[논문 리뷰] FOCAN: A Fog-supported Smart City Network Architecture for Management of Applications in the Internet of Everything Environments

Paola G. Vinueza Naranjo, Zahra Pooranian외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 04.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 6

한 줄 요약

FOCAN은 스마트 시티를 위한 다층형 퍼그 컴퓨팅 아키텍처를 제안하여 엔드 디바이스 근처에서 데이터 처리 및 통신을 국소화함으로써 지연 시간과 에너지 소비를 감소시킨다. 장치 간 통신을 상위, 주요, 보조 유형으로 분류하고 확장 가능한 라우팅 알고리즘을 사용함으로써 FOCAN은 실제 데이터셋을 활용한 시뮬레이션을 통해 인터넷 오브 익스텐드드 인터넷(이하 IoE) 환경에서 높은 에너지 효율성과 낮은 지연 시간의 서비스 제공을 달성한다.

ABSTRACT

Smart city vision brings emerging heterogeneous communication technologies such as Fog Computing (FC) together to substantially reduce the latency and energy consumption of Internet of Everything (IoE) devices running various applications. The key feature that distinguishes the FC paradigm for smart cities is that it spreads communication and computing resources over the wired/wireless access network (e.g., proximate access points and base stations) to provide resource augmentation (e.g., cyberforaging) for resource and energy-limited wired/wireless (possibly mobile) things. Moreover, smart city applications are developed with the goal of improving the management of urban flows and allowing real-time responses to challenges that can arise in users' transactional relationships. This article presents a Fog-supported smart city network architecture called Fog Computing Architecture Network (FOCAN), a multi-tier structure in which the applications running on things jointly compute, route, and communicate with one another through the smart city environment to decrease latency and improve energy provisioning and the efficiency of services among things with different capabilities. An important concern that arises with the introduction of FOCAN is the need to avoid transferring data to/from distant things and instead to cover the nearest region for an IoT application. We define three types of communications between FOCAN devices (e.g., interprimary, primary, and secondary communication) to manage applications in a way that meets the quality of service standards for the IoE. One of the main advantages of FOCAN is that the devices can provide the services with low energy usage and in an efficient manner. Simulation results for a selected case study demonstrate the tremendous impact of the FOCAN energy-efficient solution on the communication performance of various types of things in smart cities.

연구 동기 및 목표

• 원격 클라우드 컴퓨팅에 의존하는 스마트 시티 애플리케이션에서 높은 지연 시간과 에너지 비효율성 문제를 해결하기 위해.
• 엔드 디바이스에 가까이 위치한 계산 및 통신 자원을 제공하기 위해 확장 가능한 다층 퍼그 컴퓨팅 아키텍처를 설계하기 위해.
• 퍼그 노드 간의 데이터 라우팅 및 자원 할당 최적화를 통해 인터넷 오브 익스텐드드 인터넷(IoE) 환경에서 다양한 애플리케이션 워크로드를 관리하기 위해.
• 근처 장치 및 퍼그 노드 간의 효율적인 국소 데이터 처리 및 통신을 통해 원격 클라우드 센터 의존도를 줄이기 위해.
• 실제 IoE 조건에서의 실용성과 성능을 평가하기 위해 실제 데이터셋과 시뮬레이션을 활용해 제안된 아키텍처의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• IoT 및 IoE 디바이스를 위한 계산, 통신, 스토리지 지원을 위해 네트워크 엣지에 퍼그 노드(FN)를 통합한 삼단계 FOCAN 아키텍처를 제안한다.
• FOCAN 디바이스 간의 통신을 상위, 주요, 보조 유형으로 나누어 근접도와 우선순위에 따라 트래픽을 분류하고 관리한다.
• 가장 가까운 이용 가능한 퍼그 노드를 선택하여 데이터 처리 및 전송을 수행함으로써 에너지 소비를 최소화하는 확장 가능한 라우팅 알고리즘을 적용한다.
• 무선 및 이동 환경에서 패킷 재전송과 타임아웃 이벤트를 줄이기 위해 최적화된 흐름 제어를 적용한 TCP/IP 기반 통신 모델을 사용한다.
• 단일 홉 링크를 위한 IEEE 802.11b 기반 장치 간 통신(D2D) 플랫폼을 시뮬레이션하여 FOCAN의 성능을 기존 D2D 통신과 비교한다.
• 실제 데이터셋을 사용하여 프레임워크를 평가하고, 다양한 통신 유형에 따라 전력 소비, 지연 시간, 에너지 효율성 측면에서 성능을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼그 컴퓨팅은 스마트 시티 애플리케이션에서 지연 시간과 에너지 소비를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 이질적인 IoE 환경에서 서비스 품질을 지원하는 데 가장 적합한 통신 분류 모델은 무엇인가?
• RQ3 퍼그 노드를 통한 계산 및 통신의 국소화는 이동성과 자원 제약이 있는 IoT 디바이스의 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 에너지 효율성과 신뢰성 측면에서 FOCAN은 기존 D2D 통신에 비해 어느 정도 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 다층 퍼그 아키텍처는 도시의 IoE 구현 환경에서 다양한 애플리케이션 워크로드를 효과적으로 관리할 수 있는가?

주요 결과

• FOCAN은 전통적인 D2D 플랫폼 대비 연결당 평균 전력 소비를 크게 감소시켰으며, 주로 경로 손실 감소와 패킷 재전송 횟수 감소 덕분이다.
• 상위 통신 유형이 가장 낮은 에너지 소비를 보였는데, 이는 근처에 위치한 고대역폭 퍼그 노드를 활용해 국소 작업 오프로딩을 수행하기 때문이다.
• 주요 및 보조 통신은 장거리 네트워크 경로와 원격 클라우드 처리에 대한 의존도를 줄임으로써 신뢰성 향상과 지연 시간 감소를 달성했다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면 FOCAN의 라우팅 알고리즘이 조밀한 도시 IoE 환경에서 에너지 사용을 효과적으로 줄이고 서비스 효율성을 향상시킨다.
• 지역 자원 활용을 우선시하고 원격 클라우드로의 데이터 전송을 최소화함으로써 확장 가능하고 에너지 인식 기반의 애플리케이션 관리가 가능해졌다.
• 에너지 효율성 측면에서 기존 D2D 통신에 비해 FOCAN이 뛰어난 성능을 발휘했으며, 평균 전력 소비가 낮고 TCP 타임아웃 이벤트 수가 적었다.