Concept and implementation of a TOSCA orchestration engine for edge and IoT infrastructures

Abstract

Reliable and automated management technologies are essential to support the fast growth of Internet of Things (IoT) applications and infrastructures. Manually deploying IoT applications on thousands of devices in a heterogeneous environment is complex, time-consuming, and error-prone. IoT devices are mostly embedded systems which are deployed as edge devices at specific physical locations where they provide their service by interacting with the physical environment and each other. For example, outdoor temperature sensors, traffic sensors on highways, or remote controlled lights. From a technical perspective, this cyber-physical nature of IoT applications is their most valuable but also their most challenging characteristic. To keep up with the proliferation of IoT technologies, as well as the fast growing needs of IoT applications, their development and deployment speed must increase accordingly. Techniques such as DevOps and continuous delivery, which are well-known in the context of cloud applications, are slowly adapted for IoT applications. One challenge of this process is to automate the deployment and management of IoT applications on edge infrastructures. The Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications (TOSCA) enables the automated provisioning and management of various kinds of applications. However, its general-purpose modeling language makes it difficult to capture the cyber-physical nature of IoT applications. Existing TOSCA orchestration engines do not account for the low reliability, size, and heterogeneity of IoT infrastructures. To tackle these issues, this work introduces the Reconciliation-based IoT Application Management (RITAM) approach to manage IoT application deployments on IoT and edge infrastructures. It combines domain-specific modeling of IoT infrastructures and general-purpose modeling using TOSCA. To apply the RITAM approach, this work formalizes the Controller and Reconciler Pattern which replaces imperative management workflows with eventually consistent reconciliation. Moreover, the practical feasibility of RITAM is validated using a prototypical implementation.

Zuverlässige und automatisierte Management Technologien sind notwending um das schnelle Wachstum von Internet of Things (IoT) Anwendungen und Infrastrukturen zu unterstützen. Manuelles Bereitstellen von IoT Anwendungen auf tausenden Geräten in einer heterogenen Umgebung ist komplex, zeitaufwändig und fehleranfällig. IoT Geräte sind meist eingebettete Systeme, welche als Edge-Geräte an bestimmten Orten eingesetzt werden, wo diese durch Interaktion mit der physischen Umgebung und Interaktionen untereinander ihren Service bereitstellen. Zum Beispiel Außentemperatursensoren, Stausensoren auf Autobahnen oder ferngesteuerte Lichter. Aus technischer Sicht ist die "cyber-physische" Beschaffenheit von IoT Anwendungen das wertvollste, aber auch das herausfordernste Merkmal. Um sowohl mit dem schnellen Wachstum von IoT Technologien, als auch dem schnell wachsenden Bedarf an IoT Anwendungen Schritt zu halten, muss auch deren Entwicklungs- und Bereitstellungsgeschwindigkeit entsprechend ansteigen. Techniken wie DevOps und Continuous Delivery, welche aus dem Bereich von Cloud-Anwendungen bekannt sind, werden langsam für IoT Anwendungen angepasst und eingesetzt. Eine Herausforderung dabei ist, die Bereitstellung und das Management von IoT Anwendungen auf Edge-Infrastrukturen zu automatisieren. Die Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications (TOSCA) ermöglicht die automatisierte Bereitstellung und das Management von verschiedenen Arten von Anwendungen. Diese Allzweck-Modellierungssprache macht es jedoch schwierig die "cyber-physische" Beschaffenheit von IoT Anwendungen zu erfassen. Existierende TOSCA Orchestration Engines berücksichtigen nicht die geringe Zuverlässigkeit, Größe und Heterogenität von IoT-Infrastrukturen. Um diese Probleme zu bewältigen, stellt diese Arbeit den Reconciliation-based IoT Application Management (RITAM) Ansatz vor, welcher es erlaubt IoT Anwendungen auf IoT und Edge-Infrastrukturen zu verwalten. Der Ansatz kombiniert domänenspezifische Modellierung von IoT Infrastrukturen mit generischer Modellierung basierend auf TOSCA. Um den RITAM Ansatz umzusetzen, formalisiert diese Arbeit das Controller und Reconciler Pattern, welches imperative Workflows durch "eventually consistent" Reconciliation ersetzt. Darüber hinaus wird die praktische Machbarkeit von RITAM anhand einer prototypischen Implementierung validiert.