[論文レビュー] Leveraging Semantic Web Technologies for Managing Resources in a Multi-Domain Infrastructure-as-a-Service Environment

Yufeng Xin, Ilya Baldin+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2014

Cloud Computing and Resource Management参考文献 19被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ExoGENIテストベッドにおいて、OWL DLおよびSPARQL/GLEENクエリを用いた意味ウェブベースのアプローチを提示し、仮想化されたインfrastracture-as-a-service (IaaS) リソースの動的かつマルチドメインのオchestrationを実現する。計算リソース、ストレージリソース、ネットワークリソースを共通で拡張可能なオントロジーでモデル化することで、汎用的かつポータブルなトポロジー埋め込みおよびルート探索アルゴリズムを可能にするとともに、意味ルールを用いた複雑なスライスリクエストの検証が可能となり、自律的で異種のドメインにまたがるフェデレーテッドなサイバー・リソースのスケーラブルかつ相互運用可能な管理を実証した。

ABSTRACT

This paper reports on experience with using semantically-enabled network resource models to construct an operational multi-domain networked infrastructure-as-a-service (NIaaS) testbed called ExoGENI, recently funded through NSF's GENI project. A defining property of NIaaS is the deep integration of network provisioning functions alongside the more common storage and computation provisioning functions. Resource provider topologies and user requests can be described using network resource models with common base classes for fundamental cyber-resources (links, nodes, interfaces) specialized via virtualization and adaptations between networking layers to specific technologies. This problem space gives rise to a number of application areas where semantic web technologies become highly useful - common information models and resource class hierarchies simplify resource descriptions from multiple providers, pathfinding and topology embedding algorithms rely on query abstractions as building blocks. The paper describes how the semantic resource description models enable ExoGENI to autonomously instantiate on-demand virtual topologies of virtual machines provisioned from cloud providers and are linked by on-demand virtual connections acquired from multiple autonomous network providers to serve a variety of applications ranging from distributed system experiments to high-performance computing.

研究の動機と目的

• 複数の自律的クラウドおよびネットワークプロバイダーにまたがる、相互接続された仮想マシンおよびネットワークリンクの動的でオンデマンドのプロビジョニングを可能にすること。
• 共通の意味的モデルを用いて、フェデレーテッドなIaaS環境における異種リソースの記述および相互運用性の課題を解決すること。
• 具体的なプロバイダー固有の詳細ではなく、抽象的なリソースの抽象化に基づいて動作する汎用的かつポータブルなトポロジー埋め込みおよびルート探索アルゴリズムを開発すること。
• 手続き的コードではなく宣言的意味ルールを用いて、ユーザーが指定した複雑なスライスリクエストを検証することにより、正しさと一貫性を保証すること。
• 拡張可能なオントロジーと標準化されたクエリインターフェースを通じて、新しいリソースタイプおよびプロバイダーの統合を可能にする拡張性をサポートすること。

提案手法

• 計算、ストレージ、ネットワークリソースといったインfraストラクチャリソースを、クラスの階層構造とプロパティ関係を持つOWL DLベースのオントロジーでモデル化すること。
• RDFSおよびOWLの帰納推論を用いて、プロバイダー固有の詳細を抽象化し、リソースタイプの汎用的推論を可能にすること。
• 意味グラフ上でSPARQL/GLEENクエリとして実装されたトポロジー埋め込みおよびルート探索を、再利用可能なクエリベースのアルゴリズムとして実現すること。
• Datalogベースのルールエンジン（Jena）を用いて、スキーマ検証を超える宣言的制約を用いて、ユーザーのスライスリクエストを検証すること。
• 高レベルのルート探索ロジックと低レベルのプロビジョニングアクションを分離し、各プロバイダーに応じて専用化すること。
• 意味的抽象化を用いて、ユーザーのリクエストを複数ドメインにまたがる実際のリソース割り当てにマッピングし、意味的整合性を保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチドメインのIaaS環境において、複数の自律的プロバイダーにまたがる異種インfraストラクチャリソースを記述するために、共通で拡張可能な意味的モデルをどのように使用できるか？
• RQ2 SPARQLベースのクエリおよび意味的推論は、トポロジー埋め込みおよびルート探索アルゴリズムにおいて、手続き的コードをどの程度置き換えることができるか？
• RQ3 意味ルールを用いて、ポータブルかつ検証可能な方法で、複雑なマルチドメインスライスリクエストをどのように検証できるか？
• RQ4 ネットワーク接続性および複雑性が増加する条件下で、意味的ベースのオchestrationシステムの性能特性はどのようなものか？
• RQ5 新しいリソースタイプおよびプロバイダーを統合する際、システムはどのようにして相互運用性と拡張性を維持できるか？

主な発見

• OWL DLおよびSPARQL/GLEENクエリの使用により、特定のプロバイダー実装に依存しない汎用的かつ再利用可能なトポロジー埋め込みおよびルート探索アルゴリズムが実現された。
• 意味ルールエンジンが、ブロードキャスト接続など複雑なスライスリクエストを、ドメインの一意性などの制約を強制することで、正しさと一貫性を向上させながら成功裏に検証した。
• システムは、グラフの接続性が増加する状況でもスケーラビリティを示したが、実行時間に関する具体的な数値は報告されていなかった。
• RDFSおよびOWLの帰納推論の統合により、システムは正確な型マッチングを必要とせずに、抽象的なリソースタイプ（例：「レイヤ2のネットワークリンク」）の推論が可能になった。
• 共通の意味的モデルによる低レベルの違いの抽象化により、多様なプロバイダーのシームレスなフェデレーションが可能となり、相互運用性が向上した。
• 拡張可能なオントロジー設計により、コアのオchestrationロジックを変更せずに、新しいリソースタイプおよびプロバイダーの追加が可能になった。