一种基于边云协同场景的信息服务迁移算法

一种基于边云协同场景的信息服务迁移算法

李森，陈义君

中移（上海）信息通信科技有限公司，中国上海，200120

摘要：在跨边缘节点服务接入需求的智慧交通行业领域，如何解决好服务迁移过程中的接入预测、服务编排、数据迁移、服务切换、增量同步等问题，用以保证服务的连续性与一致性，确保跨站过程中的服务不中断，一直以来都是边缘计算技术应用实践所面临的一项挑战。本文立足于架构设计的体系创新性与迁移预测的领域重点攻关，提出了一种全新的边云协同跨站服务迁移与支撑管理相关技术框架，重点介绍了信息服务迁移算法。

关键词：移动边缘计算（MEC）；边云协同；迁移算法；资源释放；

1  概述

基于边云协同技术的服务跨节点接入及连续性支撑技术，是实现开放道路（广域条件下）自动驾驶场景的关键能力之一，将成为对自动驾驶现有技术体系的有效补充，为车辆提供跨节点更加安全、可靠的服务质量与驾驶体验。与传统的边云协同方案相比，服务于自动驾驶场景的跨边缘节点连续性支撑能力的要求更高，同时通过预测算法、自动化服务编排及信息迁移，为驾驶决策提供支持。

然而现有传统方案中MEC边缘节点相对独立运行，自动驾驶车辆在单个MEC接入范围内获得应用服务支撑，MEC边缘节点之间缺少连接通道及点信息交互机制。而中心云主要承担应用库管理、发布管理及运行监控等职能，MEC边缘节点与中心云之间主要同步运行状态数据，以运维监控支撑为主，业务协同的比重较低，且缺少边边协同的有效融合。此方案主要面向封闭园区、厂区等有限接入范围要求的场景，无法有效支撑广域、跨边缘节点服务连续性管理要求。

基于此，本文特提出了一种基于边云协同场景的信息服务迁移方法，本文介绍了整个信息服务迁移流程，重点描述了信息服务的迁移算法。本文的工作在于，为高层领导投资与部署决策作参考，为中层管理的技术选型作支撑，为一线研发作技术指导。

2  基于边云协同场景的信息服务迁移算法

2.1  信息服务的迁移流程

本文提出的信息服务迁移方法，信息服务的整个迁移过程，包括静态资源注册、基础应用初始化、MEC服务应用预加载、MEC服务运行、MEC服务释放等环节。其中，静态资源注册主要发生在中心云之中，通过中心云的服务管理进行；MEC基础应用初始化总体可以分为三个阶段（移动基础服务上线、移动基础服务预处理、移动台或车辆首次注册登录）、MEC服务应用预加载主要是对预备域、同步域、切换域的操作；MEC服务运行流程如图1所示；MEC服务释放是指MEC在通过服务迁移管理引擎、迁移算法确定需要释放本MEC的资源后，开始执行其上的资源清理，以保证MEC的资源小比例占用和弹性扩展的目的。

图1：MEC服务运行流程示意图

2.2  服务迁移问题建模

假设用户设备的移动模式满足随机游走模型，并在移动过程中以相同的概率向相邻边缘服务器覆盖领域移动，希望通过确定每个时间片服务迁移的最佳位置，来达到服务指标的最优化，保证服务质量。每个时间片t定义为一个决策周期，设备附近区域内有n个边缘服务器，定义迁移动作集为A（ai,j∈A），服务迁移的目标优化模型如下：

                  ……（公式1）

             ……（公式2）

       ……（公式3）

        ……（公式4）

为服务任务的总时延，包含MEC与设备的传输时延、MEC之间的数据迁移时延和服务器执行任务时延：

（1）MEC与设备的传输时延，计算公式为：

                         ……（公式5）

                ……（公式6）

其中，是传输速率，是服务数据在边缘服务器和设备之间传输所需的无线电带宽资源数量，是传输功率，是服务器与设备之间的距离，是一个与距离相关的路径损耗参数，表示任务输入数据的大小。由于数据传输包含数据上传和数据下传（数据量大小不同），传输时延又包括设备数据上传时延和服务器数据下传时延。

（2）MEC之间的数据迁移时延，在服务迁移业务中，涉及到源服务器i与目标服务器j之间的数据迁移，包含数据传输时延和任务排队时延，若服务器之间通过有线或专线连接，数据传输时延远小于任务排队时延。任务排队等待时延与服务器之间的网络跳数成正比，通过网络监控模块获得。计算公式如下：

                  ……（公式7）

其中，是网络跳数，为一个大于0的系数。

（3）服务器执行服务任务时延，计算公式如下：

                ……（公式8）

其中，是指目的服务器j执行服务任务所需的计算资源比率，是目的服务器的计算能力，指完成当前服务任务所需的算力。每个边缘服务器运行一个服务迁移决策算法，该算法只对当前时刻与服务器相连的设备，根据历史观测信息、历史决策信息、设备当前的距离信息、任务信息等作出迁移决策。

2.3服务迁移方法

图2：多级围栏迁移服务示意图

将服务由M1迁移到M2服务器时，在服务迁移过程中，并非直接切断M1连接M2，而是采用多级动态围栏方法平稳切换：车辆由M1提供服务时，总服务损耗由

决定：

)                 ……（公式9）

当车辆到达“1级围栏”时，目的服务器M2开始创建服务，进行预加载操作。其中，“1级围栏”由以下方法确定：

)    >         ……（公式10）

当满足（公式10）时，表明达到了“第一级围栏”的条件，M2开始创建服务，执行服务应用预加载和初始化操作，其中，为M2提供服务的损耗，为M2创建服务的额外损耗。由于中包括了额外的创建服务损耗，要满足>的条件，需要M2对设备具备更短的服务时延。

（1）当车辆到达“2级围栏”时，目的服务器M2开始运行服务，与M1一起使用加权算法共同为设备提供服务，其中，“2级围栏”由以下方法确定：

   >       ……（公式11）

当满足（公式11）时，表明达到了“第二级围栏”的条件，M1和M2共同为设备提供服务。其中，为M1到M2数据迁移的排队等待时延。

（2）当车辆到达“3级围栏”时，服务从M1切换到M2，同时M1释放资源其中，“3级围栏”由以下方法确定：

)    >     ……（公式12）

当满足（公式12）时，表明达到了“第三级围栏”的条件，执行服务切换。其中，为销毁M1服务的损耗。

（3）当设备已经达到“1围栏”或者“2围栏”条件，但设备又驶离M2，回到M1，此时需要将M2的资源释放，定义为“0级围栏”，其中，“0级围栏”由以下方法确定：

)    )       

  >          ……（公式13）

代表由M2提供服务时的服务总损耗；代表由M1提供服务与销毁M2服务的总损耗之和。显然在前面的三级围栏中，都需满足M2能比M1提供更低时延服务的条件。

3  结束语

本文提出的基于边云协同的信息服务迁移方法实现了中心云总体管控服务资源、服务应用仓库、MEC的拓扑节点和移动台终端的身份鉴权；区域云负责MEC的拓扑/身份/应用包分发和健康管理；边缘云在服务迁移管理引擎实现多因子服务迁移模型建立，基于多级动态地理围栏的服务迁移的预测算法，与移动台终端协商确定预计需要连接的MEC，在移动台终端完全迁移到新的边缘云后，释放该移动台关联的应用、服务和缓存。

参考文献

[1]李启锐. 面向云边端协同的高性能移动边缘计算理论与方法研究[M]. 广州大学博士研究生学位答辩论文. 2021年12月.

[2]方鹏; 赵宜升; 刘志超; 陈忠辉. 基于虚拟机迁移的能量收集MEC系统资源分配策略[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2021(08).

[3]张海波; 张益峰; 刘开健. 基于NOMA-MEC的车联网任务卸载、迁移与缓存策略[J]. 计算机科学. 2021(11).

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作者介绍：

李森（1982-），男，汉族，吉林梅河口人，国防科学技术大学学士，工程师职称，从事软件研发、系统集成、技术管理、以及智慧交通等领域的技术创新和应用实践。

陈义君（1989-），女，汉族，湖南郴州人，华中科技大学硕士，从事软件开发、图像算法开发等工作。