From the Edge to the Cloud, an innovative approach to hybrid computing

This thesis presents a comprehensive study on the design, implementation, and evaluation of a stateful Function-as-a-Service (FaaS) framework tailored for edge computing environ ments. Edge computing has emerged as a promising paradigm to address the latency and bandwidth constraints of centralized cloud computing by bringing computation closer to the end users. However, existing FaaS frameworks primarily focus on stateless functions, limiting their applicability for complex edge computing applications that require state management. To address this limitation, we propose a framework compatible with OpenFaaS, a pop ular open-source FaaS platform, that incorporates stateful capabilities and automatic offloading of function execution to higher nodes in the infrastructure hierarchy. We draw inspiration from Cloudflare’s Durable Objects[43] to enable efficient session management, data consistency, and seamless scalability on the edge. The thesis begins with a comprehensive review of existing FaaS frameworks and platforms, critically analyzing their methodologies, results, and weaknesses. Real-world applications and case studies are examined to assess the impact of stateful functions on efficiency, latency, and user experience. Based on this analysis, we justify the need for a stateful FaaS framework for edge computing. The design and implementation of our modified OpenFaaS framework are presented, high lighting the integration of stateful capabilities and automatic offloading. We discuss the architectural enhancements, leveraging containerization with Docker and orchestration with Kubernetes to achieve portability and scalability. We also describe the incorpora tion of session management and data migration mechanisms to ensure seamless transition and optimal resource utilization. To evaluate the performance and efficiency of our framework, extensive experiments and benchmarking are conducted and through the obtained results we demonstrate the ad vantages of our stateful FaaS solution in real-world edge computing scenarios.

Questa tesi presenta uno studio completo sulla progettazione, l’implementazione e la val utazione di un framework Function-as-a-Service (FaaS) stateful adattato agli ambienti di edge computing. L’edge computing ha dimostrato di essere un paradigma promettente per affrontare i vincoli di latenza e consumo di banda del cloud computing centralizzato, avvicinando la computazione agli utenti finali. Tuttavia, i framework FaaS esistenti si con centrano principalmente su funzioni stateless, limitando la loro applicabilità a casistiche complesse di edge computing che richiedono la gestione dello stato. Per ovviare a questa limitazione, proponiamo un framework compatibile con OpenFaaS, una popolare piattaforma FaaS open-source, che incorpora la gestione dello stato sotto forma di sessioni e l’offloading automatico dell’esecuzione ai nodi superiori della gerarchia dell’infrastruttura. Ci siamo ispirati ai Durable Objects di Cloudflare [43] per consentire una gestione efficiente delle sessioni, la coerenza dei dati e la scalabilità sull’edge. La tesi inizia con una revisione completa dei framework e delle piattaforme FaaS esistenti, analizzando le loro metodologie, i risultati e le debolezze. Vengono esaminate applicazioni e casi di studio del mondo reale per valutare l’impatto delle funzioni stateful su efficienza, latenza ed esperienza dell’utente. Sulla base di questa analisi, si giustifica la necessità di un framework FaaS stateful per l’edge computing. Vengono presentati il progetto e l’implementazione del nostro framework, evidenziando l’integrazione delle funzionalità stateful e dell’offloading automatico. Si discutono i miglio ramenti architetturali, sfruttando la containerizzazione con Docker e l’orchestrazione con Kubernetes per ottenere portabilità e scalabilità. Descriviamo inoltre l’incorporazione di meccanismi di gestione delle sessioni e di migrazione dei dati per garantire una transizione fluida e un utilizzo ottimale delle risorse. Per valutare le prestazioni e l’efficienza del nostro framework, sono stati condotti svariati esperimenti e benchmark che dimostrano i vantaggi della nostra soluzione FaaS stateful in scenari di edge computing reali.