Analysis and Upgrade of Kubernetes Platform for Edge-Cloud Continuum

Bregar, Vid (author), Jurič, Branko Matjaž (mentor), Kao, Odej (comentor)

As the digital landscape evolves, the demand for high-performance, low-latency computing has surged, pushing traditional cloud computing to its limits. This has led to the development of edge-cloud continuum, which integrates and leverages the strengths of cloud, fog and edge computing. This master’s thesis presents a comprehensive system design and evaluation of a Kubernetes-based platform that facilitates seamless integration between the cloud and fog layers. Key contributions include a comparative analysis of single versus multi-cluster Kubernetes architectures, federation solutions, and cluster network interconnection strategies. The introduction of workload descriptors enables infrastructure engineers to provide deeper insights into the edge-cloud continuum requirements and preferences of various workloads. By integrating the Federation Scheduler with the Federation Data Collector and workload descriptors, workload placement is significantly improved compared to the standard Kubernetes scheduler, as demonstrated by a 46% improvement in the average edge-cloud continuum placement score without sacrificing scheduling time. This score evaluates factors such as CPU, memory, uptime, bandwidth, latency, fault tolerance, and unscheduled pods. Additionally, Federation Deschedulers maintain a high and stable edge-cloud continuum placement score despite environmental changes, ensuring that edge-cloud continuum objectives are met at any point in time.

• Language: English
• Keywords: edge-cloud continuum, platform architecture, multi-cluster Kubernetes
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FRI - Faculty of Computer and Information Science
• Year: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-165059
• Publication date in RUL: 21.11.2024

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Analiza in nadgradnja platforme Kubernetes za robno-oblačni kontinuum

Abstract

Z razvojem sodobnih aplikacij se je povpraševanje po visoko zmogljivem računanju z nizko zakasnitvijo povečalo, kar je tradicionalno računalništvo v oblaku potisnilo do svojih meja. To je vodilo k razvoju robno-oblačnega kontinuuma, ki združuje in izkorišča prednosti računalništva v oblaku, megli in na robu. Magistrsko delo predstavlja celovito sistemsko zasnovo in evalvacijo platforme, ki temelji na Kubernetesu in omogoča integracijo med oblakom in meglo. Ključni prispevki vključujejo primerjalno analizo arhitektur Kubernetes z eno in več gručami, federacijskih rešitev ter strategij povezovanja omrežij gruč. Z uvedbo deskriptorjev delovnih obremenitev lahko infrastrukturni inženirji opišejo robno-oblačne zahteve in preference različnih delovnih obremenitev. Z integracijo Federacijskega razvrščevalnika, Federacijskega zbiralnika podatkov in deskriptorjev delovnih obremenitev se bistveno izboljša razvrščanje delovnih obremenitev v primerjavi s standardnim razvrščevalnikom Kubernetes, kar dokazuje 46-odstotno izboljšanje povprečne ocene robno-oblačne postavitve, brez vpliva na praktično časovno zahtevnost. Ta ocena zajema dejavnike, kot so CPE, pomnilnik, čas neprekinjenega delovanja, pasovna širina, latenca, odpornost na napake in nerazporejenost strokov. Dodatno Federacijski premeščevalniki ohranjajo visoko in stabilno oceno robno-oblačne postavitve tudi ob spremembah v okolju, kar zagotavlja doseganje ciljev robno-oblačnega kontinuuma v vsakem trenutku.

• Keywords: robno-oblačni kontinuum, arhitektura platforme, večgručni Kubernetes