Open Infrastructure for Edge Computing

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6651-7
Title: Open Infrastructure for Edge Computing
Author: Zavodovski, Aleksandr
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Computer Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-23
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6651-7
http://hdl.handle.net/10138/319675
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Edge computing, bringing the computation closer to end-users and data producers, has now firmly gained the status of enabling technology for the new kinds of emerging applications, such as Virtual/Augmented Reality and IoT. The motivation backing this rapidly developing computing paradigm is mainly two-fold. On the one hand, the goal is to minimize the latency that end-users experience, not only improving the quality of service but empowering new kinds of applications, which would not even be possible given higher delays. On the other, edge computing aims to save core networking bandwidth from being overwhelmed by myriads of IoT devices, sending their data to the cloud. After analyzing and aggregating IoT streams at edge servers, much less networking capacity will be required to persist remaining information in distant cloud datacenters. Having a solid motivation and experiencing continuous interest from both academia and industry, edge computing is still in its nascency. To leave adolescence and take its place on a par with the cloud computing paradigm, finally forming a versatile edge-cloud environment, the newcomer needs to overcome a number of challenges. First of all, the computing infrastructure to deploy edge applications and services is very limited at the moment. Indeed, there are initiatives supported by the telecommunication industry, like Multi-access Edge Computing. Also, cloud providers plan to establish their facilities near the edge of the network. However, we believe that even more efforts will be required to make edge servers generally available. Second, to emerge and function efficiently, the ecosystem of edge computing needs practices, standards, and governance mechanisms of its own kind. The specificity originates from the highly dispersed nature of the edge, implying high heterogeneity of resources and diverse administrative control over the computing facilities. Finally, the third challenge is the dynamicity of the edge computing environment due to, e.g., varying demand, migrating clients, etc. In this thesis, we outline underlying principles of what we call Open Infrastructure for Edge (OpenIE), identify its key features, and provide solutions for them. Intended to tackle the challenges we mentioned above, OpenIE defines a set of common practices and loosely coupled technologies creating a unified environment out of highly heterogeneous and administratively partitioned edge computing resources. Particularly, we design a protocol capable of discovering edge providers on a global scale. Further, we propose a framework of Ingelligent Containers (ICONs), capable of autonomous decision making and forming a service overlay on a large-scale edge-cloud setting. As edge providers need to be economically incentivized, we devise a truthful double auction mechanism where edge providers can meet application owners or administrators in need of deploying an edge service. Due to truthfulness, in our auction, it is the best strategy for all participants to bid one's privately known valuation (or cost), thus making complex market behavior strategies obsolete. We analyze the potential of distributed ledgers to serve for OpenIE decentralized agreement and transaction handling and show how our auction can be implemented with the help of distributed ledgers. With the key building blocks of OpenIE, mentioned above, we hope to make an entrance for anyone interested in service provisioning at the edge as easy as possible. We hope that with the emergence of independent edge providers, edge computing will finally become pervasive.Reunalaskenta, joka tuo laskentakapasiteettia lähemmäksi loppukäyttäjiä ja datan tuottajia, on noussut uudentyyppisten sovelluksien, kuten virtuaalisen ja lisätyn todellisuuden (VR/AR) sekä esineiden internetin (IoT) keskeiseksi mahdollistajaksi. Reunalaskennan kehitystä tukevat pääosin kaksi sen tuomaa etua. Ensiksi, reunalaskenta minimoi loppukäyttäjien kokemaa latenssia mahdollistaen uudentyyppisiä sovelluksia. Toiseksi, reunalaskenta säästää ydinverkon tiedonsiirtokapasiteettia, esimerkiksi IoT-laitteiden pilveen lähettämien tietojen osalta. Kun reunapalvelimet analysoivat ja aggregoivat IoT-virrat, verkkokapasiteettia tarvitaan paljon vähemmän. Reunalaskentaan on panostettu paljon, sekä teollisuuden, että tutkimuksen osalta. Reunalaskennan kehittymispolulla monipuoliseksi reunapilviympäristöksi on edessä useita haasteita. Ensinnäkin laskentakapasiteetti tietoverkkojen reunalla on tällä hetkellä hyvin rajallinen. Vaikka teleoperaattorit ja pilvipalvelujen tarjoajat suunnittelevat lisäävänsä laskentakapasiteettia reunalaskennan tarpeisiin, uskomme kuitenkin, että enemmän ponnisteluja tarvitaan, jotta reunalaskennan edut olisivat yleisesti saatavilla. Toiseksi, toimiakseen tehokkaasti, reunalaskennan ekosysteemi tarvitsee omat käytäntönsä, standardinsa ja hallintamekanisminsa. Reunalaskenan erityistarpeet johtuvat resurssien heterogeenisyydestä, niiden suuresta maantieteellisesta hajautuksesta ja hallinnollisesta jaosta. Kolmas haaste on reunalaskentaympäristön dynaamisuus, joka johtuu esimerkiksi vaihtelevasta kysynnästä ja asiakkaiden liikkuvuudesta. Tässä väitöstutkimuksessa esittelemme Avoimen Infrastruktuurin Reunalaskennalle (OpenIE), joka vastaa edellä mainittuihin haasteisiin, ja tunnistamme ongelman pääominaisuudet ja tarjoamme niihin ratkaisuja. OpenIE määrittelee joukon yleisiä käytäntöjä ja löyhästi yhdistettyjä tekniikoita, jotka luovat yhtenäisen ympäristön erittäin heterogeenisistä ja hallinnollisesti jaetuista reunalaskentaresursseista. Suunnittelemme protokollan, joka kykenee etsimään reunaoperaattoreita maailmanlaajuisesti. Lisäksi ehdotamme Älykontti (ICON) -kehystä, joka kykenee itsenäiseen päätöksentekoon ja muodostaa palvelupäällysteen laajamittaisessa reunapilviympäristössä. Koska reunaoperaattoreita on kannustettava taloudellisesti, suunnittelemme totuudenmukaisen huutokauppamekanismin, jossa reunapalveluntarjoajat voivat kohdata sovellusten omistajia tai järjestelmien omistajia, jotka tarvitsevat reunalaskentakapasiteettia. Totuudenmukaisessa huutokaupassa paras strategia kaikille osallistujille on tehdä tarjous yksityisesti tunnetun arvostuksen perusteella, mikä tekee monimutkaisen markkinastrategian kehittämisen tarpeettomaksi. Analysoimme lohkoketjualustojen potentiaalia palvella OpenIE:n hajautetun sopimisen ja tapahtumien käsittelyä ja näytämme, miten huutokauppamme voidaan toteuttaa lohkoketjuteknologia hyödyntäen. Edellä mainittujen OpenIE:n keskeisten kompponenttien avulla pyrimme luomaan yleisiä puitteita joiden avulla jokainen reunalaskennan kapasiteetin tarjoamisesta kiinnostunut taho voisi ryhtyä palveluntarjojaksi helposti. Riippumattomien reunapalveluntarjoajien mukaantulo tekisi reunalaskennan lupaamat hyödyt yleisesti saataviksi.
Subject: computer science
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
zavodovski_alexandr_dissertation_2020.pdf 2.854Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record