컴퓨팅 및 네트워킹 기술의 발전에 따라 이미 150억 개 이상의 인터넷에 연결된 컴퓨팅 기기가 전세계에 퍼져있고, 사물인터넷의 등장은 네트워크에 연결된 기기의 수의 증가를 가속화하고 있다. 더욱이 세계의 주요 도시에는 네트워크 인프라가 잘 갖추어져 있어서 컴퓨팅 및 네트워크 자원을 활용할 수 있는 클라우드 컴퓨팅이 주요 컴퓨팅 패러다임으로 자리잡은 상황이다. 그럼에도 불구하고, 컴퓨팅 기기들은 아직도 자원이 부족한데, 이는 강력한 정책적, 기술적, 네트워크 연결적 제약 하에서 기기들이 직접 활용가능하다고 인지하는 자원은 실제 네트워크에 퍼져있는 것에 미치지 않기 때문이다. 이러한 스탠드얼론 기반 설계는 결과적으로 많은 컴퓨팅 및 네트워킹 자원이 유휴 상태에 있도록 만들어왔다.
본 학위 논문에서는 간헐적으로 네트워크에 연결되는 시스템의 설계와 최적화가 기존의 스탠드얼론 기반 네트워크 시스템에 비해 훨씬 높은 수준의 자원 풀링을 성취할 수 있음을 보인다. 이러한 간헐적 네트워크 시스템은 기 구축된 한 개 이상의 네트워크에 간헐적으로 접속할 수 있는 능력을 가지고 주변 노드와 피어 투 피어 네트워킹이 가능한 기기의 집합으로 정의된다. 이러한 유연성으로부터 자원 활용도를 최대화하기 위해, 우리는 먼저 여러 네트워킹 기술과 컴퓨팅 자원 집합을 관리할 수 있는 간헐적 네트워크 시스템을 수학적 모델링과 알고리즘에 기반하여 설계한다. 또한 이러한 간헐적 네트워크 시스템에서 개선된 자원 활용도를 성취하기 위한 최적화 프레임워크를 제안한다. 제안된 설계 및 최적화의 가능성에 대해서는 수치해석과 수학적 증명을 통하여 검증한다.
학위 논문의 전반부에서, 우리는 먼저 간헐적으로 네트워킹하는 기기들의 스펙트럼 자원 관리 기술에 대해 논의한다. 스펙트럼 자원 관리를 위한 시스템은 스펙트럼 센싱, 협력 릴레잉, 스펙트럼 시장으로 분류할 수 있는데, 간헐적으로 네트워킹하는 기기들은 여러 시스템을 오갈 수 있으므로, 이 중 두 가지 기술이 결합된 간헐적 네트워크 시스템에 대해 논의와 분석을 진행한다. 특히, 이들 시스템의 최적 설계를 위해 스택캘버그 게임 기반의 모델을 형식화하여 균형점을 찾고 이를 반영한 스펙트럼 관리 알고리즘을 제안한다. 전반부에서의 주요 학술적 공헌은 자원이 부족한, 간헐적으로 네트워킹하는 기기들이 능동적인 판단으로 스펙트럼 자원을 선택하는 경우, 스펙트럼 시장을 운영하는 독점 사업자의 이익에 어떠한 영향이 있을지에 대한 분석과 이해에 있다.
학위 논문의 후반부에서, 우리는 간헐적 네트워크 시스템을 위한 분산적 자원 관리 기술에 대해 논의한다. 이 연구는 간헐적 네트워크 기기 집단이 네트워크 및 컴퓨팅 자원의 시장 가격을 고려하여 자원을 활용하도록 설계함으로써 자원 활용도를 높일 수 있다는 연구가설의 검증을 목표로 한다. 먼저, 우리는 모바일 네트워크의 데이터 플랜의 차등적 가격에 따른 자원 활용도 제약을 개선하기 위해, 간헐적 네트워킹을 통한 데이터 플랜을 공유하는 간헐적 네트워크 시스템을 설계한다. 이 시스템은 간헐적 네트워크 기기 집단에 대한 효용 최적화 문제를 바탕으로 가격을 설정하여 자원의 최적 분배를 유도한다. 실험 결과를 통해 간헐적 네트워킹이 집단의 효용과 자원의 활용도를 개선할 수 있음을 확인할 수 있다. 한편, 우리는 간헐적 네트워크 기기 집단들이 지역적으로 분산 배치된 클라우드 데이터 센터의 컴퓨팅 자원을 비협력적으로 활용하는 상황에서 자원의 가격을 설정하는 자원 할당 프레임워크를 설계하고, 이를 게임 이론에 근거하여 분석한다. 이 프레임워크에서는, 간헐적 네트워크 기기 집단을 대표하는 응용 서비스 사업자의 자원 요청과 클라우드 서비스 사업자의 자원 할당 및 가격 설정이 논의된다. 이들의 전략적 행동을 이해하기 위해, 내쉬 균형과 스택캘버그 균형의 존재성과 유일성에 대해 논의, 증명한다.
With the advance of computing and networking technologies, there are a tremendous number of computing devices dispersed geographically, and the emergence of the Internet of Things accelerates its increasing trend. Furthermore, for many major cities in the world, several network infrastructures are already well-deployed so that cloud computing to pool resources becomes a major computing paradigm. Nevertheless, computing devices are still resource-hungry, since the devices can observe only a small part of the resources due to strong political, technology, and network constraints, and many computing and networking resources are currently underutilized.
In this dissertation, we show that a design and optimization of intermittently networked systems can achieve a substantially higher level of resource pooling than the standalone design of conventional networked systems. An intermittently networked system is a set of peer-to-peer network-capable devices which can be intermittently attached and detached to one or more existing networks. Through mathematical modeling and algorithmic design, to fully exploit resource utilization from this flexibility, we first design intermittently networked systems which can manage several networking technologies and computing resource pools. Then we propose optimization frameworks in the intermittently networked systems to achieve better resource utilization. We validate the feasibility of our design and optimization using extensive numerical analysis and mathematical proofs.
In the first part, we first discuss spectrum management for intermittent networking devices. Among spectrum sensing, cooperative relaying, and spectrum markets for spectrum resource allocation, two plausible solutions are discussed and analyzed. Especially, we formulate two Stackelberg game-based models, characterize their Stackelberg equilibria, and suggest a spectrum management algorithm. Our main contribution of the part is to understand the impact of resource-hungry, active intermittently network devices for the profit of a monopolistic spectrum market broker.
In the second part, we discuss distributed resource sharing for intermittently networked systems. Motivation of this work is to utilize commercially available network and computing resources in the perspective of a coalition of intermittent devices, considering their prices. At first, we design a data plan sharing system via intermittent networking based on a coalition utility maximization problem. Our result shows that intermittent networking gives better resource utilization and coalition utility. Then, we propose a resource pricing game in geo-distributed clouds, especially for the intermittently networked systems. In the game, application service providers as representatives for coalitions of intermittent devices, cloud service providers decide resource allocation and resource pricing, respectively. To understand their strategic behaviors, two equilibriums are discussed: Nash Equilibrium and Stackelberg Equilibrium. Especially, we discuss the existence and the uniqueness for these equilibria.
