[論文レビュー] EdgeChain: Blockchain-based Multi-vendor Mobile Edge Application Placement

He Zhu, Changcheng Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

EdgeChain は、複数のサービスプロバイダーにまたがる分散型モバイルエッジアプリケーション配置を、信頼性のない枠組みで実現するブロックチェーンベースのフレームワークを提案する。配置コストを最小限に抑えつつ、公平性と透明性を確保する。配置を確率的最適化問題としてモデル化し、許可型ブロックチェーン上でスマートコントラクトを実行することで、複数ベンダーのエッジインフラストラクチャにわたる動的で低遅延かつコスト効率の高いアプリケーションデプロイを実現し、検証可能で追跡可能な意思決定を可能にする。

ABSTRACT

The state-of-the-art mobile edge applications are generating intense traffic and posing rigorous latency requirements to service providers. While resource sharing across multiple service providers can be a way to maximize the utilization of limited resources at the network edge, it requires a centralized repository maintained by all parties for service providers to share status. Moreover, service providers have to trust each other for resource allocation fairness, which is difficult because of potential conflicts of interest. We propose EdgeChain, a blockchain-based architecture to make mobile edge application placement decisions for multiple service providers. We first formulate a stochastic programming problem minimizing the placement cost for mobile edge application placement scenarios. Based on our model, we present a heuristic mobile edge application placement algorithm. As a decentralized public ledger, the blockchain then takes the logic of our algorithm as the smart contract, with the consideration of resources from all mobile edge hosts participating in the system. The algorithm is agreed by all parties and the results will only be accepted by majority of the mining nodes on the blockchain. When a placement decision is made, an edge host meeting the consumer's latency and budget requirements will be selected at the lowest cost. All placement transactions are stored on the blockchain and are traceable by every mobile edge service provider and application vendor who consumes resources at the mobile edge.

研究の動機と目的

• 複数のモバイルエッジコンピューティングサービスプロバイダー（MECSP）が存在する分散型で公平かつ効率的なモバイルエッジアプリケーション配置の課題に対処すること。
• 単一の権威に信頼を置く必要があり、偏見や障害に脆弱な中央集権型配置システムの限界を克服すること。
• 遅延、予算、リソースの可用性、および異種のエッジホストにおけるサービスチェインを考慮した、動的でリアルタイムの配置意思決定を可能にすること。
• 参加するすべての MECSP およびアプリケーションベンダーがアクセス可能な分散型ブロックチェーンレジストリを通じて、配置意思決定の透明性と変更不能性を確保すること。
• 経済的および QoS 制約を伴う確率的プログラミング問題として配置をモデル化することで、複数ベンダーの 5G エッジ環境におけるリソース共有とコスト最適化を支援すること。

提案手法

• 単位リソース単価、遅延制約、サービスチェイン依存関係、およびユーザー分布を組み込んだ、合計コストを最小化する確率的プログラミングモデルとして、モバイルエッジアプリケーション配置問題を定式化する。
• リアルタイム制約下で最適または近似最適なホスト割り当てを効率的に計算できるように、コストモデルに基づくヒューリスティック配置アルゴリズムを設計する。
• 参加するすべての MECSP における合意形成と意思決定の変更不能性を保証するため、許可型ブロックチェーン上に配置ロジックをスマートコントラクトとして実装する。
• ブロックチェーンを用いて、すべてのエッジホストおよび MECSP におけるリソースの可用性、割り当て状況、消費状態のグローバルで共有されたレジストリを維持する。
• ユーザー需要分布（$P_m$）および MECSP 特有の価格パラメータ（$\gamma_m$, $\delta_m$）を意思決定ロジックに統合し、現実の経済的および地理的要因を反映する。
• 配置意思決定がいかなる MECSP の利害にも左右されないことを保証し、ブロックチェーンが合意形成メカニズムを通じて中立性と公平性を強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数ベンダー環境において、サービスプロバイダーが対立する経済的利害を持つ中で、どのようにしてモバイルエッジアプリケーション配置を公平かつ透明にすることができるか？
• RQ2 分散型モバイルエッジコンピューティング環境において、遅延、予算、リソース利用効率、およびサービスチェインを同時に最適化するためのコストモデルは何か？
• RQ3 中央権威に依存せずに、ブロックチェーン技術を効果的に活用して、信頼性のない、合意形成に基づく配置意思決定をどのように実現できるか？
• RQ4 ユーザー分布および MECSP の価格政策の変化が、複数ベンダーのエッジシステムにおける配置結果とコスト効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 MECSP 間でのリソース共有は、配置コストを最小限に抑えつつ、全体のシステム効率とサービス品質をどの程度向上させることができるか？

主な発見

• ユーザーが特定の MECSP のカバレッジ領域に集中している場合、$\gamma_m$（ベース価格）と $\delta_m$（プレミアム）の合計が低い MECSP のホストが、アプリケーション配置の優先順位に置かれる。
• 単位リソースプレミアム $\delta_{m_1}$ が 0.1 から 0.6 に増加するにつれ、システムは $m_1$ のホストからのアプリケーション配置を動的に減少させ、コスト削減を図る。これは経済的インcentive に敏感であることを示している。
• ユーザー需要が $m_2$ から $m_1$ にシフトすると、$m_1$ のホストに配置される MEApps の数が顕著に増加し、$m_2$ のホストへの配置数は減少する。これはユーザー分布への迅速な反応性を示している。
• $m_3$ にユーザーがいなくても、$m_1$ や $m_2$ がより良好な遅延またはコスト効率を提供する場合、$m_3$ のホストがアプリケーションをホスティングする。これは、異なるプロバイダー間でのリソース共有が効果的に行われていることを確認している。
• ユーザー密度が高く、価格が有利な MECSP のホストを優先することで、システム全体の配置コストを低減しつつ、戦略的な配置により低遅延のサービス提供を維持している。
• ブロックチェーンベースのスマートコントラクトにより、すべての配置意思決定が公開で検証可能で、変更不能であり、合意形成によって合意されたものとなり、第三者機関への依存を排除している。