A Modular and Scalable Software Reference Architecture for Decentralized Real-Time Execution on Edge Computing

Produktbeschreibung

Edge Computing is expected to solve the latency and best-effort delivery problems of the renowned Cloud
Computing. However, Edge Computing must be supported with a vendor-independent, scalable, and decentralized software reference architecture to fully exploit its benefits. This dissertation explains the enablers, requirements, and conceptual approach to create such architecture, and validates it with a framework to show its possibilities.

Contents
Foreword III
Abstract VII
Kurzfassung VIII
List of Abbreviations IX
1 Introduction 1
1.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 State of the Art 11
2.1 Cloud Computing and Edge Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.3 Enablers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Real‐Time Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Challenges in Real‐Time Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2 Scheduling for Real‐Time Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Scheduling and Decision Making Methodology 55
3.1 NAPATA Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Problem Formulation on Server Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Software Reference Architecture 65
4.1 Edge Server and End Device Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 Service and Task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Legacy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2 Simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.3 Simple Periodic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.4 Service Behaviours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.5 Service Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Implementation and Validation 83
5.1 Edge Server Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1.1 Configurator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 TCP Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.3 Message Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.4 Security Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.5 Resource Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.6 Orchestrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.7 Virtual Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.8 Other Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 Standard Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4 Requesting Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5 Topology Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6 Edge Server Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.7 Validation of Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6 Conclusion and Outlook 116
6.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A Appendix 120
A.1 Edge Topology Designer File Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A.2 Creation of an Edge Server Using RTEF: An Example . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.3 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Bibliography 129

Keywords: edge computing, echtzeit scheduling, fog computing, aufgabe übertragung, edge in produktion, edge server, software referenzarchitektur, edge computing, real-time scheduling, fog computing, task offloading, edge in manufacturing, edge server, software reference architecture