[논문 리뷰] Application Component Placement in NFV-based Hybrid Cloud/Fog Systems with Mobile Fog Nodes

Carla Mouradian, Somayeh Kianpisheh외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이동성 있는 퍼블릭 퍼블릭 노드를 갖춘 NFV 기반 하이브리드 클라우드/포그 시스템을 대상으로, 응용 프로그램 컴포넌트를 가상 네트워크 기능(VNFs)으로 모델링하고 정수 선형 프로그래밍(ILP) 수식을 사용하여 제작기간과 실행 비용의 가중합을 최소화하는 Tabu Search 기반 컴포넌트 배치(TSCP) 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 이동성에 따라 포그 노드의 움직임을 랜덤 웨이포oin 모델을 통해 고려하여 기준 방법 대비 지연과 비용을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Fog computing reduces the latency induced by distant clouds by enabling the deployment of some application components at the edge of the network, on fog nodes, while keeping others in the cloud. Application components can be implemented as Virtual Network Functions (VNFs) and their execution sequences can be modeled by a combination of sub-structures like sequence, parallel, selection, and loops. Efficient placement algorithms are required to map the application components onto the infrastructure nodes. Current solutions do not consider the mobility of fog nodes, a phenomenon which may happen in real systems. In this paper, we use the random waypoint mobility model for fog nodes to calculate the expected makespan and application execution cost. We then model the problem as an Integer Linear Programming (ILP) formulation which minimizes an aggregated weighted function of the makespan and cost. We propose a Tabu Search-based Component Placement (TSCP) algorithm to find sub-optimal placements. The results show that the proposed algorithm improves the makespan and the application execution cost.

연구 동기 및 목표

• 기존의 배치 알고리즘이 하이브리드 클라우드/포그 환경에서 포그 노드의 이동성을 고려하지 않는 점을 보완하기 위해.
• 랜덤 웨이포인트 이동성 모델을 사용하여 이동성 있는 포그 노드의 동적 행동을 모델링하기 위해.
• 제작기간과 실행 비용의 가중 조합을 최소화하는 정수 선형 프로그래밍(ILP) 모델로 응용 컴포넌트 배치 문제를 수식화하기 위해.
• 이동성 있는 포그 환경에서 효율적이고 부분 최적의 배치를 찾기 위해 타부 검색 기반 휴리스틱(TSCP)을 설계하고 평가하기 위해.
• 이동성 조건 하에서 제안된 접근 방식이 응용 프로그램 실행 지연과 비용을 줄이는 데 효과적인지 입증하기 위해.

제안 방법

• 실행 의존성을 순차, 병렬, 선택, 반복 서구조로 표현하는 가상 네트워크 기능(VNFs)으로 응용 컴포넌트를 모델링하기 위해.
• 포그 노드의 이동을 시뮬레이션하고 시간에 따라 기대 제작기간과 비용을 계산하기 위해 랜덤 웨이포인트 이동성 모델을 사용하기 위해.
• 제작기간과 실행 비용의 가중합을 최소화하는 정수 선형 프로그래밍(ILP) 모델로 배치 문제를 수식화하기 위해.
• 해결 공간을 효율적으로 탐색하고 부분 최적의 배치를 찾기 위해 타부 검색 기반 컴포넌트 배치(TSCP) 알고리즘을 설계하기 위해.
• 탐색이 낮은 지연과 낮은 비용의 구성으로 향하도록 평가 함수에 이동성 인식 비용 및 지연 추정을 통합하기 위해.
• 이동성 있는 포그 노드를 갖춘 시뮬레이션된 하이브리드 클라우드/포그 환경에서 TSCP 알고리즘을 기준 배치 전략과 비교 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포그 노드의 이동성은 하이브리드 클라우드/포그 시스템에서 분산 응용 프로그램의 종단 간 제작기간과 실행 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ILP 기반 수식은 이동성 있는 포그 환경에서 제작기간과 비용 간의 트레이드오프를 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 타부 검색과 같은 메타휴리스틱이 이동성 조건 하에서 동적 컴포넌트 배치에 대해 확장 가능하고 효과적인 해법을 제공할 수 있는가?
• RQ4 제안된 TSCP 알고리즘은 지연과 비용 절감 측면에서 기준 배치 전략에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이동 패턴은 컴포넌트 배치 결정의 안정성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 TSCP 알고리즘은 이동성 있는 포그 환경에서 기준 배치 전략 대비 제작기간을 크게 감소시킨다.
• TSCP 알고리즘은 이동성 및 정적 인프라 노드 간 자원 활용 최적화를 통해 응용 프로그램 실행 비용을 감소시킨다.
• ILP 수식은 지연과 비용 간의 트레이드오프를 효과적으로 포착하여 균형 잡힌 최적화 목표를 가능하게 한다.
• 이동성 인식 배치는 랜덤 웨이포인트 모델 하에서 시뮬레이션을 통해 더 안정적이고 효율적인 응용 프로그램 실행을 이끌어낸다.
• TSCP 알고리즘은 이동하는 포그 노드를 포함한 동적 네트워크 토폴로지에서 확장성과 수렴성을 입증하며 고품질의 해답에 도달한다.
• 결과는 배치 결정 시 이동성을 고려할 경우 지연과 비용 효율성 측면에서 측정 가능한 향상이 이루어짐을 보여준다.