Návrh Edge Computing platformy umožňující efektivní provoz globálně distribuovaných aplikací s nízkou latencí

Ing. Jakub Pavlík

Doctoral thesis

Design of a new Edge Computing Platform for Globally Distributed Low Latency Applications

Abstract:

V současné době můžeme sledovat rapidní rozvoj internetu věcí společně s 5G sítěmi, které umožňují připojit stále více zařízení k internetu. Díky tomuto trendu vstupujeme do období po Cloud Computingu, ve kterém koncová zařízení generují velké množství dat a je nutné vytvořit aplikace, která tato data zpracují a umožní jejich transformaci na informace, jež podpoří různé oblasti, jako jsou například podpora rozhodování, umělá inteligence apod. Některé z těchto aplikací vyžadují krátkou dobu odezvy, jiné zase obsahují soukromá data a některé jen produkují velké množství dat. Cloud Computing nedokáže takové aplikace obsloužit, a proto vznikla nová doména nazvaná Edge Computing. Její cílem je přesunutí funkcí Cloud Computingu blíže ke koncovým zařízením na tzv. okraj sítě a snaha vyřešit problémy s dobou odezvy, limitovanou kapacitou baterie, propustnost, bezpečnost a soukromí. Edge Computing problematika je ovšem velmi mladá a objevuje se v ní spousta neobjasněných problémů jako například nedostatečné standardy, optimalizace, centrální správa edge aplikací apod. Existence těchto problémů vedla k hlavnímu cíli disertační práce, kterým je návrh vlastní Edge Computing platformy, jež umožní efektivně provozovat globálně distribuované aplikace vyžadující nízkou latenci pomocí standardizovaného aplikačního rozhraní pro jejich orchestraci. První část disertační práce obsahuje úvod do problematiky Edge Computingu, vymezuje její základní terminologii a aktuální příležitosti či problémy publikované v relevantních vědeckých pramenech. Současně také porovnává existující řešení společností Cisco, Microsoft a AWS s identifikovanými problémy. Následující část práce se zabývá samotným návrhem vlastní Edge Computing platformy z důrazem na řešení identifikovaných problémů nízké doby odezvy, multifunkčnosti, multi-tenance a standardního API pro orchestraci edge aplikací. Poslední část práce je zaměřena na zhodnocení přínosů navržené platformy. Ty jsou zkoumány z technologického pohledu a z pohledu přínosu pro podnikový management z hlediska softwarové výkonnosti. Součástí přínosu pro podnikový management jsou také výstupy reálné případové studie nasazení platformy do restauračního řetězce ve Spojených státech amerických, a to díky působení autora práce na pozici jednoho z hlavních architektů v nadnárodních společnostech Mirantis a Volterra. Dosažené výsledky jsou tak podpořeny nejen publikační činností autora, ale také jejich aplikací do praxe.

Abstract:

Nowadays we can watch the rapid development of Internet of Things along with 5G networks that allow more and more devices to connect to the Internet. As a result of this trend, we are entering the era after Cloud Computing, in which terminal devices generate large amounts of data and it is necessary to create applications that process this data and enable their transformation into information that supports various activities such as decission making or domains related to artificial intelligence etc. Some of those applications require a short response time, others contain private data, and some only produce large amounts of data. Cloud Computing is unable to serve such applications, and a new area called Edge Computing has been created. The goal is to move Cloud Computing closer to end-to-end devices on the edge of networks and address low response time, limited battery capacity, throughput, security and privacy. However Edge Computing is very young and there are many unresolved issues, such as insufficient standards, optimization, central edge application management, etc. The existence of these problems has led to the main goal of the dissertation, which is the design of its own Edge Computing platform, which will enable to effectively operate globally distributed applications requiring low latency using a standardized application interface for their orchestration. The first part of the thesis contains an introduction to Edge Computing, defines basic terminology and current opportunities or problems in this area based on research papers. It also compares existing vendor solutions from Cisco, Microsoft and AWS with the problems found. The following part of the thesis deals with the design of the Edge Computing platform itself with emphasis on solving current problems of low response time, multifunctionality, multi-tenancy and standard orchestration API. The last part is focused on the evaluation of the benefits of the proposed platform. These are examined from the technological perspective and the contribution to company management in terms of performance software delivery. Outcomes of this contribution are measured by a real case study of platform deployment into american restaurant chain. This real contribution comes due to the author's work as one of the leading architects in the international companies Mirantis and Volterra. Therefore the achieved results are justified not only by the author's publication activity, but also by their application in practice.

Keywords

Edge Computing, Virtualizace, Kubernetes

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 4. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2020
• Supervisor: doc. Ing. Vladimír Soběslav, Ph.D.
• Reader: Jan Pour

University of Hradec Králové

Faculty of Informatics and Management

Doctoral programme / field:
Systémové inženýrství a informatika / Informační a znalostní management