Network resource optimization in cloud computing environments

Abstract

Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις στη νεφοϋπολογιστική και εικονικοποίηση υποστηρίζουν ήδη πολλές σύγχρονες εφαρμογές και πληθώρα συσκευών δικτύου, π.χ. Διαδίκτυο των Πραγμάτων (ΔτΠ) και Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΔΑ), που μάλιστα προβλέπεται ότι θα φτάσουν τον ακραίο αριθμό των 28 δισεκατομμυρίων συσκευών έως το τέλος του 2021. Αυτή η αναμενόμενη αύξηση των επικοινωνιών ανθρώπου και μηχανής εισάγει μια ευρεία ποικιλία χαρακτηριστικών επικοινωνίας με διαφορετικές απαιτήσεις σχετικά με τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, την καθυστέρηση, την κινητικότητα και την αξιοπιστία. Σε τέτοια περιβάλλοντα, για να επιτευχθεί αντιστάθμιση των τεράστιων απαιτήσεων σε πόρους και του αυξανόμενου όγκου δεδομένων, πολλά κέντρα δεδομένων και συσκευές ανά τον κόσμο λειτουργούν από κοινού για να επιτύχουν αποτελεσματική παροχή υπηρεσιών. Ωστόσο, καθώς ολοένα αυξάνεται ο αριθμός των χρηστών και των υπηρεσιών υπολογιστικού νέφους, προκύπτουν βασικά προβλήματα βελτιστοποίησης, η λύση των οποίων αποτελεί προτεραιότητα για τους παρόχους υπηρεσιών νέφους που εστιάζουν σε προβλήματα κλιμάκωσης και διαθεσιμότητας πόρων, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό λειτουργικό κόστος και τελικά να αυξηθούν η κερδοφορία και η αποδοχή του κοινού. Σε αυτό το πλαίσιο, τα προβλήματα της ανακάλυψης του αριθμού και της θέσης των εικονικών μηχανών, που φιλοξενούν μια υπηρεσία νέφους, καθώς και η εύρεση αποτελεσματικών τρόπων εκχώρησης χρήστη και δυναμικής κατανομής πόρων, εξελίσσονται σε εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα (NP-hard), αφού οι λύσεις τους επηρεάζονται από μεγάλο αριθμό κριτηρίων, παραμέτρων και περιορισμών. Λαμβάνοντας υπόψιν και την υψηλή εγγενή δυναμικότητα και τις συχνές διακυμάνσεις στην κυκλοφορία και τις συνθήκες του δικτύου, καθίσταται απολύτως σαφές ότι οι κλασικές ή αυστηρά κεντρικοποιημένες προσεγγίσεις, που απαιτούν καθολική γνώση της δικτυακής τοπολογίας, αποτυγχάνουν να καλύψουν τις απαιτήσεις για έγκαιρη επεκτασιμότητα και προσαρμοστικότητα. Έτσι, προκύπτει η ανάγκη για νέες εφικτές και χαμηλής πολυπλοκότητας λύσεις για την τοποθέτηση υπηρεσιών, την κατανομή πόρων, και τον χειρισμό δεδομένων, ακόμη και αν αυτές έρχονται σε βάρος μη εγγυημένων βέλτιστων λύσεων. Η παρούσα διατριβή μελετά τα προηγούμενα προβλήματα μέσω ενός διαφορετικού πρίσματος, αξιοποιώντας τα οφέλη που προσφέρει ο κατανεμημένος υπολογισμός. Ως εκ τούτου, χωρίζεται σε δύο κύριους άξονες ενδιαφέροντος. Ο πρώτος διερευνά ζητήματα τοποθεσίας υπηρεσιών και κατανομής πόρων σε συστήματα Cloud Gaming, με τα τελευταία να θεωρούνται ιδανικοί εκπρόσωποι άκρως δυναμικών περιβαλλόντων υπολογιστικού νέφους, και που μπορούν εύκολα να γενικευτούν για άλλους τομείς εφαρμογών νέφους. Σε αντίθεση με προηγούμενες ερευνητικές προσεγγίσεις, η παρούσα διατριβή εστιάζει στο επίπεδο της υπολογιστικής ομίχλης, για το οποίο προτείνονται και αναλύονται πέντε κατανεμημένες πολιτικές, που βασίζονται αποκλειστικά σε τοπική δικτυακή πληροφορία, για την επίτευξη αποδοτικής, ελαστικής, και κλιμακώσιμης εκχώρησης χρηστών, ελέγχου εισδοχής, ανάθεσης εξυπηρετητών, βελτιστοποίησης χρήσης πόρων, και τοποθέτησης υπηρεσιών. Όσον αφορά τον δεύτερο άξονα εστίασης, μελετώνται θέματα που σχετίζονται με τη βελτιστοποίηση του χειρισμού δεδομένων στο ΔτΠ, με έμφαση να δίνεται στον συγχρονισμό μετρήσεων και στην συλλογή πληροφορίας από δρόνο. Τέλος, παρουσιάζονται δύο ολοκληρωμένα συστήματα, τα οποία ενσωματώνουν υπολογιστική ομίχλης για βελτιστοποίηση και αυτόματη προσαρμογή της παροχής πόρων, αφενός για την περίπτωση των Έξυπνων Πόλεων και αφετέρου για την περίπτωση της Έξυπνης Γεωργίας.