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Tipo: Tese
Título : IoT service placement with load distribution and service migration in edge computing for 5G networks
Título en inglés: IoT service placement with load distribution and service migration in edge computing for 5G networks
Autor : Maia, Adyson Magalhães
Tutor: Castro, Miguel Franklin de
Co-asesor: Ghamri-Doudane, Yacine
Conceição, Dário Vieira
Palabras clave : Service placement;Load distribution;Service migration;Internet of things;Edge computing;5G network
Fecha de publicación : 2021
Citación : MAIA, Adyson Magalhães. IoT service placement with load distribution and service migration in edge computing for 5G networks. 2021. 175 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Resumen en portugués brasileño: Edge Computing (EC) é um conceito promissor para mitigar algumas das limitações da computação em nuvem no suporte às aplicações da Internet das Coisas (Internet of Things - IoT), especialmente às aplicações sensíveis ao tempo, ao trazer recursos computacionais para a proximidade dos usuários finais nas bordas da rede. Por mais promissor que a EC seja, este conceito também enfrenta muitos desafios. Estes desafios estão principalmente relacionados à gestão de recursos em ambiente vasto, distribuído, dinâmico e heterogêneo trazido pela EC. Uma questão relevante para o gerenciamento de recursos é o problema de colocação de serviço, que é o processo de tomada de decisão para determinar onde colocar diferentes aplicações ou serviços na infraestrutura da EC de acordo com algumas restrições, requisitos e metas de desempenho. Este processo de tomada de decisão pode ser estendido para incluir outras questões relacionadas, como a distribuição de carga e a migração de serviço. Esta tese investiga a colocação de serviços IoT com distribuição de cargas e migração de serviços no contexto das redes de próxima geração com suporte à EC, tal como a rede móvel de quinta geração (5G). Primeiramente, esta tese aborda a colocação de serviços com distribuição de carga como problemas mono-objetivo e multiobjetivo e propõe resolvê-los usando algoritmo genético. Os resultados analíticos mostram que, por meio de nossa formulação e dos algoritmos propostos associados, é possível superar outros algoritmos de benchmark em termos de múltiplos objetivos conflitantes, tais como a violação de prazo de resposta, o custo operacional e a disponibilidade de serviço. Em seguida, para lidar com as flutuações de carga, é proposto um controle centralizado e preditivo que reajusta periodicamente as decisões de colocação de serviço e distribuição de carga de acordo com a relação custo-benefício das migrações de serviço. Os resultados da avaliação mostram que o controle preditivo proposto tem um desempenho de sistema ainda melhor em relação às violações do prazo de resposta e um pequeno custo de migração adicional em comparação com os algoritmos de benchmark. Finalmente, é tratado o problema de escalabilidade enfrentado por um processo de tomada de decisão centralizado ao projetar uma solução hierárquica e distribuída da colocação de serviços. A avaliação do controle distribuído proposto indica que a compensação entre o desempenho do sistema e a escalabilidade da tomada de decisões depende de como o problema de decisão é decomposto.
Abstract: Edge Computing (EC) is a promising concept to alleviate some of the cloud computing limitations in supporting Internet of Things (IoT) applications, especially time-sensitive applications, by bringing computing resources closer to end users, at the network edges. As promising as EC is, it also faces many challenges. These are mainly related to the resource management in the vast, distributed, dynamic, and heterogeneous setting brought by EC. A relevant issue for resource management is the service placement problem, which is the decision-making process of determining where to place different applications or services over the EC infrastructure according to some constraints, requirements, and performance goals. This decision-making process can thus be extended to include other related issues, such as load distribution and service migration. In this thesis, we investigate the IoT services placement with load distribution and service migration in the context of next generation networks with EC capabilities, such as the fifth-generation (5G) mobile system. First, we address service placement with load distribution as single and multi-objective problems and we the proposal to solve these using a well-chosen genetic algorithm. Analytical results show that through our proposed formulation and the associated proposed algorithms, we are able to outperform other benchmark algorithms in terms of multiple conflicting objectives, such as response deadline violation, operational cost, and service availability. Then, in order to handle load fluctuations, we propose a centralized limited look-ahead prediction control that periodically readjusts service placement and load distribution decisions by taking into account the performance-cost trade-off of service migrations. Evaluation results show that our predictive control has even better system performance regarding response deadline violations with a small additional migration cost compared to benchmark algorithms. Finally, we address the scalability issue faced by centralized decision-making process by designing a hierarchical distributed service placement solution. The evaluation of our distributed control indicates that the trade-off between the system performance and the scalability of decision-making depends on how the control decision problem is decomposed.
Resumen en francés: L’Edge Computing (EC) est un concept prometteur pour atténuer certaines des limitations du cloud computing dans la prise en charge des applications Internet des Objets (Internet of Things - IoT), en particulier les applications sensibles au délai, en rapprochant les ressources informatiques des utilisateurs à la périphérie du réseau. Aussi prometteur que soit l’EC, ce concept est également confronté à de nombreux défis. Ceux-ci sont principalement liés à la gestion des ressources dans ce cadre étendu, distribué, dynamique et hétérogène qu’apporte l’EC. Un des problèmes majeurs pour cette gestion des ressources est le problème du placement des services ou applications. Ce problème peut ainsi être étendu pour inclure d’autres aspects connexes, tels que la répartition de la charge et la migration de service. Dans cette thèse, nous étudions le placement des services IoT avec distribution de charge et migration de services dans le contexte de réseaux de nouvelle génération dotés de capacités EC, tels que le système mobile de cinquième génération (5G). Premièrement, nous abordons le placement de services avec la distribution de charge comme un problème mono-objectif, puis un problème multi-objectifs. Nous proposons alors de les résoudre en utilisant un algorithme génétique spécifique. Les résultats analytiques montrent que grâce à notre formulation et aux algorithmes proposés, nous sommes en mesure de suppléer les autres algorithmes de référence en termes lorsque nous considérons des objectifs multiples et contradictoires, comme la violation du délai de réponse, le coût opérationnel et la disponibilité du service. Afin de gérer les fluctuations de charge, nous proposons ensuite un contrôle centralisé et prédictif qui réajuste périodiquement les décisions de placement de services et de distribution de charge en tenant compte du compromis performance-coût lié aux migrations de services. Les résultats de l’évaluation montrent que notre contrôle prédictif offre des performances du système encore meilleures en ce qui concerne les violations de délai mais au prix d’une légère augmentation du coût liée à la migration. Enfin, nous abordons le problème d’extensibilité auquel est confrontée toute prise de décision centralisée en concevant une solution hiérarchique et distribuée pour le placement de services. L’évaluation de notre contrôle distribué indique que le compromis entre les performances du système et l’extensibilité de la prise de décision dépend de la façon dont le problème de décision de contrôle est décomposé.
URI : http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/60427
Aparece en las colecciones: DCOMP - Teses defendidas na UFC

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