Edge-to-Business Value Chain Delivery via Elastic Telemetry of Cyber-Physical Systems DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Technischen Wissenschaften eingereicht von Soheil Qanbari Matrikelnummer 1129801 an der Fakultät für Informatik der Technischen Universität Wien Betreuung: Univ.Prof. Dr. Schahram Dustdar Diese Dissertation haben begutachtet: Prof. Dr. Schahram Dustdar Prof. Dr. Frank Leymann Wien, 2. Dezember 2015 Soheil Qanbari Technische Universität Wien A-1040 Wien Karlsplatz 13 Tel. +43-1-58801-0 www.tuwien.ac.at Edge-to-Business Value Chain Delivery via Elastic Telemetry of Cyber-Physical Systems DISSERTATION submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doktor der Technischen Wissenschaften by Soheil Qanbari Registration Number 1129801 to the Faculty of Informatics at the Vienna University of Technology Advisor: Univ.Prof. Dr. Schahram Dustdar The dissertation has been reviewed by: Prof. Dr. Schahram Dustdar Prof. Dr. Frank Leymann Vienna, 2nd December, 2015 Soheil Qanbari Technische Universität Wien A-1040 Wien Karlsplatz 13 Tel. +43-1-58801-0 www.tuwien.ac.at Erklärung zur Verfassung der Arbeit Soheil Qanbari Schwemmgasse 2/3/55A, 1020 Wien, Austria Hiermit erkläre ich, dass ich diese Arbeit selbständig verfasst habe, dass ich die verwen- deten Quellen und Hilfsmittel vollständig angegeben habe und dass ich die Stellen der Arbeit – einschließlich Tabellen, Karten und Abbildungen –, die anderen Werken oder dem Internet im Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen sind, auf jeden Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht habe. Wien, 2. Dezember 2015 Soheil Qanbari v Danksagung “Betrachte den Menschen als ein Bergwerk, reich an Edelsteinen von unschätzbarem Wert. Nur die Erziehung kann bewirken, daß es seine Schätze enthüllt und die Menschheit daraus Nutzen zu ziehen vermag.” Bahá"u"lláh Die vorliegende Dissertation stellt eine Zusammenfassung all meiner akademischen Un- ternehmungen meiner Forschungslaufbahn in der Distributed Systems Group (DSG) der TU Wien dar. Sowohl die Höhen als auch die Tiefen meiner Forschungsarbeit haben mich wie ein pulsierender Herzschlag am Leben gehalten, um dieses Endergebnis zu erzielen. Diese Momente werde ich für den Rest meines Lebens in Ehren halten. Meine aufrichtige Wertschätzung und Dankbarkeit möchte ich Prof. Schahram Dustdar ausdrücken, dessen wohlwollende Führung, großzügige Unterstützung und kontinuierliche Ermutigung diese Dissertation ermöglicht haben. Ich darf mich ganz und gar glücklich schätzen, ihn als Mentor zu haben. Ebenfalls möchte ich Prof. Hannes Werthner und Prof. Gerti Kappel danken, dass sie mich als Teilnehmer des Doctoral College of Adaptive Distributed Systems willkommen geheißen haben. Weiters möchte ich all meinen Kollegen von der DSG für die fruchtbringenden Gespräche, die Unterstützung und Zusammenarbeit danken. Insbesondere, möchte ich Herrn Alex- ander Knoll für die aufrichtige Zusammenarbeit danken, der mir dabei half den Edge Cluster zu bauen. Wahre Freunde erheben einen zu der wahren Stufe, die einem bestimmt ist! Ich bin dankbar für meine wundervolle Familie und wahren Freunde. Insbesondere danke ich Serwa Sabetghadam, Negar & Saied Khosravani, Alexandra & Puria Mahalli, Puneh & Michel Zarifzadeh, Matthew Stevens, Mirela Riveni, Rostyslav Zabolotnyi, Katrin & Victor Ciulian für ihre fürsorgliche Unterstützung und wahre Inspiration. Mein besonderer Dank gilt auch dem kleinen Sonnenschein, Lara Marie Ciulian, die ein Herz voller Liebe besitzt. Meine äußerste, tiefempfundene Dankbarkeit gilt meiner Ehefrau, Samira, für ihre Liebe, Unterstützung und ihr Verständis. In der Tat war sie stets eine Quelle der Hoffnung. Ich erinnere mich an alle schlaflosen Nächte, in denen wir gemeinsam über die Heraus- forderungen in meiner Forschungsarbeit berieten. Unser Leitspruch lautet: Wir sollen glänzen! vii Abschließend, möchte ich auch meinen Dank für die finanzielle Unterstützung des Vienna Doctoral College of Adaptive Distributed Systems (ADSys) ausdrücken. Acknowledgements “Regard man as a mine rich in gems of inestimable value. Education can, alone, cause it to reveal its treasures, and enable mankind to benefit therefrom.” Bahá"u"lláh This PhD is the distillation of all my academic endeavors of my research career in the Distributed Systems Group at TU Wien. Both ups and downs of my research heartbeat kept me alive to achieve this ultimate work. I will cherish those moments for the rest of my life. I would like to convey my sincere gratitude and thanks to Prof. Schahram Dustdar whose friendly guidance, generous support, and constant encouragement have made this thesis possible, and I am truly privileged to have him as my mentor. Likewise, I would like to thank Prof. Hannes Werthner and Prof. Gerti Kappel for welcoming me as a participant of the Vienna Doctoral College of Adaptive Distributed Systems. Furthermore, I want to thank all my colleagues from the Distributed Systems Group for the fruitful discussions, support and collaboration. Notably, I appreciate Alexander Knoll for a genuine cooperation in helping me to build the edge cluster. True friends elevate you to the true station destined for you! I appreciate my wonderful family and true friends, specially Serwa Sabetghadam, Negar & Saied Khosravani, Alexandra & Puria Mahalli, Puneh & Michel Zarifzadeh, Matthew Stevens, Mirela Riveni, Rostyslav Zabolotnyi, Katrin & Victor Ciulian for their caring support and sharing true inspiration. My very special thanks go to the little Miss sunshine, Lara Marie Ciulian who has a heart full of love. My most heartfelt gratitude goes to my dear wife, Samira, for her love, support, and understanding. It is very true that she was always the source of hope. I still remember all the sleepless nights in which we consulted on research challenges together. Our motto of life is: we shall shine! Finally, I am grateful for the financial support from the Vienna Doctoral College of Adaptive Distributed Systems (ADSys). The research leading to these results is sponsored by the Doctoral College of Adaptive Distributed Systems at the Vienna University of Technology. ix Kurzfassung Cyber-physischen Systeme (CPS) bewirken großartige Weiterentwicklungen im Bereich der IT und verteilten Computer Systeme. CPS verwandeln IT Randbereiche in lebendige Ökosysteme und schaffen damit neue Business Möglichkeiten. Diese Weiterentwicklungen bilden Chancen für neue Kooperationsnetzwerke zwischen verschiedenen Unternehmungen, Dienstleistungen und Dingen(IoT), die wir Edge-to-Business (E2B) Wertschöpfungskette nennen. Mit dem Aufstieg von E2B Entwicklungen ergeben sich neue Möglichkeiten für Ihre Geschäftsmodelle. Wie sie Ihre Businessprozesse in Zukunft steuern hängt maßgeblich von Ihren Geschäftsmodellen, Design Prinzipien, wie sie Ihre Anwendungen erstellen und welche Protokolle Sie zu deren Datenübertragung dafür nutzen, ab. Zu diesem Zweck gibt es einen 3-Schritte-Plan: (i) Herauskristallisieren solcher neuen Möglichkeiten, (ii) Schaffen neuer robuster Design Modelle, (iii) Entwickeln von fairen flexiblem Messmechanismen zum erreichen und skalieren dieser sparsamen virtuellen Wertschöpfungsketten. Im ersten Abschnitt haben wir speziell zuerst über die Entwicklungsmöglichkeiten und Modelle von CPS Anwendungen in den Bereichen für Cloud-Computing, Open Gover- nment Data und Health Care gesprochen. Um mehr ins Detail gehen zu können ist es nötig uns in Produkt Topologie Beispiele von Marktreifen Cloud Computing Services einzuarbeiten. Als nächstes verfassen wir eine originelle Abstraktion namens Gov. Data Compute Unit (DCU), sodass Organisationen in der Lage sind Entwicklern formale, strukturierte und programmierbare Daten Quellen Einheiten vielmehr Daten Kataloge in die Hand geben können. Zum Schluss entwickeln wir eine Lösung für die Semantik von Sensoren die Daten abfragen vom sogenannten Edge-Device-Layer. Das sollte die Qualität von unbearbeiteten Senior Daten steigern und sie besser interpretierbar machen. Der zweite Part der These beschäftigt sich mit der Entwicklung von acht IoT Design Vorschlägen im Bereich der computerisierten Konstruktion von technischen Rand An- wendungen. Solche Abstrakten Lösungen befassen sich mit dem Grunddesign und den Grundprinzipien von solchen CPS Lebenszyklen. Unser Schema deckt folgende Anwen- dungsmöglichkeiten ab: Wiederholungen von zum Beispiel Bereitstellungszeiten, Begrenzte Anwendungsbereitstellung zugeschnitten auf die Datenleitung, Dynamische Anwendungs- konfigurationen, Eingeschränkte Anwendungsbenachrichtigungen, Datenübermittlung im Gerät selbst und Wearable façade Entwicklungen, ab. xi Um die Sache abzurunden gibt es ein eigenes Fernmessprotokoll das entwickelt wurde um als dritter Part die generierten Werte und Daten der CPS Anwendungen zu erfassen. Wir bieten ein Diameter of Thinks (DoT) Protokoll welches einem Werkzeug für Echtzeit- Messungen von Prepaid und Zahlen-nach-Bedarf Wirtschaftsmodell entspricht. Das DoT Protokoll behandelt zeitliche und aktionsabhängige Fernzugriffe. Es ist nun an der Zeit sicherzustellen und zu überprüfen ob unsere Entwicklung Ihre Richtig umgesetzt wurde und einen nutzen für unsere Arbeit bringt. Die technischen Methoden in dieser Abschlussarbeit geben ein besseres Verständnis von die E2B Wertschöpfungskette und können beliebig erweitert werden auf mehr unterschiedliche Geschäftsmodelle, mehr Rand-Design-Modelle und mehr komplexe Messmodelle. Abstract The Cyber-Physical Systems (CPS) brought great computational advancements to trans- form the computing