Schulte, StefanStefanSchulte1357687130000-0001-6828-9945Skarlat, OlenaOlenaSkarlat2025-08-182025-08-182023Technische Universität Wien (2023)https://hdl.handle.net/11420/57007Das Internet of Things (IoT) führt zu einer ständig wachsenden Anzahl an vernetzten IoT-Geräten. Diese Geräte fungieren nicht nur als Sensoren oder Aktuatoren, sondern verfügen über Rechen-, Speicher- und Netzwerkressourcen, die oft nicht weiter in Betracht gezogen werden. Da sich diese Geräte am Rande des Netzwerks befinden, können sie genutzt werden, um IoT-Applikationen verteilt auszuführen. Die Kombination von IoT-Geräten am Rande des Netzwerks und von Ressourcen in der Cloud ermöglichen neuartige IoT-Szenarien und Anwendungsfälle wie beispielsweise Smart Cities. Dieses neue Paradigma, das die nahtlose Verwendung von Infrastruktur und Rechenkapazitäten am Rande des Netzwerks bis hin zur Cloud ermöglicht, wird als Fog Computing bezeichnet. Während die theoretischen Grundlagen des Fog Computings bereits gelegt wurden, fehlt es an konkreten Ansätzen für die effiziente Nutzung von Fog-basierten Rechenressourcen. Eine besondere Herausforderung bei der Nutzung dieser Ressourcen in der Fog ist die geographische Verteilung der Datenquellen und die Zuverlässigkeit sowie die Fehlertoleranz von IoT-Geräten. Weitere Problemstellungen ergeben sich durch die Verzögerungsempfindlichkeit von IoT-Applikationen. Um eine effiziente Nutzung Fog-basierter Rechenressourcen zu ermöglichen, führt diese Arbeit das Prinzip sogenannter Fog-Kolonien ein. Diese Mini-Rechenzentren bestehen aus Geräten am Rande des Netzwerks und Ressourcen in der Cloud. Eine Vielzahl von Fog-Kolonien bilden eine Fog-Landschaft, in der die Ausführung von IoT-Applikationen ermöglicht wird. Dafür stellen wir eine konzeptionelle Architektur und neuartige Ansätze für die Ressourcenbereitstellung und Dienstplatzierung in der Fog vor. Wir modellieren Ressourcen und Applikationen in der Fog und formulieren und lösen das Fog Service Placement Problem, um IoT-Applikationen effizient in der Fog ausführen zu können. Diese Dissertation befasst sich mit den grundlegenden Problemen, die mit der Einführung von Fog Computing einhergehen. Die entwickelte konzeptionelle Architektur für Fog Computing bildet die Grundlage für das Fog Computing Framework FogFrame – ein System, das in der Lage ist, IoT- und Cloud-Ressourcen in einer Fog-Landschaft zu verwalten und zu überwachen und IoT-Applikationen auszuführen. FogFrame ermöglicht die Kommunikation und Interaktion von Geräten innerhalb der Fog sowie die dezentrale Platzierung und Ausführung von Applikationen. Wir analysieren die Leistung verschiedener Ansätze zur Ressourcenbereitstellung in FogFrame. Weiters demonstrieren wir die Fähigkeit von FogFrame, Anpassungen an volatile Änderungen in der Fog durchzuführen inklusive Maßnahmen zum Ausgleich von Lastspitzen und zur Wiederherstellung von Applikationen nach dem Ausfall von Ressourcen.The Internet of Things (IoT) leads to an ever-growing presence of ubiquitous networked IoT devices. The computational resources of these devices, which can be used not only for collecting data but also for data processing, are often neglected. Being located at the network edge, these resources can be exploited to execute IoT applications in a distributed manner. The combination of the IoT devices at the edge and resources in the cloud opens doors to novel IoT scenarios and use cases, for example, smart cities. This new paradigm, which seamlessly considers technology, infrastructure, and computations from the edge to the cloud, is known as fog computing. While the theoretical foundations of fog computing have been already established, there is a lack of concrete approaches to enable the efficient exploitation of fog-based computational resources. Particular challenges of adopting these resources in the fog are the adherence to the geography of data sources, the reliability and fault tolerance of computational resources of IoT devices, and the delay-sensitivity of IoT applications. In order to enable the efficient exploitation of fog-based computational resources, this thesis introduces fog colonies, which resemble mini data centers consisting of devices at the edge of the network and in the cloud. A multitude of fog colonies forms a fog landscape, where we aim to enable IoT application execution. For that, we introduce a conceptual architecture and novel approaches for resource provisioning and service placement in the fog. We model resources and applications in the fog and formulate and solve the Fog Service Placement Problem to efficiently distribute IoT applications over fog resources. This thesis addresses the fundamental and critical issues that come along with the adoption of fog computing. The conceptual architecture for fog computing becomes the foundation for the fog computing framework FogFrame – a system able to manage and monitor edge and cloud resources in a fog landscape, and to execute IoT applications. We enable communication and interaction within the fog as well as provide application management, namely decentralized service placement, deployment, and execution. We show, through experiments in FogFrame, the performance of different resource provisioning approaches in a real-world fog as well as adaptations to volatile changes in the fog, balancing the workload, and recovering from failures.enTechnology::600: TechnologyDoctoral Thesis10.34726/hss.2023.117400Spillner, JosefJosefSpillnerBermbach, DavidDavidBermbachOther