Optimal resource orchestration of distributed 5G applications over the cloud continuum
Authors: Δημολίτσας Ιωάννης 
Published: December 2023

Η ταχεία πρόοδος της τεχνολογίας ασύρματων δικτύων πέμπτης γενιάς (5G) έχει επιτρέψει την ανάπτυξη ενός ευρέος φάσματος καινοτόμων εφαρμογών, οι οποίες φέρουν ξεχωριστές απαιτήσεις που αφορούν την ποιότητα της υπηρεσίας (Quality of Service - QoS), όπως εξαιρετικά χαμηλή καθυστέρηση, υψηλή αξιοπιστία και ελαστικότητα, ειδικά υπό το πρίσμα του Διαδικτύου των Αντικειμένων (Internet of Things - IoT). Για την αποδοτικότερη υποστήριξη αυτών των εφαρμογών, η αποτελεσματική διαχείριση και ενορχήστρωση των υπολογιστικών και δικτυακών πόρων, είναι ιδιαίτερα σημαντική. Το Cloud Continuum (CC), το οποίο περιλαμβάνει ετερογενείς δικτυακές υποδομές που κυμαίνονται από κεντρικοποιημένες υποδομές σύννεφου έως κατανεμημένες στην άκρη του δικτύου, προσφέρει ένα κατανεμημένο περιβάλλον υπολογιστικών και δικτυακών πόρων για την κάλυψη των ειδικών χαρακτηριστικών ανάπτυξης εφαρμογών 5G-IoT. Ωστόσο, η ενορχήστρωση πόρων σε αυτό το πολύπλοκο περιβάλλον θέτει σημαντικές προκλήσεις. Αυτή η διατριβή στοχεύει να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις προτείνοντας νέες προσεγγίσεις για τη διαχείριση και την ενορχήστρωση των υπολογιστικών και δικτυακών πόρων στα διάφορα επίπεδα του CC, ευθυγραμμισμένες με καθιερωμένα πρότυπα, όπως της Εικονικοποίησης Λειτουργιών Δικτύου (Network Function Virtualization - NFV). Συγκεκριμένα, στη διατριβή αντιμετωπίζονται οι εξής προκλήσεις: (i) η επιλογή της κατάλληλης υποδομής για την ανάπτυξη υπηρεσιών δικτύου στο CC, λαμβάνοντας υπόψη την ετερογένεια των υποδομών και την πληθώρα των διαφόρων επιμέρους απαιτήσεων εφαρμογής, (ii) η εγκαθίδρυση αλληλεπίδρασης μεταξύ διαφορετικών υπηρεσιών που αναπτύσσονται ως δικτυακά τεμάχια μέσω κοινής χρήσης εικονικών συναρτήσεων δικτύου (Virtual Network Function – VNF), (iii) η κατανεμημένη ενσωμάτωση εικονικού δικτύου (Distributed Virtual Network Embedding - DVNE), για την υποστήριξη σύγχρονων εφαρμογών IoT που αναπτύσσονται ως διασυνδεδεμένα VNF, στη μορφή μιας υβριδικής αλυσίδας υπηρεσιών, υπό αυστηρούς περιορισμούς διαθεσιμότητας πόρων, (iv) η ανάπτυξη λύσεων για αυτόματη κλιμάκωση πόρων προς τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης αυτών σε πραγματικό χρόνο, λαμβάνοντας υπόψη το απαιτούμενο φορτίο προς τα εικονικά μηχανήματα κάθε εφαρμογής, και (v) ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη αποτελεσματικών και χαμηλής πολυπλοκότητας αλγορίθμων για να παρέχουν λύσεις στα αντίστοιχα προβλήματα, σε πραγματικό χρόνο, ώστε να ανταποκρίνονται στις δυναμικές συνθήκες του CC. Σε αυτό το πλαίσιο, αρχικά, προτείνεται ένα πλαίσιο Επιλογής Υποδομής στα άκρα του Δικτύου (Edge Cloud - EC) για την ανάπτυξη εφαρμογών 5G, εστιάζοντας στην περίπτωση δικτυακών τεμαχίων. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύσσεται ένα Πλαίσιο Αναζήτησης Κατανεμημένων Υπηρεσιών για VNF, τα οποία υποστηρίζουν διατεμαχιακή επικοινωνία χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο που βασίζεται στην προσωρινή κρυφή μνήμη των επιμέρους EC, στοχεύοντας στην χαμηλή χρήση δικτυακών πόρων. Το πλαίσιο αυτό, επίσης, χρησιμοποιεί έναν πολυκριτηριακό αλγόριθμο λήψης αποφάσεων, για να προσδιορίσει την καταλληλότερη υποδομή EC για την ανάπτυξη δικτυακού τεμαχίου με χαμηλό χρόνο απόφασης, λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργικότητα, την απόδοση και απαιτήσεις κόστους τόσο του παρόχου της υποδομής όσο και του χρήστη της εφαρμογής. Επιπλέον, η διατριβή προτείνει μια προσέγγιση δύο επιπέδων για την παροχή λύσεων DVNE με ελαχιστοποιημένη καθυστέρηση δικτυακής κίνησης μετ' επιστροφής. Ένας ευριστικός αλγόριθμος, αρχικά, αναλαμβάνει τη συσχέτιση των VNF ενός αιτήματος DVNE, σε ένα σύνολο υποψήφιων EC που αυτά θα μπορούν να ενσωματωθούν, εστιάζοντας στην ελαχιστοποίηση της χρήσης πόρων εντός της κάθε υποδομής EC. Δεδομένης αυτής της αρχικής χαρτογράφησης, προτείνεται ένας αποτελεσματικός αλγόριθμος βασισμένος σε λύσεις συντομότερων μονοπατιών, για την κατασκευή της λύσης DVNE, σε πολυωνυμικό χρόνο. Η πολιτική ενσωμάτωσης του αλγορίθμου κατασκευάζει βέλτιστες ή σχεδόν βέλτιστες λύσεις DVNE σε πολυωνυμικό χρόνο.Ακόμη, για να εξασφαλιστεί η συμβατότητα και η διαλειτουργικότητα ορισμένων από τους προτεινόμενους μηχανισμούς με τα υπάρχοντα βιομηχανικά πρότυπα και πρακτικές, εξετάζεται η ενσωμάτωση των προτεινόμενων μηχανισμών και αλγορίθμων σε μια αρχιτεκτονική NFV, για την υποστήριξη της ανάπτυξης εφαρμογών βιομηχανίας 4.0 (Industry 4.0). Προτείνεται ένας μηχανισμός ανάπτυξης και ενορχήστρωσης για την ενεργοποίηση διατεμαχιακής επικοινωνίας σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Για λόγους αξιολόγησης, αναπτύσσεται ένα σενάριο χρήσης Warehouse Robotics, στο οποίο απαιτείται η συνεργασία κινητών ρομποτικών συσκευών σε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα αποθήκευσης και ανάκτησης. Δίνοντας έμφαση στα δυναμικά χαρακτηριστικά του CC, στην παρούσα διατριβή μελετώνται και τεχνικές κατανομής πόρων και αυτόματης κλιμάκωσης (autoscaling). Υπό αυτό το πρίσμα, αναπτύχθηκε ένας μηχανισμός πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης για autoscaling, ο οποίος συνδυάζει την πρόβλεψη του αναμενόμενου φορτίου μέσω μεθόδων πρόβλεψης χρονοσειρών, αλλά και την εκ των προτέρων χαρακτηρισμό πόρων ανά εφαρμογή, ώστε να επιλέξει τον αριθμό των αντιγράφων εικονικών μηχανημάτων (containers) σε περιβάλλον Kubernetes. Σκοπός του μηχανισμού είναι να συνδυάσει την εγγύηση ποιότητας υπηρεσίας μιας εφαρμογής, αντιστοιχώντας τη στη χρονική απόκριση, μειώνοντας παράλληλα το διαχειριστικό κόστος του παρόχου της υποδομής και τη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Οι προσεγγίσεις που προτείνονται αξιολογούνται αναλυτικά τόσο μέσω προσομοίωσης όσο και μέσω ενσωμάτωσής τους σε σύγχρονες λύσεις διαχείρισης και ενορχήστρωσης, ενώ παρέχονται συγκριτικά αποτελέσματα έναντι άλλων λύσεων από την υπάρχουσα πρόσφατη βιβλιογραφία. Τα συμπεράσματα που εξάγονται από τη θεωρητική και πειραματική αξιολόγηση των προτεινομένων πλαισίων συνοψίζονται στο καταληκτικό κεφάλαιο της διατριβής, όπου επιπλέον, αναπτύσσονται ανοιχτά ερευνητικά θέματα για μελλοντική εργασία.