[论文解读] Communication and Consensus Co-Design for Low-Latency and Reliable Industrial IoT Systems.

Hyowoon Seo, Jihong Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文通过提出随机代表共识（R2C）协议，协同设计了通信与共识协议，以实现低延迟、高可靠的工业物联网（IIoT）系统。R2C是一种通信高效的协议，在广播和泛洪两种模型下，其端到端延迟均低于基线的Referendum Consensus协议，并提供了闭式表达式，可保证无线链路上的目标可靠性。

ABSTRACT

Designing fast and reliable distributed consensus protocols is a key to enabling mission-critical and real-time controls of industrial Internet of Things (IIoT) nodes communicating over wireless links. However, chasing both low-latency and reliability of a consensus protocol at once is a challenging task. The problem is even aggravated under wireless connectivity that is slower and less reliable, compared to wired connections presumed in traditional consensus protocols. To tackle this issue, we investigate fundamental relationships between consensus latency and reliability under wireless connectivity, and thereby co-design communication and consensus protocols for low-latency and reliable IIoT systems. Specifically, we propose a novel communication-efficient distributed consensus protocol, termed Random Representative Consensus (R2C), and show its effectiveness under gossip and broadcast communication protocols. To this end, we derive closed-form end-to-end (E2E) latency expression of R2C that guarantees a target reliability, and compare this with a baseline consensus protocol, referred to as Referendum Consensus (RC).

研究动机与目标

• 为解决在不可靠无线链路上实现工业物联网（IIoT）系统共识协议的低延迟与高可靠性挑战。
• 研究无线连接的IIoT环境中共识延迟与可靠性之间的基本权衡。
• 协同设计通信与共识协议，联合优化实时IIoT控制系统中的低延迟与高可靠性。
• 提出一种新型共识协议——随机代表共识（R2C），相比传统方法可降低通信开销与端到端延迟。
• 推导出在无线条件下满足可靠性要求的R2C协议的闭式端到端（E2E）延迟表达式，实现理论保证。

提出的方法

• 提出随机代表共识（R2C），一种分布式共识协议，通过随机选择代表来减少通信开销并加速收敛。
• 采用泛洪与广播两种通信模型，评估R2C在不同网络拓扑与可靠性约束下的性能表现。
• 推导出R2C的端到端（E2E）延迟的闭式表达式，整合可靠性要求，实现理论保证。
• 在相同条件下与基线协议Referendum Consensus（RC）进行对比，量化延迟与可靠性之间的权衡。
• 通过理论建模，表征无线IIoT网络中共识延迟、可靠性与通信模式之间的关系。
• 通过在不同可靠性目标下与基线RC协议的对比分析，验证理论延迟表达式的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IIoT系统中，无线连接环境下共识延迟与可靠性如何权衡？
• RQ2 协同设计的通信与共识协议能否在无线IIoT网络中实现更低的端到端延迟，同时保持目标可靠性？
• RQ3 在可靠性约束下，所提出的R2C协议的闭式端到端延迟表达式是什么？
• RQ4 与基线Referendum Consensus（RC）相比，R2C在延迟与通信效率方面表现如何？
• RQ5 在泛洪与广播通信模型下，R2C相较于RC的性能提升如何？

主要发现

• 在泛洪与广播通信模型下，R2C的端到端（E2E）延迟均低于基线Referendum Consensus（RC）协议。
• R2C的闭式E2E延迟表达式可实现无线IIoT环境中目标可靠性的理论保证。
• R2C通过选择随机代表减少通信开销，从而实现更快收敛与更低延迟。
• 通过在相同可靠性目标下对延迟表达式的对比分析，定量验证了R2C相较于RC的性能优势。
• 协同设计方法成功将通信效率与共识延迟解耦，使无线IIoT系统能够实现低延迟与高可靠运行。
• 推导出的R2C延迟表达式被验证为在不同可靠性约束下系统行为的可靠预测工具。