一般社団法人電子情報通信学会信学技報信学技報 THE THE INSTITUTE INSTITUTE OF OF ELECTRONICS, ELECTRONICS, IEICE Technical IEICE Report Technical Report INFORMATION AND COMMU

INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

IoT デバイス仮想化のための

サービスファンクション最適割り当て手法の検討

関根

響

†

_{金井 謙治}

†

_{金光 永煥}

‡†

_{甲藤 二郎}

†

_{中里 秀則}

†

†早稲田大学

_{〒169-8555 東京都新宿区大久保 3-4-1}

‡東京工科大学

_{〒192-0982 東京都八王子市片倉町 1404-1}

E-mail: †{h_sekine, kanai, katto}@katto.comm.waseda.ac.jp

あ

あら

らま

まし

し

_{これまで筆者らは，エッジコンピューティングを活用した IoT デバイス仮想化技術として，IoT サー}

ビスの処理機能をサービスファンクションとして分割定義し，ネットワーク上の計算資源に分散配備する仕組みを

提案してきた．本稿では，この仕組みにおいて，アプリケーション要件として遅延を考慮したサービスファンクシ

ョンの最適割り当て手法を検討する．シミュレーション評価によって，検討する最適割り当て手法の有効性を確認

する．

キ

キー

ーワ

ワー

ード

ド

_{IoT，エッジコンピューティング，サービスファンクション，IoT デバイス仮想化}

Optimal Service Function Allocation Method for IoT Device Virtualization

Hibiki SEKINE

†

_{Kenji KANAI}

†

_{Hidehiro KANEMITSU}

‡†

Jiro KATTO

†

_{and Hidenori NAKAZATO}

†

†

_{Waseda University 3-4-1, Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, 169-8555, Japan}

‡

_{Tokyo University of Technology 1404-1, Katakuramachi, Hachioji City, Tokyo, 192-0982, Japan}

E-mail: †{h_sekine, kanai, katto}@katto.comm.waseda.ac.jp

Abstract Authors proposed IoT device virtualization technology using edge computing. In IoT device virtualization, IoT

service is divided into multiple micro service functions, and these functions are allocated to computing resources that are

located in the networks. In this paper, we study an optimal service function allocation method that minimizes application

end-to-end latency. Through computer simulations, we confirm an effectiveness of the optimal allocation method.

Keywords IoT，Edge computing，Service function，IoT device virtualization

1. は

は じ

じ め

め に

に

近 年 ，_{Internet of Things (IoT)が 広 く 普 及 して お り ，} ス マ ー ト シ テ ィ や ス マ ー ト ホ ー ム と い っ た 様 々 な 分 野 に お い て 研 究 開 発 が 行 わ れ て い る_{[1]． IoT は 非 常 に 多} く の 技 術 の 融 合 と 言 え ， デ バ イ ス ， 通 信 ， 処 理 に お い て ヘ テ ロ な 環 境 を 想 定 す る 必 要 が あ る ． 例 え ば ，_IoT デ バ イ ス で は ， 温 度 や 湿 度 セ ン サ と い っ た 少 量 の デ ー タ を 生 成 す る も の か ら ， カ メ ラ や マ イ ク の よ う に 画 像 や 動 画 ， 音 声 と い っ た 大 量 の デ ー タ を 生 み 出 す も の ま で 様 々 な も の が 存 在 す る ． ま た ，_{IoT ネ ッ ト ワ ー ク に} 注 目 す る と ， 狭 帯 域 で は あ る が 広 範 囲 の 通 信 が 可 能 で あ る_{Low Power Wide Area (LPWA)や ， 広 帯 域 か つ 中 範} 囲 を カ バ ー で き る _{IEEE 802.11 に 代 表さ れ る 無 線 LAN，} さ ら に 比 較 的 広 帯 域 で か つ 広 範 囲 の 通 信 が 可 能 な Long Term Evolution (LTE)や 5G に 代 表 さ れ る 移 動 体 通 信 な ど が 存 在 す る ． さ ら に ，_{IoT ア プ リ ケ ー シ ョ ン に} っ た 処 理 負 荷 が 低 い も の か ら ， 深 層 学 習 に よ る 画 像 処 理 と い っ た 処 理 負 荷 が 高 い も の ま で 様 々 あ る ． こ の よ う な 状 況 下 で ， 多 種 多 様 な _{IoT デ バ イ ス を 効 率 的 に 収} 容 し ， 様 々 な _{IoT ア プ リ ケ ー シ ョ ン を 処 理 ， 配 信 す る} IoT プ ラ ッ ト フ ォ ー ム が 求 め ら れ てい る ． こ の よ う な 背 景 の も と ， 著 者 ら は こ れ ま で ス マ ー ト シ テ ィ に 対 す る _{IoT プ ラ ッ ト フ ォ ー ム の 研 究 開 発 を 行} い ， そ の 主 要 技 術 の 一 つ と し て ， エ ッ ジ コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ や 仮 想 化 技 術 を 活 用 し た 「_{IoT デ バ イ ス 仮 想 化} 技 術 」 を 提 案 し て き た_{[2]．こ れ は ， IoT サ ー ビ ス の 処} 理 機 能 を サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン_{(マ イ ク ロ サ ー ビ ス )} と し て 機 能 単 位 で 分 割 定 義 し ， ネ ッ ト ワ ー ク 内 に 存 在 す る 計 算 資 源 に 分 散 配 備 す る と い う 仕 組 み に な る ． 近 年 ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 最 適 な 分 散 配 備 手 法 と し て ， ネ ッ ト ワ ー ク 資 源 ， 計 算 資 源 ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 必 要 な 計 算 資 源 が わ か っ て い る 元 ， 最 適 化 問 題 に 定 式 化 し 遅 延 最 小 を 達 成 す る 手 法 が 多 数 提 案 さ INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS CS2019-74,IE2019-54(2019-12)

れ て い る_{[3, 4，7-9 な ど ]． そ こ で ， 筆 者 ら も ， 多 様 な} サ ー ビ ス 要 件 を 満 足 す る よ う な サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 分 散 配 備 配 置 ア ル ゴ リ ズ ム に つ い て 検 討 す る ． 本 稿 で は ， そ れ に 向 け て ， ま ず は 単 純 な シ ナ リ オ を 想 定 し ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン 要 件 の_{1 つ で あ る 遅 延 を 考 慮 し} た サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 最 適 割 り 当 て 手 法 を 最 適 化 問 題 の 定 式 化 に よ り 検 討 す る ． 性 能 評 価 と し て ， 提 案 手 法 に よ っ て 得 ら れ た 最 適 配 置 に お け る 実 行 遅 延 時 間 と ラ ン ダ ム に 配 置 し た 場 合 の 実 行 遅 延 時 間 を 比 較 し ， 提 案 手 法 の 有 効 性 を 確 認 す る ．

2. 関

関 連

連 研

研 究

究

近 年 ，_{IoT を 支 え る 重 要 な パ ラ ダ イ ム の 一 つ と し て} エ ッ ジ_{/フ ォ グ コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ の 研 究 が 進 め ら れ} て い る ．_{[3]では ，ク ラ ウ ド コン ピ ュ ー テ ィ ン グ，モ バ} イ ル エ ッ ジ コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ ， エ ン ド デ バ イ ス か ら な る _{3 層 を 統 合 的 に 利用 す る た め の EdgeFlow と 呼 ば} れ る シ ス テ ム が 提 案 さ れ て い る ．_{EdgeFlow に お い て 効} 率 的 に デ ー タ 処 理 を 行 う た め に ， タ ス ク の 最 適 割 り 当 て 手 法 を 考 案 し て い る ．ま た ，_{EdgeMesh と 呼 ば れ る ネ} ッ ト ワ ー ク 内 に 存 在 す る エ ッ ジ デ バ イ ス_{(エ ッ ジ コ ン} ピ ュ ー テ ィ ン グ_{)間 で 計 算 タ ス ク を 共 有 す る シ ス テ ム} が 提 案 さ れ て い る_[4]． ま た ，ネ ッ ト ワ ー ク の 効 率 的 な 利 用 の た め ，_Network Function Virtualization (NFV)[5]と い っ た ネ ッ ト ワ ー ク 仮 想 化 技 術 に 関 す る 研 究 が 進 め ら れ て い る ．_{NFV で は ，} ロ ー ド バ ラ ン サ や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と い っ た 従 来 で は 各 専 用 の ハ ー ド ウ ェ ア 上 で 実 行 し て い た ネ ッ ト ワ ー ク 機 能 を ， 論 理 的 に 統 合 ， 分 割 さ れ た 汎 用 サ ー バ 上 で 実 現 す る こ と が 可 能 に な る ．_{Service Function Chaining} (SFC)[6]と い う 技 術 に よ っ て， NFV に お け る サ ー ビ ス 機 能 で あ る _{Virtualized Network Function (VNF)を 適 切} な 順 序 で 連 結 し サ ー ビ ス を 提 供 す る ．こ の よ う な_NFV の 研 究 に お い て ，_{VNF の 最 適 配 置 問 題 が 数 多 く 議 論 さ} れ て い る ．_{[7]で は，物 理 マ シ ン の 負 荷 な ど の 状 態 や 使} 用 率 ， 容 量 な ど を 考 慮 し て ， 消 費 エ ネ ル ギ ー の 最 適 化 を 目 的 と し た 動 的 _{VNF 配 置 手 法 を 提 案 し て い る．ま た ，} ク ラ ウ ド デ ー タ セ ン タ ー で の リ ソ ー ス 最 適 化_{[8]や ネ} ッ ト ワ ー ク ユ ー テ ィ リ テ ィ 最 大 化_{[9] を 目 的 と し た} VNF 配 置 手 法 が 提 案 さ れ て い る ． IoT ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 実 現 に は ， 仮 想 化 技 術 の 利 用 例 が 多 い ．特 に _{Docker な ど の コ ン テ ナ 型 仮 想 化 技 術} は ， ハ イ パ ー バ イ ザ 型 と 比 べ て ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 起 動 に か か る オ ー バ ー ヘ ッ ド が 小 さ く ， 近 年 注 目 さ れ て お り ， コ ン テ ナ を 利 用 し た ア ー キ テ ク チ ャ が 提 案 さ れ て い る_{[10, 11, 12]．}

3. IoT デ

デ バ

バ イ

イ ス

ス 仮

仮 想

想 化

化技

技 術

術

本 章 で は ，筆 者 ら が_{[2]に て 提案 し て い る IoT デ バ イ} ス 仮 想 化 技 術 に お い て ， 分 割 定 義 さ れ た サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン に 最 適 な 処 理 ノ ー ド を 割 り 当 て る 手 法 に つ い て 検 討 す る ．

3.1. シ

シ ス

ス テ

テ ム

ム 概

概 要

要

ま ず シ ス テ ム 概 要 と し て ，筆 者 ら が_{[2]に て提 案 し て} い る _{IoT デ バ イ ス 仮 想 化 技 術 に つ い て ， サ ー ビ ス フ ァ} ン ク シ ョ ン の 展 開 ， 共 有 お よ び ス ケ ー リ ン グ に 関 し て 説 明 す る ． IoT デ バ イ ス 仮 想 化 の 主 な 目 的 は ， IoT デ バ イ ス と IoT サ ー ビ ス の 処 理 機 能 を ネ ッ ト ワ ー ク レ ベ ル で 分 離 し ，異 な る ア プ リ ケ ー シ ョ ン 間 で 共 有 す る こ と に あ る ． ま た ，_{IoT デ バ イ ス 仮 想 化 技 術 に よ っ て ， ア プ リ ケ ー} シ ョ ン 開 発 者 は _{IoT デ バ イ ス や セ ン サ デ バ イ ス 自 身 が} 生 み 出 す _{Raw デ ー タ そ の も の を 気 に す る 必 要 も な く} な り ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン 開 発 の 簡 便 化 に も 繋 が る こ と が 期 待 さ れ る ．図 _{1 に サ ー ビ スフ ァ ン ク シ ョ ン の 展 開，} 共 有 お よ び ス ケ ー リ ン グ の 概 要 図 を 示 す ． ま ず ，_IoT サ ー ビ ス の 処 理 機 能 を サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン_{(マ イ} ク ロ サ ー ビ ス_{)に 分 割 定 義 す る ．各 サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ} ョ ン を _{IoT デ バ イ ス，エ ッ ジ /フ ォ グ ，ク ラ ウ ド サ ー バ} な ど の ネ ッ ト ワ ー ク 内 の 各 種 計 算 資 源 に ア ル ゴ リ ズ ム に 従 い 最 適 配 備 す る ． ま た ， こ れ ら サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 複 数 の ア プ リ ケ ー シ ョ ン 間 で 効 率 的 に 共 有 す る た め ， 動 的 に サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 展 開 先 を 移 動_{(マ イ グ レ ー シ ョ ン )さ せ る こ と も 想 定 し て い る ． さ} ら に ， 動 的 に 変 化 す る _{IoT デ バ イ ス 数 や IoT ア プ リ ケ} ー シ ョ ン 数 に 対 し て サ ー ビ ス 品 質 を 維 持 す る た め に ， 各 サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン へ 割 り 当 て ら れ て い る 計 算 資 源 を 適 応 ス ケ ー リ ン グ す る こ と も 想 定 し て い る ． 以 上 の よ う に ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を コ ン テ ナ 型 仮 想 化 に よ り 実 装 す る こ と で ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 容 易 な 展 開 ， ス ケ ー リ ン グ お よ び 共 有 を 可 能 と す る IoT デ バ イ ス 仮 想 化 技 術 を [2]で は 提 案 し て い る ． 図_{1. サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョン の 展 開 ，共 有 お よ び ス} ケ ー リ ン グ の 概 要 図_[2]．

3.2. サ

サ ー

ー ビ

ビ ス

ス フ

フ ァ

ァン

ン ク

ク シ

ショ

ョ ン

ン 最

最 適

適 割

割当

当手

手 法

法

次 に ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を ネ ッ ト ワ ー ク ノ ー ド 内 に 最 適 割 り 当 て す る 手 法 に つ い て ， 最 適 化 問 題 へ の 定 式 化 と し て 扱 い 検 討 す る ． 検 討 手 法 で は ， セ ン サ デ ー タ を 取 得 し 始 め て か ら ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 処 理 App 1

Local device Edge server

Function 1 Function 1' Function 2 Function 3 Function 3' Cloud server Local device

Function 1 Function 2 Function 3 Function 1' Function 2 Function 3' App 2

: Deploy : Application flow Shared function

結 果 が デ ー タ を 必 要 と す る 場 所 に 届 く ま で の 実 行 遅 延 時 間 が 最 小 に な る こ と を 目 的 に ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 最 適 に 割 り 当 て る ノ ー ド を 決 定 す る ． こ こ で 取 り 扱 う サ ー ビ ス と し て ， セ ン サ デ ー タ を 取 得 し ， 複 数 の 処 理 を 実 行 後 ， 最 終 的 に 処 理 結 果 を 必 要 と し て い る ユ ー ザ へ デ ー タ を 提 供 す る こ と を 想 定 す る ． こ の 想 定 の も と ， セ ン サ デ ー タ を 取 得 す る ノ ー ド を ス タ ー ト ノ ー ド ， 処 理 す る ノ ー ド を 処 理 ノ ー ド ， デ ー タ を 受 け 取 る ノ ー ド を エ ン ド ノ ー ド と し て 定 義 す る ． 図 2 に ノ ー ド の種 類 と デ ー タ の 流 れ を 示 す ． ま た ， 単 純 化 の た め ， ス タ ー ト ノ ー ド で 処 理 す る た め の 計 算 資 源 は あ ら か じ め 決 定 し て い る も の と す る ． 一 般 的 に ， ス タ ー ト ノ ー ド は セ ン サ デ バ イ ス に 該 当 す る が ， セ ン サ デ バ イ ス で の 処 理 を 考 え る 場 合 は ， ス タ ー ト ノ ー ド と 処 理 ノ ー ド が 同 一 で あ る 場 合 も 想 定 す る ． ま た ， エ ン ド ノ ー ド で は ， デ ー タ 受 信 に か か る 処 理 時 間 は ０ と み な し ， 処 理 ノ ー ド が エ ン ド ノ ー ド と 同 一 で あ る 場 合 も 想 定 す る ． 図_{2. ノ ー ド の 種 類 と デ ー タ の 流 れ ．} あ る ア プ リ ケ ー シ ョ ン を 形 成 す る た め の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 集 合 を _{F={1,2,3,‥ ,m}，ネットワー} ク 内 に 存 在 し ， そ れ ら の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 処 理 可 能 な 処 理 ノ ー ド の 集 合 を _{N={1,2,3,‥ ,n}と定 義 す} る ． ま た ，i 番目の サービ ス ファ ンク ション を 処理 ノ ー ド_{j で実行する場合の処理時間を 𝑡𝑡𝑖𝑖,𝑗𝑗}，_{i 番 目の サー ビ} ス フ ァ ン ク シ ョ ン へ の 入 力 デ ー タ サ イ ズ を_{𝐷𝐷𝑖𝑖}， 処 理 ノ ー ド _{j から処理ノード k への 通信 帯域 (スル ープ ット )} を_{𝑏𝑏𝑏𝑏𝑗𝑗,𝑘𝑘}と 定 義 す る ． 単 純 化 の た め ， こ れ ら の パ ラ メ ー タ は 事 前 に 与 え ら れ る も の と す る ． こ れ ら の パ ラ メ ー タ の も と ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の 最 適 割 り 当 て 問 題 を ， 次 の 目 的 関 数 お よ び 制 約 条 件 を 設 定 し ，_{0-1 整} 数 計 画 問 題 と し て ， 最 適 化 問 題 へ 定 式 化 す る ． 目 的 関 数 ： min ∑ ∑ (𝑡𝑡𝑖𝑖,𝑘𝑘𝛼𝛼𝑖𝑖,𝑘𝑘+ ∑ (_{𝑏𝑏𝑏𝑏}𝐷𝐷𝑖𝑖 𝑗𝑗,𝑘𝑘𝛽𝛽𝑖𝑖,𝑗𝑗,𝑘𝑘) 𝑗𝑗∈𝑁𝑁 ) 𝑘𝑘∈𝑁𝑁 𝑖𝑖∈𝐹𝐹  ₍₁₎ 制 約 条 件 ： 𝛼𝛼𝑖𝑖,𝑘𝑘 , 𝛽𝛽𝑖𝑖,𝑗𝑗,𝑘𝑘∈ {0,1} , (𝑖𝑖, 𝑗𝑗, 𝑘𝑘 ∈ 𝑁𝑁)  (2) ∑ 𝛼𝛼𝑖𝑖,𝑘𝑘 𝑘𝑘∈𝑁𝑁 = 1 , (𝑖𝑖 ∈ 𝑁𝑁)  (3) ∑ 𝛽𝛽𝑖𝑖,𝑗𝑗,𝑘𝑘 𝑖𝑖∈𝐹𝐹 = 1 , (𝑗𝑗, 𝑘𝑘 ∈ 𝑁𝑁)  ₍₄₎ ∑ 𝛽𝛽𝑖𝑖,𝑗𝑗,𝑘𝑘 𝑗𝑗∈𝑁𝑁 − 𝛼𝛼𝑖𝑖,𝑘𝑘= 0 (𝑖𝑖 ∈ 𝐹𝐹, 𝑘𝑘 ∈ 𝑁𝑁)  (5) ∑ 𝛽𝛽𝑖𝑖+1,𝑘𝑘,𝑙𝑙 𝑙𝑙∈𝑁𝑁 − 𝛼𝛼𝑖𝑖,𝑘𝑘= 0 (𝑖𝑖 ∈ 𝐹𝐹, 𝑘𝑘 ∈ 𝑁𝑁)  (6) 𝛽𝛽1,𝑗𝑗,𝑘𝑘= 0 (𝑗𝑗, 𝑘𝑘 ∈ 𝑁𝑁)  (7) 𝛼𝛼1,1= 1   (8) 𝛼𝛼𝑚𝑚,𝑛𝑛= 1   (9) 目 的 関 数 で あ る 式_{(1)の第 1 項 は 処 理 時 間 を 表 し，第} 2 項 は 通 信 時 間 を 表 し て い る ． す な わ ち ， 制 約 条 件 (2)~(9)の も と ， 処 理 時 間 と 通 信 時 間 の 組 み 合 わ せ を 最 適 化 す る こ と と な る ．式_{(2)の 制 約 条 件 は ，処 理 ノ ー ド} j で 処 理 あるい は 通信を行うかどうかを表し，処理（α）， 通 信 （β） を 行 う 場 合 は _{1，そ れ 以 外 は 0 を 示 す ． 式} (3)は ， i 番 目 のサ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 必 ず あ る 処 理 ノ ー ド で 実 行 す る こ と を 表 す ． 式_{(4)は ， i 番 目 の サ} ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン に は_{1 回 だ け 通 信 が 発 生 す る こ} と （ 処 理 ノ ー ド _{j から k への 転送 ） を表す ． 式 (5)は，} あ る サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を ， あ る 処 理 ノ ー ド で 処 理 す る 場 合 は ， 前 の 処 理 を 行 っ た 処 理 ノ ー ド か ら_{1 回} だ け 通 信 を 行 う こ と を 表 す ．式_{(6)は ，次 の サ ー ビ ス フ} ァ ン ク シ ョ ン は 現 在 の 処 理 ノ ー ド か ら 通 信 で き る 処 理 ノ ー ド で 実 行 す る こ と を 表 す ． 式_{(5)と 式 (6)に よ っ て ，} サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン の チ ェ イ ニ ン グ を 保 証 す る こ と と な る ． ま た ， こ こ で は_{1 つ 前 の 処 理 を 行 っ た ノ ー} ド か ら の 通 信 を 考 え て い る た め ，_{1 番 目 の セ ン サ デ ー} タ 取 得 の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン で は 通 信 を 考 え な い ． よ っ て 式_{(7)の 制 約 条 件 が 成り 立 つ ．そ し て ，セ ン サ デ} ー タ 取 得 の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン は _{1 番 目 の ノ ー ド} (ス タ ー ト ノー ド )で 行 う と 仮 定 す る と ，(8)の 制 約 条 件， ま た ，最 後 の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン は ノ ー ド _{n(エ ン} ド ノ ー ド_{)で 行 う と 仮 定 す る と ， (9)の 制 約 条 件 が 加 わ} る ．

4. シ

シ ミ

ミ ュ

ュ レ

レー

ー シ

ショ

ョ ン

ン 評

評価

価

本 章 で は ，_{3 章 で 述 べ た 最 適割 り 当 て 手 法 を 用 い て ，} サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 割 り 当 て る べ き 最 適 な ノ ー ド を 算 出 し ， そ の 最 適 解 に お け る 実 行 遅 延 時 間 を 評 価 す る ． 比 較 対 象 と し て ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を ネ ッ ト ワ ー ク 内 の ノ ー ド に ラ ン ダ ム に 配 置 す る 場 合 を 想 定 す る ． シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は _{Python を 用 い て 実 装 し ，最 適 化} 問 題 の 実 装 に は _{PuLP[13]を 用 い た ．今 回 想 定 し た ネ ッ} ト ワ ー ク の ト ポ ロ ジ ー を 図 _{3 に 示 す ． ス タ ー ト ノ ー ド} と し て セ ン サ デ バ イ ス が _{1 つ ， エ ン ド ノ ー ド と し て ク} ラ ウ ド 内 の ノ ー ド を _{1 つ 想 定 し ， そ の 間 に 処 理 ノ ー ド} と 考 え る エ ッ ジ コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ と し て の 計 算 資 源 6WDUW QRGH 3URFHVVLQJQRGH (QG QRGH 6HQVRUGDWD 3URFHVVLQJ GDWD

が 存 在 す る こ と と す る ． こ の 時 ， エ ッ ジ ノ ー ド （ 処 理 ノ ー ド ） 数 は パ ラ メ ー タ と し て 扱 う （ 図 _{3 は ，3 つ の} 場 合 の 例 ）．今 回 は セ ン サ デ バ イ ス と エ ッ ジ ノ ー ド 間 は す べ て 通 信 可 能 で あ る メ ッ シ ュ 型 の ト ポ ロ ジ ー を 想 定 す る ． ま た ， セ ン サ デ バ イ ス と ク ラ ウ ド で の 処 理 は 考 え な い も の と す る ． 図 _{3. ネ ッ トワ ー ク ト ポ ロ ジ ー (処 理 ノ ー ド 数 が 3 つ} の 場 合₎ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う 上 で ， 今 回 設 定 し た パ ラ メ ー タ を 表 _{1 に 示す ． 各 ノ ー ド に お け る 各 サ ー ビ ス フ ァ} ン ク シ ョ ン の 処 理 時 間 は _{0.1~3.0[s]の 範 囲 で 一 様 分 布} に 従 う 乱 数 で 発 生 さ せ ， 各 ノ ー ド 間 の ス ル ー プ ッ ト は 50~100[Mbps]の 範 囲 で 5[Mbps]ご と に 一 様 分 布 に 従 う 乱 数 で 発 生 さ せ る も の と す る ． な お ， 処 理 ノ ー ド と ク ラ ウ ド 間 の ス ル ー プ ッ ト は 共 通 で _{100Mbps と す る．デ} ー タ サ イ ズ は 同 一 ア プ リ ケ ー シ ョ ン の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン チ ェ イ ン 中 で は 変 化 し な い と 仮 定 し ， 今 回 は 2K 解 像 度 の PNG 画 像 の 平 均 的 な デ ー タ サ イ ズ の 2.5MB と し て 設 定 し た ． ま た ， 処 理 ノ ー ド に お い て ， 特 定 の サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン が 実 行 で き な い こ と が わ か っ て い る 場 合 ， 処 理 時 間 の パ ラ メ ー タ を 十 分 大 き な 値 に 設 定 し て 対 応 す る ． ま た ， あ る_{2 つ の ノ ー ド 間} の 通 信 が 許 可 さ れ て い な い 場 合 は ， 通 信 帯 域 の パ ラ メ ー タ を 十 分 に 小 さ な 値 に 設 定 し ， 同 一 ノ ー ド の 通 信 に 該 当 す る パ ラ メ ー タ に は 十 分 大 き な 値 を 設 定 し 通 信 時 間 は か か ら な い も の と し て 考 え る ． 表_{1 シ ミ ュ レ ー シ ョン パ ラ メ ー タ} サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン 数 _{3, 5, 10} ノ ー ド 数 _{3, 5, 10} 処 理 時 間 _{0.1~3.0 [s]} ノ ー ド 間 ス ル ー プ ッ ト (ク ラ ウ ド -ノー ド 間 は 100Mbps) 50~100 [Mbps] (5Mbps ご と ) 入 力 デ ー タ サ イ ズ _{20 [Mbit]} 以 上 の 条 件 の も と ， ネ ッ ト ワ ー ク ト ポ ロ ジ ー ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン を 生 成 し ， 最 適 割 り 当 て 手 法 と ラ ン ダ ム 配 置 手 法 と の 実 行 遅 延 時 間 （_{end-to-end 時 間 ）} を 比 較 評 価 す る ．ラ ン ダ ム 配 置 の 場 合 ，_{10 回 シ ミ ュ レ} ー シ ョ ン を 実 行 し ，そ の 平 均 値 と 分 散 を 示 す ．図 _{4 に ，} 処 理 ノ ー ド 数 を 変 化 さ せ た と き の 実 行 遅 延 時 間 の 比 較 結 果 を ， 図 _{5 にそ の 際 の ラ ン ダ ム 配 置 に 対 す る 最 適 化} に よ る 実 行 時 間 の 削 減 割 合 を そ れ ぞ れ 示 す ． 図 _{4. 処 理 ノ ー ド 数 を 変 化 さ せ た 場 合 の 実 行 遅 延 時 間} の 比 較 図 _{5. 処 理 ノ ー ド 数 を 変 化 さ せ た 場 合 の ラ ン ダ ム 配 置} に 対 す る 最 適 解 の 実 行 遅 延 時 間 の 削 減 割 合 ． 図 _{6. サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン 数 を 変 化 さ せ た 場 合 の} 実 行 遅 延 時 間 の 比 較 ． 6HQVRUGHYLFH 6WDUW QRGH (GJH)RJFRPSXWLQJ 3URFHVVLQJQRGH &ORXG FRPSXWLQJ (QGQRGH 0 5 10 15 20 25 N=3 N=5 N=10 N=3 N=5 N=10 N=3 N=5 N=10 F=3 F=5 F=10 Ex ce cut ion de la y (s ) Optimal Random 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 N=3 N=5 N=10 N=3 N=5 N=10 N=3 N=5 N=10 F=3 F=5 F=10 Ex ecut ion tim e ra tio 0 5 10 15 20 25 F=3 F=5 F=10 F=3 F=5 F=10 F=3 F=5 F=10 N=3 N=5 N=10 Ex ce cut ion de la y (s ) Optimal Random

図_{7.サ ー ビ ス ファ ン ク シ ョ ン 数 を 変 化 さ せ た 場 合 の ラ} ン ダ ム 配 置 に 対 す る 最 適 解 の 実 行 遅 延 時 間 の 削 減 割 合 ． 次 に ， 図 _{6 に サー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン 数 を 変 化 さ せ た} と き の 比 較 結 果 を ， 図_{7 に そ の 際 の ラ ン ダ ム 配 置 に 対} す る 最 適 化 に よ る 実 行 時 間 の 削 減 割 合 を そ れ ぞ れ 示 す ． 以 上 の 結 果 よ り ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン 数 お よ び 処 理 ノ ー ド 数 が ど の 条 件 で も 最 適 解 の 実 行 遅 延 時 間 が 大 き く 減 少 し て い る こ と が わ か る ． し た が っ て 提 案 手 法 は 有 効 で あ る と 言 え る ． 特 に 処 理 ノ ー ド 数 が 増 加 し た と き の 効 果 が 大 き い こ と が わ か る ．

5. ま

ま と

と め

め

本 稿 で は ，_{IoT デ バ イ ス 仮 想 化 技 術 に 適 用 す る た め} の ， サ ー ビ ス フ ァ ン ク シ ョ ン 最 適 割 り 当 て 手 法 を 検 討 し た ．検 討 手 法 に 関 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 評 価 に よ り ， ラ ン ダ ム 配 置 と 比 較 し て ， 実 行 遅 延 時 間 が 大 き く 減 少 す る こ と を 確 認 し た ． 今 後 は ， 今 回 の 検 討 手 法 の さ ら な る 拡 張 と し て ， 複 数 ア プ リ ケ ー シ ョ ン や 処 理 の 共 有 な ど の 条 件 を 考 慮 し て い く 予 定 で あ る ． ま た ， 処 理 時 間 だ け で な く 処 理 精 度 と い っ た ， ア プ リ ケ ー シ ョ ン 要 件 も 考 慮 し て い く こ と で ， よ り 現 実 的 な 最 適 割 り 当 て 手 法 を 検 討 す る ． さ ら に ， 実 機 環 境 に よ っ て 評 価 を 行 い ， 実 シ ス テ ム へ の 適 用 を 図 る ．

謝

謝

 辞

辞

本 研 究 成 果 は ， 戦 略 的 情 報 通 信 研 究 開 発 推 進 事 業 （ 国 際 標 準 獲 得 型 ）「 ス マ ー ト シ テ ィ ア プ リ ケ ー シ ョ ン に 拡 張 性 と 相 互 運 用 性 を も た ら す 仮 想 _{IoT-ク ラ ウ ド 連 携} 基 盤 の 研 究 開 発 _{(Fed4IoT)」お よ び 総 務 省 委 託 研 究 研} 究 課 題 _{VI「 IoT 機 器 増 大 に 対 応 し た 有 無 線 最 適 制 御 型} 電 波 有 効 利 用 基 盤 技 術 の 研 究 開 発 」 技 術 課 題 ア 「 有 無 線 ネ ッ ト ワ ー ク 仮 想 化 の 自 動 制 御 技 術 」 の 支 援 を 受 け て い る ．

文

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献

献

[1] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, et al., “Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol.17, no.4, 2015.

[2] K. Ogawa, K.Kanai, J. Katto, et al., “IoT Device Virtualization for Efficient Resource Utilization in Smart City IoT Platform”, IEEE Percom 2019, Mar. 2019.

[3] P. Wang, C. Yao, Z. Zheng, et al., “Joint Task Assignment, Transmission, and Computing Resource Allocation in Multilayer Mobile Edge Computing Systems”, IEEE Internet of Things Journal, vol.6, no.2, April. 2019.

[4] Y. Sahni, J. Cao, L. Yang, “Data-Aware Task Allocation for Achieving Low Latency in Collaborative Edge Computing”, IEEE Internet of Things Journal, vol.6, no.2, April. 2019.

[5] ETSI GS NFV 001: “Network Functions Virtualization (NFV); Use Cases”, [online]:

http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV/001_099/00 1/01.01.01_60/gs_NFV001v010101p.pdf

[6] A. M. Medhat, T. Taleb, A. Elmangoush, et al., “Service Function Chaining in Next Generation Networks: State of the Art and Research Challenges”, IEEE Communications Magazine, vol.55, no.2, Feb. 2017.

[7] B. Kar, E. H. K. Wu, Y. D. Lin, “Energy Cost Optimization in Dynamic Placement of Virtualized Network Function Chains”, IEEE Transactions on Network and Service Management, March. 2018. [8] D. Li, P.Hong, “Virtual Network Function Placement

Considering Resource Optimization and SFC Requests in Cloud Datacenter”, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, July. 2018.

[9] L.Gu, D.Zeng, S.Tao, “Fairness-Aware Dynamic Rate Control and Flow Scheduling for Network Utility Maximization in Network Service Chain”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, May. 2019.

[10] K. Kaur, T. Dhand, N. Kumar, and S. Zea dally, “Container-as-a-Service at the Edge: Trade-off between Energy Efficiency and Service Availability at Fog Nano Data Centers”, IEEE Wireless Communications, vol.24, no.3, June. 2017.

[11] M. Amaral, J. Polo, D. Carrera, et al., “Performance of Microservices Architectures Using Containers”, IEEE 14th International Symposium on Network Computing and Applications, Sep. 2015.

[12] J. Rufino, M. Alam, J. Ferreira, et al., “Orchestration of containerized microservices for IIoT using Docker”, IEEE International Conference on Industrial Technology, Mar. 2017.

[13] Optimization with PuLP, [online]: https://pythonhosted.org/PuLP/ 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 F=3 F=5 F=10 F=3 F=5 F=10 F=3 F=5 F=10 N=3 N=5 N=10 Ex ecut ion tim e ra tio