Дослідження ефективності віртуалізаційних рішень для розгортання цифрових двійників у системах з обмеженими ресурсами
DOI:
https://doi.org/10.30837/2522-9818.2025.3.137Ключові слова:
віртуалізація; одноплатні комп’ютери; цифровий двійник; мережний моніторинг; Raspberry Pi.Анотація
Предметом дослідження є засоби та підходи до віртуалізації в середовищах з обмеженими ресурсами, зокрема на одноплатних комп’ютерах, а також їх здатність забезпечувати якісну роботу цифрових двійників. Мета статті – оцінити ефективність віртуалізації для розгортання цифрових двійників на одноплатних комп’ютерах і розробити рекомендації щодо впровадження віртуалізації в середовищах з обмеженими обчислювальними ресурсами. У статті визначено такі завдання: аналіз сучасних апаратних рішень одноплатних комп’ютерів і наявних технологій віртуалізації; побудова експериментального середовища для практичного порівняння технологій віртуалізації на одноплатних комп’ютерах; реалізація прикладного навантаження, що імітує роботу цифрового двійника з реальними сенсорними показниками; дослідження ефективності мережної взаємодії між віртуальними середовищами та хост-системою; порівняння результатів за ключовими метриками. Упроваджено такі методи: технології віртуалізації Docker, QEMU, Firecracker; мережний моніторинг. Досягнуті результати: проведено порівняльний експеримент з використанням Docker, QEMU та Firecracker на базі Raspberry Pi 4; проаналізовано літературу та доступну документацію з окресленого питання; реалізовано базовий прототип цифрового двійника з під’єднанням фізичних сенсорних пристроїв, що збирають телеметричні показники в реальному часі; забезпечено поетапне автоматичне розгортання віртуальних середовищ із попередньо налаштованими компонентами для швидкого масштабування експерименту; проведено вимірювання мережних затримок, часу оброблення повідомлень та використання ресурсів платформи; визначено переваги та недоліки технологій віртуалізації в умовах обмежених обчислювальних ресурсів; оцінено практичну доцільність застосування кожного типу віртуалізації в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. Висновки: Docker забезпечує найпростіше розгортання та найбільшу ефективність, але має меншу ізоляцію, якщо порівнювати з QEMU та Firecracker; Firecracker демонструє оптимальний баланс між продуктивністю, безпекою та споживанням ресурсів на одноплатних комп’ютерах; QEMU має найбільші накладні витрати, а тому й найменшу ефективність; використання легковагових гіпервізорів є доцільним у системах цифрових двійників на периферійних пристроях.Завантаження
Посилання
Список літератури
Saniya Z., Roohie N. M. Resource management in pervasive Internet of Things: A survey. Journal of King Saud University Computer and Information Sciences. 2021. Vol. 33. № 8. P. 921–935. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2018.08.014
Lambropoulos G., Mitropoulos S., Douligeris C., Maglaras L. Implementing Virtualization on Single-Board Computers: A Case Study on Edge Computing. Computers. 2024. Vol. 13. №. 2. 54 р. DOI: https://doi.org/10.3390/computers13020054
Álvarez J.L., Mozo J.D., Durán E. Analysis of Single Board Architectures Integrating Sensors Technologies. Sensors. 2021. Vol. 21. 6303 р. DOI: https://doi.org/10.3390/s21186303
Gamess E., Parajuli M., Shah S. Performance evaluation of the KVM hypervisor running on ARM-based single-board computers. International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC). 2023. Vol. 15. №. 2. P. 147–164. DOI: 10.5121/ijcnc.2023.15208
Johnston J. S., Basford J. P., Perkins S. C., Herry H., Tso F. P., Pezaros D., Mullins D. R., Yoneki E., Cox J. S., Singer J. Commodity single board computer clusters and their applications. Future Generation Computer Systems. 2018. Vol. 89. P. 201–212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.future.2018.06.048
Penchalaiah N., Al-Humaimeedy A.S., Mashael M., Babu C.J., Khan O.I., Aldhyani T.H.H. Clustered Single-Board Devices with Docker Container Big Stream Processing Architecture. Computers, Materials and Continua. 2022. Vol. 73. №. 3. P. 5349--5365. DOI: https://doi.org/10.32604/cmc.2022.029639
Hwang K., Jung I.H., Lee J.M. Monitoring of MQTT-based Messaging Server. Webology. 2022. Vol. 19. №. 1. P. 4724–4735. DOI: 10.14704/WEB/V19I1/WEB19316
Alam T., Rokonuzzaman M., Sarker S., Azim Z., Das T., Hossain M.I. Internet of Things-based Home Automation with Network Mapper and MQTT Protocol. Computers and Electrical Engineering. 2024. Vol. 120. 109807 р. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2024.109807
Ahsen R., Di Bitonto P., Novielli P., Magarelli M., Romano D., Diacono D., Monaco A., Amoroso N., Bellotti R., Tangaro S. Harnessing. Digital Twins for Sustainable Agricultural Water Management: A Systematic Review. Applied Sciences. 2025. Vol. 15. 4228 р. DOI: https://doi.org/10.3390/app15084228
Vidyalakshmi G., Gopikrishnan S., Wadii B., Anis K., Gautam S. Digital Twins and Cyber-Physical Systems: A New Frontier in Computer Modeling. CMES – Computer Modeling in Engineering and Sciences. 2025. Vol. 143. №. 1. P. 51–113. DOI: https://doi.org/10.32604/cmes.2025.057788
Raspberry Pi 4 Official Website. URL: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-4-model-b (дата звернення: 13.09.2024)
Raspberry Pi 5. The everything computer. Optimised. URL: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/ (дата звернення: 14.09.2024)
Radxa ROCK 5B. URL: https://radxa.com/products/rock5/5b (дата звернення: 01.10.2024)
Le Potato AML-S905X-CC. URL: https://libre.computer/products/aml-s905x-cc (дата звернення: 01.10.2024)
Orange Pi 5. URL: http://www.orangepi.org/html/hardWare/computerAndMicrocontrollers/details/Orange-Pi-5.html (дата звернення: 01.10.2024)
Docker Homepage. URL: https://www.docker.com/ (дата звернення: 06.01.2025)
Oracle Virtual Box vs VMware Workstation vs QEMU. URL: https://www.starwindsoftware.com/blog/type-2-hypervisors-comparison-virtualbox-vmware-qemu/ (дата звернення: 25.11.2024)
Getting started with Firecracker on Raspberry Pi. URL: https://dev.to/l1x/getting-started-with-firecracker-on-raspberry-pi-1pbc (дата звернення: 10.02.2025)
References
Saniya, Z., Roohie, N. (2021), "Resource management in pervasive Internet of Things: A survey", Journal of King Saud University Computer and Information Sciences, No. 33(8), P. 921–935. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2018.08.014
Lambropoulos, G., Mitropoulos, S., Douligeris, C., Maglaras, L. (2024), "Implementing Virtualization on Single-Board Computers: A Case Study on Edge Computing", Computers, No. 13(2), 54 р. DOI: https://doi.org/10.3390/computers13020054
Álvarez, J., Mozo, J., Durán, E. (2021), "Analysis of Single Board Architectures Integrating Sensors Technologies", Sensors, No. 21, 6303 р. DOI: https://doi.org/10.3390/s21186303
Gamess, E., Parajuli, M., Shah, S. (2023), "Performance evaluation of the KVM hypervisor running on ARM-based single-board computers", International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), No. 15(2), P. 147–164. DOI: 10.5121/ijcnc.2023.15208
Johnston, J., Basford, J., Perkins, S., Herry, H., Tso, F., Pezaros, D., Mullins, D., Yoneki, E., Cox, J., Singer, J. (2018), "Commodity single board computer clusters and their applications", Future Generation Computer Systems, No. 89, P. 201–212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.future.2018.06.048
Penchalaiah, N., Al-Humaimeedy, A., Mashael, M., Babu, C., Khan, O., Aldhyani, T. (2022), "Clustered Single-Board Devices with Docker Container Big Stream Processing Architecture", Computers, Materials and Continua, No. 73(3), P. 5349–5365. DOI: https://doi.org/10.32604/cmc.2022.029639
Hwang, K., Jung, I., Lee, J. (2022), "Monitoring of MQTT-based Messaging Server", Webology, No. 19(1), P. 4724–4735. DOI: 10.14704/WEB/V19I1/WEB19316
Alam, T., Rokonuzzaman, M., Sarker, S., Azim, Z., Das, T., Hossain, M. (2024), "Internet of Things-based Home Automation with Network Mapper and MQTT Protocol", Computers and Electrical Engineering, No. 120. 109807 р. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2024.109807
Ahsen, R., Di Bitonto, P., Novielli, P., Magarelli, M., Romano, D., Diacono, D., Monaco, A., Amoroso, N., Bellotti, R., Tangaro, S. (2025), "Digital Twins for Sustainable Agricultural Water Management: A Systematic Review", Applied Sciences, No. 15, 4228 р. DOI: https://doi.org/10.3390/app15084228
Vidyalakshmi, G., Gopikrishnan, S., Wadii, B., Anis, K., Gautam, S. (2025), "Digital Twins and Cyber-Physical Systems: A New Frontier in Computer Modeling", CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences, No. 143(1), P. 51–113. DOI: https://doi.org/10.32604/cmes.2025.057788
Raspberry Pi 4 Official Website, available at: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-4-model-b (last accessed: 13.09.2024)
Raspberry Pi 5. The everything computer. Optimised, available at: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/ (last accessed: 14.09.2024)
Radxa ROCK 5B, available at: https://radxa.com/products/rock5/5b (last accessed: 01.10.2024)
Le Potato AML-S905X-CC, available at: https://libre.computer/products/aml-s905x-cc (last accessed: 01.10.2024)
Orange Pi 5, available at: http://www.orangepi.org/html/hardWare/computerAndMicrocontrollers/details/Orange-Pi-5.html (last accessed: 01.10.2024)
Docker Homepage, available at: https://www.docker.com/ (last accessed: 06.01.2025)
Oracle Virtual Box vs VMware Workstation vs QEMU, available at: https://www.starwindsoftware.com/blog/type-2-hypervisors-comparison-virtualbox-vmware-qemu/ (last accessed: 25.11.2024)
Getting started with Firecracker on Raspberry Pi, available at: https://dev.to/l1x/getting-started-with-firecracker-on-raspberry-pi-1pbc (last accessed: 10.02.2025)
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons для журналів відкритого доступу.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
-
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-NC-SA 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо не комерційного та не ексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису опублікованої роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
