[论文解读] Challenges in designing edge-based middlewares for the Internet of Things: A survey

Eduard Gibert Renart, Daniel Balouek‐Thomert+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 68被引用 5

一句话总结

本综述提出了一种面向物联网系统中基于边缘的中间件的四层架构，解决了可扩展性、异构性和实时数据处理方面的挑战。该综述评估了现有的中间件平台，明确了各层的关键设计目标，并提出了未来在分布式物联网计算中需要研究的开放性挑战。

ABSTRACT

The Internet of Things paradigm connects edge devices via the Internet enabling them to be seamlessly integrated with a wide variety of applications. In recent years, the number of connected devices has grown significantly, along with the volume and variety of data that is being generated by these devices at the edge of the network. An edge-based middleware is defined as a software that serves as an interface between the computational resources and the IoT devices, making communication possible among elements. Such middleware is required to provide the necessary functional components for sensor registration, discovery, workflow composition, and data pre-processing. In recent years, the landscape of the edge middleware platforms has grown exponentially, each of them with different platform requirements, architectures, and features. The core of this survey is a comprehensive review of existing edge middleware solutions. In this regard, we propose a four-layer architecture for the design of edge-based middleware, along with some design goals for each of the proposed layer. The paper concludes with some open challenges and possible future research directions.

研究动机与目标

• 解决物联网边缘设备日益增长的复杂性和多样性，以实现高效、可扩展的中间件解决方案。
• 识别在异构物联网边缘环境中互操作性、资源约束和实时数据处理方面的关键挑战。
• 提出一种标准化的四层架构框架，以指导稳健、可扩展的边缘中间件平台的设计。
• 基于其功能特性、部署模式和对物联网用例的支持，系统性地评估现有边缘中间件平台。
• 突出当前在分布式物联网系统中推进边缘中间件发展的开放性研究挑战和未来方向。

提出的方法

• 提出面向边缘中间件的四层架构：(1) 设备层，(2) 边缘节点层，(3) 边缘服务层，以及 (4) 应用层。
• 为每一层定义具体的设计目标，包括设备发现、数据聚合、服务组合和应用级协调。
• 对现有边缘中间件平台进行全面调研，分析其功能特性、部署模式以及对物联网特定需求的支持。
• 根据其对功能组件（如传感器注册、工作流组合和数据预处理）的支持情况，对平台进行分类与比较。
• 采用系统化的分类法，依据其架构模式、通信协议和运行时环境对中间件平台进行分类。
• 将研究结果整合为设计原则，并识别当前解决方案在可扩展性、容错性和动态重构方面存在的差距。

实验结果

研究问题

• RQ1 在设计面向异构、资源受限的物联网边缘设备的中间件时，其关键的架构与功能挑战是什么？
• RQ2 现有边缘中间件平台在支持设备发现、数据处理和服务编排等核心物联网功能方面有何差异？
• RQ3 在基于边缘的物联网中间件中，哪些设计原则和架构模式最能有效支持可扩展性和实时操作？
• RQ4 当前边缘中间件解决方案中存在哪些主要开放性挑战和局限性，阻碍其在生产级物联网系统中的广泛应用？
• RQ5 为应对边缘智能、安全性和动态服务组合等不断演进的需求，未来需要哪些研究方向？

主要发现

• 四层架构为设计边缘中间件提供了结构化框架，提升了物联网系统组件之间在模块化和关注点分离方面的优势。
• 现有中间件平台在设计上表现出显著的异质性，尚无单一解决方案能在各种部署场景中统一支持所有必需的物联网功能。
• 互操作性、动态重构和实时数据处理方面的挑战在大多数调研的中间件平台中依然普遍存在。
• 许多平台缺乏对高级功能（如边缘智能、安全服务组合和容错执行）的原生支持。
• 本综述识别出对标准化接口和可扩展中间件模式的迫切需求，以支持不断演进的物联网用例。
• 未来研究必须聚焦于提升适应性、安全性以及对边缘机器学习工作负载的支持，以满足日益增长的应用需求。