Energy-aware and adaptive fog storage mechanism with data replication ruled by spatio-temporal content popularity

Data traffic demand increases at a very fast pace in edge networking environments, with strict requisites on latency and throughput. To fulfil these requirements, among others, this paper proposes a fog storage system that incorporates mobile nodes as content providers. This fog storage system has a hybrid design because it does not only bring data closer to edge consumers but, as a novelty, it also incorporates in the system other relevant functional aspects. These novel aspects are the user data demand, the energy consumption, and the node distance. In this way, the decision whether to replicate data is based on an original edge service managed by an adaptive distance metric for node clustering. The adaptive distance is evaluated from several important system parameters like, distance from consumer to the data storage location, spatio-temporal data popularity, and the autonomy of each battery-powered node. Testbed results evidence that this flexible cluster-based proposal offers a more responsive data access to consumers, reduces core traffic, and depletes in a fair way the available battery energy of edge nodes.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Game theory for cooperation in multi-access edge computing

Cooperative strategies amongst network players can improve network performance and spectrum utilization in future networking environments. Game Theory is very suitable for these emerging scenarios, since it models high-complex interactions among distributed decision makers. It also finds the more convenient management policies for the diverse players (e.g., content providers, cloud providers, edge providers, brokers, network providers, or users). These management policies optimize the performance of the overall network infrastructure with a fair utilization of their resources. This chapter discusses relevant theoretical models that enable cooperation amongst the players in distinct ways through, namely, pricing or reputation. In addition, the authors highlight open problems, such as the lack of proper models for dynamic and incomplete information scenarios. These upcoming scenarios are associated to computing and storage at the network edge, as well as, the deployment of large-scale IoT systems. The chapter finalizes by discussing a business model for future networks.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Nomadic fog storage

Mobile services incrementally demand for further processing and storage. However, mobile devices are known for their constrains in terms of processing, storage, and energy. Early proposals have addressed these aspects; by having mobile devices access remote clouds. But these proposals suffer from long latencies and backhaul bandwidth limitations in retrieving data. To mitigate these issues, edge clouds have been proposed. Using this paradigm, intermediate nodes are placed between the mobile devices and the remote cloud. These intermediate nodes should fulfill the end users’ resource requests, namely data and processing capability, and reduce the energy consumption on the mobile devices’ batteries. But then again, mobile traffic demand is increasing exponentially and there is a greater than ever evolution of mobile device’s available resources. This urges the use of mobile nodes’ extra capabilities for fulfilling the requisites imposed by new mobile applications. In this new scenario, the mobile devices should become both consumers and providers of the emerging services. The current work researches on this possibility by designing, implementing and testing a novel nomadic fog storage system that uses fog and mobile nodes to support the upcoming applications. In addition, a novel resource allocation algorithm has been developed that considers the available energy on mobile devices and the network topology. It also includes a replica management module based on data popularity. The comprehensive evaluation of the fog proposal has evidenced that it is responsive, offloads traffic from the backhaul links, and enables a fair energy depletion among mobiles nodes by storing content in neighbor nodes with higher battery autonomy.Os serviços móveis requerem cada vez mais poder de processamento e armazenamento. Contudo, os dispositivos móveis são conhecidos por serem limitados em termos de armazenamento, processamento e energia. Como solução, os dispositivos móveis começaram a aceder a estes recursos através de nuvens distantes. No entanto, estas sofrem de longas latências e limitações na largura de banda da rede, ao aceder aos recursos. Para resolver estas questões, foram propostas soluções de edge computing. Estas, colocam nós intermediários entre os dispositivos móveis e a nuvem remota, que são responsáveis por responder aos pedidos de recursos por parte dos utilizadores finais. Dados os avanços na tecnologia dos dispositivos móveis e o aumento da sua utilização, torna-se cada mais pertinente a utilização destes próprios dispositivos para fornecer os serviços da nuvem. Desta forma, o dispositivo móvel torna-se consumidor e fornecedor do serviço nuvem. O trabalho atual investiga esta vertente, implementado e testando um sistema que utiliza dispositivos móveis e nós no “fog”, para suportar os serviços móveis emergentes. Foi ainda implementado um algoritmo de alocação de recursos que considera os níveis de energia e a topologia da rede, bem como um módulo que gere a replicação de dados no sistema de acordo com a sua popularidade. Os resultados obtidos provam que o sistema é responsivo, alivia o tráfego nas ligações no core, e demonstra uma distribuição justa do consumo de energia no sistema através de uma disseminação eficaz de conteúdo nos nós da periferia da rede mais próximos dos nós consumidores

Data Storage and Dissemination in Pervasive Edge Computing Environments

Nowadays, smart mobile devices generate huge amounts of data in all sorts of gatherings. Much of that data has localized and ephemeral interest, but can be of great use if shared among co-located devices. However, mobile devices often experience poor connectivity, leading to availability issues if application storage and logic are fully delegated to a remote cloud infrastructure. In turn, the edge computing paradigm pushes computations and storage beyond the data center, closer to end-user devices where data is generated and consumed. Hence, enabling the execution of certain components of edge-enabled systems directly and cooperatively on edge devices. This thesis focuses on the design and evaluation of resilient and efficient data storage and dissemination solutions for pervasive edge computing environments, operating with or without access to the network infrastructure. In line with this dichotomy, our goal can be divided into two specific scenarios. The first one is related to the absence of network infrastructure and the provision of a transient data storage and dissemination system for networks of co-located mobile devices. The second one relates with the existence of network infrastructure access and the corresponding edge computing capabilities. First, the thesis presents time-aware reactive storage (TARS), a reactive data storage and dissemination model with intrinsic time-awareness, that exploits synergies between the storage substrate and the publish/subscribe paradigm, and allows queries within a specific time scope. Next, it describes in more detail: i) Thyme, a data storage and dis- semination system for wireless edge environments, implementing TARS; ii) Parsley, a flexible and resilient group-based distributed hash table with preemptive peer relocation and a dynamic data sharding mechanism; and iii) Thyme GardenBed, a framework for data storage and dissemination across multi-region edge networks, that makes use of both device-to-device and edge interactions. The developed solutions present low overheads, while providing adequate response times for interactive usage and low energy consumption, proving to be practical in a variety of situations. They also display good load balancing and fault tolerance properties.Resumo Hoje em dia, os dispositivos móveis inteligentes geram grandes quantidades de dados em todos os tipos de aglomerações de pessoas. Muitos desses dados têm interesse loca- lizado e efêmero, mas podem ser de grande utilidade se partilhados entre dispositivos co-localizados. No entanto, os dispositivos móveis muitas vezes experienciam fraca co- nectividade, levando a problemas de disponibilidade se o armazenamento e a lógica das aplicações forem totalmente delegados numa infraestrutura remota na nuvem. Por sua vez, o paradigma de computação na periferia da rede leva as computações e o armazena- mento para além dos centros de dados, para mais perto dos dispositivos dos utilizadores finais onde os dados são gerados e consumidos. Assim, permitindo a execução de certos componentes de sistemas direta e cooperativamente em dispositivos na periferia da rede. Esta tese foca-se no desenho e avaliação de soluções resilientes e eficientes para arma- zenamento e disseminação de dados em ambientes pervasivos de computação na periferia da rede, operando com ou sem acesso à infraestrutura de rede. Em linha com esta dico- tomia, o nosso objetivo pode ser dividido em dois cenários específicos. O primeiro está relacionado com a ausência de infraestrutura de rede e o fornecimento de um sistema efêmero de armazenamento e disseminação de dados para redes de dispositivos móveis co-localizados. O segundo diz respeito à existência de acesso à infraestrutura de rede e aos recursos de computação na periferia da rede correspondentes. Primeiramente, a tese apresenta armazenamento reativo ciente do tempo (ARCT), um modelo reativo de armazenamento e disseminação de dados com percepção intrínseca do tempo, que explora sinergias entre o substrato de armazenamento e o paradigma pu- blicação/subscrição, e permite consultas num escopo de tempo específico. De seguida, descreve em mais detalhe: i) Thyme, um sistema de armazenamento e disseminação de dados para ambientes sem fios na periferia da rede, que implementa ARCT; ii) Pars- ley, uma tabela de dispersão distribuída flexível e resiliente baseada em grupos, com realocação preventiva de nós e um mecanismo de particionamento dinâmico de dados; e iii) Thyme GardenBed, um sistema para armazenamento e disseminação de dados em redes multi-regionais na periferia da rede, que faz uso de interações entre dispositivos e com a periferia da rede. As soluções desenvolvidas apresentam baixos custos, proporcionando tempos de res- posta adequados para uso interativo e baixo consumo de energia, demonstrando serem práticas nas mais diversas situações. Estas soluções também exibem boas propriedades de balanceamento de carga e tolerância a faltas