[論文レビュー] SDFog: A Software Defined Computing Architecture for QoS Aware Service Orchestration over Edge Devices

Harshit Gupta, Shubha Brata Nath+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2016

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 7被引用数 28

ひとこと要約

SDFogは、SDN、NFV、およびサービス指向型コンピューティングを統合することで、エッジデバイスにまたがる分散型サービスのQoSに配慮したオーケストレーションを可能にするソフトウェア定義フォグ（SDFog）アーキテクチャを提案する。フォグリソースを管理可能なサービスとして抽象化し、中央集権的なコントローラーが仮想ネットワーク関数（VNF）を介してQoS制約のあるフローをスケジューリングすることで、ネットワーク混雑状態下でも一貫したエクスペリエンス品質を確保する。スマートホームのユースケースを通じて検証され、動画品質指標が向上したことが示された。

ABSTRACT

Cloud computing revolutionized the information technology (IT) industry by offering dynamic and infinite scaling, on-demand resources and utility-oriented usage. However, recent changes in user traffic and requirements have exposed the shortcomings of cloud computing, particularly the inability to deliver real-time responses and handle massive surge in data volumes. Fog computing, that brings back partial computation load from the cloud to the edge devices, is envisioned to be the next big change in computing, and has the potential to address these challenges. Being a highly distributed, loosely coupled and still in the emerging phase, standardization, quality-of-service management and dynamic adaptability are the key challenges faced by fog computing research fraternity today. This article aims to address these issues by proposing a service-oriented middleware that leverages the convergence of cloud and fog computing along with software defined networking (SDN) and network function virtualization (NFV) to achieve the aforementioned goals. The proposed system, called "Software Defined Fog" (SDFog), abstracts connected entities as services and allows applications to orchestrate these services with end-to-end QoS requirements. A use-case showing the necessity of such a middleware has been presented to show the efficacy of the SDN-based QoS control over the Fog. This article aims at developing an integrated system to realize the software-defined control over fog infrastructure.

研究の動機と目的

• 新興のフォッグコンピューティング環境におけるQoS管理、動的適応性、標準化の課題に対処すること。
• 統合されたミドルウェア層を通じて、分散型フォッグリソース（計算、ストレージ、ネットワーク）に対する集中型ソフトウェア定義制御を可能にすること。
• アプリケーションレベルの制約に基づいてサービス間のフローを動的にスケジューリングすることで、エンドツーエンドのQoSに配慮したサービスオーケストレーションを支援すること。
• 動画ストリーミングのようなリアルタイム性・遅延に敏感なアプリケーションにおいて、仮想ネットワーク関数（VNF）を用いてQoSを維持する可能性を実証すること。
• サービス指向の抽象化を通じて、SDNのネットワーク制御とフォッグコンピューティングの分散型・多様性に富んだインfra構造の間のギャップを埋めること。

提案手法

• エッジデバイス、サーバー、ネットワークノードを含むフォッグエントリティを、検出可能で管理可能なメタデータを備えた第一級のサービスとして抽象化すること。
• フォッグコンティニューム全体にわたってサービスディスカバリ、QoSに配慮したフロー作成、VNFのインスタンス化を管理する論理的に中央集権的なSDFogコントローラーを実装すること。
• アプリケーションリクエストにQoSアノテーションを付与し、遅延やスループットなどの必要なパフォーマンス指標を指定する。コントローラーはこれを低レベルのリソース割り当てに変換する。
• ネットワーク機能仮想化（NFV）を活用し、トラフィックシェーピングやデータ重複除去などのQoS維持に寄与するVNF（例：VNF）をネットワークパスの戦略的ポイントに展開すること。
• 大規模かつ分散型のフォッグ環境におけるスケーラビリティと動的再構成をサポートするため、マルチドメインコントローラー・アーキテクチャを採用すること。
• アプリケーションがQoSアノテーション付きタスクを送信し、自動オーケストレーションにより保証されたサービス提供を受けることを可能にする、ネイティブインターフェースを活用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトウェア定義制御をネットワーク層から、フォッグコンピューティングにおける計算およびストレージリソースへどのように拡張できるか。
• RQ2 サービス指向のミドルウェアは、異種のエッジデバイスにまたがる分散型サービスのQoSに配慮したオーケストレーションを効果的に可能にするか。
• RQ3 仮想ネットワーク関数（VNF）は、混雑したフォッグネットワークにおいて、動画品質や配信信頼性といったQoS指標をどの程度改善できるか。
• RQ4 さまざまなネットワーク負荷下で、QoSに配慮したルーティングとベストエフォートルーティングのエンドツーエンドのエクスペリエンス品質（QoE）の観点から、それぞれの違いは何か。
• RQ5 移動性のある分散型フォッグ環境において、動的サービスディスカバリ、デプロイ、ステート移行をサポートするにはどのようなメカニズムが必要か。

主な発見

• SDFogアーキテクチャは、エッジデバイスにまたがるサービスのQoSに配慮したオーケストレーションを成功裏に実現し、高負荷のネットワーク混雑状態下でも一貫したパフォーマンスを確保した。
• スマートホームユースケースにおいて、QoSに配慮したルーティングは、平均SSIMが0.85の安定した水準を維持したのに対し、ベストエフォートルーティングは同じ負荷下で平均SSIMが0.6未満に低下した。
• プロトタイプは、VNFが高負荷時の動画品質の維持とTCP接続の切断防止に効果的に寄与することを示した。ベストエフォート環境では、これらの問題が発生した。
• VNFを最適なネットワークポイントに動的に配置することで、遅延を低減し、データ配信の信頼性を向上させることで、エンドツーエンドのQoEを向上させた。
• サービスディスカバリおよび動的デプロイメカニズムにより、ネットワーク状態の変化やユーザーの移動に柔軟に対応し、アプリケーションの継続性を維持できた。
• SDN、NFV、SOAの統合により、フォッグインfraの高レベルなポリシー駆動制御が可能となり、設定および管理の簡素化が実現した。