[논문 리뷰] Edge computing for cyber-physical systems: A systematic mapping study emphasizing trustworthiness

José Manuel Gaspar Sánchez, Nils Jörgensen외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 26.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 50인용 수 4

한 줄 요약

이 체계적 맵핑 연구는 엣지 컴퓨팅이 사이버-물리 시스템(CPS)에서 수행하는 역할을 조사하며, 안전성, 보안성, 예측 가능성과 같은 신뢰성 특성에 초점을 맞춘다. 224篇의 논문을 분석한 결과, 실제 CPS 응용 분야에서 매우 중요함에도 불구하고, 신뢰성은 여전히 부족하게 다뤄지고 있음을 확인했으며, 이는 핵심 연구 격차를 드러내고 향후 연구에 통합적이고 실험적이며 지속 가능한 접근 방식이 필요하다고 제안한다.

ABSTRACT

Edge computing is projected to have profound implications in the coming decades, proposed to provide solutions for applications such as augmented reality, predictive functionalities, and collaborative Cyber-Physical Systems (CPS). For such applications, edge computing addresses the new computational needs, as well as privacy, availability, and real-time constraints, by providing local high-performance computing capabilities to deal with the limitations and constraints of cloud and embedded systems. Our interests lie in the applications of edge computing as part of CPS, where several properties (or attributes) of trustworthiness, including safety, security, and predictability/availability are of particular concern, each facing challenges for the introduction of edge-based CPS. We present the results of a systematic mapping study, a kind of systematic literature survey, investigating the use of edge computing for CPS with a special emphasis on trustworthiness. The main contributions of this study are a detailed description of the current research efforts in edge-based CPS and the identification and discussion of trends and research gaps. The results show that the main body of research in edge-based CPS only to a very limited extent consider key attributes of system trustworthiness, despite many efforts referring to critical CPS and applications like intelligent transportation. More research and industrial efforts will be needed on aspects of trustworthiness of future edge-based CPS including their experimental evaluation. Such research needs to consider the multiple interrelated attributes of trustworthiness including safety, security, and predictability, and new methodologies and architectures to address them. It is further important to provide bridges and collaboration between edge computing and CPS disciplines.

연구 동기 및 목표

• 사이버-물리 시스템(CPS)에서 엣지 컴퓨팅에 관한 현재 연구 상태, 특히 신뢰성과의 관련성을 이해하기 위해.
• 엣지 기반 CPS에서 핵심 신뢰성 특성인 안전성, 보안성, 예측 가능성, 가용성 등이 어떻게 다뤄지고 있는지 연구 격차를 특정하기 위해.
• 연구 추세, 방법론적 한계, CPS 및 엣지 컴퓨팅 공동체 간의 교차 분야 협업이 필요한 이유를 분석함으로써 향후 연구를 이끌기 위해.
• 엣지-CPS 개발에서 실험적 검증 강화, 지속 가능성 통합, 아키텍처 프레임워크 구축을 촉진하기 위해.
• 향후 연구에서 투명성, 책임성, 회복성과 같은 추가적인 신뢰성 차원을 확장할 것을 제안하기 위해.

제안 방법

• 학술 데이터베이스를 통해 정의된 검색 기준을 사용하여 엣지 컴퓨팅 및 CPS와 관련된 관련 논문을 식별하기 위해 체계적 문헌 리뷰를 수행하였다.
• 포함 및 배제 기준에 따라 224편의 논문을 선별하고 분석하였으며, 주로 엣지 컴퓨팅 응용이 중심이 되고, 신뢰성이 핵심 주제인 CPS에 초점을 맞추었다.
• 연구 초점, 신뢰성 특성, 응용 분야, 방법론적 접근 방식(예: 시뮬레이션, 프로토타입, 실험적 평가)에 따라 논문을 분류하였다.
• 연구 주제, 사용된 기술(예: MEC, 퍼그 컴퓨팅, 클라우드릿), 그리고 신뢰성이 얼마나 잘 다뤄졌는지에 대한 추세를 맵핑하였다.
• 반복적인 방법론적 한계를 특정하였으며, 예를 들어 실제 환경 테스트 부족, 지속 가능성 및 다분야 통합에 대한 충분한 고려 부족이 포함된다.
• 주제 통합 분석을 통해 향후 연구 방향을 제안하였으며, 아키텍처 프레임워크, 테스트베드 개발, 확장된 신뢰성 차원이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엣지 컴퓨팅은 현재 사이버-물리 시스템에서 어떻게 적용되고 있으며, 주요 응용 분야는 무엇인가?
• RQ2 기존 연구에서 엣지 기반 CPS에서 안전성, 보안성, 예측 가능성과 같은 핵심 신뢰성 특성이 얼마나 다뤄지고 있는가?
• RQ3 현재 연구에서 실험적 검증 및 실제 환경 구현과 관련하여 어떤 방법론적 격차가 존재하는가?
• RQ4 지속 가능성 및 순환 경제 원칙은 엣지 기반 CPS 설계에 어떻게 더 잘 통합될 수 있는가?
• RQ5 엣지 컴퓨팅과 CPS 간의 통합에서 주요 과제는 무엇이며, 공동체 간 협업은 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실제 응용 분야에서 매우 중요함에도 불구하고, 엣지 기반 CPS에 관한 연구 중 안전성, 보안성, 예측 가능성과 같은 핵심 신뢰성 특성을 다루는 연구는 제한적이다.
• 실험적 평가 및 실제 환경 테스트베드가 크게 부족하며, 대부분의 연구가 시뮬레이션 또는 이론적 모델에 의존하고 있다.
• 에너지 효율성 및 순환 경제 개념과 같은 지속 가능성 원칙의 통합은 현재 엣지-CPS 연구에서 거의 간과되고 있다.
• 연구가 분야 간에 산산이 흩어져 있으며, 엣지 컴퓨팅과 CPS 공동체 간의 협업이 부족하여 통합된 아키텍처 프레임워크 개발이 저해되고 있다.
• 투명성, 책임성, 회복성과 같은 신뢰성 차원은 여전히 미흡하게 다뤄지고 있으며, 향후 연구에서 깊이 있는 조사가 필요하다.
• 이 연구는 표준화된 참조 아키텍처 필요성과 산업 협업 증가(특히 특허 분석 포함)를 통해 연구와 실무 간 격차를 메우기 위한 필요성을 규명하였다.