JP7081529B2 - アプリケーション配置装置及びアプリケーション配置プログラム - Google Patents

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Description

本発明は、ネットワークのノードに対してアプリケーションを配置するための技術に関する。
近年、IoT(Internet of Things)技術が進展し、数多くのデバイスからデータを取得することが可能となってきている。現状のIoTサービスでは、各自の所有するIoTデバイスからデータを取得し、クラウドサーバにおいて、データ収集・解析が行われている。
ネットワーク上に存在するリソースの最適利用に関しては、ネットワーク上にあるサーバにVN(Virtual Network)の埋め込み位置を最適化する手法の研究が進められている。非特許文献1には、通信トラヒックを考慮してVNの最適配置を決定する手法が記載されている。
VNの埋め込みでは、エッジサーバの計算資源量を考慮しない。また、実際にIoTデバイスからのデータを計算処理する場合には、アプリケーションに応じて要求する処理時間や必要なデータは異なると考えられる。エッジサーバは、計算リソースがクラウドサーバと比較して小規模であるため、処理可能なアプリケーション数に限りがある。
本発明は、前記した点に鑑みて創案されたものであり、ネットワークのノードに対してアプリケーションを最適に配置することが可能なアプリケーション配置装置及びアプリケーション配置プログラムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明のアプリケーション配置装置は、リンクによって通信可能に接続された複数のノードによって構成されるネットワークに対して、アプリケーションを前記ノードに配置するアプリケーション配置装置であって、前記ノードの計算コスト及び前記リンクの通信コストを含むコストが最小となる前記ノードを前記アプリケーションの配置先に決定する配置決定部と、決定された前記ノードに前記アプリケーションを配信する配置実行部と、を備え、前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションを前記ノードに配置するのに要する時間と、前記ノードにおいて前記アプリケーションを実行する時間と、の和が、許容遅延時間以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定することを特徴とする。
かかる構成によると、ネットワークにおける最適なノードにアプリケーションを配置し、計算コスト及び通信コストを抑えることができる。
また、かかる構成によると、例えばユーザによって指定された遅延許容時間を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションが使用するリソースが前記ノードのリソース以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する構成であってもよい。
かかる構成によると、ノードの性能を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションが使用する帯域が前記リンクの帯域以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する構成であってもよい。
かかる構成によると、リンクの性能を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
前記配置決定部は、前記コストの算出結果の中から、前記制約条件を満たすように前記アプリケーションの配置先を決定する構成であってもよい。
かかる構成によると、配置の全パターンに関してコストの目的関数を計算してから制約条件によって解を絞り込むため、制約条件の変更に対して好適に対応することができる。
前記配置決定部は、前記制約条件を満たす前記ノードの中から、前記コストが最小となる前記ノードを前記アプリケーションの配置先に決定する構成であってもよい。
かかる構成によると、制約条件によって限られた配置のパターンの範囲内においてコストの目的関数を計算するため、短時間で解を導出することができる。
また、本発明は、コンピュータを前記アプリケーション配置装置として機能させるアプリケーション配置プログラムとしても具現化可能である。
本発明によれば、計算コスト及び通信コストを抑えることによって、ネットワークにおける最適なノードにアプリケーションを配置することができる。
本発明の実施形態に係るアプリケーション配置システムを模式的に示すブロック図である。 ネットワーク内におけるノードの位置と計算コスト及び通信コストとの関係の例を模式的に示すグラフである。 本発明の実施形態に係るアプリケーション配置システムの動作例を模式的に示すシーケンス図である。
本願の発明者は、将来的に多彩なIoTサービスを低コストで開発、運用するために、IoTデバイスとサービスとを分離し、水平分離的にIoTデバイス及びサービスを相互に利用可能にすることが必要になると考えている。しかし、この場合には、相互利用可能なIoTデバイスの増加に伴い、通信トラヒック量の増大が懸念される。
そのため、IoTデバイスに近いエッジ側リソースでアプリケーションを実行することによって、IoTデバイスからのデータをエッジ側で処理しきることが求められる。しかし、エッジ側リソースはクラウド側リソースに比べて小規模であるため、処理可能なアプリケーション数及びIoTデバイスからのデータ量は限られている。したがって、本発明では、リソースへの負荷を抑えるために計算リソース使用コストと通信コストの和の最小化を行い、さらにIoTアプリケーションの要件(CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphic Processor Unit)のリソース、通信帯域、許容しうる遅延時間)を満たすことを行う。
これは、トラヒック量の増加に応じて通信コストは増大するためである。また、計算リソース使用コストと通信コストとの和の最小化を目的とするのは、通信コストの低減のみを行った場合、エッジ側リソースにアプリの処理が集中し、小規模なエッジ側リソースの負荷が大きくなり、計算リソースの使用コスト増大が懸念されるためである。
すなわち、本発明は、全てのIoTデバイスの全てのデータをクラウドサーバに保存するのではなく、IoTデバイスに近いサーバ(ネットワーク内のノード)でデータ解析又はデータ前処理を行うアプリケーションを配信する。すなわち、IoTデバイスから取得されるデータの計算処理を行うアプリケーションをネットワーク上に存在するリソース(ノード)に最適配置することによって、データ量を少なくし、全体のトラヒック量を低減する。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1に示すように、本発明の実施形態に係るアプリケーション配置システム1は、端末2から取得されるデータをアプリケーションによって処理してクラウドサーバ3に記憶させるためのシステムであり、ネットワーク4と、アプリケーション配置装置10と、を備える。ここで、端末2は、アプリケーションによって処理されるデータを取得してネットワーク4へ送信するIoT(Internet of Things)デバイスであり、例えば、IP(Internet Protocol)カメラである。
<ネットワーク>
ネットワーク4は、端末2とクラウド3とを通信可能に接続しており、本実施形態では、複数のノードN(N1~N7)がリンクL(L1~L6)によってツリー型に接続されている。ノードNは、端末2によって送信されたデータをクラウドサーバ3側へ転送するとともに、当該ノードNに配置されたアプリケーションによって、当該データを処理し、処理されたデータをクラウドサーバ3側へ転送する。
図2に示すように、ノードNによるデータ処理のコストとして、計算コストは、ノードNがクラウドサーバ3に近いほど小さくなる(端末2に近いほど大きくなる)。なぜなら、クラウドサーバ3に近いノードNの方が、性能が良いためである。これは、クラウドサーバ3に近いノードNほど、統計多重効果による遊休時間の減少及び高い設備稼働率が期待されるので、クラウドサーバ3に近い場所に高性能なノードNを配備することによって得られる効果が大きいためである。一方、通信コストは、ノードNが端末2に近いほど大きくなる(クラウドサーバ3に近いほど小さくなる)。なぜなら、処理済みのデータが転送される区間が長いほど、リンクLの負荷が小さくなるためである。
<アプリケーション配置装置>
図1に示すように、アプリケーション配置装置10は、クラウドサーバ3に転送すべきデータの前処理を行うアプリケーションを、ネットワーク4における複数のノードNのいずれかに配置する装置である。アプリケーション配置装置10は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read-Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入出力回路等によって構成されている。アプリケーション配置装置10は、機能部として、記憶部11と、設備情報管理部12と、アプリ情報管理部13と、配置決定部14と、配置実行部15と、を備える。
≪記憶部≫
記憶部11は、設備情報データベース11aと、アプリ情報データベース11bと、を備える。設備情報データベース11aには、ネットワーク4の設備(ノードN、リンクL)ごとに、当該設備に関する情報(設備情報、例えば、後記するαi,βj,Cn i,Bl k,Cl j等)が記憶されている。アプリ情報データベース11bには、アプリケーションと、当該アプリケーションに関する情報(アプリ情報、例えば、後記するBn k,Ck,Ba k等)と、が関連付けて記憶されている。アプリ情報は、例えば、検証用装置で性能測定を行うことによって得られたものであってもよい。
≪設備情報管理部≫
設備情報管理部12は、設備情報データベース11aに記憶された設備情報を管理(追加、更新、修正、削除等)する。設備情報管理部12は、ネットワーク4のノードNから当該ネットワーク4の設備情報を取得し、取得された設備情報を設備情報データベース11aに記憶させる。
≪アプリ情報管理部≫
アプリ情報管理部13は、アプリ情報データベース11bに記憶されたアプリ情報を管理(追加、更新、修正、削除等)する。アプリ情報管理部13は、アプリケーションの制作会社のサーバ5等からアプリケーション及び当該アプリケーションのアプリ情報を取得し、取得されたアプリケーション及びアプリ情報をアプリ情報データベース11bに記憶させる。
≪配置決定部≫
配置決定部14は、設備情報データベース11aに記憶された設備情報と、アプリ情報データベース11bに記憶されたアプリ情報と、端末2から取得された情報(端末2に関する情報、遅延許容時間等)と、に基づいて、アプリケーションをネットワーク4内の複数のノードNのいずれかに配置する。
(第一の制約条件)
ここで、配置決定部14は、下記式(第一の制約条件)に基づいて、ノードNの計算リソースの上限を超えないように、アプリケーション配置を制限する。
Figure 0007081529000001
n i,k:i番目のノードNにおけるk番目のアプリケーションの動作の有無(動作有で「1」、動作無で「0」)
n k:k番目のアプリケーションがノードNにおいて使用するリソース量
n i:物理空間におけるi番目のノードNのリソース上限
n i:物理空間におけるi番目のノードNの使用有無(使用有で「1」、使用無で「0」)
本実施形態において、Bn kは、アプリケーションをノードNに記憶させる場合に、ノードN内のアプリケーション記憶領域において当該アプリケーションが占める量である。
また、Cn iは、ノードNに配置(収容)して実行可能なアプリケーションの数を決める指標であり、例えば、ノードNとしてのコンピュータのストレージ、メモリ等の記憶容量である。
第一の制約条件を示す式において、左辺は、アプリケーションを仮に配置した組み合わせにおいて、i番目のノードNに配置されたアプリケーションの数(又は量)を表す。右辺は、ネットワーク4内のi番目のノードNが配置可能なアプリケーションの数(又は量)を表す。
(第二の制約条件)
また、配置決定部14は、下記式(第二の制約条件)に基づいて、リンクLの帯域の上限を超えないように、アプリケーション配置を制限する。
Figure 0007081529000002
l j,k:j番目のリンクLにおけるk番目のアプリケーションの使用の有無(使用有で「1」、使用無で「0」)
l k:k番目のアプリケーションがリンクLにおいて使用する帯域
l j:物理空間におけるj番目のリンクLの帯域上限
l j:物理空間におけるj番目のリンクLの使用有無(使用有で「1」、使用無で「0」)
本実施形態において、Bl kは、リンクLで通信可能な最大量であり、例えば、通信事業者が定める通信帯域幅、通信速度等の最大値である。
第二の制約条件を示す式において、左辺は、アプリケーションを仮に配置した組み合わせにおいて、j番目のリンクLにトラヒックを流すアプリケーションの数(又は量)を表す。
右辺は、ネットワーク4内のj番目のリンクLにトラヒックを流すアプリケーションの数(又は量)を表す。
(第三の制約条件)
また、配置決定部14は、下記式(第三の制約条件)に基づいて、処理時間の上限(TIMEk)を超えないように、アプリケーション配置を制限する。
Figure 0007081529000003
k:k番目のアプリケーションの容量
a k:k番目のアプリケーションがデータ処理に要する時間
本実施形態において、Ba kは、ノードNがアプリケーションを用いてデータを処理する際に、データを取得してから(アプリケーションが処理を開始してから)処理されたデータが出力されるまでの時間である。
第三の制約条件を示す式において、左辺第一項は、アプリケーションを、リンクLを介してノードNに配置するのに要する時間を表す。
左辺第二項は、アプリケーションの実行に要する時間を表す。
右辺は、ユーザによって要求される処理時間の上限、すなわち、遅延許容時間を表す。遅延許容時間は、アプリケーションをリクエストしてから当該アプリケーションによる処理結果が出力されるまでの時間に関して、ユーザが許容する遅延時間である。
(コストに関する目的関数)
配置決定部14は、ノードNの計算コスト及びリンクLの通信コストを含むコストが最小となるノードNを、アプリケーションの配置先に決定する。本実施形態において、配置決定部14は、第一ないし第三の制約条件を満たした範囲において、下記式(目的関数)に基づいてコスト(COST)を算出し、コストが最小となるアプリケーションの配置を決定する。
Figure 0007081529000004
αi:i番目のノードNを使用する際のコスト
βj:j番目のリンクLを使用する際のコスト
本実施形態において、αiは、i番目のノードNを使用する際に生じる費用であり、例えば、ノードNとしてのコンピュータを使用する際の料金である。
また、βjは、ノードNをつなぐ回線を最大限使用した場合に生じる費用であり、例えば、通信事業者が定める通信料金である。
目的関数を示す式において、右辺第一項は、k個のアプリケーションを仮に配置した組み合わせにおいて、ノードNの計算コストの総和を表す。換言すると、右辺第一項は、ノードN使用コストとノードN使用有無の積の全てのノードN分の和である。
右辺第二項は、k個のアプリケーションを仮に配置した組み合わせにおいて、リンクLの通信コストの総和を表す。換言すると、右辺第二項は、リンクL使用コストとリンクL使用有無及びリンクL使用帯域率の積の全てのリンクL分の和である。ここで、リンクL使用帯域率は、対象とするリンクLの帯域上限を分母とし、当該リンクLを使用する全てのアプリケーションが占める帯域を分子とする。
なお、第一ないし第三の制約条件と、目的関数との適用順序は、どちらが先であってもよい。すなわち、配置決定部14は、アプリケーションの配置先として、目的関数が最小になるノードから3つの制約条件を満たすノードを選択してもよく、3つの制約条件を満たすノードから目的関数が最小となるノードを選択してもよい。
≪配置実行部≫
配置実行部15は、配置決定部14によって決定された、各種制約条件を満たしつつコストが最小となるアプリケーションの配置を取得し、取得された内容に基づいて、アプリ情報データベース11bに記憶されたアプリケーションを、対応するノードNへ配信する。
<動作例>
続いて、本発明の実施形態に係るアプリケーション配置システム1の動作例について、図3を参照して説明する(適宜図1参照)。
まず、アプリケーション配置装置10のアプリ情報管理部13が、アプリケーションの制作会社等のサーバ5から、アプリケーション及びアプリ情報を取得する(アプリ情報通知、ステップS1)。続いて、アプリ情報管理部13が、取得されたアプリケーション及びアプリ情報をアプリ情報データベース11bに記憶させる。
また、アプリケーション配置装置10の設備情報管理部12が、ネットワーク4の各ノードNに対して設備情報要求を送信する(設備情報要求、ステップS2)。続いて、ネットワーク4の各ノードNが、設備情報要求を受信すると、設備情報管理部12に対して設備情報を送信する(設備情報通知、ステップS3)。続いて、設備情報管理部12が、設備情報を受信すると、受信された設備情報を設備情報データベース11aに記憶させる。
なお、サーバ5及びアプリ情報管理部13によるステップS1と、設備情報管理部12及びネットワーク4によるステップS2,S3との順番は、どちらが先であってもよい。
続いて、ユーザが所有する端末2が、遅延許容時間を含むアプリケーション配置要求を送信する(アプリ配置要求、ステップS4)。続いて、配置決定部14が、アプリケーション配置要求を受信すると、アプリ情報管理部13に対してアプリ情報要求を送信する(アプリ情報要求、ステップS5)。続いて、アプリ情報管理部13が、アプリ情報要求を受信すると、アプリ情報データベース11bから対応するアプリ情報を読み出し、読み出されたアプリ情報を配置決定部14へ出力する(アプリ情報通知、ステップS6)。
また、配置決定部14が、設備情報管理部12に対して設備情報要求を送信する(設備情報要求、ステップS7)。続いて、設備情報管理部12が、設備情報要求を受信すると、設備情報データベース11aから対応する設備情報を読み出し、読み出された設備情報を配置決定部14へ出力する(設備情報通知、ステップS8)。
なお、配置決定部14及びアプリ情報管理部13によるステップS5,S6と、配置決定部14及び設備情報管理部12によるステップS7,S8との順番は、どちらが先であってもよい。
続いて、配置決定部14が、取得されたアプリケーション配置要求、アプリ情報及び設備情報に基づいて、アプリケーションをネットワーク4のどのノードNに配置するかを決定する(配置決定、ステップS9)。続いて、配置決定部14が、ステップS9の決定結果を配置実行部15へ出力する(決定結果通知、ステップS10)。
続いて、配置実行部15が、決定結果を取得すると、取得された決定結果に基づいて、アプリ情報データベース11bから対応するアプリケーションを読み出し、読み出されたアプリケーションを対応するノードNへ配信する(配置実行、ステップS11)。
続いて、ネットワーク4のノードNが、アプリケーションが配置されると、配置結果を設備情報管理部12へ送信する(配信結果通知、ステップS12)。続いて、設備情報管理部12が、配置結果を受信すると、受信された配置結果を設備情報データベース11aに記憶させる。
<アプリケーションの配置例>
本発明の一例として、3つのノードNを有する完全二分木構造を呈するネットワーク4(図1のノードN1,N2,N5参照。ただし、N5をN3に読み替える)に対して、2つのアプリケーションの最適配置を算出する手法について説明する。
各種パラメータは、以下のように設定されているものとする(単位に関しては省略)。
・ノードの容量Cn iは、全てのノードで10(すなわち、Cn 1=Cn 2=Cn 3=10)
・ノード使用コストαi:α1=1,α2=2,α3=3
・リンクの帯域上限Cl jは、全てのリンクで1000(すなわち、Cl 1=Cl 2=1000)
・アプリケーション情報:2つのアプリケーションともに、遅延許容時間=50,容量=15,処理時間=10,使用する帯域=15)
・リンク使用コストβjは、全てのリンクで1000(すなわち、β1=β2=1000)
なお、2つのアプリケーションによって処理されるデータをネットワーク4へ送信する端末2は、ノードN1に接続されているものとする。
ここで、第一の制約条件を示す式を用いると、10<15×2であるため、ノードN1~N3の1つに2つのアプリケーションを配置することはできないことが分かる。
また、第二の制約条件を示す式を用いると、1000>max(15×2,15×1)であるため、第二の制約条件によってアプリケーションの配置が制約されることはないことが分かる。
また、第三の制約条件を示す式を用いると、50>max(10,10+15/15×1,10+15/15×2)であるため。第三の制約条件によってアプリケーションの配置が制約されることはないことが分かる。
かかる事項に鑑みて、2つのアプリケーションを3つのノードN1~N3の2つに配置することを試行する。
・ノードN1,N2のそれぞれに、2つのアプリケーションの1つを配置する場合
COST=(1+2)+(0+1000×15/1000+1000×15/1000)=33
・ノードN2,N3のそれぞれに、2つのアプリケーションの1つを配置する場合
COST=(2+3)+(1000×15/1000+1000×15/1000)=35
・ノードN1,N3のそれぞれに、2つのアプリケーションの1つを配置する場合
COST=(1+3)+(0+1000×15/1000)=19
したがって、この例では、リンクL1によって接続されたノードN1,N3のうち、ノードN1に対して2つのアプリケーションの一方が配置され、ノードN3に対して2つのアプリケーションの他方が配置される。ここで、2つのアプリケーションをそれぞれノードN1,N3のどちらに配置するかは、適宜設定可能である。
本発明の実施形態に係るアプリケーション配置システム1は、コストに関する目的関数を用いて、コストが最小となるようにアプリケーションを配置するノードNを決定するので、ネットワーク4における最適なノードNにアプリケーションを配置し、計算コスト及び通信コストを抑えることができる。
また、アプリケーション配置システム1は、第一の制約条件を用いてアプリケーションの配置先を決定するので、ノードNの性能を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
また、アプリケーション配置システム1は、第二の制約条件を用いてアプリケーションの配置先を決定するので、リンクLの性能を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
また、アプリケーション配置システム1は、第三の制約条件を用いてアプリケーションの配置先を決定するので、ユーザによる遅延許容時間を超えない範囲で、アプリケーションを好適に配置することができる。
なお、アプリケーション配置システム1は、コストの目的関数→制約条件の順に計算を行う場合には、配置の全パターンに関してコストの目的関数を計算してから制約条件によって解を絞り込むため、制約条件の変更に対して好適に対応することができる。
また、アプリケーション配置システム1は、制約条件→コストの目的関数の順に計算を行う場合には、制約条件によって限られた配置のパターンの範囲内においてコストの目的関数を計算するため、短時間で解を導出することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本発明は、コンピュータを前記アプリケーション配置装置10として機能させるアプリケーション配置プログラムとしても具現化可能である。また、第一ないし第三の制約条件の少なくとも一つは、省略可能である。また、コストの目的関数及び制約条件は、前記した各式に限定されない。
1 アプリケーション配置システム
2 端末
3 クラウドサーバ
4 ネットワーク
10 アプリケーション配置装置
14 配置決定部
15 配置実行部
L リンク
N ノード

Claims (6)

  1. リンクによって通信可能に接続された複数のノードによって構成されるネットワークに対して、アプリケーションを前記ノードに配置するアプリケーション配置装置であって、
    前記ノードの計算コスト及び前記リンクの通信コストを含むコストが最小となる前記ノードを前記アプリケーションの配置先に決定する配置決定部と、
    決定された前記ノードに前記アプリケーションを配信する配置実行部と、
    備え、
    前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションを前記ノードに配置するのに要する時間と、前記ノードにおいて前記アプリケーションを実行する時間と、の和が、許容遅延時間以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する
    ことを特徴とするアプリケーション配置装置。
  2. 前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションが使用するリソースが前記ノードのリソース以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する
    ことを特徴とする請求項1に記載のアプリケーション配置装置。
  3. 前記配置決定部は、制約条件として、前記アプリケーションが使用する帯域が前記リンクの帯域以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアプリケーション配置装置。
  4. 前記配置決定部は、前記コストの算出結果の中から、前記制約条件を満たすように前記アプリケーションの配置先を決定する
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のアプリケーション配置装置。
  5. 前記配置決定部は、前記制約条件を満たす前記ノードの中から、前記コストが最小となる前記ノードを前記アプリケーションの配置先に決定する
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のアプリケーション配置装置。
  6. リンクによって通信可能に接続された複数のノードによって構成されるネットワークに対して、アプリケーションを前記ノードに配置するためにコンピュータを、
    前記ノードの計算コスト及び前記リンクの通信コストを含むコストが最小となる前記ノードを前記アプリケーションの配置先に決定する配置決定手段、
    決定された前記ノードに前記アプリケーションを配信する配置実行手段、
    として機能させ、
    前記配置決定手段は、制約条件として、前記アプリケーションを前記ノードに配置するのに要する時間と、前記ノードにおいて前記アプリケーションを実行する時間と、の和が、許容遅延時間以下となるように、前記アプリケーションの配置先を決定する
    アプリケーション配置プログラム。
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