Elastic Computing

Das Wachstum des Internets und die Einführung damit verbundener Technologien wie zum Beispiel innovative Kommunikationstechniken (5G, Powerline Communication, globale Satellitenkommunikation usw.) oder auch Edge- und Cloud-basierte Systeme bringen enorme Vorteile. Um von der Vielfalt dieser Technologien zu profitieren, ist jedoch eine enge Integration erforderlich, insbesondere um eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit sowie eine wesentlich bessere Sicherheit zu gewährleisten. Das ist die Aufgabe von Elastic Computing.

Elastic Computing ist ein aktuelles, hochinnovatives Forschungsgebiet, das sich gerade erst entwickelt. In diesem Forschungsfeld können Fragen wie die Sicherstellung von Quality of Service und Quality of Experience in hybriden Netzen durch intelligente Bündelung von Übertragungskanälen und Lastausgleich zwischen Edge-Fog-Cloud mit Hilfe von KI-gestützten Maßnahmen erreicht werden. Mit dem Lastausgleich gewinnen die Aspekte der Vertraulichkeit, Integrität und des Schutzes der Privatsphäre in den höheren Schichten deutlich an Bedeutung. So werden beispielsweise im Bereich der 5G-Campusnetze-Patientendaten übertragen und verarbeitet. Wenn gleichzeitig der Verarbeitungsort dynamisch an die aktuelle Netzauslastung angepasst wird, müssen geeignete „Verarbeitungscontainer“ entwickelt werden, die sowohl die Vertraulichkeit der Daten als auch der Verarbeitungsalgorithmen gewährleisten können. Die Herausforderung dabei ist, dass diese Container in potentiell „feindlichen“ Umgebungen eingesetzt werden können. „Feindlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang die Ausführung außerhalb des Zuständigkeitsbereiches des Eigentümers der Daten oder Algorithmen und auf möglicherweise unbekannter Hardware. Die ersten Projektvorschläge für elastisches Rechnen sind in Vorbereitung.
Die Forschung ist nicht nur auf stationäre IT-Systeme beschränkt, sondern betrachtet auch hochmobile Anwendungen, wie Fahrzeug- und Drohnenszenarien. Solche Anwendungen stellen enorme Herausforderungen an die Echtzeitkommunikation und die Datenverarbeitung mit geringer Latenzzeit, da solche Fahrzeuge und Drohnen unter wechselnder Netzwerkperformance leiden, mit häufigen Handovers und Verbindungsabbrüchen. Elastic Computing kann diese Probleme jedoch durch dynamische Anpassung der Netzverbindungen lösen, inkl. der Auslagerung von Berechnungen auf nahe gelegenen Edge-Servern sowie durch Datenvorverarbeitung mit Hardware-Beschleunigern direkt in den Fahrzeugen.
Anstatt sich nur auf die aktuelle IoT-to-Cloud-Performance zu verlassen, werden Methoden zur Vorhersage künftiger Probleme in Netzwerk-, Verarbeitungs- und Speicherinfrastrukturen erforscht. Auf diese Weise können solche Probleme im Vorhinein behandelt werden, bevor sie zu Netzwerk- und Serverausfällen führen würden. Bei den Vorhersagen werden verschiedene Methoden der künstlichen Intelligenz verwendet, die nicht nur frühere Probleme in Betracht ziehen, sondern auch aktuelle Parameter wie Verzögerungen oder die Prozessorauslastung berücksichtigen. Da die KI-Methoden eine enorme Rechenleistung und in der Regel High-End-Server erfordern, werden auch Hardware-Beschleuniger untersucht, um KI-Algorithmen auf kleinen, eingebetteten Systemen auszuführen.
 

Forschungsziele

• Integration von Netzwerk-, Rechen- und Speicherressourcen mit folgenden Zielen:
  • Höhere Leistung
  • Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit
  • Sicherheit und Datenschutz
• Quality of Service and Quality of Experience  Erlebnisqualität für komplexe Systeme, vom IoT bis zur Cloud
• Künstliche Intelligenz für Geräte mit eingeschränkten Ressourcen

Forschungsschwerpunkte

• Netwerke, Datenverarbeitung und Speichersysteme vom IoT bis zu Cloud-Architekturen
• KI-basierte Vorhersage von künftigen Ausfällen
• Selbstheilende Netzwerk- und Rechensysteme
• Dynamische Verlagerung von Verarbeitungsaufgaben zwischen Edge, Fog und Cloud
• Sicherheit und Datenschutz bei der Übertragung und Verarbeitung sensibler Daten
• Robuste Kommunikation in hochmobilen Systemen

Forschungsergebnisse

Bereits im Jahr 2008 haben wir uns mit mit der Integration von Netzwerksystemen befasst, in Rahmen des P7 EU OMEGA Projektes. Damals untersuchten wir die Herausforderungen heterogener Heimnetzwerke, die aus verschiedenen Technologien wie Ethernet, WiFi, Glasfaser und Power Line Communication bestanden. Wir entwickelten eine innovative Netzwerkvirtualisierungsschicht, genannt InterMAC, die all diese Technologien integrierte und u.a. eine dynamische Auswahl von Netzwerkverbindungen, Lastausgleich und bessere Sicherheit ermöglichte. Außerdem verbesserte sie die gesamte Netzwerkleistung,  indem sie mehrere Links miteinander koppelte.
Am Ende des OMEGA-Projekts wurde die neue IEEE-Standardisierungsgruppe gegründet und im Jahr 2013 wurde der IEEE-Standard 1905.1 für heterogene Heimnetzwerke veröffentlicht.
In den folgenden Jahren setzten wir unsere Forschung zur Netzwerkintegration fort. Im Projekt AutoConfig2.5 haben wir beispielsweise den neuen IEEE 1905.1-Standard für eingebettete auf dem Markt vorhandene Geräte für Ethernet-, WiFi- und PLC-Technologien untersucht. 
Im Projekt BondMobil untersuchten wir die Integration und das Bonding mehrerer LTE-Mobilfunkverbindungen von verschiedenen Netzbetreibern, um den Netzwerkdurchsatz zu erhöhen, die Latenzzeit zu verringern und die hohe Netzwerk- und Dienstverfügbarkeit in Szenarien mit hohem Mobilitätsgrad zu unterstützen. Auf diese Weise profitieren Fahrzeuge mit mehreren LTE-Routern von einer zuverlässigen Internetverbindung, selbst wenn sie sich in ländlichen Gebieten bewegen. 
Die letzten Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation werden in naher Zukunft eine Kommunikation mit ultrahoher Geschwindigkeit ermöglichen, sogar mit 1 Tbps ohne Kabel. Dieser enorme Anstieg der Netzwerkgeschwindigkeit stellt auch die Integrations- und Virtualisierungsebenen vor neue Herausforderungen, da ein einzelnes Paket innerhalb von Nanosekunden verarbeitet werden muss. Wir haben diese Herausforderungen im Rahmen des H2020 EU-Projekts WORTECS untersucht und eine hardwarebasierte Virtualisierungsschicht für zukünftige drahtlose Hochgeschwindigkeitsverbindungen entwickelt.