Πανεπιστήμιο Μακεδονίας Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Τμήματος Εφαρμοσμένης Πληροφορικής. Ανδρέας Π. Πλαγεράς

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Μακεδονίας Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Τμήματος Εφαρμοσμένης Πληροφορικής Ανδρέας Π. Πλαγεράς

2 Περιεχόμενα 1. Διαδίκτυο των Πραγμάτων 2. Υπολογιστικό Νέφος 3. Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 4. Υψηλής Απόδοσης Κωδικοποίηση Βίντεο 5. Προτεινόμενη Αρχιτεκτονική 6. Συμπεράσματα

3 Σκοπός & Στόχοι Σκοπός είναι η βελτίωση της υγειονομικής περίθαλψης έτσι ώστε να γίνει: πιο προσιτή πιο γρήγορη Στόχοι: η κατανόηση των νέων τεχνολογιών η συνεισφορά των νέων τεχνολογιών η παρακίνηση του πλήθους Η υγειονομική περίθαλψη περνάει από την θεραπεία στην πρόληψη

4 Διαδίκτυο των Πραγμάτων Internet of Things (IoT) = σε κάθε φυσικό αντικείμενο θα διαθέτει μια μοναδική διεύθυνση IP IPv6 = ταυτότητα Κινητή Υγεία (Mobile Health) εξ αποστάσεως παροχή υπηρεσιών υγείας Μείωση ιατρικών λαθών: την έγκαιρη (απευθείας) πληροφόρηση την απευθείας συνομιλία του ασθενή και του ιατρού την εξ αποστάσεως παρακολούθηση/επιτήρηση του ασθενή την καλύτερη οργάνωση των αρχείων των ιατρών την έγκαιρη ενημέρωση του ιατρού-νοσηλευτή

5 Υπολογιστικό Νέφος Το Υπολογιστικό Νέφος (Cloud Computing, CC) αποτελεί: «ένα νέο πεδίο πληροφορικής, το οποίο παρέχει νέες προοπτικές σε τεχνολογίες δικτύωσης και θέτει ζητήματα στην αρχιτεκτονική, το σχεδιασμό και την υλοποίηση των υπαρχόντων δικτύων και κέντρων δεδομένων» Αναπόσπαστο κομμάτι των συστημάτων περίθαλψης και παρακολούθησης της υγείας των ασθενών Σκοπός, οι τρόποι παροχής της υγειονομικής περίθαλψης να γίνουν: πιο ακριβείς πιο οικονομικοί πιο ασφαλείς Αύξηση της χωρητικότητας αποθήκευσης, της υπολογιστικής, και το μικρό κόστος Ώθηση της υγειονομικής περίθαλψης ασθενών στο «Σύννεφο»

6 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων H παρακολούθηση, η συλλογή, & η μέτρηση των διαφορετικών περιβαλλοντικών και φυσικών δεδομένων Διάφορα προβλήματα: χρόνιες παθήσεις, καρδιολογικά προβλήματα, εμφράγματα, σοβαρά ατυχήματα Έγκαιρη ενημέρωση Καλύτερη οργάνωση Βελτίωση της διάγνωσης πιο ακριβή δεδομένα υγείας πιο σύντομη θεραπεία

7 High-Efficiency Video Coding (HEVC) Διπλάσιος ρυθμός μετάδοσης βίντεο από το AVC Μειωμένο κόστος παράδοσης και αποθήκευσης Μείωση του μεγέθους του αρχείου ως και 50%

8 Προτεινόμενη Αρχιτεκτονική

9 Τοπολογία (1) Τοπολογία Πλέγματος (Mesh Topology) Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα είναι: Η αντοχή που έχει η τοπολογία αυτή στα σφάλματα There is no a Single Point of Failure, SPoF Ένα πλεονέκτημα της Full duplex mesh τοπολογίας η επέκταση της περιοχής κάλυψης

10 Nodes Transmit Τοπολογία (2) Data & Video Transmission Nodes Failed No Node Failed 5 Nodes Failed 10 Nodes Failed 15 Nodes Failed

11 Επισκόπηση του συστήματος (1) Φυσικό και επίπεδο ζεύξης δεδομένων Το πρότυπο IEEE Χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων Χαμηλότερη ισχύ Μικρότερο κόστος Το πρότυπο IEEE χρησιμοποιείται: Στο φυσικό επίπεδο (Physical layer) Στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων (Data link layer) Στο επίπεδο ελέγχου πρόσβασης MAC (Media Access Control) Στο επίπεδο προσαρμογής του 6LoWPAN (6LoWPAN adaptation layer) Το 6LoWPAN: Χρησιμοποιεί μηχανισμούς ενθυλάκωσης (encapsulation) και συμπίεσης κεφαλίδας (header compression) Παρέχει υψηλή αξιοπιστία, ενεργειακή απόδοση, κινητικότητα, προσαρμοστικότητα, και χαμηλό κόστος

12 Επισκόπηση του συστήματος (2) Επίπεδο Δικτύου (Network Layer) Η διευθυνσιοδότηση & η δρομολόγηση. Χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο IP ανάθεση μιας μοναδικής IPv6 διεύθυνσης σε κάθε συσκευή Οι διευθύνσεις IP θα πρέπει να προσαρμόζονται: στο χαμηλό εύρος ζώνης (low bandwidth) στη χαμηλή ισχύ (low power) στο δίκτυο χαμηλού κόστους

13 Επισκόπηση του συστήματος (3) Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Ξεκινούν οι επικοινωνίες μεταξύ των εφαρμογών των συσκευών Το πρωτόκολλο UDP (User Datagram Protocol) χρησιμοποιείται για τη μεταφορά των δεδομένων Υποστηρίζει χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση (low latency) είναι πιο γρήγορο από το TCP

14 Επισκόπηση του συστήματος (4) Επίπεδο Εφαρμογής (Application Layer) Χρησιμοποιούμε το Constrained Application Protocol (CoAP) Υποστηρίζει συσκευές που λειτουργούν κυρίως, με μπαταρία Παρόμοιο με το HTTP (Hypertext Transfer Protocol) χωρίς χρήση TCP Το CoAP συμπιέζει τα δεδομένα HTTP έτσι ώστε να στέλνει λιγότερα δεδομένα μέσω μιας ασύρματης ζεύξης (wireless link)

15 Επισκόπηση του συστήματος (5) Πρωτόκολλα CoAP over UDP CoAP over UDP (DTLS used for security) Επίπεδα OSI Application Layer Transport Layer IPv6 6LoWPAN Network Layer Adaptation / Data Link Layer MAC PHY Data Link Layer Physical Layer

16 Bit Rate Χρήση του ΗΕVC (High Efficiency Video Coding) Η υψηλής απόδοσης κωδικοποίηση βίντεο (HEVC) είναι το νέο επίτευγμα μετά την AVC Πάνω από 50% καλύτερη συμπίεση βίντεο Bit rate in video coding MPEG2 AVC HEVC SHVC Year Bit rate

17 Χρήση του SHVC (1) (Scalable High Efficiency Video Coding) η αποτυχία της αποστολής δεδομένων ώθησε πολλούς ερευνητές να επεκτείνουν την κωδικοποίηση HEVC σε Επεκτάσιμη Υψηλής Απόδοσης Κωδικοποίηση Βίντεο (SHVC) Ο ρόλος του SHVC: Βασικό επίπεδο (Base Layer, BL) Επίπεδο ενίσχυσης (Enhancement Layer, EL) Περίπου 40-60% μικρότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων

18 Transmission Χρήση του SHVC (2) (Scalable High Efficiency Video Coding) Data and video transmission Data Video Situation

19 Ασφάλεια Οι πληροφορίες υγείας είναι προσωπικές Το IoT δεν θα είναι ποτέ ασφαλές Σε κάθε επίπεδο υπάρχουν μηχανισμοί ασφαλείας η AES-128 => ασφάλεια επιπέδου ζεύξης το 6LoWPAN παρέχει ασφαλή παράδοση πακέτων δεδομένων επίπεδο μεταφοράς => μηχανισμοί ασφαλείας DTLS (Datagram Transport Layer Security) Οι μηχανισμοί ασφαλείας του Wi-Fi: WPA2 και CCMP Οι μηχανισμοί ασφαλείας που παρέχει το νέφος

20 Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έναντι των άλλων

21 Kbits Αποτελέσματα (1) Wireless & low power radio technologies Seconds Available Bandwidth Case 1 Case 2 Case 3 Case 4

22 Throughput (Kbps) Αποτελέσματα (2) Throughput Number of nodes Max Throughput Case 1 Case 2 Case 3

23 Συμπεράσματα Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι καινοτόμα Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ενθαρρυντικά Τα πλεονεκτήματα είναι αρκετά & πολυποίκιλα Το εύρος ζώνης & η ρυθμο-απόδοση δείχνουν να μειώνονται Το σύστημα δεν έχει υλοποιηθεί & τα αποτελέσματα βασίζονται στο θεωρητικό υπόβαθρο & στα υλοποιημένα συστήματα άλλων ερευνητών Η περιορισμένη ενέργεια & τα διάφορα θέματα ασφαλείας αποτελούν περιορισμούς στην υλοποίηση του συστήματος

24 Βασικές Αναφορές 1. Tuan Nguyen Gia, Amir-Mohammad Rahmani, Tomi Westerlund, Pasi Liljeberg, and Hannu Tenhunen, Fault Tolerant and Scalable IoT-based Architecture for Health Monitoring, Sensors Applications Symposium (SAS), Pages: 1-6, 2015 IEEE, June Anurag, Sanaz Rahimi Moosavi, Amir-Mohammad Rahmani, Tomi Westerlund, Geng Yang, Pasi Liljeberg, and Hannu Tenhunen, Pervasive Health Monitoring Based on Internet of Things: Two Case Studies, Wireless Mobile Communication and Healthcare (Mobihealth), 2014 EAI 4th International Conference, Pages: , K. E. Psannis, HEVC in wireless environments, Journal of Real-Time Image Processing, July Ganashree T. S. and Josephine Prem Kumar. Estimation based Error Reduction Scheme (EBERS) for Scalable HEVC to Support Real Time Video Communication in Wireless AD-HOC Networks, International Journal of Emerging Science and Engineering (IJESE), Vol. 3, Issue: 2, ISSN: , December K. E. Psannis, S. Xinogalos & A. Sifaleras, Convergence of Internet of Things and Mobile Cloud Computing, Systems Science & Control Engineering (An open access journal), Vol. 14, No. 1, Pages: , Department of Applied Informatics, School of Information Sciences, University of Macedonia, Greece, 2014.

25 Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!