Dynamic resource orchestration and management of IoT-based cyber-physical systems
Authors: Σπαθαράκης Δημήτριος 
Published: October 2023

Με την έλευση των ασύρματων δικτύων πέμπτης γενιάς (5G) και του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT), ένα κρίσιμο μέρος της ενεργοποίησης των σύγχρονων τεχνολογιών είναι η βελτιστοποίηση της απόδοσης των μηχανισμών Μεταφόρτωσης Υπολογιστικών Διεργασιών και δυναμικής κατανομής πόρων. Το τρέχον παράδειγμα παροχής πρόσθετων πόρων σε συσκευές είναι το δικτύο Υπολογισμών Πολλαπλής Πρόσβασης στα Άκρα Multi-Accessed Edge Computing (MEC), το οποίο χαρακτηρίζεται από την περιορισμένη διαθεσιμότητα πόρων. Ως εκ τούτου, οι συσκευές μαζί με τους διακομιστές edge σχηματίζουν ένα Κυβερνο-Φυσικό Σύστημα (Cyber-Physical System) το οποίο πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να ταιριάζει στις ανάγκες κάθε εφαρμογής και σεναρίου. Έτσι, σε αυτή τη διατριβή, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της υλοποίησης αποτελεσματικών στρατηγικών μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών που ωφελούν τις συσκευές και, αφετέρου, τον προγραμματισμό εργασιών και τη δυναμική κατανομή πόρων για βέλτιστη χρήση των πόρων, επιτυγχάνοντας παράλληλα υψηλή ποιότητα εξυπηρέτησης και εμπειρίας χρήστη. Επίσης σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, εξετάσαμε το ενδεχόμενο να σχεδιάσουμε ολιστικά πλαίσια και να συν-σχεδιάσουμε αυτές τις δύο θεμελιώδεις πτυχές καθώς είναι στενά συνδεδεμένες. Συγκεκριμένα, σε αυτή την εργασία, καταβάλλεται προσπάθεια να αντιμετωπιστούν οι ακόλουθες κρίσιμες ερευνητικές προκλήσεις: (i) βελτιστοποίηση της απόφασης μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών λαμβάνοντας υπόψη πτυχές που σχετίζονται με τη συσκευή (π.χ. ισχύς σήματος, θέση συσκευών), (ii) βελτιστοποίηση της διαχείρισης πόρων με από κοινού σχεδιασμό του προγραμματισμού των εργασιών και ενός μηχανισμού δυναμικής κατανομής πόρων, ο οποιός εγγυάται ορισμένα κριτήρια απόδοσης ενώ ταυτόχρονα οι πόροι χρησιμοποιούνται βέλτιστα, (iii) τον καθορισμό του κατάλληλου αριθμού πόρων για κάθε εφαρμογή, (iv) ο σχεδιασμός πρακτικών υπολογιστικών στρατηγικών μεταφόρτωσης, για την ελάφρυνση του υπολογιστικού φόρτου από τις συσκευές με ταυτόχρονη εξεύρεση ισορροπίας μεταξύ του χρόνου απόκρισης και της ποιότητας της εφαρμογής και, τέλος, (v) ο σχεδιασμός ελεγκτών κλειστού βρόχου λαμβάνοντας επίσης υπόψη την τρέχουσα κατάσταση των συσκευών, το κόστος επικοινωνίας και τους διαθέσιμους πόρους στο δικτύο Υπολογισμών Πολλαπλής Πρόσβασης. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάζουμε μια ολιστική αρχιτεκτονική για τη βελτιστοποίηση της απόφασης μεταφόρτωσης των χρηστών, δηλαδή, οι χρήστες μεταφορτώνουν το αίτημά τους εάν το κόστος επικοινωνίας είναι χαμηλό. Τα αιτήματα μιας εφαρμογής μπορεί επίσης να απορριφθούν από τον διακομιστή ακμών εάν το συνολικό πλήθος αιτημάτων, υπερβαίνει την τρέχουσα χωρητικότητα των πόρων για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Στη συνέχεια, μια κεντρική οντότητα επιλύει από κοινού το πρόβλημα προγραμματισμού εργασιών και δυναμικής κατανομής πόρων διατηρώντας ένα συγκεκριμένο επίπεδο εξυπηρέτησης για την εφαρμογή, σε δυναμικό φορτίο. Στη συνέχεια, σε μια παρόμοια περιβάλλον, βελτιώνουμε τον προγραμματισμό εργασιών και τον μηχανισμό δυναμικής κατανομής πόρων χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση από τη θεωρία ουρών για να προσαρμόσουμε δυναμικά τον αριθμό των πόρων για μια εφαρμογή. Η λύση που προτείνουμε παρέχει εγγυήσεις σταθερότητας και απόδοσης για το πρόβλημα διαχείρισης πόρων. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βέλτιστη κατανομή των εισερχόμενων εργασιών και τη μοντελοποίηση απόδοσης των πόρων. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήσαμε αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να αντιστοιχίσουμε μετρικές απόδοσεις μαζί με θεωρητικά υπολογισμένες τιμές για τον ρυθμό επεξεργασίας των πόρων.Επιπλέον, προτείνεται ένας νέος μηχανισμός μεταφόρτωσης για ρομποτικές εφαρμογές. Στο πλαίσιο της Βιομηχανίας 4.0 για Κυβερνο-Φυσικά Συστήματα, οι εφαρμογές βασίζονται σε κινητούς ρομποτικές συσκευές που εκτελούν πολλές σύνθετες εργασίες που έχουν αυστηρές απαιτήσεις ασφάλειας και χρόνου. Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, το μοντέλο παροχής υπηρεσιών Υπολογισμών Πολλαπλής Πρόσβασης στα Άκρα, επιτρέπει στις ρομποτικές συσκευές να μεταφορτώνουν τις υπολογιστικά βαριές διεργασίες τους. Συγκεκριμένα, σχεδιάζονται πρακτικές στρατηγικές μεταφόρτωσης για εφαρμογές σχεδιασμού διαδρομής και εντοπισμού θέσεις των ρομπότ. Η απόφαση μεταφόρτωσης βασίζεται στην αβεβαιότητα της θέσης του ρομπότ, στη διαθεσιμότητα πόρων του διακομιστή των πόρων, στην ποιότητα της σύνδεσης δικτύου και στη δυσκολία της υπολογισμένης διαδρομής. Παρομοίως, εστιάζοντας στις εγγυήσεις σταθερότητας και στη σύγκλιση του συστήματος, εισάγουμε ένα πλαίσιο μεταφόρτωσης εκτίμησης θέσης βάσει συνόλου, για τη συγκεκριμένη περίπτωση πλοήγησης μονόκυκλου ρομπότ προς μια θέση. Το ρομπότ υπόκειται σε αβεβαιότητες μοντελοποίησης και μέτρησης και το σύνολο εκτίμησης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τεχνικές υπερπροσέγγισης που μετριάζουν τους πρόσθετους υπολογισμούς. Ένας μηχανισμός ελέγχου που βασίζεται σε σετ μεταγωγής παρέχει ακριβή πλοήγηση και ενεργοποιεί πιο ακριβείς αλγόριθμους εκτίμησης όταν χρειάζεται. Για να εξασφαλιστεί η σύγκλιση του συστήματος και να βελτιστοποιηθεί η χρήση απομακρυσμένων πόρων, έχει σχεδιαστεί ένας μηχανισμός μεταφόρτωσης, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τόσο τις δυναμικές συνθήκες δικτύου όσο και τους διαθέσιμους υπολογιστικούς πόρους στην άκρη του δικτύου. Τέλος, μελετάμε τον προγραμματισμό πολλών αιτημάτων για αναγνώριση εικόνας σε πραγματικό χρόνο με βοήθεια στα άκρα του δικτύου. Η ποιότητα της αναγνώρισης εικόνας και η συνολική καθυστέρηση του συστήματος είναι προφανώς ανταγωνιστικές μετρήσεις. Έτσι, διαμορφώνουμε ένα κοινό πρόβλημα βελτιστοποίησης για να μεγιστοποιήσουμε την ποιότητα της διαδικασίας αναγνώρισης, ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα τη συνολική καθυστέρηση για τη μαζική επεξεργασία των αιτημάτων χρησιμοποιώντας πόρους πυο βασίζονται σε κάρτες γραφικών. Για να αντιμετωπίσουμε την υπολογιστική πολυπλοκότητα του προβλήματος βελτιστοποίησης, υπολογίζουμε πρώτα τις βέλτιστες πολιτικές συμπίεσης για τα αιτήματα που στέλνουν οι χρήστες για να ελαχιστοποιήσουμε τον χρόνο μετάδοσης. Εξετάζοντας προσεκτικά τα αποτελέσματα του προβλήματος συμπίεσης, συμπαιρένουμε ότι η συμπίεση των εργασιών με τέτοιο τρόπο ώστε να φτάνουν ταυτόχρονα για απομακρυσμένη επεξεργασία αυξάνει σημαντικά την απόδοση της ταύτοχρονης επεξεργασίας από τη μεριά των απομακρυσμένων πόρων. Συνοψίζοντας, σε αυτή τη διατριβή, μελετάμε το πρόβλημα της δυναμικής ενορχήστρωσης και διαχείρισης των Κυβερνοφυσικών Συστημάτων. Η τεράστια πρόοδος των σύγχρονων εφαρμογών μαζί με τις αυστηρές απαιτήσεις για συνεχώς διευρυνόμενους πόρους απαιτούν νέες εξελιγμένες προσεγγίσεις για παροχής υψηλού ποιότητα υπηρεσιών και ποιότητα εμπειρίας στους χρήστες. Αν και πολλές νέες αρχιτεκτονικές έχουν προκύψει τα τελευταία χρόνια, υπάρχουν ακόμα πολλές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για την παροχή απρόσκοπτων λειτουργιών και εκτέλεσης των πολύπλοκων αλγορίθμων που μπορεί να έχει ένα Κυβερνοφυσικό Σύστημα. Οι δύο κύριες προκλήσεις είναι οι στρατηγικές μεταφόρτωσης εργασιών και οι συνοδευτικοί μηχανισμοί διαχείρισης πόρων.