[論文レビュー] A Survey on Resilience in the IoT: Taxonomy, Classification and Discussion of Resilience Mechanisms

Christian Berger, Philipp Eichhammer+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Software System Performance and Reliability参考文献 155被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、IoTシステムにおけるレジリエンスメカニズムの包括的な分類と分類法を提示し、冗長性、監視、保護、回復技術を分析している。マルチレイヤー構造のIoTアーキテクチャ全体にわたり、その実用的適用可能性を評価し、クロスレイヤーのレジリエンス、自己適応、実装上のトレードオフに重点を置き、開発者やアーキテクトが信頼性があり、安全で、適応可能なIoTエコシステムを設計するための体系的ガイドを提供する。

ABSTRACT

Internet-of-Things (IoT) ecosystems tend to grow both in scale and complexity as they consist of a variety of heterogeneous devices, which span over multiple architectural IoT layers (e.g., cloud, edge, sensors). Further, IoT systems increasingly demand the resilient operability of services as they become part of critical infrastructures. This leads to a broad variety of research works that aim to increase the resilience of these systems. In this paper, we create a systematization of knowledge about existing scientific efforts of making IoT systems resilient. In particular, we first discuss the taxonomy and classification of resilience and resilience mechanisms and subsequently survey state-of-the-art resilience mechanisms that have been proposed by research work and are applicable to IoT. As part of the survey, we also discuss questions that focus on the practical aspects of resilience, e.g., which constraints resilience mechanisms impose on developers when designing resilient systems by incorporating a specific mechanism into IoT systems.

研究の動機と目的

• 学術文献における定義、特性、分類を分析することで、IoTにおけるレジリエンスの統一的理解を確立すること。
• 異種でマルチレイヤー構造を持つIoTシステムに適用可能な、冗長性、監視、保護、回復の4つの主要なレジリエンスメカニズムを特定・分類すること。
• システム設計およびデプロイメント段階において、開発者および実行時プラットフォームにレジリエンスメカニズムが課す実用的制約を調査すること。
• スケーラビリティ、異種性、動的再構成、クロスドメイン管理ビューといった、IoTシステムの進化するニーズに対応すること。
• 従来のフォールトトレランスモデルを拡張し、『ベストエフォート』回復や持続的故障下での劣化機能を含む、レジリエンス状態の連続体を組み込むこと。

提案手法

• 可用性、機密性、完全性、信頼性、安全性といったシステム特性に基づく、レジリエンスの分類法を提唱する。
• 冗長性（例：レプリケーション、バックアップルーティング）、監視（例：異常検出、ヘルスチェック）、保護（例：アクセス制御、侵入検知）、回復（例：自己修復、再構成）の4つの主要カテゴリに、レジリエンスメカニズムを分類する。
• デバイス、エッジ、クラウドのレイヤー構造を持つIoTアーキテクチャを通じてメカニズムを分析し、クロスレイヤーでの適用可能性と統合の課題を評価する。
• e-ヘルス、スマートシティ、産業用IoTなどの実世界のIoTユースケースを用いてメカニズムを評価し、Kafka、Kubernetes、ブロックチェーンベースのミドルウェアの例を提示する。
• 二値フォールトトレランスを超えて、部分的回復や持続的故障下での劣化動作を含む、レジリエンスの連続体モデルを導入する。
• パターン駆動型およびミドルウェア駆動型のアプローチ（例：レジリエンスマネージャ、シャローデバイス、コンテナ化）をレビューし、モジュラーかつ合成可能なレジリエンスを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTシステムにおけるレジリエンスの整合的かつ包括的な分類とは何か？ これは従来の信頼性モデルとどのように異なるか？
• RQ2 冗長性、監視、保護、回復といったレジリエンスメカニズムは、デバイス、エッジ、クラウドのレイヤー構造におけるIoTシステム全体でどのように機能するか？
• RQ3 開発者がシステム設計段階で直面する、および実行時プラットフォームがランタイムで直面する、レジリエンスメカニズムに起因する実用的制約は何か？
• RQ4 IoTシステムにおけるレジリエンスはどのように定量化・測定可能か？ また、アプリケーション固有のレジリエンス要件を最もよく反映するメトリクスは何か？
• RQ5 現代のIoTシステムは、従来のフォールトトレランスを越えて、自己適応性と『ベストエフォート』レジリエンスをどの程度達成できるか？

主な発見

• IoTにおけるレジリエンスはフォールトトレランスを越えて、セキュリティ、プライバシー、動的適応性を含むものであり、信頼性とサイバーフィジカルシステムの特性を統合する包括的かつ包括的なアプローチを必要とする。
• Apache KafkaによるデータレプリケーションやKubernetesによるサービスレプリケーションといった冗長性メカニズムは、エッジおよびクラウドレイヤーで高い可用性とフォールトトレランスを実現する。
• ヘルスパターンのシーケンシングや分散ログ記録を含む監視および異常検出技術は、異種のIoT環境における早期の障害および攻撃検出に不可欠である。
• アクセス制御、認証、侵入検知といった保護メカニズムは、進化する信頼境界を持つオープンかつ大規模なIoTシステムを保護するために不可欠である。
• 自動再構成、シャローデバイス、コンテナベースのフォールトトレランスといった回復メカニズムにより、障害発生後でさえ、劣化状態でも機能を回復できる。
• ブロックチェーンとスマートコントラクトの統合により、分散型IoTマーケットプレイスにおいて信頼なしのレジリエントなサービス連携が可能になるが、パフォーマンス上のトレードオフを伴う。