Abstract

The Function-as-a-Service (FaaS) paradigm supports many Cloud-native applications, but rising demand for low-latency services exceeds what the Cloud alone can deliver. Edge computing addresses this limitation; however, its heterogeneity and fragmented administrative domains, together with the workload dynamicity, greatly complicate resource coordination and function replica allocation across the Edge–Cloud continuum. This paper addresses these challenges through two complementary contributions. First, we formalize the Function Replica Allocation and Load Balancing (FRALB) problem in the Edge–Cloud continuum as a Distributed orchestration problem referred to as DiFRALB. The formulation jointly optimizes function placement, horizontal offloading among Edge nodes, and vertical offloading toward Cloud resources. Computation offloading plays a central role in this setting, as it enables workloads to be distributed across heterogeneous Edge and Cloud infrastructures while meeting performance requirements. Second, recognizing that centralized orchestration approaches suffer from scalability limitations and raise privacy concerns in multi-stakeholder environments, we propose FaaS-MACrO, a distributed multi-agent orchestration architecture designed to solve the DiFRALB problem. In FaaS-MACrO, each Edge node operates as an independent agent making local decisions, while a lightweight coordinator ensures global consistency by iteratively updating offloading prices to resolve conflicts among neighboring nodes. Crucially, coordination requires only minimal information exchange, thereby preserving operational privacy. Our solution approach jointly optimizes processing and offloading decisions by capturing the trade-offs among local execution efficiency, horizontal offloading latency, and vertical offloading costs. Extensive experiments across heterogeneous node configurations, diverse network topologies, and varying function characteristics demonstrate that FaaS-MACrO achieves solutions within 0.03–12.14% of the centralized optimum on average while significantly improving scalability, reducing solution times by up to three orders of magnitude in large-scale deployments with 200 nodes.
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El artículo aborda un problema clave en la computación distribuida actual: la gestión eficiente de aplicaciones serverless en el continuo Edge–Cloud, especialmente en escenarios con requisitos estrictos de latencia y alta heterogeneidad de recursos. En este contexto, el trabajo propone una solución innovadora para el problema de asignación de réplicas de funciones y balanceo de carga (FRALB), integrando de forma conjunta decisiones de ejecución local, offloading horizontal entre nodos Edge y offloading vertical hacia la nube. La contribución se articula en dos niveles. En primer lugar, se desarrolla una formulación matemática rigurosa basada en programación lineal entera mixta (MILP), que permite modelar el problema de forma global y obtener una solución óptima de referencia. En segundo lugar, se propone una arquitectura distribuida multiagente (FaaS-MACrO), en la que cada nodo toma decisiones autónomas basadas en información local, mientras que un coordinador ligero asegura la coherencia global mediante un mecanismo iterativo de precios. Este enfoque permite superar las limitaciones de los sistemas centralizados, mejorando la escalabilidad y reduciendo la necesidad de compartir información sensible, lo que resulta especialmente relevante en entornos con múltiples actores. El modelo incorpora además una función objetivo basada en bienestar social, que captura el equilibrio entre eficiencia computacional, latencia y costes de comunicación, proporcionando un marco sólido para la toma de decisiones distribuidas. La validación experimental, realizada sobre escenarios de gran escala, demuestra que la solución propuesta alcanza resultados cercanos al óptimo centralizado (con desviaciones medias reducidas) y mejora significativamente los tiempos de cálculo, lo que confirma su aplicabilidad en sistemas reales dinámicos.

Citation

Filippini, F., Lujak M., Ciavotta, M.: Distributed Replica Allocation and Load Balancing for Edge-Cloud FaaS. Journal of Systems Architecture, vol. 176, July 2026, 103787. Elsevier

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