Luca Foschini

• Middleware per Servizi Distribuiti Dinamici e Adattativi in Ambienti Mobili. Tale attività si è articolata e ha coinvolto differenti sotto-filoni di ricerca:
• Gestione integrata di reti, sistemi e servizi
• Infrastrutture di supporto per l'erogazione di servizi multimediali e continui con garanzie di Qualità di Servizio in presenza di handoff
• Tecnologie a codice mobile per l'erogazione di servizi continui in ambienti mobili
• Infrastrutture per la Distribuzione delle Informazioni di Contesto
• Standard per la Gestione della Sessione per le Reti Integrate di Prossima Generazione (Next Generation Networks)
• Cloud computing e gestione di sistemi Cloud

Middleware per Servizi Distribuiti Dinamici e Adattativi in Ambienti Mobili

L'attività di ricerca svolta ha investigato le problematiche relative alla realizzazione di infrastrutture software per il supporto distribuito a servizi mobili in ambienti di deployment costituiti da reti wired-wireless integrate ed altamente eterogenee, comunque basate su modello best-effort. Diversi sono i fattori che determinano la complessità dell'erogazione dei servizi distribuiti in generale, e di servizi multimediali e continui come audio/video streaming in particolare, nel nuovo scenario. Indicando con sessione lo stato dell'interazione di un servizio che un utente possa avere iniziato da una certa locazione con un dispositivo e in un certo istante, la continuità di sessione permette di completare le operazioni iniziate in momenti successivi, su dispositivi diversi e cambiando punto di accesso wireless alla rete fissa durante l'erogazione del servizio (handoff).
Le soluzioni realizzate a livello middleware (mobile middleware) si sono dimostrate efficienti e hanno consentito di semplificare la progettazione e l'implementazione di servizi distribuiti personalizzabili, in fase di negoziazione, e adattativi, in fase di erogazione del servizio, caratterizzati da un elevato grado di dinamicità e di apertura, in sistemi aperti e non fidati. In particolare, ci si è concentrati sullo studio di metodologie e strategie volte a svincolare la gestione della sessione dalle tecnologie (e dai dispositivi) di accesso, introducendo il concetto di stato della sessione e realizzando opportuni meccanismi per il trasferimento (handoff) della sessione fra le diverse infrastrutture di rete ed i diversi domini amministrativi acceduti dall'utente.
L'uso di un approccio middleware basato sulla visibilità totale del contesto di operatività (approccio context-aware) ha consentito di utilizzare diverse informazioni di contesto quali il tipo di handoff (orizzontale/verticale, hard/soft, proattivo/reattivo, …), la disponibilità delle infrastrutture di rete, le informazioni di monitoraggio di Quality of Service (QoS) raccolte dinamicamente e la predizione dei movimenti degli utenti e i loro attributi (preferenze, caratteristiche dispositivi, …), per gestire in modo dinamico e automatico il processo di trasferimento e adattamento della sessione senza necessità di intervento da parte dell'utente finale durante l'erogazione e la fruizione dei diversi servizi. I modelli e le soluzioni studiate sono stati ampiamente testati seguendo un processo a prototipi incrementali. L'ambiente di supporto finale realizzato (Mobile agent based Ubiquitous multimedia Middleware - MUM) è stato accolto con molto favore dalla comunità di ricerca di riferimento come testimoniato anche dalle richieste di utilizzo da parte di diversi enti di ricerca.
Scendendo in maggiore dettaglio, sono state investigate soluzioni innovative di mobile middleware sotto i diversi aspetti, brevemente descritti nel seguito, della gestione integrata di reti, sistemi e servizi, dello studio e della realizzazione di infrastrutture di supporto per l'erogazione di servizi multimediali continui con garanzie di Qualità di Servizio in presenza di handoff, dell'uso di tecnologie a codice mobile per l'erogazione di servizi in ambienti mobili, e infine della disseminazione di informazioni di contesto su larga scala.

Gestione integrata di reti, sistemi e servizi

Le attività di ricerca di questo filone sono state finalizzate allo studio e allo sviluppo di soluzioni per le principali problematiche di gestione in sistemi integrati wired-wireless. La dimensione e l'eterogeneità crescenti delle attuali reti, dei sistemi distribuiti e dei servizi globali rendono sempre più complessa la loro gestione attraverso strumenti basati sul tradizionale modello cliente/servitore. L'uso di tecnologie per il controllo distribuito di sessione permette il superamento di alcuni significativi limiti imposti dagli approcci tradizionali in questo campo. In particolare, all'interno di MUM si sono dimostrate particolarmente efficaci soluzioni architetturali basate sull'utilizzo di proxy mobili, capaci di migrare a tempo di esecuzione nei punti di criticità dell'infrastruttura di rete, in particolare nei punti di discontinuità fra rete wired e access point wireless, portando con sé lo stato attuale della sessione utente. Tali proxy sono in grado di svolgere, a livello middleware, operazioni di caching/prefetching/disaccoppiamento spaziale/temporale nei confronti dei clienti serviti, permettendo così di incrementare l'efficienza complessiva del sistema, con minimo impatto sul design e sull'implementazione di client e server applicativi.

Infrastrutture di supporto per l'erogazione di servizi multimediali e continui con garanzie di Qualità di Servizio in presenza di handoff

Le attività di ricerca di questo filone hanno riguardato la proposta, l'implementazione e la validazione sperimentale della soluzione middleware MUM, anche in collaborazione con altre Università e centri di ricerca. Da una prima fase della ricerca in cui il supporto middleware aveva principalmente il ruolo di personalizzazione/adattamento dinamico della QoS in dipendenza dalle condizioni correnti del canale radio nella località di accesso cliente al servizio (in reti wired con last segment di tipo wireless), l'attività si è diretta negli ultimi tempi verso la gestione di eventi di handoff, sia orizzontali che verticali, in modo efficace e context-aware durante l'erogazione di sessioni multimediali, evitando ogni interruzione di servizio in modo trasparente. A tal fine, il middleware proposto sfrutta la completa visibilità delle connettività wireless disponibili e delle caratteristiche implementative dei relativi processi di handoff (handoff awareness), dei requisiti di qualità dei servizi in corso e del corrispondente degrado di qualità dovuto all'handoff (QoS awareness), e delle topologie di rete insieme alla disponibilità locale di risorse (location awareness). In particolare, lo studio ha consentito, attraverso un notevole sforzo di sintesi, di proporre una modellazione e un framework di gestione di handoff orizzontali e verticali che facilita la dichiarazione dei livelli di qualità di desiderati al livello di servizio (Service Level Objectives - SLO), traducendoli in parametri di configurazione (Handoff Configuration Parameters - HCP) a livello di middleware. Aspetto fondamentale della soluzione proposta è la sua capacità di effettuare operazioni di adattamento automatico dei parametri di configurazione di middleware (self-adaptive management) rispetto alle condizioni attuali di contesto nelle quali l'handoff si verifica, non solo durante la negoziazione iniziale, ma anche a tempo di esecuzione.

Le attività di ricerca di questo filone hanno l'obiettivo di investigare e proporre nuovi modelli computazionali adatti alla comunicazione e all'interazione tra le risorse, possibilmente eterogenee, di un sistema globale e distribuito su scala geografica. Partendo dall'ambiente di supporto basato sul modello ad agenti mobili (Secure and Open Mobile Agents - SOMA) precedentemente realizzato, sono state studiate le principali problematiche d'uso delle tecnologie ad agenti mobili rispetto alla creazione di nuovi servizi continui di streaming multimediale audio/video, ed in particolare rispetto alle principali problematiche di adattamento e di gestione delle sessioni multimediali in ambienti distribuiti su scala globale. Il risultato di tale attività di studio è costituito dal middleware MUM che ha significativamente esteso la piattaforma SOMA attraverso la realizzazione di nuove funzionalità a livello di infrastruttura e di nuovi proxy mobili in grado di eseguire sia le necessarie operazioni di adattamento sui flussi multimediali attivi, sia operazioni avanzate di gestione dei buffer dati multimediali mantenuti localmente per garantire la continuità del servizio verso l'utente finale, ad esempio spostamento proattivo del buffer dati da una località di accesso ad un'altra vicina. MUM continua inoltre a garantire la portabilità su sistemi diversi, garantita da SOMA, utilizzando la libreria di streaming multimediale Java Media Framework (JMF) basata su Java.

Infrastrutture per la Distribuzione delle Informazioni di Contesto

Questo filone è motivato dall'osservazione che in un sistema mobile ogni dispositivo e componente distribuito deve poter aver accesso continuo e veloce ad una molteplicità di informazioni di contesto che consentono di garantire l'adattamento del sistema stesso, non solo al livello dei servizi ma anche a livello middleware, rispetto all'ambiente nel quale esso si trova ad operare.

Le attività di ricerca di questo filone hanno come obiettivo l'analisi e caratterizzazione del processo di disseminazione dei dati di contesto in ambienti mobili infrastrutturati, ad-hoc e misti. In particolare, la disseminazione e il ritrovamento dei dati di contesto è un problema cruciale, data l'ingente mole di traffico prodotta da un numero di dispositivi e servizi mobili in continua crescita. Per garantire la scalabilità finale, è stato progettato un innovativo supporto middleware in grado di sfruttare sia standard wireless differenti (in modo da utilizzare la banda presente su ognuno di loro) sia differenti modalità di comunicazione, basate su infrastrutture e su comunicazioni ad-hoc. Inoltre, sono state proposte nuove metodologie di disseminazione dei dati che sfruttano i principi di località fisica e logica dei dati in modo da ridurre sprechi di banda inutili ed evitare disseminazioni a pioggia in aree non richieste.
Un primo importante risultato di tale attività di studio è costituito dal middleware Scalable context-Aware middleware for mobiLe EnviromentS (SALES) che andandosi ad integrare e con i sistemi e i driver esistenti, ed utilizzando nuovi standard emergenti per la distribuzione dei dati (come il Data Distribution Service - DDS), realizza le tali funzionalità avanzate di disseminazione dei dati in ambienti wireless distribuiti su larga scala. Lungo lo stesso filone, in collaborazione con l'Università di Ottawa e il Research Paradise Laboratory, è stato poi progettato e realizzato il supporto Reliable and Efficient COntext-aware data dissemination middleWare for Emergency Response (RECOWER), che coniuga scalabilità e alta affidabilità nella distribuzione dei dati in ambienti wireless densi e in scenari di emergency response. Infine, l'esperienza e l'attività di ricerca accumulate in questo ambito hanno consentito la pubblicazione sulla prestigiosa rivista ACM Computing Survey di un articolo che presenta, confronta e sistema la relativa letteratura nell'area della distribuzione dei dati di contesto prodotta nell'ultimo decennio.

Standard per la Gestione della Sessione per le Reti Integrate di Prossima Generazione (Next Generation Networks)

L'attività di ricerca svolta ha l'obiettivo di investigare gli attuali standard per la gestione della sessione in reti integrate di prossima generazione, globali e distribuite su scala geografica Internet, nell'ottica di studiarne i principali limiti e proporre necessarie evoluzioni e direzioni di miglioramento. Tali evoluzioni devono garantire proprietà attualmente scarsamente supportate come sicurezza, affidabilità, gestione della mobilità e scalabilità, integrando anche la possibilità di forme evolute di coordinamento sia dei componenti di supporto che di quelli applicativi.
Per risolvere tali problemi è stato proposto un approccio di tipo middleware e si è implementato un ambiente di supporto basato sulle principali specifiche standard per il controllo della sessione nelle reti integrate di prossima generazione, in particolare Session Initiation Protocol (SIP) e IP Multimedia Subsystem (IMS). L'ambiente di supporto realizzato (IMS-compliant Handoff Management Application Server infrastructure - IHMAS) è progettato in modo modulare e si integra con le principali soluzioni aperte disponibili, come OpenIMSCore di Fokus Belin come infrastruttura di base IMS, Java JAIN SIP per lo sviluppo di nuovi componenti IMS, e OpenSER come servizio di Instant Messaging e presenza, anche con l'obiettivo di consentire la rapida prototipazione di nuovi componenti, la loro facile integrazione in ambienti esistenti e il riutilizzo/raffinamento di moduli middleware e servizi applicativi già presenti.Si sono investigate con particolare attenzione soluzioni progettuali e implementative per ottenere due proprietà, gestione della mobilità e scalabilità, che costituiscono aspetti allo stato dell'arte nella ricerca su IMS negli ultimi anni. L'aspetto della scalabilità e della gestione del bilanciamento di carico è stato affrontato in modo ampio proponendo un nuovo modello per il bilanciamento di carico dei servizi basati su IMS. Il modello proposto è stato validato prendendo in considerazione i requisiti applicativi di servizi molto diversi fra loro che vanno dal servizio di Instant Messaging e presenza standard di IMS, a nuovi servizi sviluppati all'interno del progetto IHMAS, come un servizio per il risparmio energetico su dispositivi client (smart-phone) abilitati IMS e un servizio per la gestione della continuità nella distribuzione di flussi multimediali in scenari mobili. La competenza raggiunta nel campo della gestione del bilanciamento di carico nei sistemi basati su IMS ha permesso di attuare collaborazioni con esperti internazionali nel settore. Per quanto riguarda la gestione della mobilità, invece, anche grazie all'esperienza maturate all'interno dell'altro filone di ricerca principale sopra introdotto, è stato possibile migliorare notevolmente le tecniche per la gestione dell'handoff basate su SIP e IMS pre-esistenti in letteratura. Grazie all'uso di nuovi modelli di gestione context-aware, IHMAS riesce a prevedere ed attivare preventivamente le azioni di riconfigurazione della sessione nelle nuove località di accesso verso le quali si sta muovendo l'utente in modo automatico e proattivo.

Cloud computing e gestione di sistemi Cloud

Lo sforzo di ricerca in questo filone ha come obiettivo affrontare i diversi aspetti di gestione tuttora aperti in ambito Cloud quali: l'interoperabilità, la scalabilità all'interno del singolo data center (intra-data center) e fra i diversi data center (inter-data center), l'affidabilità, la gestione del consumo energetico del data center e della rete, e la gestione della sicurezza (riservatezza, verificabilità e localizzazione dei dati). L'obiettivo finale è quello di rendere le tecnologie e i servizi Cloud più maturi in modo da promuovere e facilitare una diffusione più capillare dei sistemi Cloud.
Per risolvere tali problemi si è agito a diversi livelli. Al livello di infrastruttura (Infrastructure as a Service, IaaS) sono state studiate a fondo le problematiche legate all'uso condiviso delle risorse di sistema, hardware e logiche, e sono stati condotti diversi studi di performance volti a verificare i possibili limiti e colli di bottiglia delle piattaforme IaaS sul campo. È stata realizzata una piattaforma di testbed che si integra con soluzioni aperte disponibili come OpenStack e che ha consentito di investigare a fondo la relazione fra il consolidamento di diverse macchine virtuali (Virtual Machine, VM), che condividono le risorse hardware di uno stesso host fisico, e il degrado prestazionale per diverse tipologie di servizi, come CPU-intensive e network-intensive. Gli interessanti risultati ottenuti fissano importanti vincoli sia per le operazioni di consolidamento al fine di risparmio energetico sia, più in generale, per le operazioni di placement delle VM sull'infrastruttura fisica disponibile, cioè sugli host del data center. Nello stesso filone sono state proposte soluzioni di monitoraggio dell'uso delle risorse virtualizzate e fisiche del data center ad alta scalabilità basate sullo standard Data Distribution Service (DDS); tale sforzo di ricerca ha portato alla realizzazione di Distributed Architecture for Resource manaGement and mOnitoring in cloudS (DARGOS) e all'attivazione di una collaborazione con l'Università di Granada, Spagna. Infine, sempre a livello IaaS, è stato definito un nuovo problema di network-aware VM placement, definito Min Cut Ratio-aware VM Placement (MCRVMP), con l'obiettivo di trovare soluzioni di placement che lascino molta capacità libera su ciascun taglio di rete (all'interno del data center), in modo da assorbire burst di traffico imprevisti tra le VM. Il problema MCRVMP è NP-hard; in collaborazione con l'Università di Haifa, Israele, sono state quindi definite opportune euristiche che sono state ampiamente comparate e convalidate attraverso l'uso del Network Simulator 2 (NS2).
Al livello di piattaforma e servizio (Platform as a Service, PaaS, e Software as a Service, SaaS), invece, sono state investigate, rispettivamente, problematiche di scalabilità e sicurezza. A livello PaaS è stata realizzata una piattaforma NGN per servizi IMS ad alta scalabilità; obiettivo è l'auto-scaling dei componenti applicativi (Application Server, AS) all'aumentare/diminuire del carico attraverso l'attivazione/disattivazione automatica di componenti AS sul Cloud. Il prototipo, realizzato in collaborazione con Fokus Belin, uno dei massimi esperti mondiali nel settore IMS, ha già portato a significativi risultati in termini di semplificazione delle operazioni di deployment e si sta continuando ora a lavorare sulla gestione della qualità di servizio. Infine, a livello SaaS sono state proposte soluzioni per lo storage sicuro di dati at-rest sul Cloud in ambito e-Health, realizzando un prototipo che dimostra come sia possibile realizzare un salvataggio sicuro di dati sensibili sul Cloud di Amazon Web Services (AWS) di Amazon, oggi molto utilizzata da diverse PMI che operano in questo settore.