[論文レビュー] Challenges in designing edge-based middlewares for the Internet of Things: A survey

Eduard Gibert Renart, Daniel Balouek‐Thomert+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 68被引用数 5

ひとこと要約

本サーベイは、スケーラビリティ、異種性、リアルタイムデータ処理の課題に対処するため、エッジベースのミドルウェアにおける4層アーキテクチャを提案する。既存のミドルウェアプラットフォームを評価し、各層における主要な設計目標を特定し、分散型IoTコンピューティングにおける今後の研究のための未解決の課題を提示する。

ABSTRACT

The Internet of Things paradigm connects edge devices via the Internet enabling them to be seamlessly integrated with a wide variety of applications. In recent years, the number of connected devices has grown significantly, along with the volume and variety of data that is being generated by these devices at the edge of the network. An edge-based middleware is defined as a software that serves as an interface between the computational resources and the IoT devices, making communication possible among elements. Such middleware is required to provide the necessary functional components for sensor registration, discovery, workflow composition, and data pre-processing. In recent years, the landscape of the edge middleware platforms has grown exponentially, each of them with different platform requirements, architectures, and features. The core of this survey is a comprehensive review of existing edge middleware solutions. In this regard, we propose a four-layer architecture for the design of edge-based middleware, along with some design goals for each of the proposed layer. The paper concludes with some open challenges and possible future research directions.

研究の動機と目的

• 効率的でスケーラブルなミドルウェアソリューションを必要とする、増大する複雑さと多様性を示すIoTエッジデバイスの課題に対処する。
• 異種なIoTエッジ環境における相互運用性、リソース制約、リアルタイムデータ処理の面で顕在する重要な課題を特定する。
• 強固で拡張性のあるエッジミドルウェアプラットフォームの設計を支援する標準化された4層アーキテクチャフレームワークを提案する。
• 機能的特徴、展開モデル、IoTユースケースへの対応度に基づいて、既存のエッジミドルウェアプラットフォームを体系的に評価する。
• 分散型IoTシステムにおけるエッジミドルウェアの進化を促進するための未解決の研究課題と今後の方向性を強調する。

提案手法

• エッジベースのミドルウェアのための4層アーキテクチャを提案する：(1) デバイス層、(2) エッジノード層、(3) エッジサービス層、(4) アプリケーション層。
• 各層における具体的な設計目標を定義する。これには、デバイス発見、データ集約、サービスコンポジション、アプリケーションレベルの調整が含まれる。
• 既存のエッジミドルウェアプラットフォームの包括的サーベイを実施し、その機能、展開モデル、IoT固有要件への対応度を分析する。
• センサーレジストレーション、ワークフロー構成、データ前処理といった機能的コンポーネントへの対応度に基づいて、プラットフォームを分類・比較する。
• アーキテクチャパターン、通信プロトコル、ランタイム環境を基準に、ミドルウェアプラットフォームを体系的な分類法で分類する。
• 得られた知見を統合し、スケーラビリティ、フェイルセーフ、動的再構成に関する現在のソリューションのギャップを特定する設計原則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種でリソース制限のあるIoTエッジデバイス向けミドルウェアを設計するにあたり、主なアーキテクチャ的および機能的課題は何であるか？
• RQ2 既存のエッジミドルウェアプラットフォームは、デバイス発見、データ処理、サービスオ케ストレーションといったコアIoT機能をどのように異なる形でサポートしているか？
• RQ3 エッジベースのIoTミドルウェアにおいて、スケーラブルかつリアルタイム動作を実現するために最も効果的な設計原則とアーキテクチャパターンは何か？
• RQ4 現在のエッジミドルウェアソリューションにおいて、生産用IoTシステムへの広範な導入を妨げる主な未解決の課題や制限要因は何か？
• RQ5 進化する要件に対応するため、エッジインテリジェンス、セキュリティ、動的サービスコンポジションの分野で今後の研究に必要な方向性は何か？

主な発見

• 4層アーキテクチャは、IoTシステムの各コンponent間におけるモジュラリティと責任の分離を向上させる、構造化されたフレームワークを提供する。
• 既存のミドルウェアプラットフォームは、設計面で顕著な異種性を示しており、あらゆる展開シナリオにおいてすべての必要なIoT機能を一様にサポートするソリューションは存在しない。
• 相互運用性、動的再構成、リアルタイムデータ処理に関する課題は、調査された大多数のミドルウェアプラットフォームで依然として顕在している。
• 多くのプラットフォームは、エッジインテリジェンス、セキュアなサービスコンポジション、フェイルセーフ実行といった高度な機能をネイティブにサポートしていない。
• 本サーベイは、進化するIoTユースケースをサポートするための標準化インターフェースと拡張可能なミドルウェアパターンの重要性を明らかにした。
• 今後の研究は、適応性、セキュリティ、およびエッジでの機械学習ワークロードのサポート強化に注力する必要がある。