[論文レビュー] Interaction semantics and its implications for an interaction oriented architecture of IoT-type applications

Johannes Reich|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2017

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、対話意味論の形式的基準モデルに基づき、対話指向のソフトウェアアーキテクチャを提案する。このアーキテクチャは、意味的整合性、階層的抽象化、明確な責任分離を定義することで、緩い結合性と再利用可能なコンポーネントを実現し、動的対話ネットワークにおける適応作業を著しく削減する。

ABSTRACT

Several synergistic trends, subsumed under the phrase "Internet of things (IoT)" massively drive the increasing importance of networking applications. In the past, the exponential growth of the Internet was mainly due to semantically agnostic transport protocols. In the future it is to be expected that, because of the increasing autonomy of technical systems, it becomes necessary to better understand the nature of the semantics of these interaction networks to create appropriate networking applications. Appropriate means that the architecture of these applications allows to minimize the effort to adapt these applications to the permanently changing interaction networks. The proposed interaction oriented architecture is based on a reference model of interaction semantics. It provides guiding principles on how to design networking applications. The reference model of interaction semantics provides: a unifying description of the things in the physical, the information and the human world; an interaction model that is of direct runtime relevance; an understanding for how hierarchical structured components can cooperate loosely coupled; a concept to determine how much semantics has to be common to enable components of different semantic domains to cooperate loosely coupled; and a data type model. The software reference architecture provides: a definition of software layers; means to express vertical interactions, that is interactions which demarcate a software layer; means to express horizontal interactions, that is, between processes in the same software layer; a definition of a component and how to distinguish it from other entities like systems or objects; and a model how to separate reusable from non-reusable parts of an application's functionality.

研究の動機と目的

• 自律的かつ相互接続されたシステムによって引き起こされる、IoTアプリケーションの複雑化に対応する。
• 意味論に無関心なプロトコルの限界を克服するため、システム設計に意味論的認識を統合する。
• 構造的な意味論モデリングを通じて、進化する対話ネットワークにおける適応オーバーヘッドを最小限に抑える。
• 物理的・情報的・人的領域の間での相互運用性を統合するフレームワークを提供する。
• 明確な機能分離と意味的整合性を通じて、モジュール化され再利用可能なソフトウェアコンポーネントを実現する。

提案手法

• 物理的・情報的・人的世界の間での記述を統一するための対話意味論の基準モデルを導入する。
• 動的で緩い結合性を持つコンポーネント協働を支援する、実行時に関連する対話モデルを定義する。
• 異分野のコンポーネント間対話に必要な最小限の共通意味論を特定するための意味的整合性の概念を確立する。
• コンポーネント間の垂直的および水平的対話パターンを明確に分離した階層的ソフトウェアアーキテクチャを提案する。
• 機能的および意味的境界に基づき、コンポーネントをシステムやオブジェクトから区別するコンポーネントモデルを提示する。
• アーキテクチャにおける意味的および構造的分解を通じて、再利用可能と非再利用可能な機能を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる意味的領域に属するコンポーネント間の相互運用性を実現するため、意味的整合性を形式的に定義する方法は何か？
• RQ2 動的IoT対話ネットワークにおいて、意味的整合性を保ちながら緩い結合性を実現するためのアーキテクチャ的原則は何か？
• RQ3 垂直的（階層的）および水平的（ピア同士）の両方の対話に対応できるように、ソフトウェアレイヤーをどのように構造化すべきか？
• RQ4 対話指向のIoTアーキテクチャにおいて、再利用可能なコンポーネントと非再利用可能なコンポーネントを区別する基準は何か？
• RQ5 統一された意味論モデルは、IoTアプリケーションにおいて物理的・情報的・人的世界をどのように橋渡しするか？

主な発見

• 対話意味論の基準モデルにより、物理的・情報的・人的領域のエントリを統一的に記述可能である。
• アーキテクチャは、対話意味論の実行時関連性を明確にし、動的システムの適応性を向上させる。
• 階層的コンポーネントは、定義された意味的整合性の閾値を通じて、緩い結合性で協働可能である。
• モデルは、異分野のコンポーネント間対話に必要な最小限の意味的共通性を定量化する。
• ソフトウェアアーキテクチャは、再利用可能と非再利用可能な機能を明確に分離しており、保守性を向上させる。
• 垂直的および水平的対話パターンが形式的に表現されており、レイヤー間およびピア間での構造的通信を可能にする。