[論文レビュー] IoTSim-Edge: A Simulation Framework for Modeling the Behaviour of IoT and Edge Computing Environments

Devki Nandan Jha, Khaled Alwasel+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 34被引用数 16

ひとこと要約

IoTSim-Edge は、複雑な異種 IoT およびエッジコンピューティング環境の相互作用をモデル化するための統合シミュレーションフレームワークであり、アプリケーションのコンposition、バッテリーアウェアモデル、プロトコルの多様性、モビリティ、動的リソースプロビジョニングをサポートする。3つのテストケースにおける評価により、現実の IoT およびエッジワークロードを高い設定可能性と忠実度でエミュレートできることが確認された。

ABSTRACT

This paper proposes a novel simulator IoTSim-Edge, which captures the behavior of heterogeneous IoT and edge computing infrastructure and allows users to test their infrastructure and framework in an easy and configurable manner. IoTSim-Edge extends the capability of CloudSim to incorporate the different features of edge and IoT devices. The effectiveness of IoTSim-Edge is described using three test cases. The results show the varying capability of IoTSim-Edge in terms of application composition, battery-oriented modeling, heterogeneous protocols modeling and mobility modeling along with the resources provisioning for IoT applications.

研究の動機と目的

• 異種 IoT およびエッジコンピューティング環境における複雑な相互作用をモデル化するための統一されたシミュレーションフレームワークの欠如に対処すること。
• CloudSim の能力を拡張し、モビリティ、異種プロトコル、エネルギー感知型デバイスモデルといったエッジ固有の機能をサポートすること。
• 研究者や開発者が、設定可能でスケーラブルかつ現実的なシミュレーション環境で IoT およびエッジインfraフレームワークをテスト・評価できるようにすること。
• モジュラーなシミュレーションアーキテクチャを通じて、エッジ-IoT システムにおける動的リソースプロビジョニングおよびアプリケーションコンポジションを支援すること。

提案手法

• 広く使用されているクラウドシミュレーションフレームワークである CloudSim を拡張し、IoT およびエッジデバイスのモデル化のための新しいコンponentsを導入する。
• リソース制限のある IoT デバイスのエネルギー消費と寿命をシミュレートするバッテリーアウェアモデルを導入する。
• プロトコル固有のメッセージ処理と遅延モデルを用いて、MQTT や CoAP などの異種通信プロトコル（例：MQTT, CoAP）をサポートする。
• IoT デバイスのエッジノード間での移動をシミュレートするモビリティモデルを組み込み、タスクオフロードおよびデータルーティングに影響を与える。
• エッジノードの容量、負荷分散、タスクスケジューリングポリシーをモデル化することで、動的リソースプロビジョニングを可能にする。
• 新規デバイスタイプ、プロトコル、アプリケーションワークロードのプラグイン統合を可能にするモジュラーなアーキテクチャを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTSim-Edge は、調整された環境下で、異種 IoT およびエッジデバイスの挙動をどの程度効果的にシミュレートできるか？
• RQ2 IoTSim-Edge は、エッジ-IoT システムにおけるアプリケーションコンポジションおよび動的リソースプロビジョニングをどの程度サポートするか？
• RQ3 IoTSim-Edge は、IoT デバイスのエネルギー消費とバッテリー寿命をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ4 IoTSim-Edge は、デバイスのモビリティがエッジコンピューティングにおけるタスクオフロードおよびネットワークパフォーマンスに与える影響を捉えられるか？
• RQ5 IoTSim-Edge は、IoT ワークロードにおける多様な通信プロトコルをどの程度効果的にサポートできるか？

主な発見

• IoTSim-Edge は、エッジ-IoT 環境におけるアプリケーションコンポジションを成功裏にモデル化し、複数のコンponentを含む複雑なワークロードのシミュレーションを可能にした。
• フレームワークはバッテリー消費のパターンを正確に捉えており、IoT デバイスの寿命に対するエネルギー感知型評価を可能にした。
• MQTT や CoAP などの異種プロトコルは、明確に異なるメッセージ送信遅延とオーバーヘッドを伴って効果的にモデル化された。
• モビリティモデリングにより、デバイス移動の現実的なシミュレーションが可能となり、タスクオフロード意思決定およびネットワーク遅延に影響を与えた。
• IoTSim-Edge のリソースプロビジョニングメカニズムは、さまざまなワークロードおよびデバイス密度の条件下でもスケーラビリティと適応性を示した。
• フレームワークのモジュラー設計により、容易な拡張および設定が可能であり、最小限のコード変更で多様なシミュレーションシナリオをサポートした。