QoS-Aware fog node placement for intensive IoT applications in SDN-Fog scenarios

Abstract

La llegada del paradigma de Internet de las cosas (IoT) a dominios intensivos, como la industria, es un facilitador clave para la automatización de procesos críticos del mundo real. Los estrictos requisitos de calidad de servicio (QoS) de estos dominios hacen que los paradigmas informáticos de baja latencia, como la computación en la niebla, sean muy atractivos para cumplir con estos requisitos. Además, los requisitos de escalabilidad y flexibilidad en las comunicaciones de red subyacentes motivan el uso de redes definidas por software (SDN) en la infraestructura. Para habilitar estos entornos de niebla-SDN, se pueden implementar nodos de niebla (FN) que tengan capacidades informáticas y SDN, lo que facilita la implementación de niebla en redes SDN. Sin embargo, la ubicación exacta de estas FN es clave para la latencia de los hosts que las utilizan y, por lo tanto, debe evaluarse cuidadosamente para cumplir con los estrictos requisitos de QoS de aplicaciones de IoT críticas y con plazos estrictos. Este artículo se centra en este problema de ubicación de FN formalizándolo y resolviéndolo mediante métodos tanto óptimos como aproximados, incluidas comparaciones con puntos de referencia de última generación. En particular, analizamos el rendimiento de cada uno de estos métodos en términos de latencia y tiempo de ejecución tanto en topologías de Internet SDN como en infraestructuras de IoT industrial. Nuestra heurística propuesta proporciona ubicaciones con latencias casi óptimas, con brechas de optimización más pequeñas que el punto de referencia, y las calcula en tiempos manejables.

The advent of the Internet of Things (IoT) paradigm to intensive domains, such as industry, is a key enabler for the automation of critical, real-world processes. The strict Quality-of-Service (QoS) requirements of these domains make low-latency computing paradigms, such as fog computing, very attractive for meeting these requirements. Moreover, the requirements of scalability and flexibility in the underlying network communications motivate the use of software-defined networking (SDN) in the infrastructure. To enable these fog-SDN environments, fog nodes (FNs) that have both computing and SDN capabilities can be deployed, thus easing the deployment of fog in SDN networks. However, the exact placement of these FNs is key to the latency of the hosts that make use of them, and thus, must be carefully assessed to meet the stringent QoS requirements of critical, time-strict IoT applications. This article focuses on this FN placement problem by formalizing it and solving it through both optimal and approximated methods, including comparisons with state-of-the-art benchmarks. In particular, we analyze the performance of each of these methods in terms of latency and execution time in both SDN Internet topologies and Industrial IoT infrastructures. Our proposed heuristic provides placements with near-optimal latencies, with smaller optimality gaps than the benchmark, and computes them in tractable times.