쿠버네티스 기반 이기종 엣지 컴퓨팅 환경에서의 위치 기반계층적 클러스터 관리 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of a Location-Based Hierarchical Cluster Management System in Kubernetes-Based Heterogeneous Edge Computing Environments
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초록
본 논문에서는 이기종 엣지 컴퓨팅 환경에서 나타나는 클러스터 관리의 복잡성과 자원 활용의 비효율 문제를 해결하기 위해, 위치기반의 계층적 클러스터 관리 체계를 제안한다. 제안된 시스템은 쿠버네티스를 기반으로 하여 Cloud–Hub–Edge의 3단계 계층 구조를 구성하며, 특히 Hub Layer에 배치된 Regional Hub를 중심으로 인접한 Edge Node들을 동적으로 클러스터링하는 방식을채택한다. 이 구조를 통해 관리자는 개별 노드가 아닌 허브 단위로 자원을 제어하고 스케줄링할 수 있어 관리 효율이 향상되며,Regional Hub는 데이터의 전처리 및 로컬 집계를 수행하여 상위 계층인 Cloud Layer의 부하를 효과적으로 분산시킨다. 제안 시스템의 실효성을 평가하기 위해 이기종 장치들로 구성된 실제 테스트베드를 구축하고 실험을 수행하였으며, kind 기반의 가상 환경에서도 동일한 구조를 적용하여 확장성과 성능 개선 효과를 정량적으로 분석하였다. 실험 결과, Hub 기반의 계층 구조를적용한 경우 Cloud Layer의 CPU 사용률이 평균 37% 감소하였고, Edge Node의 응답 지연 시간은 약 48% 단축되는 등 자원 효율성과 응답 성능 측면에서 유의미한 개선이 확인되었다.
Abstract
In this paper, we propose a location-based hierarchical cluster management scheme to solve the problems ofcluster management complexity and resource utilization inefficiency in heterogeneous edge computing-basedinfrastructures. The proposed system is based on Kubernetes to form a three-level hierarchical structure ofCloud-Hub-Edge, and in particular, it adopts a dynamic clustering of neighboring edge nodes around regionalhubs deployed at the Hub Layer. This structure enables administrators to control and schedule resources at thehub level rather than individual nodes, which improves management efficiency, while the regional hubs performpreprocessing and local aggregation of data, effectively balancing the load of the upper layer, the Cloud Layer. To evaluate the effectiveness of the proposed system, a real testbed consisting of heterogeneous devices wasbuilt and experiments were conducted, and the same structure was applied to a virtual environment based onKIND to quantitatively analyze the scalability and performance improvement. As a result of the experiments,significant improvements in resource efficiency and response performance were observed, such as an averagereduction of 37% in CPU utilization at the Cloud Layer and a reduction of about 48% in response latency at theEdge Node when the Hub-based hierarchy was applied.