[論文レビュー] FOCAN: A Fog-supported Smart City Network Architecture for Management of Applications in the Internet of Everything Environments

Paola G. Vinueza Naranjo, Zahra Pooranian+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 6

ひとこと要約

FOCANは、スマートシティ向けにマルチティアのフォッグコンピューティングアーキテクチャを提案し、エンドデバイスに近い場所でデータ処理と通信をローカライズすることで、遅延とエネルギー消費を低減する。デバイス間通信をインタープライマリ、プライマリ、セカンダリの3種類に分類し、スケーラブルなルーティングアルゴリズムを用いることで、実世界のデータセットを用いたシミュレーションにより検証されたインターネット・オブ・エヴァリシング（IoE）環境において、顕著なエネルギー効率と低遅延のサービス提供を実現する。

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.

研究の動機と目的

• リモートクラウドコンピューティングに依存するスマートシティアプリケーションにおける高い遅延とエネルギー非効率性を解消すること。
• エンドデバイスに近い場所に計算および通信リソースを配置するスケーラブルでマルチティアのフォッグコンピューティングアーキテクチャを設計すること。
• フォッグノード間でのデータルーティングとリソース割り当てを最適化することで、インターネット・オブ・エヴァリシング（IoE）環境における多様なアプリケーションワークロードを管理すること。
• 遠隔クラウドセンターへの依存を減らすために、近隣のデバイスおよびフォッグノード間で効率的なローカライズドデータ処理と通信を可能にすること。
• 実世界のデータセットとリアルなIoE環境下でのシミュレーションを用いて、提案アーキテクチャの性能を評価すること。

提案手法

• エッジネットワークにフォッグノード（FN）を統合する3ティアのFOCANアーキテクチャを提案し、IoTおよびIoEデバイスの計算、通信、ストレージを支援する。
• FOCANデバイス間の通信を、距離と優先度に基づいて分類する3種類の通信タイプ（インタープライマリ、プライマリ、セカンダリ）を導入する。
• データ処理および伝送に利用可能な最近隣のフォッグノードを選択することで、エネルギー消費を最小限に抑えるスケーラブルなルーティングアルゴリズムを採用する。
• 無線およびモバイル環境におけるパケット再送やタイムアウトイベントを削減するため、最適化されたフロー制御を備えたTCP/IPベースの通信モデルを用いる。
• IEEE 802.11bを用いた1ホップリンクのデバイス・ツー・デバイス（D2D）プラットフォームをシミュレートし、FOCANの性能を従来のD2D通信と比較する。
• 実データセットを用いてフレームワークを評価し、エネルギー消費、遅延、エネルギー効率の観点から、さまざまな通信タイプにおける性能を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォッグコンピューティングは、スマートシティアプリケーションにおける遅延とエネルギー消費をどのように低減できるか？
• RQ2 異種のIoE環境におけるサービス品質を支援するのに最適な通信分類モデルは何か？
• RQ3 フォッグノードによる計算および通信のローカライズは、モバイルおよびリソース制限のあるIoTデバイスの性能にどのように寄与するか？
• RQ4 エネルギー効率および信頼性の観点から、FOCANは従来のD2D通信をどの程度上回るか？
• RQ5 マルチティアのフォッグアーキテクチャは、都市部のIoE展開における多様なアプリケーションワークロードを効果的に管理できるか？

主な発見

• FOCANは、経路損失の低減とパケット再送の減少により、従来のD2Dプラットフォームと比較して、接続あたりの平均エネルギー消費を顕著に低減する。
• インタープライマリ通信タイプは、近隣に位置する高容量フォッグノードを活用してローカルタスクのオフロードを実現するため、最も低いエネルギー消費を示す。
• プライマリおよびセカンダリ通信は、長距離ネットワーク経路や遠隔クラウド処理への依存を減らすことで、信頼性の向上と遅延の低減を実現する。
• シミュレーション結果から、FOCANのルーティングアルゴリズムが、混雑した都市部のIoE環境においてエネルギー消費の低減とサービス効率の向上を効果的に実現していることが確認された。
• ローカルリソースの優先的活用と遠隔クラウドへのデータ転送の最小化により、スケーラブルでエネルギーに配慮したアプリケーション管理が実現された。
• エネルギー効率の観点から、FOCANは従来のD2D通信を上回り、平均エネルギー消費が低く、TCPタイムアウトイベントの回数も少ない。