Service orchestration architectures for the network edge
Authors: Παπαθαναήλ Γεώργιος 
Published: February 2024

Η ταχεία εξέλιξη των δικτύων οδήγησε σε αύξηση της έρευνας στους τομείς του edge computing και του network slicing, ενισχυμένες από την άνοδο του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και την έλευση των δικτύων 5G (και πέραν αυτών). Η αυξανόμενη δημοτικότητα των κινητών δικτύων έχει οδηγήσει σε μεγαλύτερη ζήτηση τόσο για τις παραδοσιακές υπηρεσίες βασισμένες στο cloud όσο και για νέες υπηρεσίες cloud, όπως παιχνίδια στο κινητό cloud, υπηρεσίες απομακρυσμένου ελέγχου για αυτοκίνητα και υπηρεσίες διαχείρισης διαδικασιών κατασκευής. Ωστόσο, οι παραδοσιακές πλατφόρμες υπολογιστικού νέφους που βασίζονται σε κέντρα δεδομένων μεγάλης κλίμακας έχουν αντιμετωπίσει δυσκολίες στο να ανταποκριθούν στις αυξημένες υπολογιστικές απαιτήσεις των αναδυόμενων εφαρμογών για κινητές συσκευές και IoT. Ως απάντηση σε αυτές τις δυσκολίες, η έννοια του edge computing έχει εμφανιστεί ως μια εφικτή λύση. Το edge computing περιλαμβάνει τη θέση υπολογιστικών πόρων κοντά στο άκρο του δικτύου. Αυτή η στρατηγική παρέχει πολλά οφέλη, όπως χαμηλότερη καθυστέρηση, ταχύτερους χρόνους απόκρισης και τη δυνατότητα εκφόρτωσης υπολογιστικά απαιτητικών εργασιών από κινητές συσκευές. Ωστόσο, η αποτελεσματική χρήση και ενορχήστρωση των πόρων edge computing, ιδιαίτερα σε καταστάσεις με περιορισμένους πόρους, αντιμετωπίζουν σοβαρές προκλήσεις που απαιτούν δραστικές λύσεις. Αυτή η διατριβή πραγματοποιεί μια λεπτομερή έρευνα των δυνατοτήτων του edge computing και του δυναμικού του να βελτιώσει τις υπηρεσίες. Σε αυτό το πλαίσιο, αναγνωρίζουμε πολλά σημαντικά εμπόδια και προτείνουμε καινοτόμες προσεγγίσεις και αρχιτεκτονικά πλαίσια για να μειώσουμε το φράγμα για την ορχήστρωση υπηρεσιών στο άκρο. Αρχικά, εξετάζουμε την πρακτικότητα και τα οφέλη της εκφόρτωσης εργασιών που απαιτούν πολλούς πόρους σε edge servers. Επικεντρωνόμαστε κυρίως στην αξιολόγηση του αντικτύπου αυτής της προσέγγισης στην καθυστέρηση και την απόδοση, με τον τελικό στόχο τη βελτίωση της εμπειρίας του χρήστη. Για τον σκοπό αυτό, το COSMOS περιλαμβάνει ένα προηγμένο πλαίσιο ενορχήστρωσης που σχεδιάστηκε ειδικά για να επιτρέπει την έξυπνη εκφόρτωση υπολογισμού για τα edge clouds. Οι πειραματισμοί μας με το COSMOS επιδεικνύουν την ευελιξία και την αποτελεσματικότητα του συστήματος στη βελτίωση των χρόνων απόκρισης και την ικανοποίηση του πελάτη. O τεμαχισμός δικτύων εξελίσσεται ως ένα αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των υποδομών δικτύων, καθώς παρέχει τα μέσα για την ανάπτυξη υπηρεσιών επόμενης γενιάς με εγγυήσεις απόδοσης και αξιοπιστίας. Οι υπηρεσίες που βρίσκονται σε διαφορετικά τμήματα μέσα στο ίδιο κέντρο δεδομένων edge μπορούν να ενισχύσουν τη λειτουργικότητά τους μέσω συνεργιών. Σε αυτό το πλαίσιο, εξετάζουμε μια νέα πτυχή του τεμαχισμού δικτύων, το οποίο ονομάζουμε διατεμαχιακή επικοινωνία. Για να προωθήσουμε τη διατεμαχιακή επικοινωνία, εισάγουμε ένα νέο πλαίσιο ενορχήστρωσης διατεμαχιακής επικοινωνίας, το οποίο ονομάζουμε optiMized Edge Slice OrchestratioN (MESON), το οποίο διευκολύνει την ασφαλή και αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών τμημάτων που είναι συγκεντρωμένα στην ίδια (edge) υποδομή cloud. Αυτό μπορεί να οδηγήσει τους παρόχους υπηρεσιών να αξιοποιήσουν την προστιθέμενη από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ υπηρεσιών και, συνεπώς, να καταστήσουν τις υπηρεσίες τους πιο ελκυστικές για τους πελάτες τους. Η ανάθεση πόρων στα άκρα του δικτύου αποτελεί μια κρίσιμη πρόκληση, δεδομένου των περιορισμένων πόρων των υποδομών στα άκρα του δικτύου. Σε αυτή τη διατριβή, εξετάζουμε το πρόβλημα της ανάθεσης πόρων σε περιβάλλοντα με περιορισμένους πόρους, όπως ένα κέντρο δεδομένων edge. Αντιμετωπίζουμε αυτήν τη δυσκολία στο επίπεδο εντός του εξυπηρετητή, το οποίο αφορά το τελικό στάδιο της ανάθεσης πόρων (δηλαδή, η ανάθεση των VNF σε πυρήνες CPU). Εξετάζουμε το αντίκτυπο διαφόρων στρατηγικών ανάθεσης πυρήνων CPU στην απόδοση αλυσίδων υπηρεσιών και εντοπίζουμε καταστάσεις στις οποίες οι πόροι μπορούν να σπαταληθούν. Τα ευρήματά μας μπορεί να είναι αξιόλογα για τους προγραμματιστές πόρων, ενισχύοντας την ικανότητά τους να αναθέσουν πόρους για VNF ή εφαρμογές cloud-native. Επιπλέον, υποστηρίζουμε την ανάγκη για επικοινωνία χαμηλής καθυστέρησης στο πλαίσιο περιβάλλοντων IoT-cloud, όπου ψηφιακά δίδυμα (digital twin) ή άλλες μορφές μεσολαβητών IoT (π.χ. Εικονικά Αντικείμενα - VOs) τοποθετούνται στις παρυφές του δικτύου για να ενισχύσουν τη λειτουργία των συσκευών IoT. Ο κύριος μας στόχος εδώ είναι να διατηρήσουμε τη χαμηλή καθυστέρηση στην επικοινωνία μεταξύ ζευγαριών IoT-VO. Για τον σκοπό αυτό, επιδιώκουμε να επωφεληθούμε από τα οφέλη του Time-Sensitive Networking (TSN), παρουσιάζοντας το σχεδιασμό και την υλοποίηση μιας πλατφόρμας TSN καθώς επίσης και την υλοποίηση ενός κεντρικού ελεγκτή του δικτύου. Δεδομένου ότι ο ελεγκτής ασχολείται κυρίως με τον υπολογισμό του προγράμματος μετάδοσης των εισερχόμενων ροών, παρουσιάζουμε ένα μοντέλου υπολογισμού μετάδοσης των ροών στο δίκτυο βασισμένο σε προγραμματισμό με περιορισμούς.