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M. Mittermayr:
"Enabling Nomadic Applications in Fog Computing Infrastructures";
Supervisor: S. Dustdar, T. Rausch, C. Hochreiner; Institute of Information Systems Engineering, Distributed Systems Group, 2021; final examination: 2021-03-10.

The rapidly gaining interest and adaption of the Internet of Things (IoT) in today´s industry has led to the development of alternative deployment models, complementing well-established Cloud based ones. The extension of the Cloud by Fog computing establishes a unified platform combining the best of both worlds, i.e., the virtually endless scalability of the Cloud and close proximity to data sources in Fog environments, enabling new data processing possibilities to address common challenges in the IoT. More recently, the concept of Nomadic applications has emerged in the literature, where autonomous applications dynamically travel amongst connected Fogs. As Fogs, however, are typically limited in their computational resources and stateful applications restricted to a single instance, a fair and efficient application relocation request scheduling may greatly benefit the systems overall efficiency. In the course of this work we devised and implemented a Nomadic Application framework focusing on autonomous, stateful applications including application upgrade and recovery mechanisms in order to evaluate a novel auction-based scheduling mechanism. To this end, we have identified scenarios from the manufacturing domain including common application failure and upgrading scenarios and performed a series of experiments for the evaluation of the proposed scheduling algorithm. Our experiments have shown significant improvement with respect to a metric indicating latencies for processing application relocation requests compared to a naïve FIFO scheduling baseline. Beyond that our auctioning-based scheduler has also proven to be particularly advantageous in combination with domain knowledge, allowing fine grained control and strategic bids on individual Nomadic Applications.

Das steigende Interesse sowie der damit einhergehende Einzug des Internets der Dinge in die aktuelle Industrie, hat zur Entwicklung alternativer Bereitstellungsmodelle zu den bereits gut etablierten Cloud-basierten Modellen geführt. Durch die Erweiterung der Cloud durch Fog Computing entsteht eine einheitliche Plattform, welche das beste aus beiden Welten kombiniert, d.h. die scheinbare grenzenlose Skalierbarkeit der Cloud sowie die unmittelbare Nähe zu den Datenquellen in Fogs, wodurch neue Datenverarbeitungsmöglichkeiten zu Adressierung gängiger Hausforderungen des Internets der Dinge ermöglicht werden. In jüngerer Vergangenheit hat sich in der Literatur das Konzept der Nomadic Applications, autonom agierenden Anwendungen, welche sich dynamisch innerhalb verbundener Fogs bewegen, etabliert. Da Fogs jedoch typischerweise in ihren Computer-Ressourcen und zustandsbehaftete Anwendungen auf eine einzelne Instanz beschränkt sind, kann ein faire und effiziente Anfragenabwickelung maßgeblich zur Steigerung der gesamt System Effizienz beitragen. Im Zuge dieser Arbeit haben wir ein Framework für Nomadic Applications ausgearbeitet und implementiert, welches sich auf autonom agierende, statusbehaftete Anwendungen fokussiert, Mechanismen für die Aktualisierung und Wiederherstellung der Anwendungen vorsieht und zur Evaluierung einer neuartigen auktionsbasierten Anfragenabwickelung dient. Zu diesem Zweck haben wir Szenarien aus dem Produktionssektor gewählt, darunter gängige Anwendungsfehler sowie Aktualisierungsszenarien und damit eine Reihe von Experimenten zur Evaluierung der neuartigen Anfragenabwickelung durchgeführt. Unsere Experimente zeigten eine signifikante Verbesserung der Metriken, unter anderem bestehend aus der Latenz bei der Abarbeitung von Anwendungsanfragen im Vergleich zur naiven FIFO Ausgangsimplementierung. Darüberhinausgehend hat sich unsere auktionsbasierte Anfragenabwickelung als besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit Fachwissen herausgestellt, wodurch die Ausübung feingranularer Kontrolle bei strategischen Geboten für spezifische Nomadic Applications ermöglicht wird.

Fog Computing / Cloud Computing / Internet of Things / Mobile Agents / Work Scheduling / Auctioning

http://dx.doi.org/10.34726/hss.2021.48826