[论文解读] A Survey on Resilience in the IoT: Taxonomy, Classification and Discussion of Resilience Mechanisms

Christian Berger, Philipp Eichhammer+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Software System Performance and Reliability参考文献 155被引用 73

一句话总结

本文提出了一个全面的物联网系统弹性机制分类体系，分析了冗余、监控、保护和恢复技术。其评估了这些机制在多层物联网架构中的实际适用性，强调跨层弹性、自我适应性以及实现过程中的权衡，为开发者和架构师设计可靠、安全且可自适应的物联网生态系统提供了系统性指导。

ABSTRACT

Internet-of-Things (IoT) ecosystems tend to grow both in scale and complexity as they consist of a variety of heterogeneous devices, which span over multiple architectural IoT layers (e.g., cloud, edge, sensors). Further, IoT systems increasingly demand the resilient operability of services as they become part of critical infrastructures. This leads to a broad variety of research works that aim to increase the resilience of these systems. In this paper, we create a systematization of knowledge about existing scientific efforts of making IoT systems resilient. In particular, we first discuss the taxonomy and classification of resilience and resilience mechanisms and subsequently survey state-of-the-art resilience mechanisms that have been proposed by research work and are applicable to IoT. As part of the survey, we also discuss questions that focus on the practical aspects of resilience, e.g., which constraints resilience mechanisms impose on developers when designing resilient systems by incorporating a specific mechanism into IoT systems.

研究动机与目标

• 通过分析学术文献中的定义、属性和分类，建立对物联网弹性统一的理解。
• 识别并分类适用于异构、多层物联网系统的弹性机制——包括冗余、监控、保护和恢复。
• 研究弹性机制在系统设计与部署过程中对开发者和运行时平台施加的实际约束。
• 应对物联网系统不断演进的需求，包括可扩展性、异构性、动态重构以及跨域管理视图。
• 通过引入弹性状态的连续体（包括“尽力恢复”和持续故障下的降级功能），扩展传统容错模型。

提出的方法

• 基于可用性、机密性、完整性、可靠性与安全性等系统属性，提出一种弹性分类体系。
• 将弹性机制划分为四大核心类别：冗余（如复制、备份路由）、监控（如异常检测、健康检查）、保护（如访问控制、入侵检测）和恢复（如自愈、重新配置）。
• 通过分层物联网架构（设备层、边缘层、云层）分析机制，评估其跨层适用性与集成挑战。
• 利用真实物联网用例（如电子健康、智慧城市和工业物联网）评估机制，示例包括Kafka、Kubernetes和基于区块链的中间件。
• 提出弹性连续体模型，超越二元容错模型，涵盖部分恢复与持续故障下的降级运行。
• 综述基于模式和中间件驱动的方法（如弹性管理器、影子设备、容器化），以实现模块化与可组合的弹性。

实验结果

研究问题

• RQ1 物联网系统中的弹性是否存在一致且全面的分类体系？其与传统可靠性模型有何区别？
• RQ2 弹性机制（冗余、监控、保护、恢复）在物联网系统分层架构（设备、边缘、云）中如何运作？
• RQ3 弹性机制在系统设计阶段对开发者以及在运行时平台对执行环境施加了哪些实际约束？
• RQ4 如何量化和度量物联网系统中的弹性？何种指标最能反映特定应用的弹性需求？
• RQ5 现代物联网系统在传统容错之外，能在多大程度上实现自我适应与“尽力而为”的弹性？

主要发现

• 物联网中的弹性超越了容错范畴，涵盖安全、隐私与动态自适应能力，需要整合可靠性与信息物理系统特性的整体方法。
• 通过Apache Kafka实现的数据复制和通过Kubernetes实现的服务复制，可在边缘和云层实现高可用性与容错能力。
• 监控与异常检测技术（如健康模式序列化、分布式日志）在异构物联网环境中对早期故障与攻击检测至关重要。
• 访问控制、授权机制与入侵检测等保护机制，对保障具有动态信任边界的开放、大规模物联网系统安全至关重要。
• 恢复机制如自动重新配置、影子设备与基于容器的容错能力，可在系统中断后即使在降级条件下也能恢复功能。
• 区块链与智能合约的集成可实现去中心化物联网市场中的无信任、弹性服务协调，但存在性能权衡。