title: A layered architecture for decentralized computing in the edge-cloud continuum
Creators: name: Becker, Soeren
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::003 Systeme
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: edge computing
subject: decentralized architecture
subject: peer-to-peer
subject: distributed computing

description: The growing demand for computational, storage and networking capabilities at the network's edge has driven the development of novel infrastructure concepts like edge and fog computing. These environments involve highly distributed resources and enable computing in close proximity to users and data origins. Edge and fog computing technologies are applied in a variety of use cases, including smart cities, autonomous vehicles, environmental monitoring, or manufacturing. However, the control and management of these infrastructures remains mostly centralized, leading to significant challenges in terms of scalability, increased latency due to reliance on distant servers, and the potential for single points of failure. Additionally, the dynamic nature of edge and fog environments poses further challenges in adapting to changes in the network topology. This thesis addresses the inherent challenges of distributed computing within the edge-cloud continuum, focusing on decentralized methods to foster a cooperative environment. We present a layered architecture designed to overcome the limitations of centralized control and to promote the collaboration of devices in highly distributed environments. The proposed layers are tailored to accommodate the increasing scale of environments in the edge-cloud continuum. We provide methods to optimize the efficiency of the service delivery process and to enable self-adaptive and collaborative resource management and scheduling. These methods facilitate the ad-hoc integration of new devices and dynamically handle network changes due to node churns, further enhancing the robustness of the system. Additionally, we adopt decentralized approaches to optimize the allocation and placement of workloads in edge environments, thereby eliminating the need for centralized management. Our work contributes to the field of distributed computing by introducing a collaborative architecture for the edge-cloud continuum, highlighting the potential of decentralized strategies in managing unreliable networks and accommodating ad-hoc scenarios.
description: Die wachsende Nachfrage nach Verarbeitungs-, Speicher- und Netzwerkfähigkeiten außerhalb von traditionellen Rechenzentren hat die Entwicklung neuer Infrastrukturkonzepte wie Edge- und Fog-Computing vorangetrieben. Diese Umgebungen beinhalten hochgradig verteilte Ressourcen und ermöglichen das Verarbeiten von Daten in unmittelbarer Nähe zu Nutzern und Datenquellen. Edge- und Fog-Computing Technologien finden Anwendung in einer Vielzahl von Anwendungsfällen, darunter in Smart Cities, dem autonomen Fahren, der Überwachung der Umwelt, und der industriellen Herstellung. Die Steuerung und Verwaltung dieser Infrastrukturen bleibt jedoch größtenteils zentralisiert, was zu erheblichen Herausforderungen in Bezug auf Skalierbarkeit, erhöhte Latenzzeiten aufgrund der Abhängigkeit von entfernten Servern und der Gefahr von Single Points of Failure führt. Darüber hinaus stellen die dynamischen Eigenschaften von Edge- und Fog-Umgebungen eine weitere Herausforderung bei der Anpassung an Änderungen in der Netzwerktopologie dar. Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen des verteilten Rechnens im Edge-Cloud-Kontinuum und konzentriert sich auf dezentralisierte Methoden, um eine kooperative Umgebung zu ermöglichen. Wir präsentieren eine geschichtete Architektur, die darauf ausgelegt ist, die Beschränkungen zentralisierter Kontrolle zu überwinden und die Kooperation von Geräten in hochgradig verteilten Umgebungen zu ermöglichen. Die vorgeschlagenen Schichten sind speziell entworfen worden um die wachsende Größe von Umgebungen im Edge-Cloud-Kontinuum zu bewältigen. Wir präsentieren Methoden zur Optimierung der Ausliefung von Anwendungen und ermöglichen selbstadaptive und kollaborative Ressourcenverwaltung und -planung. Diese Methoden erleichtern die ad-hoc Integration neuer Geräte und passen sich dynamisch an Netzwerkänderungen an, was die Robustheit des Systems weiter verbessert. Darüber hinaus integrieren wir dezentralisierte Ansätze zur Optimierung der Ressourcenzuweisung und Platzierung von Jobs in Edge-Umgebungen, wodurch die Notwendigkeit einer zentralisierten Verwaltung entfällt. Unsere Arbeit leistet einen Beitrag zum Bereich der verteilten Systeme, indem sie eine kollaborative Architektur für das Edge-Cloud-Kontinuum einführt und das Potenzial dezentralisierter Strategien zur Bewältigung unzuverlässiger Netzwerke und zur automatischen Anpassung an ad-hoc Szenarien hervorhebt.