[论文解读] IoTSim-Edge: A Simulation Framework for Modeling the Behaviour of IoT and Edge Computing Environments

Devki Nandan Jha, Khaled Alwasel+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 34被引用 16

一句话总结

IoTSim-Edge 是一个扩展 CloudSim 的仿真框架，用于建模异构物联网与边缘计算环境，支持应用组合、电池感知建模、协议多样性、移动性以及动态资源供应。在三个测试案例中的评估证实，该框架在高可配置性和保真度下能够有效模拟现实世界的物联网与边缘工作负载。

ABSTRACT

This paper proposes a novel simulator IoTSim-Edge, which captures the behavior of heterogeneous IoT and edge computing infrastructure and allows users to test their infrastructure and framework in an easy and configurable manner. IoTSim-Edge extends the capability of CloudSim to incorporate the different features of edge and IoT devices. The effectiveness of IoTSim-Edge is described using three test cases. The results show the varying capability of IoTSim-Edge in terms of application composition, battery-oriented modeling, heterogeneous protocols modeling and mobility modeling along with the resources provisioning for IoT applications.

研究动机与目标

• 为解决在异构物联网与边缘计算环境中建模复杂交互行为时缺乏统一仿真框架的问题。
• 扩展 CloudSim 的功能，以支持边缘计算特有的特性，如移动性、异构协议和能耗感知的设备建模。
• 使研究人员和开发者能够在可配置、可扩展且逼真的仿真环境中测试和评估物联网与边缘基础设施框架。
• 通过模块化仿真架构，支持边缘-物联网系统中的动态资源供应与应用组合。

提出的方法

• 通过引入用于物联网与边缘设备建模的新组件，扩展广泛使用的 CloudSim 云仿真框架。
• 引入电池感知模型，以模拟资源受限的物联网设备的能耗与寿命。
• 通过协议特定的消息处理与延迟建模，支持异构通信协议（例如 MQTT、CoAP）。
• 集成移动性模型，以模拟物联网设备在边缘节点之间的移动，影响任务卸载与数据路由。
• 通过建模边缘节点容量、负载均衡与任务调度策略，实现动态资源供应。
• 采用模块化架构，支持新设备类型、协议与应用工作负载的插件式集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 IoTSim-Edge 在协调环境中对异构物联网与边缘设备行为的仿真效果如何？
• RQ2 IoTSim-Edge 在边缘-物联网系统中对应用组合与动态资源供应的支持程度如何？
• RQ3 IoTSim-Edge 对物联网设备能耗与电池寿命的建模精度如何？
• RQ4 IoTSim-Edge 是否能够捕捉设备移动性对边缘计算中任务卸载与网络性能的影响？
• RQ5 IoTSim-Edge 在物联网工作负载中对多样化通信协议的支持效果如何？

主要发现

• IoTSim-Edge 成功实现了边缘-物联网环境中应用组合的建模，支持复杂多组件工作负载的仿真。
• 该框架准确捕捉了电池消耗模式，支持对物联网设备寿命的能耗感知评估。
• 对 MQTT 和 CoAP 等异构协议建模有效，表现出不同的消息传输延迟与开销。
• 移动性建模支持设备移动的逼真仿真，影响任务卸载决策与网络延迟。
• IoTSim-Edge 中的资源供应机制在不同工作负载与设备密度条件下均表现出良好的可扩展性与适应性。
• 该框架的模块化设计支持便捷扩展与配置，可在极少代码修改的情况下支持多样化的仿真场景。