[논문 리뷰] EdgeChain: Blockchain-based Multi-vendor Mobile Edge Application Placement

He Zhu, Changcheng Huang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 12.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

EdgeChain는 다수의 서비스 공급자 간에 탈중앙화된 모바일 엣지 애플리케이션 배치를 위한 블록체인 기반의 신뢰할 수 없는 프레임워크를 제안한다. 이는 배치 비용을 최소화하면서도 공정성과 투명성을 보장한다. 배치 문제를 확률적 최적화 문제로 모델링하고, 허가된 블록체인 상에서 스마트 계약을 통해 실행함으로써 EdgeChain은 다중 벤더 엣지 인프라에서 동적이고 저지연, 비용 효율적인 애플리케이션 배포를 가능하게 하며, 검증 가능하고 추적 가능한 결정을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 이권을 가진 다수의 모바일 엣지 컴퓨팅 서비스 공급자(MECSP) 간에 탈중앙화되고 공정하며 효율적인 모바일 엣지 애플리케이션 배치 문제를 해결한다.
• 단일 기관에 대한 신뢰가 필요하고 편향 또는 장애에 취약한 중앙집중식 배치 시스템의 한계를 극복한다.
• 지연, 예산, 자원 가용성, 이질적인 엣지 호스트 간의 서비스 체이닝을 고려한 실시간 동적 배치 결정을 가능하게 한다.
• 모든 참여 MECSP와 애플리케이션 벤더가 액세스할 수 있는 탈중앙화된 블록체인 레지스터를 통해 배치 결정의 투명성과 불변성을 확보한다.
• 경제적 제약과 QoS 제약을 포함한 확률적 프로그래밍 문제로 배치를 모델링하여, 다중 벤더 5G 엣지 환경에서의 자원 공유 및 비용 최적화를 지원한다.

제안 방법

• 총 비용을 최소화하는 확률적 프로그래밍 모델로 모바일 엣지 애플리케이션 배치 문제를 수립하며, 단위 자원 가격, 지연 제약, 서비스 체이닝 의존성, 사용자 분포를 포함한다.
• 실시간 제약 조건 하에서 최적 또는 근사 최적의 호스트 할당을 효율적으로 계산하기 위해 비용 모델 기반 히우리스틱 배치 알고리즘을 설계한다.
• 허가된 블록체인 상에 스마트 계약으로 배치 로직을 구현하여, 모든 참여 MECSP 간에 합의 기반의 동의 및 결정의 불변성을 보장한다.
• 블록체인을 사용해 모든 엣지 호스트 및 MECSP 간의 자원 가용성, 할당, 소비 상태를 종합적으로 기록하는 글로벌 공유 레지스터를 유지한다.
• 사용자 수요 분포($P_m$)와 MECSP 고유의 가격 정책 파rameter($\gamma_m$, $\delta_m$)를 의사결정 로직에 통합하여 실제 경제적 및 지리적 요소를 반영한다.
• 블록체인이 합의 메커니즘을 통해 중립성과 공정성을 보장하므로, 배치 결정이 어느 MECSP의 이해관계와도 독립적으로 이루어지도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경제적 이해관계가 상충하는 다중 벤더 환경에서 어떻게 모바일 엣지 애플리케이션 배치를 공정하고 투명하게 만들 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 모바일 엣지 컴퓨팅 환경에서 지연, 예산, 자원 활용도, 서비스 체이닝을 종합적으로 최적화할 수 있는 비용 모델은 무엇인가?
• RQ3 중앙 기관에 의존하지 않고도 블록체인 기술을 효과적으로 활용해 신뢰할 수 없고 합의 기반의 배치 결정을 강제로 이행할 수 있는가?
• RQ4 사용자 분포와 MECSP 가격 정책의 변화가 다중 벤더 엣지 시스템의 배치 결과와 비용 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 MECSP 간 자원 공유가 얼마나 시스템의 전체 효율성과 서비스 품질을 향상시키며, 동시에 배치 비용을 최소화하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 사용자가 특정 MECSP의 커버리지 영역에 집중되어 있을 경우, $\gamma_m$의 합산 기본 가격과 $\delta_m$의 프리미엄이 낮은 MECSP의 호스트가 우선적으로 애플리케이션 배치 대상으로 선정된다.
• 단위 자원 프리미엄 $\delta_{m_1}$가 0.1에서 0.6으로 증가함에 따라 시스템은 $m_1$의 호스트에서 애플리케이션 배치를 동적으로 이전하여 비용을 절감하며, 이는 경제적 인cent리브에 대한 민감성을 보여준다.
• 사용자 수요가 $m_2$에서 $m_1$로 이동할 경우, $m_1$의 호스트에 할당된 MEApps 수가 크게 증가하고, $m_2$의 호스트에는 감소하는 경향을 보이며, 이는 사용자 분포 변화에 대한 민감한 반응을 보인다.
• 사용자가 $m_3$에 전혀 없더라도, $m_1$과 $m_2$가 더 낮은 지연 또는 비용 효율성을 제공할 경우, $m_3$의 호스트 역시 $m_1$과 $m_2$의 애플리케이션을 호스팅함으로써 다중 공급자 간 자원 공유가 효과적으로 이루어짐을 확인한다.
• 사용자 밀도가 높고 가격가치가 유리한 MECSP의 호스트를 우선 배치 대상으로 삼음으로써 시스템은 전체 비용을 낮추고, 전략적 배치를 통해 저지연 서비스 제공을 유지한다.
• 블록체인 기반 스마트 계약은 모든 배치 결정이 공개적으로 검증 가능하고 불변적이며, 합의 기반으로 이루어지므로 제3자에 대한 신뢰 의존도를 제거한다.