needed to pay attention: i) how to deliver updates to all devices in an energy-efficient way, and ii) how to quickly deploy updates to avoid long network downtime.

In this thesis, we propose a mechanism that schedules updates on all devices in an IoT edge network with the goal to minimize the energy consumption, taking into account the deadline constraint for updating the entire network. Unlike previous studies on IoT component-based software update, which often focus on how a single component is replaced in the operating system, we focus on the distribution of components in the network and investigate the update process happened in the flash memory of a device, in which the order of re-written components into the memory is decisive for energy consumption.

We introduce a novel energy model of the update process inside a device, focusing on the flash re-writing operation which consumes a significant amount of energy in the update process. Then, we formulate a mathematical optimization model for the problem of energy efficient update scheduling.

Because of the high complexity of the problem, we then propose an algorithm called ESUS to approximate the optimal schedule for updating all devices in the network. To evaluate our scheduling algorithm, we compare the results of ESUS to the optimal solutions given by a mathematical solver. Simulation results show the efficiency of our method, which is close to optimal scheduling solution with much lower execution time compared to the solver.

Titre traduit

Mécanisme de mise à jour logicielle écoénergétique pour les appareils IoT à base de composants en réseau

Résumé traduit

En raison de problèmes de sécurité et des exigences supplémentaires des utilisateurs, les logiciels des appareils IoT doivent être changés fréquemment pour améliorer les fonctionnalités existantes ou pour corriger les bogues. La mise à jour de logiciels est devenue une tâche intégrale des systèmes IoT afin de maintenir des opérations efficaces. Récemment, l’architecture du système logiciel commun des périphériques IoT avancés est basée sur des composants qui peuvent être mis à jour au moment de l’exécution. Dans de tels réseaux IoT, les appareils peuvent télécharger des composants mis à jour à partir de noeuds voisins, permettant ainsi un déploiement rapide des mises à jour. Dans ce contexte, la distribution des composants logiciels doit prendre en compte deux problèmes principaux: i) comment fournir des mises à jour de tous les périphériques de manière écoénergétique, et ii) comment déployer rapidement des mises à jour pour éviter de longues périodes d’inactivité du réseau.

Dans ce mémoire, nous proposons un mécanisme qui planifie les mises à jour de tous les appareils d’un réseau de appareil IoT dans le but de minimiser la consommation d’énergie, en tenant compte de la contrainte du délai pour la mise à jour de l’ensemble du réseau. Contrairement aux études précédentes sur les mises à jour logicielles basées sur des composants IoT, qui traitent souvent de la manière dont un composant est remplacé dans le système d’exploitation, nous nous concentrons sur la distribution des composants dans le réseau et étudions le processus de mise à jour intervenu dans la mémoire flash d’un périphérique, dans lequel l’ordre de réécriture des composants dans la mémoire est déterminant pour la consommation d’énergie.

Nous introduisons un nouveau modèle énergétique du processus de mise à jour à l’intérieur d’un appareil en nous concentrant sur l’opération de réécriture du memoire flash, qui consomme une quantité d’énergie importante dans le processus de mise à jour. Ensuite, nous formulons un modèle d’optimisation mathématique pour le problème de la planification des mises à jour écoénergétiques.

En raison de la grande complexité du problème, nous proposons ensuite un algorithme appelé ESUS, qui se rapproche du ordonnancement optimal pour la mise à jour de tous les périphériques du réseau. Pour évaluer notre algorithme de planification, nous comparons les résultats d’ESUS aux solutions optimales données par un solveur mathématique. Les résultats de la simulation montrent l’efficacité de notre méthode qui est proche de la solution de planification optimale avec un temps d’exécution beaucoup plus court que celui du solveur.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in telecommunications network". Comprend des références bibliographiques (pages 63-66).
Mots-clés libres:	efficacité énergétique, mise à jour de logiciel, dispositif IoT, logiciel IoT à base de composants
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nguyen, Kim Khoa
Codirecteur:	Codirecteur Cheriet, Mohamed
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	19 févr. 2020 16:54
Dernière modification:	19 févr. 2020 16:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2453

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