Μελέτη μηχανισμών δέσμευσης πόρων για την υποστήριξη εφαρμογών νέφους σε μια ιεραρχική edge-fog-cloud τοπολογία

Abstract

Στο ανταγωνιστικό και ευμετάβλητο περιβάλλον του σήμερα, η cloud-native προσέγγιση για τη δόμηση εφαρμογών κερδίζει σταδιακά έδαφος έναντι του παραδοσιακού μοντέλου. Ακρογωνιαίο λίθο των εφαρμογών νέφους (cloud-native) αποτελεί η τεχνολογία των μικρό-υπηρεσιών (microservices), μικρών αυτοτελών τμημάτων της εφαρμογής που εκτελούνται αυτόνομα μέσω της ενθυλάκωσής τους σε containers. Τη διαχείριση των τελευταίων αναλαμβάνει ο ενορχηστρωτής container, μέρος της λειτουργίας του οποίου είναι η δέσμευση των απαραίτητων πόρων στα φυσικά μηχανήματα για την απρόσκοπτη λειτουργία των εφαρμογών. Ωστόσο, καθώς η ιδέα του Ίντερνετ των Πραγμάτων ωριμάζει με την εδραίωση των κινητών δικτύων 5ης γενιάς, η ποσότητα πληροφορίας που παράγεται στα άκρα του δικτύου αυξάνεται ραγδαία, δίνοντας το έναυσμα για τη δημιουργία των κατανεμημένων αρχιτεκτονικών των fog και edge για την υποστήριξη των νέων εφαρμογών. Οι γνωστότεροι σύγχρονοι ενορχηστρωτές κρίνονται συχνά ανεπαρκείς στη διαχείριση μιας τέτοιας κατανεμημένης υποδομής οδηγώντας στην παραβίαση των προδιαγραφών που φέρουν οι εφαρμογές και στη γενικότερη υποβάθμιση της παρεχόμενης ποιότητας υπηρεσιών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανεύρεση ενός μηχανισμού για την αυτοματοποίηση της δέσμευσης υπολογιστικών πόρων, με σκοπό τη βέλτιστη εξυπηρέτηση cloud-native εφαρμογών σε ένα διαστρωματωμένο edge-fog-cloud περιβάλλον. Ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει τη μορφή ενός αλγορίθμου και ενσωματώνεται στο λογισμικό των ενορχηστρωτών. Συγκεκριμένα, αναζητούμε την κατάλληλη ανάθεση των μικρό-υπηρεσιών σε υπολογιστικά συστήματα, με σκοπό τη βελτιστοποίηση ενός βεβαρυμμένου συνδυασμού της καθυστέρησης και του κόστους εξυπηρέτησης. Αρχικά μοντελοποιούμε το παραπάνω πρόβλημα σαν πρόβλημα ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού. Για την επίλυση αναπτύσσουμε τον προσεγγιστικό αλγόριθμο GRAA. Στη συνέχεια επιστρατεύουμε την τεχνική του “ξετυλίγματος” (Rollout), για την αποτελεσματικότερη χρήση της οποίας κατασκευάζουμε τον -πιο κατάλληλο- προσεγγιστικό αλγόριθμο H. Τέλος, αξιολογούμε τα αποτελέσματα των αλγορίθμων μέσω εκτενών προσομοιώσεων υπό διάφορα δεδομένα εισόδου και αποδεικνύουμε την ποιότητα των παραγόμενων υπό-βέλτιστων λύσεων μέσω σύγκρισης με την ακριβή λύση του προβλήματος.