On service optimization in community network micro-clouds
Authors:   , Apolonia Nuno 
Published: July 2023

Internet coverage in the world is still weak and local communities are required to come together and build their own network infrastructures. People collaborate for the common goal of accessing the Internet and cloud services by building Community networks (CNs).

The use of Internet cloud services has grown over the last decade. Community network cloud infrastructures (i.e. micro-clouds) have been introduced to run services inside the network, without the need to consume them from the Internet.
CN micro-clouds aims for not only an improved service performance, but also an entry point for an alternative to Internet cloud services in CNs.
However, the adaptation of the services to be used in CN micro-clouds have their own challenges since the use of low-capacity devices and wireless connections without a central management is predominant in CNs. Further, large and irregular topology of the network, high software and hardware diversity and different service requirements in CNs, makes the CN micro-clouds a challenging environment to run local services, and to achieve service performance and quality similar to Internet cloud services.

In this thesis, our main objective is the optimization of services (performance, quality) in CN micro-clouds, facilitating entrance to other services and motivating members to make use of CN micro-cloud services as an alternative to Internet services.
We present an approach to handle services in CN micro-cloud environments in order to improve service performance and quality that can be approximated to Internet services, while also giving to the community motivation to use CN micro-cloud services.
Furthermore, we break the problem into different levels (resource, service and middleware), propose a model that provides improvements for each level and contribute with information that helps to support the improvements (in terms of service performance and quality) in the other levels.

At the resource level, we facilitate the use of community devices by utilizing virtualization techniques that isolate and manage CN micro-cloud services in order to have a multi-purpose environment that fosters services in the CN micro-cloud environment.

At the service level, we build a monitoring tool tailored for CN micro-clouds that helps us to analyze service behavior and performance in CN micro-clouds. Subsequently, the information gathered enables adaptation of the services to the environment in order to improve their quality and performance under CN environments.

At the middleware level, we build overlay networks as the main communication system according to the social information in order to improve paths and routes of the nodes, and improve transmission of data across the network by utilizing the relationships already established in the social network or community of practices that are related to the CNs. Therefore, service performance in CN micro-clouds can become more stable with respect to resource usage, performance and user perceived quality.

Acceder a Internet sigue siendo un reto en muchas partes del mundo y las comunidades locales se ven en la necesidad de colaborar para construir sus propias infraestructuras de red. Los usuarios colaboran por el objetivo común de acceder a Internet y a los servicios en la nube construyendo redes comunitarias (RC). El uso de servicios de Internet en la nube ha crecido durante la última década. Las infraestructuras de nube en redes comunitarias (i.e., micronubes) han aparecido para albergar servicios dentro de las mismas redes, sin tener que acceder a Internet para usarlos. Las micronubes de las RC no solo tienen por objetivo ofrecer un mejor rendimiento, sino también ser la puerta de entrada en las RC hacia una alternativa a los servicios de Internet en la nube. Sin embargo, la adaptación de los servicios para ser usados en micronubes de RC conlleva sus retos ya que el uso de dispositivos de recursos limitados y de conexiones inalámbricas sin una gestión centralizada predominan en las RC. Más aún, la amplia e irregular topología de la red, la diversidad en el hardware y el software y los diferentes requisitos de los servicios en RC convierten en un desafío albergar servicios locales en micronubes de RC y obtener un rendimiento y una calidad del servicio comparables a los servicios de Internet en la nube. Esta tesis tiene por objetivo la optimización de servicios (rendimiento, calidad) en micronubes de RC, facilitando la entrada a otros servicios y motivando a sus miembros a usar los servicios en la micronube de RC como una alternativa a los servicios en Internet. Presentamos una aproximación para gestionar los servicios en entornos de micronube de RC para mejorar su rendimiento y calidad comparable a los servicios en Internet, a la vez que proporcionamos a la comunidad motivación para usar los servicios de micronube en RC. Además, dividimos el problema en distintos niveles (recursos, servicios y middleware), proponemos un modelo que proporciona mejoras para cada nivel y contribuye con información que apoya las mejoras (en términos de rendimiento y calidad de los servicios) en los otros niveles. En el nivel de los recursos, facilitamos el uso de dispositivos comunitarios al emplear técnicas de virtualización que aíslan y gestionan los servicios en micronubes de RC para obtener un entorno multipropósito que fomenta los servicios en el entorno de micronube de RC. En el nivel de servicio, construimos una herramienta de monitorización a la medida de las micronubes de RC que nos ayuda a analizar el comportamiento de los servicios y su rendimiento en micronubes de RC. Luego, la información recopilada permite adaptar los servicios al entorno para mejorar su calidad y rendimiento bajo las condiciones de una RC. En el nivel de middleware, construimos redes de overlay que actúan como el sistema de comunicación principal de acuerdo a información social para mejorar los caminos y las rutas de los nodos y mejoramos la transmisión de datos a lo largo de la red al utilizar las relaciones preestablecidas en la red social o la comunidad de prácticas que están relacionadas con las RC. De este modo, el rendimiento en las micronubes de RC puede devenir más estable respecto al uso de recursos, el rendimiento y la calidad percibidas por el usuario.