[論文レビュー] Cloudrone: Micro Clouds in the Sky

Arjuna Sathiaseelan, Adisorn Lertsinsrubtavee+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

Cloudroneは、ラズベリー・パイ単板コンピュータと軽量仮想化（例：Docker）を用いた低コストでドローン搭載型のマイクロクラウドインフラを提案し、通信インfraが乏しい、農村部、または災害発生地域において局所的なクラウドサービスを提供することを目的としている。本システムは、空中または地上のドローンを介して、オンデマンドかつスケーラブルなサービス提供を可能にし、ICNベースのディスカバリーやロードバランシングを用いた、初期段階の評価を通じてサービスの拡張性と移動性の課題に焦点を当てている。

ABSTRACT

Recent years have witnessed several initiatives on enabling Internet access to the next three billion people. Access to the Internet necessarily translates to access to its services. This means that the goal of providing Internet access requires ac- cess to its critical service infrastructure, which are currently hosted in the cloud. However, recent works have pointed out that the current cloud centric nature of the Internet is a fundamental barrier for Internet access in rural/remote areas as well as in developing regions. It is important to explore (low cost) solutions such as micro cloud infrastructures that can provide services at the edge of the network (potentially on demand), right near the users. In this paper, we present Cloudrone- a preliminary idea of deploying a lightweight micro cloud infrastructure in the sky using indigenously built low cost drones, single board computers and lightweight Operating System virtualization technologies. Our paper lays out the preliminary ideas on such a system that can be instantaneously deployed on demand. We describe an initial design of the Cloudrone and provide a preliminary evaluation of the proposed system mainly focussed on the scalability issues of supporting multiple services and users.

研究の動機と目的

• 遠隔地や災害発生地域におけるインターネットサービスの利用制限が、中心集積型クラウドインフラに依存していることによる課題に対処すること。
• ユーザーの近くにオンデマンドで展開可能な低コストでモバイルなマイクロクラウドソリューションを検討し、遅延の低減とサービス可用性の向上を図ること。
• 軽量仮想化技術とドローンプラットフォームを活用した、スケーラブルで局所的なクラウドサービスをホスティングするための実現可能性を評価すること。
• 動的なモバイルエッジ環境における移動性とサービスディスカバリの課題を調査すること。
• 情報中心ネットワーキング（ICN）のような新興ネットワーキングパラダイムを統合し、従来のDNSやクライアント・サーバーモデルへの依存を低減するとともに、信頼性を向上させること。

提案手法

• ラズベリー・パイ単板コンピュータを飛行制御装置およびサービスホストとして使用し、自作の低コストなマルチコプターに軽量マイクロクラウドノードを搭載する。
• Docker やユニコーン（unikernels）などの軽量OS仮想化技術を活用し、制限されたハードウェア上でも複数のサービスを効率的にホスティングする。
• 重量とコストを最小限に抑えつつ耐久性を確保するため、コスト効果の高い素材（例：カーボンインフィルドプラスチック、アルミ）を用いたドローンフレームの設計。
• KK2.1Aボードを用いた飛行制御システムを実装し、RC受信機の代替手段を導入することでコスト削減とコストパフォーマンスの向上を図る。
• モバイルアドホックネットワークとサービスディスカバリ技術（例：マルチキャストDNS（mDNS）、アプリケーション層アノニムス）を統合し、動的なサービス位置特定を実現する。
• コンテンツと場所の分離を可能にし、モバイル環境におけるレジリエンスとキャッシュ効率を向上させるために、名前中心ネットワーキング（NDN）を含むICNアーキテクチャとの統合を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信インfraが乏しい地域に、低コストでドローン搭載型のマイクロクラウドインフラを効果的に展開し、局所的なクラウドサービスを提供できるか？
• RQ2 実際の移動性とリソース制限の下で、Cloudroneシステムが複数のサービスと同時に接続するユーザーをどれだけスケーラブルにサポートできるか？
• RQ3 空中で移動する環境下で、埋め込みハードウェア上で軽量仮想化（例：Docker）を使用した場合の性能への影響は何か？
• RQ4 非常に移動性が高く分散化されたドローンネットワークにおいて、サービスディスカバリーやセッションの継続性をどのように維持できるか？
• RQ5 ICNベースのアーキテクチャ（例：NDN）は、Cloudroneのようなモバイルマイクロクラウド展開において、信頼性、キャッシュ効率、サービス可用性をどの程度向上できるか？

主な発見

• Cloudroneプロトタイプは、市販部品と自作ドローンを用いた、軽量で低コストなマイクロクラウドインフラの実現可能性を効果的に示した。
• 1台のラズベリー・パイノード上で複数のサービスをサポートでき、スケーラビリティは各サービスのメモリおよびCPU要件、およびコンテナサイズに依存する。
• 移動性はセッションの継続性とサービスディスカバリの課題を引き起こすが、mDNSとアプリケーション層アノニムスによる動的ルーティングにより緩和可能である。
• NDNを含むICNベースのアーキテクチャとの統合により、場所に依存しないコンテンツ配信が可能となり、中継およびエッジキャッシュが効率的に行えるようになり、レジリエンス向上と遅延低減が達成された。
• 初期評価では、Cloudroneがオンデマンドで展開可能であり、飛行中および地上モードの両方でサービス提供を継続可能であることが確認されたが、飛行時間はバッテリー容量に制限されている。
• 今後の課題として、自律飛行機能の開発と、多様なネットワークおよび負荷条件下での大規模なパフォーマンスベンチマークの実施を進める。