[논문 리뷰] IoT service slicing and task offloading for edge computing

Jae-Young Hwang, Lionel Nkenyereye외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 24.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 MEC와 네트워크 슬라이싱을 사용하여 엣지 노드에서 IoT 서비스를 가상화하는 엣지 기반의 IoT 서비스 슬라이싱 및 작업 오프로딩 프레임워크를 제안한다. 이는 클라우드 백홀을 제거하여 지연 시간을 감소시킨다. 실험 결과는 클라우드 기반 IoT 플랫폼 대비 전송 시간이 2배 향상되었음을 보여주며, 네트워크 엣지에서 저지연, 효율적인 서비스 관리가 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

With the advancement of IoT technology, various domains such as smart factories, smart cities and smart cars use the IoT to provide value-added services. In addition, technologies such as MEC and network slicing provide another opportunity for the IoT to support more advanced and real-time services that could not have been previously supported. However, the simple integration of such technologies into the IoT does not take full advantage of MEC and network slicing or the reduction of latency and traffic prioritization, respectively. Therefore, there is a strong need for an efficient integration mechanism for IoT platforms to maximize the benefit of using such technologies. In this article, we introduce a novel architectural framework that enables the virtualization of an IoT platform with minimum functions to support specific IoT services and host the instance in an edge node, close to the end-user. As the instance provides its service at the edge node where the MEC node and network slice are located, the traffic for the end-user does not need to traverse back to the cloud. This architecture guarantees not only low latency but also efficient management of IoT services at the edge node. To show the feasibility of the proposed architecture, we conduct an experimental evaluation by comparing the transmission time of both IoT services running on the central cloud and those using sliced IoT functions in the edge gateway. The results show that the proposed architecture provides two times faster transmission time than that from the conventional cloud-based IoT platform.

연구 동기 및 목표

• 저지연, 실시간 서비스를 제공하는 데에 한계가 있는 기존 클라우드 기반 IoT 플랫폼의 문제점을 해결하기 위해.
• 최적화된 성능을 위해 MEC와 네트워크 슬라이싱 기술을 IoT 플랫폼 내에 효율적으로 통합하기 위해.
• 엔드유저 근처의 엣지 노드에 직접 IoT 서비스 인스턴스를 호스팅하여 엔드 투 엔드 지연 시간을 줄이기 위해.
• 네트워크 엣지에서 특정 서비스를 지원하는 최소 기능을 가진 가상화된 플랫폼 아키텍처를 제공하기 위해.
• 중앙집중식 클라우드 배포와 비교하여 엣지 호스팅된 서비스 슬라이싱의 타당성과 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 최소한의 기능을 가진 IoT 서비스를 엣지 노드에 배포하기 위해 가상화된 IoT 서비스를 설계하는 새로운 아키텍처 프레임워크를 개발한다.
• 멀티액세스 엣지 컴퓨팅(MEC)과 네트워크 슬라이싱을 통합하여 저지연, 우선순위가 부여된 트래픽 처리를 가능하게 한다.
• MEC와 네트워크 슬라이스가 함께 위치한 엣지 게이트웨이에 IoT 서비스 인스턴스를 호스팅하여 클라우드를 통과하는 트래픽을 제거한다.
• 사용자 요청을 직접 엣지에 호스팅된 서비스 인스턴스로 라우팅하기 위해 작업 오프로딩을 적용하여 처리 속도를 향상시킨다.
• 클라우드 기반과 엣지 기반의 IoT 서비스 실행 간 전송 시간을 비교하기 위해 프로토타입을 구현한다.
• 현장 조건에서의 성능 향상을 측정하고 검증하기 위해 실험적 평가를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 네트워크 엣지에서 IoT 서비스를 효율적으로 가상화하고 배포하여 지연 시간을 줄일 수 있는가?
• RQ2 MEC와 네트워크 슬라이싱은 IoT 플랫폼에 얼마나 잘 통합되어 실시간 서비스 제공을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 클라우드 대신 엣지 노드로 IoT 작업을 오프로딩함으로써 달성할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 전송 시간 측면에서 엣지 기반 서비스 슬라이싱은 기존의 클라우드 기반 IoT 아키텍처와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 서비스 품질을 유지하면서도 최소 기능을 가진 IoT 플랫폼을 엣지 노드에 효과적으로 호스팅할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 엣지 기반 아키텍처는 기존의 클라우드 기반 IoT 플랫폼 대비 전송 시간을 2배로 단축시킨다.
• IoT 서비스 인스턴스를 엣지 노드에 호스팅함으로써 클라우드로의 백홀 트래픽이 필요 없어져 지연 시간을 크게 낮춘다.
• MEC와 네트워크 슬라이싱의 통합은 효율적인 트래픽 우선순위 부여와 저지연 서비스 제공을 가능하게 한다.
• 실험적 평가를 통해 엣지에 슬라이싱된 IoT 기능을 배포하는 것이 타당하고 성능상의 이점이 있음을 확인했다.
• 가상화된 최소 기능 IoT 플랫폼은 실시간 IoT 서비스 시나리오에서 높은 효율성과 반응성을 달성한다.
• 결과는 엣지 배포가 지연 민감도가 높은 애플리케이션에 대해 중앙집중식 클라우드 기반 IoT 아키텍처보다 실현 가능하고 열등한 대안임을 보여준다.