[論文レビュー] A Publish/Subscribe QoS-aware Framework for Massive IoT Traffic Orchestration

Pedro F. Moraes, Rafael F. Reale+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ICNベースのアーキテクチャと帯域幅割り当てモデル（BAM）を用いて、QoSに配慮したパub/SubフレームワークであるPSIoT-Orchを提案する。このフレームワークは、QoSレベルに応じて動的にネットワークリソース（LSP帯域幅）を割り当てることで、大規模なIoTトラフィックのオーケストレーションを実現する。バッファ状態を監視し、高優先度ストリームに帯域幅を再割り当てすることで、効率的で予測可能なIoTデータの配信を保証する。Mininetを用いたプロトタイプ実装により、混雑状態下でも効果的な負荷分散とQoSの強制が確認された。

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) application deployment requires the allocation of resources such as virtual machines, storage, and network elements that must be deployed over distinct infrastructures such as cloud computing, Cloud of Things (CoT), datacenters and backbone networks. For massive IoT data acquisition, a gateway-based data aggregation approach is commonly used featuring sensor/ actuator seamless access and providing cache/ buffering and preprocessing functionality. In this perspective , gateways acting as producers need to allocate network resources to send IoT data to consumers. In this paper, it is proposed a Publish/-Subscribe (PubSub) quality of service (QoS) aware framework (PSIoT-Orch) that orchestrates IoT traffic and allocates network resources between aggregates and consumers for massive IoT traffic. PSIoT-Orch schedules IoT data flows based on its configured QoS requirements. Additionally , the framework allocates network resources (LSP/ bandwidth) over a controlled backbone network with limited and constrained resources between IoT data users and consumers. Network resources are allocated using a Bandwidth Allocation Model (BAM) to achieve efficient network resource allocation for scheduled IoT data streams. PSIoT-Orch adopts an ICN (Information-Centric Network) PubSub architecture approach to handle IoT data transfers requests among framework components. The proposed framework aims at gathering the inherent advantages of an ICN-centric approach using a PubSub message scheme while allocating resources efficiently keeping QoS awareness and handling restricted network resources (bandwidth) for massive IoT traffic.

研究の動機と目的

• 制限された帯域幅を有する制約のあるバックボーンネットワークにおいて、急速に増加する大規模で多様なIoTトラフィックを効率的に管理する課題に対処すること。
• エッジ集約装置（プロデューサー）とコンシューマー間で、スケーラブルかつ相互運用可能に、効率的でQoSに配慮したIoTデータフローのオーケストレーションを可能にすること。
• QoS要件とバッファ状態に基づいて動的に帯域幅を割り当てることで、ネットワークの混雑を軽減し、高優先度のIoTデータの信頼性の高い配信を確保すること。
• 実用的な展開を可能にするために、CDNや制御されたバックボーンネットワークを含む既存のネットワークインfraに統合できること。

提案手法

• データプロデューサーとコンシューマーを分離する情報中心ネットワーキング（ICN）のパブリッシュ/サブスクライブモデルを用い、効率的なコンテンツ中心ルーティングを実現する。
• 帯域幅割り当てモデル（BAM）は、QoSレベル（0–2）に応じてLSP（リンク容量）リソースを動的に割り当てる。優先度の高いストリームは、割合的に多く帯域幅を獲得する。
• オーケストレータは各集約装置におけるバッファレベルを監視し、しきい値を超えた場合に帯域幅の再割り当てをトリガーすることで、データ損失を防止する。
• Mininetベースのプロトタイプ実装により、3台のIoT集約装置、2台のコンシューマー、および非IoTトラフィック生成装置を備えた制御されたバックボーンネットワークをエミュレートする。1MB/sのリンクを用いて帯域幅制限をシミュレートする。
• オーケストレータは、QoSレベルとバッファ占有率に基づいて、利用可能な帯域幅を各集約装置間で再配分するヒューリスティックアルゴリズムを実装する。
• トピックベースのサブスクリプションをサポートし、コンシューマーが低レベルのネットワーク詳細を管理することなく、複数のプロデューサーからのデータを透明にアクセス可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限された帯域幅を有するバックボーンネットワークにおいて、QoS保証を維持しながら、パブリッシュ/サブスクライブフレームワークがどのように大規模なIoTトラフィックを効率的にオーケストレートできるか？
• RQ2 制御されたネットワーク環境下で、IoTデータプロデューサーとコンシューマー間で、どのように動的でQoSに配慮した帯域幅割り当てを実現できるか？
• RQ3 事前にトラフィックパターンを把握しない状況下で、高スループットのIoTデータストリームにおけるバッファオーバーフローのリスクをどのように管理できるか？
• RQ4 限られたネットワーク容量下で、競合するIoTデータフローと非IoTトラフィックの両方を、どの程度効果的にバランスさせられるか？
• RQ5 このフレームワークは、スタンドアロンのトラフィックコントローラとして、またはCDNなどの既存のネットワークサービスと統合して柔軟に展開可能か？

主な発見

• クライアント2がすべての3つのトピックと、アグリゲーター1（Ag1）からの高スループットの第4トピックにサブスクライブした後、Ag1のバッファは急速に満タンになり始め、初期の帯域幅割り当てを超えるデータ生成が発生していることが示された。
• オーケストレータは、バッファの増加がしきい値を超えたことを検知し、Ag1に対して動的帯域幅再割り当てを開始し、混雑の緩和を試みた。
• 再割り当ての努力にもかかわらず、Ag1のバッファは、他のストリームと比較して100倍の高いスループットを示す第4トピックの影響により、依然として増加を続けた。これは、ストレス状態下でもシステムの応答性が保たれていることを示している。
• オーケストレータは、低優先度ストリームの帯域幅割り当てを安定的に維持しながら、高QoS要求を優先し、完全なサービス劣化を回避した。
• フレームワークは、バッファ状態とサブスクリプションパターンに基づいてリアルタイムで帯域幅を調整することで、効果的なQoS強制を実現した。
• プロトタイプ実装により、PSIoT-Orchフレームワークがネットワークリソースを事前に予測して管理し、高負荷状態下でもデータフローの整合性を維持できることを確認した。