[论文解读] 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 6

一句话总结

FOCAN 提出了一种用于智慧城市的多层雾计算架构，通过将数据处理和通信本地化在终端设备附近，显著降低了延迟和能耗。通过将设备间通信分类为跨主节点、主节点和次级三类，并采用可扩展的路由算法，FOCAN 在物联网（IoE）环境中实现了显著的能效提升和低延迟服务交付，其性能通过真实数据集的仿真得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决依赖远程云计算的智慧城市应用中存在的高延迟和能效低下问题。
• 设计一种可扩展的多层雾计算架构，将计算和通信资源更贴近终端设备。
• 通过优化雾节点间的数据路由和资源分配，管理物联网（IoE）环境中多样化的应用工作负载。
• 通过实现设备与附近雾节点之间的高效本地化数据处理和通信，减少对远程云中心的依赖。
• 利用真实数据集和在真实IoE条件下进行的仿真，评估所提出架构的性能。

提出的方法

• 提出一种三层 FOCAN 架构，通过在网络边缘集成雾节点（FNs），为物联网和IoE设备提供计算、通信和存储支持。
• 引入三种设备间通信类型——跨主节点、主节点和次级通信，以基于距离和优先级对流量进行分类与管理。
• 采用可扩展的路由算法，通过选择最近的可用雾节点进行数据处理和传输，最小化能耗。
• 采用基于 TCP/IP 的通信模型，并优化流量控制，以减少无线和移动环境中的数据包重传和超时事件。
• 使用 IEEE 802.11b 模拟单跳链路的设备到设备（D2D）平台，将 FOCAN 的性能与传统 D2D 通信进行对比。
• 利用真实数据集评估框架，并从功耗、延迟和能效等维度衡量不同通信类型下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用雾计算降低智慧城市应用中的延迟和能耗？
• RQ2 何种通信分类模型最能支持异构IoE环境中的服务质量？
• RQ3 通过雾节点实现计算和通信的本地化，如何提升移动设备和资源受限的物联网设备的性能？
• RQ4 在能效和可靠性方面，FOCAN 相较于传统 D2D 通信的性能提升程度如何？
• RQ5 多层雾架构能否有效管理城市IoE部署中的多样化应用工作负载？

主要发现

• 与传统 D2D 平台相比，FOCAN 显著降低了每连接的平均功耗，主要归因于路径损耗减少和数据包重传减少。
• 跨主节点通信类型的能耗最低，因其利用了邻近的高容量雾节点实现本地任务卸载。
• 主节点和次级通信通过减少对长距离网络路径和远程云处理的依赖，表现出更高的可靠性和更低的延迟。
• 仿真结果证实，FOCAN 的路由算法能有效降低能耗，并在密集的城市IoE环境中提升服务效率。
• 通过优先利用本地资源并减少向远程云传输数据，该框架实现了可扩展的、面向能效的应用管理。
• 在能效方面，FOCAN 显著优于传统 D2D 通信，表现为更低的平均功耗和更少的 TCP 超时事件。