卒業論文要旨

進化ゲーム理論によるエッジコンピューティングの負荷分散

長嶋 幸之介 (2020年2月)

従来は利用者は手元のコンピューターに導入してソフトウェアやデータ、またそれらを提供するためのサーバーなどを利用していた。しかし現代では、それらをインターネットなどのネットワークを通じて必要に応じて利用者に提供するクラウドコンピューティングが広く普及しており、これを利用し提供されるサービスをクラウドサービスという。企業などが情報資源を管理する手段として、この利用形態が急速に普及している。

しかし、クラウドサービスにはいくつかの問題点があり、セキュリティの問題や、集中処理形態であるので、サーバーへの負荷集中による通信遅延などが問題視されている。このことは、世の中にスマホやタブレット端末など、今までインターネットにつながっていなかったモノをつなぐことを意味するIoT化が普及していることや、移動通信システムの5G化に伴う超高速通信などに通信遅延などの側面から影響が出てしまうと考えられる。

そこで、コンピューターネットワーク上で、利用者に近い場所に多数のサーバーを配置し、負荷の分散と通信の低遅延化を図るエッジコンピューティングと呼ばれるコンピュータの利用形態が現れ始めた。これにより、クラウドコンピューティングに比べ、通信遅延をかなり減らすことに成功した。

しかし、クラウドとエッジという物理的に離れたホストに最適に資源を配置しなければならないという問題が生まれた。関連研究では、クラウド上のホストに各アプリケーションのVM(Web、App、DBサーバー)を配置する問題を解決していた。その際、各アプリケーション内に複数のランダムに決められた配置戦略を持つプレーヤがいると仮定し、それらを進化ゲーム理論を用いて競わせ、生き残ったプレーヤの配置戦略をアプリケーションの配置戦略とする。これにより、各アプリケーションが進化的で安定的な最適配置戦略をとることが分かった。

本研究で取り組む資源配置問題は、関連研究を参考にし、2つのアプリケーションのVMをクラウド上の一つのホスト、エッジ上の2つのホストに最適配置する問題とする。

提案手法では、上記の資源配置問題を、2つのアプリケーションに必要な処理能力の合計値を変化させ、その時々の最適配置を負荷分散をもとに、進化ゲーム理論を用いて明らかにする。その際、エッジコンピューティングではユーザーとのインタラクションが多いと考えられるWebサーバーはクラウド上のホストよりも、ユーザーとの物理的距離が近いエッジ上のホストに配置することが適切であると考えられるので、Web サーバーをクラウド上のホストに配置した場合、必要な処理能力を定数倍するレイテンシ制約、というものを考える。

結果として、レイテンシ制約としてかける数値を大きくしていくと、必要な処理能力の合計値によらず、レイテンシ制約を適切に反映した最適配置になる結果が得られた。