Fog node self-control middleware: towards autonomous decision making in fog colonies

Abstract

The Fog Computing paradigm brings computational resources closer to the IoT, able to prefilter IoT data before offloading it to the Cloud and able to provide cloud-like functionalities closer to the IoT. Within the Fog Computing paradigm, computational resources, called Fog Nodes, are organized in groups, called Fog Colonies. Traditionally, Fog Colony Control has been heavily centralized, with specialized nodes, named Orchestrators and Fog Controllers, controlling crucial aspects of the Fog Colony's operation, such as is formation, load balancing, and interfacing with the external world to provide services. Although decentralized approaches are often employed in distributed systems, such efforts are not yet applied in Fog Colony Control. However, based on current literature such an aspect seems to be promising. The aim of this research is to explore the benefits of decentralized Fog Colony Control, especially as a colony size is increasing. As centralized control is the prominent paradigm, we focused on enhancing the autonomous operation of Fog Nodes and developed a Self-Control Fog Node middleware in order to efficiently support decentralized Fog Colony Control. To advance their autonomous decision making, Context Awareness has been embedded in the middleware. The concepts of policies and policy rulebooks have been introduced to enable the standardization of operations performed by all nodes, and facilitate the diffusion of node status between colony members. Finally, both centralized and decentralized context diffusion patterns were explored using the ECTORAS Publish/Subscribe protocol developed as part of our research. Two different real-world case studies were utilized as a testbed for the Self-Control Fog Node middleware: A smart management building application and an evacuation application based on IoT devices and sensors. In both cases, the performance of the nodes themselves and of the services provided by the Fog Colony was explored as the colony size increases. This allowed to explore the difference between context-aware and non context-aware versions of the self-control node middleware, as well as decentralized versus centralized context diffusion schemes. Results indicate the potential of a decentralised control in Fog Colonies especially as their size is increasing.

Η υπολογιστική ομίχλη (Fog Computing) φέρνει πιό κοντά υπολογιστικούς πόρους στο Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT), με δυνατότητες φιλτραρίσματος δεδομένων του IoT πριν αυτά μεταφερθούν στο υπολογιστικό νέφος (Cloud), και μπορεί να προσφέρει υπηρεσίες σαν του νέφους πιο κοντά στο IoT. Μέσα στην υπολογιστική ομίχλη, οι υπολογιστικοί πόροι, που ονομάζονται κόμβοι ομίχλης (Fog Nodes), οργανώνονται σε ομάδες, που ονομάζονται αποικίες ομίχλης (Fog Colonies) Παραδοσιακά, ο έλεγχος των αποικιών είναι σθεναρά κεντρικοποιημένος, με ειδικούς κόμβους που ονομάζονται Ενορχηστρωτές (orchestrators) ή Ελεγκτές Νέφους (Fog Controllers) να ελέγχουν σημαντικές λειτουργίες της αποικίας, όπως είναι ο σχηματισμός, η κατανομή φόρτου, καθώς και η διεπαφή με τον εξωτερικό κόσμο προς παροχή υπηρεσιών. Αν και αποκεντροποιημένες προσεγγίσεις συναντούνται συχνά σε κατανεμημένα συστήματα, τέτοιες προσπάθειες δεν έχουν εφαρμοστεί ακόμη στον έλεγχο αποικιών ομίχλης. Ωστόσο, βάσει της τρέχουσας βιβλιογραφίας, μία τέτοια προσέγγιση φαίνεται να είναι υποσχόμενη. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να εξερευνήσει τα οφέλη του κατανεμημένου ελέγχου αποικιών ομίχλης, ειδικά όσο το μέγεθος των αποικιών αυξάνεται. Καθώς ο κεντρικοποιημένος έλεγχος είναι ο επικρατών τρόπος ελέγχου, εστιάσαμε στην ενίσχυση της αυτόνομης λειτουργίας των Κόμβων Ομίχλης, και υλοποιήσαμε ένα ενδιάμεσο λογισμικό κόμβων ομίχλης με δυνατότητες αυτο-ελέγχου, με στόχο την αποδοτική υποστήριξη του αποκεντροποιημένου ελέγχου των αποικιών. Για να ενισχύσουμε την αυτόνομη ικανότητα λήψης αποφάσεων των κόμβων, εμφυσήσαμε την Επίγνωση Πληροφοριών Υπηρεσιακού Πλαισίου (Context Awareness) στο ενδιάμεσο λογισμικό. Οι έννοιες των Πολιτικών (policies) και των Εγχειριδίων Κανόνων Πολιτικών (Policy Rulebooks) εισήχθησαν για να επιτρέψουμε την τυποποίηση των λειτουργιών που πραγματοποιούνται από όλους τους κόμβους, και υποστηρίζουν την διάχυση της κατάστασης των κόμβων μεταξύ των μελών της αποικίας. Δύο διαφορετικές μελέτες περίπτωσης πραγματικού κόσμου χρησιμοποιήθηκαν ως η βάση ελέγχου για το ενδιάμεσο λογισμικό: Μία έξυπνη εφαρμογή διαχείρισης έξυπνου κτιρίου, και μία εφαρμογή εκκένωσης κτιρίου, βασισμένες σε συσκευές και αισθητήρες IoT. Και στις δύο περιπτώσεις, η απόδοση των κόμβων των ιδίων, και των υπηρεσιών που παρέχει η Αποικία Ομίχλης ερευνήθηκαν καθώς το μέγεθος της αποικίας αυξανόταν. Αυτό επέτρεψε να ερευνήσουμε την διαφορά μεταξύ εκδόσεων του ενδιάμεσου λογισμικού με επίγνωση ή χωρίς επίγνωση των πληροφοριών υπηρεσιακού πλαισίου, καθώς και τις διαφορές μεταξύ κεντροποιημένης και αποκεντροποιημένης διάχυσης πληροφοριών. Τα αποτελέσματα δείχνουν τις δυνατότητες του αποκεντροποιημένου ελέγχου στις αποικίες ειδικά όσο το μέγεθός τους αυξάνεται.