[논문 리뷰] FogMQ: A Message Broker System for Enabling Distributed, Internet-Scale IoT Applications over Heterogeneous Cloud Platforms

Sherif Abdelwahab, Bechir Hamdaoui|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 03.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 36인용 수 12

한 줄 요약

FogMQ는 이질적인 클라우드 및 엣지 플랫폼 간에 메시지 브로커 클론을 자율적으로 이동시켜 저지연, 인터넷 규모의 IoT 애플리케이션을 가능하게 하는 탈중앙화된, 자율적 조직화된 메시지 브로커 시스템입니다. Flock 알고리즘을 사용하여 클론들이 가중치가 부여된 꼬리 지연 시간을 최소화하도록 동적으로 이동하며, 중앙 집중식 제어 없이 (1+ε)-근사 최적성을 달성합니다.

ABSTRACT

Excessive tail end-to-end latency occurs with conventional message brokers as a result of having massive numbers of geographically distributed devices communicate through a message broker. On the other hand, broker-less messaging systems, though ensure low latency, are highly dependent on the limitation of direct device-to-device (D2D) communication technologies, and cannot scale well as large numbers of resource-limited devices exchange messages. In this paper, we propose FogMQ, a cloud-based message broker system that overcomes the limitations of conventional systems by enabling autonomous discovery, self-deployment, and online migration of message brokers across heterogeneous cloud platforms. For each device, FogMQ provides a high capacity device cloning service that subscribes to device messages. The clones facilitate near-the-edge data analytics in resourceful cloud compute nodes. Clones in FogMQ apply Flock, an algorithm mimicking flocking-like behavior to allow clones to dynamically select and autonomously migrate to different heterogeneous cloud platforms in a distributed manner.

연구 동기 및 목표

• 대규모로 분산된 지리적 위치에 있는 IoT 시스템에서 다단계 큐잉과 네트워크 간섭으로 인한 기존 메시지 브로커의 높은 종단 간 지연 시간을 해결하기 위해.
• IoT 디바이스의 자원 제약으로 인해 자원 제약이 심한 디바이스 간 직접 통신(D2D) 방식의 확장성 및 지연 시간 제한을 극복하기 위해.
• 이질적인 클라우드 플랫폼 간에 메시지 브로커 클론의 자율적, 탈중앙화된 발견 및 이동을 가능하게 하여 가중치가 부여된 꼬리 종단 간 지연 시간을 최소화하기 위해.
• 기존 클라우드 플랫폼 제어기의 변경 없이 작동하고 중앙 집중식 모니터링 또는 제어 단위에 의존하지 않도록 설계하기 위해.
• 변화하는 디바이스 통신 패턴과 클라우드 플랫폼 조건에 동적으로 대응하여 포그 컴퓨팅 환경에서 브로커 배포를 안정화하기 위해.

제안 방법

• 종단 사용자 디바이스 근처의 자원이 풍부한 클라우드릿 또는 엣지 노드에 메시지 브로커 클론을 배포하여 네트워크 홉 수와 지연 시간을 줄이기 위해.
• 각 디바이스를 위한 지속적이고 고용량의 메시지 브로커링을 유지하기 위해 디바이스 클로닝 서비스를 사용하여 엣지 근처 분석을 가능하게 하기 위해.
• 군집 행동을 모델로 삼은 Flock 알고리즘을 구현하여 이질적인 클라우드 플랫폼 간에 자율적이고 탈중앙화된 클론 이동을 가능하게 하기 위해.
• 각 클론이 메시징 수요, 다른 디바이스/클론으로의 꼬리 지연 시간, 대체 플랫폼으로의 잠재적 지연 시간을 자체 측정하여 이동 결정을 유도하기 위해.
• 가중치가 부여된 꼬리 종단 간 지연 시간 지표를 최소화하는 방식으로 이동 결정을 내려 안정성과 (1+ε)-근사 최적성을 확보하기 위해.
• 중앙 집중식 제어에 의존하지 않도록 이동 과정을 탈중앙화하여 인터넷 규모의 IoT 배포에 있어 확장성을 향상시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모로 분산된 지리적 위치에 있는 IoT 애플리케이션에서 메시지 브로커 시스템은 어떻게 꼬리 종단 간 지연 시간을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 이질적인 클라우드 플랫폼 간에 자율적이고 탈중앙화된 클론 이동이 중앙 집중식 제어 없이 저지연이고 경계가 있는 종단 간 지연 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ3 어떤 이동 전략이 동적인 포그 컴퓨팅 환경에서 안정적이고 확장 가능하며 거의 최적의 지연 시간 성능을 달성하는가?
• RQ4 Flock 알고리즘이 중앙 집중식 조율 없이 클론 이동이 (1+ε)-근사 최적의 지연 시간을 보장하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 자기 발견 및 자기 배포된 브로커 클론이 지연 시간에 민감한 IoT 워크로드에서 기존 브로커인 Redis 및 D2D 시스템보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?

주요 결과

• FogMQ는 메시지 브로커를 네트워크 엣지에 배포하여 다단계 큐잉과 중앙 집중식 클라우드 브로커에서 흔히 발생하는 네트워크 간섭을 피함으로써 종단 간 지연 시간을 감소시킵니다.
• Flock 알고리즘은 이질적인 플랫폼 간에 자율적이고 탈중앙화된 클론 이동을 가능하게 하여 가중치가 부여된 꼬리 종단 간 지연 시간을 최소화하는 데 있어 (1+ε)-근사 최적성을 달성합니다.
• 실험 결과에 따르면 직접 디바이스 간 통신(D2D) 메시징은 한 스토프 브로커를 사용할 경우에 비해 종단 간 지연 시간이 두 배로 증가함을 확인하여 엣지 브로커링의 필요성을 입증합니다.
• FogMQ는 엣지 배포와 동적 이동을 통해 기존 브로커인 Redis와 Nats보다 꼬리 지연 시간을 크게 감소시켜 성능을 뛰어나게 합니다.
• 중앙 집중식 제어에 의존하지 않도록 로컬 측정과 군집 유사 조율 기반의 이동 결정을 탈중앙화함으로써 확장성과 복잡성 문제를 피합니다.
• 제안된 아키텍처는 기존 클라우드 플랫폼과 호환되며 클라우드 제어기 소프트웨어에 대한 수정이 필요 없어 이질적인 IoT 인fra구조에 원활한 통합을 가능하게 합니다.