شماره ركورد
25990
شماره راهنما
COM2 722
عنوان
سازوكار تركيبي براي مقياسدهي كوبرنتيز بر پايه يادگيري ماشين و پردازش لبه/مه در شبكههاي اينترنت اشيا
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر- شبكه هاي كامپيوتري
دانشكده
مهندسي كامپيوتر
تاريخ دفاع
1404/11/11
صفحه شمار
124 ص.
استاد راهنما
احمدرضا منتظرالقائم , محمدرضا خيامباشي
كليدواژه فارسي
اينترنت اشيا , پردازش مه , كوبرنتيز , يادگيري تقويتي , مقياسدهي خودكار , مديريت منابع , كيفيت سرويس , توليد ترافيك
چكيده فارسي
با گسترش روزافزون اينترنت اشيا (IoT) و توليد حجم عظيمي از دادهها توسط دستگاههاي انتهايي، معماريهاي سنتي متمركز ابري به دليل چالشهايي نظير تاخير بالا و محدوديت پهناي باند هسته شبكه ديگر قادر به برآورده ساختن الزامات برنامههاي حساس به زمان نيستند. در پاسخ به اين محدوديتها، پردازش مه و لبه به عنوان مكملهاي پردازش ابري مطرح شدهاند تا با نزديكتر كردن منابع محاسباتي به منبع توليد داده، كارايي سيستم را ارتقا دهند. اركستراسيون كانتينرها با استفاده از پلتفرم كوبرنتيز در اين محيطهاي توزيعشده، امكان مديريت انعطافپذير منابع را فراهم ميكند؛ اما سازوكارهاي پيشفرض مقياسدهي كوبرنتيز (مانند HPA) در مواجهه با بارهاي كاري ناهمگون و پوياي اينترنت اشيا، به دليل تكيه بر آستانههاي ايستا، دچار ناكارآمدي و تخصيص بيش از حد منابع ميشوند.
پژوهش حاضر، يك سازوكار تركيبي هوشمند براي مديريت منابع در معماري ابر/مه بر پايه كوبرنتيز را ارائه ميدهد. اين راهكار شامل دو بخش كليدي است. نخست، يك عامل مقياسدهي افقي پادها مبتني بر يادگيري تقويتي (RL) با استفاده از الگوريتم PPO كه با تحليل فضاي حالت چندبعدي شامل مصرف منابع و معيارهاي كيفيت سرويس (QoS)، تعداد بهينه پادها را به صورت پويا تنظيم ميكند. دوم، يك پراكسي هوشمند آگاه از لايه (Fog-aware) كه با بهرهگيري از معيارهاي استخراج شده از سامانه پايش Prometheus، ترافيك را به صورت بهينه ميان لايههاي ابر و مه توزيع مينمايد.
ارزيابي تجربي سيستم با استفاده از ابزار Locust و بازسازي الگوهاي ترافيكي واقعگرايانه براي چهار برنامه كاربردي ناهمگون (CoAP، REST، تشخيص چهره و استريم ويديويي) انجام شد. نتايج آزمايشها نشان داد كه روش پيشنهادي در مقايسه با سازوكار پيشفرض كوبرنتيز، ميانگين تاخير پاسخگويي را بهبود بخشيده (6 تا 17 درصد كمتر) و پايداري بيشتري در مديريت منابع نشان ميدهد. همچنين، پراكسي آگاه از لايه موفق شد تاخير انتهابهانتها را در برنامههاي محاسباتي سنگين نسبت به روش Round-Robin كاهش دهد (82/1 تا 8/2 برابر كمتر). يافتههاي اين پاياننامه نشانگر آن است كه تركيب يادگيري ماشين با اركستراسيون كانتينرها در لايه مه، ميتواند به طور موثري منجر به ارتقاي سطح كيفيت سرويس و بهينهسازي مصرف منابع در شبكههاي اينترنت اشيا گردد.
كليدواژه لاتين
Internet of Things , Fog Computing , Kubernetes , Reinforcement Learning , Autoscaling , Resource Management , Quality of Service , Traffic Generation.
عنوان لاتين
A Hybrid Mechanism for Kubernetes Scaling Based on Machine Learning and Edge/Fog Computing in IoT Networks
گروه آموزشي
مهندسي كامپيوتر
چكيده لاتين
With the ever-expanding proliferation of the Internet of Things (IoT) and the
generation of massive volumes of data by edge devices, traditional centralized
cloud architectures are no longer capable of meeting the requirements of latency-
sensitive applications due to challenges such as high latency and core network
bandwidth limitations. In response to these constraints, fog and edge computing
have emerged as complementary paradigms to cloud computing, enhancing system
efficiency by bringing computational resources closer to data sources. Container
orchestration using the Kubernetes platform in these distributed environments
enables flexible resource management; however, Kubernetesʹ default scaling
mechanisms (such as HPA) suffer from inefficiency and resource over-provisioning
when confronted with heterogeneous and dynamic IoT workloads, due to their
reliance on static thresholds.
The present research proposes an intelligent hybrid mechanism for resource
management in cloud/fog architectures based on Kubernetes. This solution
comprises two key components. First, a Reinforcement Learning (RL)-based
horizontal pod autoscaling agent utilizing the Proximal Policy Optimization (PPO)
algorithm, which dynamically adjusts the optimal number of pods by analyzing a
multidimensional state space including resource consumption and Quality of
Service (QoS) metrics. Second, a fog-aware intelligent proxy that optimally
distributes traffic between cloud and fog layers by leveraging metrics extracted
from the Prometheus monitoring system.
Experimental evaluation of the system was conducted using the Locust tool and
reconstruction of realistic traffic patterns for four heterogeneous applications
(CoAP, REST, face recognition, and video streaming). Experimental results
demonstrated that the proposed method, compared to Kubernetesʹ default
mechanism, improves average response latency (6 to 17 percent) and exhibits
greater stability in resource management. Furthermore, the fog-aware proxy
successfully reduced end-to-end latency (1.82 to 2.8-fold) in computationally
intensive applications compared to the Round-Robin approach. The findings of this
thesis indicate that the integration of machine learning with container orchestration
at the fog layer can effectively enhance Quality of Service levels and optimize
resource consumption in IoT networks.
سازمان طرف قرارداد
پژوهشگاه ارتباطات و فناوري اطلاعات
تعداد فصل ها
6
فهرست مطالب pdf
162567
نويسنده