An Entanglement-Aware Digital Twin Ecosystem

Questo lavoro propone una visione di gemelli digitali che ruota attorno al concetto di entanglement. Secondo questa visione, un gemello digitale è un'entità virtuale accoppiata con un oggetto, sia esso tangibile o intangibile, di cui il gemello digitale fornisce una rappresentazione (aumentata) nello spazio virtuale, disaccoppiando così l'oggetto dall'osservatore nello spazio e nel tempo. In questo contesto, l’entanglement denota quanto bene un gemello digitale riflette la sua controparte e in che misura il comportamento dell'oggetto si allinea ai comandi emessi dal gemello digitale. Tuttavia, le limitazioni delle piattaforme e delle metriche esistenti non supportano questa visione. Per colmare questa lacuna, questo lavoro non solo fornisce una nuova prospettiva su cosa siano i gemelli digitali, ma anche progetta un ecosistema per gemelli digitali dipendente dall’entanglement, ne discute possibili implementazioni e lo valuta sperimentalmente. In questo ecosistema, i gemelli digitali espongono informazioni sul loro entanglement e il sottostante middleware li orchestra di conseguenza. Fondamentalmente, i pilastri di tale ecosistema sono: - Una metrica per misurare l'entanglement. A questo proposito, il contributo originale è l'Overall Digital Twin Entanglement (ODTE)—una metrica sintetica ma espressiva per misurare l'entanglement. L'ODTE è concepita come una moltiplicazione di fattori che risulta in un numero tra 0 e 1. I fattori coinvolti sono la tempestività, l'affidabilità e la disponibilità. - Gemelli digitali dipendenti dall’entanglement. Questa parte del lavoro esplora la progettazione dei gemelli digitali con un focus sulla dipendenza dall’entanglement e discute originalmente come applicare i pattern di progettazione software per costruire gemelli digitali sia come microservizi che con funzioni serverless. L'architettura proposta per tali gemelli digitali è per natura basata sugli eventi, il che la rende adatta indipendentemente dalla strategia di implementazione specifica, sia essa a microservizi o serverless. - Un middleware dipendente dall’entanglement. L'obiettivo primario del middleware è gestire l'esecuzione dei gemelli digitali garantendo il rispetto dei requisiti specificati, come il deployment preferito del gemello digitale lungo il continuum cloud-to-edge, o sotto quale valore di ODTE un gemello digitale non è più considerato accoppiato. Il contributo innovativo risiede principalmente nella capacità di orchestrazione del middleware di cercare di garantire la qualità desiderata di entanglement nonostante eventuali guasti lungo il continuum cloud-to-edge. Un'ampia sperimentazione è stata condotta per validare rigorosamente la fattibilità e l'efficacia dell’ecosistema proposto. Gli esperimenti condotti hanno verificato che la metrica ODTE misura efficacemente l'entanglement, quantificato il sovraccarico di risorse dell’ecosistema e dimostrato le sue capacità di orchestrazione dipendenti dall’entanglement anche in presenza di guasti. Questi risultati sottolineano collettivamente i benefici tangibili che l'ecosistema per gemelli digitali dipendente dall’entanglement può offrire in vari scenari.

This work proposes a vision of Digital Twins (DTs) that revolves around the concept of entanglement. According to this vision, a DT is a virtual entity entangled with an object, whether tangible or intangible, of which the DT provides a (augmented) representation in the virtual space, thus decoupling the object from the observer in space and time. In this context, entanglement denotes how well a DT mirrors its counterpart, and the extent to which the object behavior aligns with the commands issued by the DT. However, the limitations of existing platforms and metrics do not support this vision. To bridge this gap, not only does this work provide a novel perspective on what DTs are, but it also engineers, discusses possible implementations of, and experimentally evaluates an entanglement-aware DT ecosystem. In this ecosystem, DTs expose information about their entanglement, and the middleware orchestrates them accordingly. Fundamentally, the strands of the entanglement-aware DT ecosystem are: - A metric to measure the entanglement. In this regard, the original contribution is Overall Digital Twin Entanglement (ODTE)—a concise yet expressive metric to measure entanglement. ODTE is conceived as a multiplication of factors resulting in a number between 0 and 1. The factors involved are timeliness, reliability, and availability. - Entanglement-aware DTs. This work explores DT engineering with a focus on entanglement awareness. It originally discusses how to apply software design patterns for building DTs as microservices and a methodology for building DTs with serverless functions. The proposed architecture for entanglement-aware DTs is event-driven in nature, which makes it suitable regardless of the specific implementation strategy, either microservices or serverless. - Entanglement-aware middleware. The primary objective of the middleware is to manage the execution of DTs while ensuring compliance with the specified requirements, such as the preferred DT deployment along the cloud-to-edge continuum, or under which ODTE value a DT is no longer considered entangled. The novel contribution primarily lies in the middleware orchestration capability of enforcing the desired quality of entanglement despite failures along the cloud-to-edge continuum. Extensive experimentation was conducted to rigorously validate the feasibility and effectiveness of the proposed entanglement-aware DT ecosystem. The conducted experiments verified that the ODTE metric effectively measures entanglement, quantified the resource overhead of the proposed ecosystem, and demonstrated its entanglement-aware orchestration capabilities even in the presence of failures. These findings collectively underscore the tangible benefits that the entanglement-aware DT ecosystem can offer across various scenarios.