面向高機動環境的終端隨遇接入邊緣云方法*

葛光富，楊豐源，王俊超，朱立捷，吳 鵬，費 超

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

伴隨著物聯網[1]、車聯網[2]、船聯網[3]、飛聯網[4]等領域的迅猛發展，邊緣計算技術不斷取得突破，各類云業務延展至邊緣，進而提高了信息系統的規模及其復雜度，為邊緣環境的服務、組織、運用帶來了挑戰。

綜合軍用和民用市場，邊緣環境下有著大量的信息設備用于搭建各中小型信息系統，但這些設備的軟硬件資源參差不齊、性能不一，有些甚至較差。其中，終端設備的問題尤為突出，受限的計算、存儲、網絡資源會約束各地能夠集成部署使用的信息服務。為給各類終端設備帶來更多且質量有保證的服務，可通過集約利用邊緣環境中如機動車輛、船舶、飛機等的服務器類型設備資源構建邊緣云，引接“云”的信息服務能力向網絡邊緣延伸，并就近向“端”提供“云”“邊”信息服務。進一步，為滿足高機動場景運用需求，支撐各類終端設備適地就近接入邊緣云享用“云”“邊”信息服務以開展有關業務，并兼顧提高資源利用效率和系統可用性，可應用于邊緣環境高機動條件下的終端隨遇接入邊緣云技術成為信息系統軟件服務平臺統籌規劃中的必要考慮因素。

目前暫未有針對邊緣環境高機動條件下邊緣云的終端動態發現與隨遇接入方法，故為此統籌設計機動通信網絡條件下邊緣云的動態自發現接入，支撐物理分布邊緣云數據、服務等資源的弱連接下高可用，以減少因邊緣云的服務器硬件故障、網絡通信失聯、軟件系統問題、人為失誤操作等帶來的終端應用“云”“邊”信息服務風險，已成為當前信息系統建設所急需。

1 邊緣云概述

邊緣云計算簡稱邊緣云，其本質上是分布在網絡邊緣側，提供實時數據處理、分析決策的小規模云數據中心，是由大規模地域分散的邊緣云節點相互協同組成的分布式云。邊緣云基于云計算技術的核心和邊緣計算的能力構筑在邊緣基礎設施之上的云計算平臺，形成邊緣位置上計算、網絡、存儲、安全等能力全面的彈性云平臺，并與中心云和物聯網終端形成“云、邊、端三體協同”的端到端的技術架構，通過將網絡轉發、存儲、計算和智能化數據分析等工作放在邊緣處理，降低響應時延、減輕云端壓力、降低帶寬成本，并提供全網調度、算力分發等云服務[5]。

邊緣云的發展歷程如圖1 所示。1998 年，Akamai 公司提出了內容分發網絡[6]（Content Delivery Network，CDN），它是一種基于互聯網的緩存網絡，而邊緣計算的基本思想便是功能緩存。2009 年，Satyanarayanan 等人提出了Cloudlet[7]的概念，Cloudlet 是一個可信且資源豐富的主機，部署在網絡邊緣，與互聯網連接[8]，可以被移動設備訪問，為其提供服務。2013 年，美國太平洋西北國家實驗室Ryan LaMothe 提出了“edge computing[9]”一詞，這是“edge computing”首次被提出。2018 年，《邊緣云計算技術及標準化白皮書》正式發布，邊緣云計算概念定義逐漸明晰。邊緣云[10-11]在許多領域應用較為廣泛，面向特定領域的邊緣云在智慧醫療[12]、云游戲、工業互聯網等領域發展迅速。

圖1 邊緣云發展歷程

2 系統模型

本地終端啟動時，根據與網絡中鄰近邊緣云的連接情況發現可接入的邊緣云，經邊緣云在線認證后接入邊緣云，并記錄所接入的邊緣云和服務節點。終端開始工作后，根據與網絡中鄰近邊緣云的連接情況變化，按就近接入原則判定新接入邊緣云、更換接入服務節點或更換接入邊緣云，或者退出邊緣云。系統模型如圖2 所示。

圖2 系統模型

系統模型中，服務器[13]組是本地所有計算機服務器作為對外通聯及服務的整體。邊緣云是分布在網絡邊緣側，提供實時數據處理、分析決策的小規模云數據中心。網絡是指終端與邊緣云中服務器組所屬機動承載平臺間通信所在的網絡，其中，當終端與邊緣云中服務器組屬于同一個機動承載平臺時，兩者間以有線或無線寬帶方式進行內部網絡連接，當兩者屬于不同機動承載平臺時，以無線方式進行外部網絡連接且遵循IP 通信標準。個體邊緣云在網絡中可以唯一標識，同時個體服務器組節點即服務節點在邊緣云中可以唯一標識。

各終端集成部署邊緣云發現接入模塊，用于終端探測感知獲取可接入的邊緣云及服務節點，支持終端按就近接入原則調整接入邊緣云或服務節點，以及在通信斷開或過遠時退出邊緣云。邊緣云中服務節點集成部署終端用戶入云認證模塊，用于邊緣云認證在線接入的終端并許可終端的入云申請。

在本地終端未接入邊緣云的情況下，監聽認證發現網絡中鄰近存在可接入的邊緣云時，終端新接入邊緣云。在本地終端已接入邊緣云的情況下：監聽認證發現已接入邊緣云中存在可更快接入服務節點時，終端更換接入服務節點；監聽認證發現網絡中鄰近存在可更快接入的邊緣云時，終端更換接入邊緣云；監聽認證發現已接入邊緣云中不存在可更快接入的服務節點時，終端接入保持；超出接入邊緣云保持時間未監聽到接入邊緣云心跳時，終端退出邊緣云。

上述系統模型考慮了高機動條件下終端的自主發現接入邊緣云，然而暫未有針對該場景的終端對邊緣云的動態發現與接入方法，因此，針對該問題，提出一種面向高機動環境的終端動態自適應接入邊緣云方法。

3 終端動態自適應接入邊緣云方法

面向高機動環境的終端隨遇接入邊緣云方法包括邊緣云探測接入和邊緣云接入調整兩個階段，具體如下文所述。

3.1 邊緣云探測接入

本地終端啟動時，根據與網絡中鄰近邊緣云的連接情況發現可接入的邊緣云，經邊緣云在線認證后接入邊緣云，并獲取所接入邊緣云的標識和接入服務節點標識。邊緣云探測接入過程如圖3 所示。

圖3 邊緣云探測接入的過程

邊緣云探測接入包括終端入云申請、終端入云認證、終端入云執行3 個階段。具體介紹如下：

（1）終端入云申請。本地終端啟動時，由邊緣云探測接入模塊向鄰近發送終端入云申請，其中：在終端與邊緣云中服務器組屬于同一個機動承載平臺的情況下，通過內部網絡以有線或無線寬帶方式連接向鄰近發送；在終端與邊緣云中服務器組屬于不同機動承載平臺的情況下，通過外部網絡以無線方式向鄰近廣播發送。入云申請附帶系統驗證碼，之后監聽等待在鄰近邊緣云探測應答時間TNearCloudDetect內接收鄰近邊緣云應答的終端入云許可。

（2）終端入云認證。如果網絡中有鄰近邊緣云，當鄰近邊緣云中服務節點的終端用戶入云認證模塊監聽接收到終端入云申請時，在線驗證申請附帶提交的系統驗證碼與系統的統一識別碼一致否，兩者一致則表明入云申請通過。將申請入云終端作為終端用戶加入邊緣云該服務節點的邊緣云接入終端用戶列表，其中記錄該終端的身份標識和IP地址信息，之后向申請入云終端回復終端入云許可，許可附帶邊緣云標識IDCloud、服務節點標識IDNode和消息發送時間戳tNodeMsgSnd。

（3）終端入云執行。本地終端接收到鄰近邊緣云的終端入云許可時，判定本地終端已通過邊緣云在線認證，此時獲取許可附帶邊緣云標識IDCloud、服務節點標識IDNode、消息發送時間戳tNodeMsgSnd，以及該消息接收時間戳tNodeMsgRcv，并根據式（1）計算得知服務節點消息送達時間。

之后，記錄已接入邊緣云標識IDCloudEnter=IDCloud、已接入服務節點標識IDNodeEnter=IDNode、已接入服務節點消息送達時間TNodeEnterMsgTrans=TNodeMsgTrans、已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，tCloudHeart等于消息接收時間戳tNodeMsgRcv，以及記錄接入邊緣云狀態為已接入，即StateCloudEnter=true，終止等待鄰近邊緣云探測應答，然后TNearCloudDetect內接收鄰近邊緣云應答的終端入云許可。否則，當鄰近邊緣云探測應答時間TNearCloudDetect結束仍未接收到鄰近邊緣云的終端入云許可時，判定本地終端未發現可接入的鄰近邊緣云，此時記錄接入邊緣云狀態為未接入，即StateCloudEnter=false。

3.2 邊緣云接入調整

本地終端開始工作后，結合所接入邊緣云標識和接入服務節點標識，根據與網絡中鄰近邊緣云（含接入邊緣云）的連接變化情況，按就近原則判定新接入邊緣云，或更換接入服務節點，或更換接入邊緣云，或退出邊緣云。邊緣云接入調整如圖4 所示。

圖4 邊緣云接入調整

3.2.1 終端新入云調整

在終端未接入邊緣云即StateCloudEnter=false 的情況下，當監聽認證發現網絡中鄰近存在可接入的邊緣云時，本地終端新接入邊緣云，該過程如圖5所示。

圖5 終端新入云調整的過程

終端新入云調整包括終端入云調整判定、終端新入云記錄、終端入云登記提報、終端入云登記執行4 個階段，具體介紹如下文所述。

（1）終端入云調整判定

終端入云調整判定過程如圖6 所示。當本地終端監聽接收到外部網絡中鄰近邊緣云的心跳時，驗證心跳附帶的系統驗證碼與系統的統一識別碼一致否，兩者一致則表明可接入此邊緣云，此時獲取心跳附帶邊緣云標識IDCloud、服務節點標識IDNode和消息發送時間戳tNodeMsgSnd，以及該消息接收時間戳tNodeMsgRcv，并進一步在終端已接入邊緣云StateCloudEnter=true 的情況下根據式（2）計算得知服務節點消息送達時間。

圖6 終端入云調整判定的過程

然后在心跳附帶服務節點標識IDNode與已接入服務節點標識IDNodeEnter不同的情況下，根據式（3）計算得知是否更換接入服務節點。

之后根據式（4）判定終端入云調整狀態。

式中：1 表示新接入邊緣云，2 表示更換接入服務節點，3 表示更換接入邊緣云，4 表示接入保持。

（2）終端新入云記錄

在本地終端新接入邊緣云的情況下，本地終端記錄已接入邊緣云標識IDCloudEnter=IDCloud、已接入服務節點標識IDNodeEnter=IDNode、已接入服務節點消息送達時間TNodeEnterMsgTrans=TNodeMsgTrans、已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，tCloudHeart等于消息接收時間戳tNodeMsgRcv，以及記錄接入邊緣云狀態為已接入,即StateCloudEnter=true。

（3）終端入云登記提報

本地終端通過外部網絡以無線方式向新接入邊緣云中服務節點發送終端入云登記，登記附帶系統驗證碼。

（4）終端入云登記執行

當新接入邊緣云中服務節點的終端用戶入云認證模塊監聽接收到終端入云登記時，在線驗證登記附帶提交的系統驗證碼與系統的統一識別碼一致否，兩者一致則表明入云登記通過，將登記入云終端作為終端用戶加入邊緣云的邊緣云接入終端用戶列表，其中記錄該終端的身份標識和IP 地址信息。

3.2.2 終端接入服務節點調整

在終端已接入邊緣云StateCloudEnter=true 的情況下，當監聽認證發現已接入邊緣云中存在可更快接入的服務節點時，本地終端更換接入服務節點，該過程如圖7 所示。

圖7 終端接入服務節點調整的過程

終端接入服務節點調整包括終端入云調整判定、終端接入服務節點更新、終端入云登記提報、終端入云登記執行4 個階段。具體介紹如下文所述。

（1）終端入云調整判定

終端入云調整判定的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云調整判定過程。

（2）終端接入服務節點更新

在本地終端更換接入服務節點的情況下，本地終端更新已接入服務節點標識IDNodeEnter=IDNode、已接入服務節點消息送達時間TNodeEnterMsgTrans=TNodeMsgTrans、已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，tCloudHeart等于消息接收時間戳tNodeMsgRcv。

（3）終端入云登記提報

終端入云登記提報的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云登記提報過程。

（4）終端入云登記執行

終端入云登記執行的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云登記執行過程。

3.2.3 終端接入邊緣云調整

在終端已接入邊緣云StateCloudEnter=true 情況下，當監聽認證發現網絡中鄰近存在可更快接入的邊緣云時，本地終端更換接入邊緣云，該過程如圖8所示。

圖8 終端接入邊緣云調整的過程

終端接入邊緣云調整包括終端入云調整判定、終端接入邊緣云更新、終端入云登記提報、終端入云登記執行4 個階段。具體介紹如下文所述。

（1）終端入云調整判定

終端入云調整判定的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云調整判定過程。

（2）終端接入邊緣云更新

在本地終端更換接入邊緣云的情況下，本地終端更新已接入邊緣云標識IDCloudEnter=IDCloud、已接入服務節點標識IDNodeEnter=IDNode、已接入服務節點消息送達時間TNodeEnterMsgTrans=TNodeMsgTrans和已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，tCloudHeart等于消息接收時間戳tNodeMsgRcv。

（3）終端入云登記提報

終端入云登記提報的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云登記提報過程。

（4）終端入云登記執行

終端入云登記執行的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云登記執行過程。

3.2.4 終端接入邊緣云保持

在終端已接入邊緣云StateCloudEnter=true 的情況下，在接入邊緣云保持時間TCloudEnterHold內監聽到接入邊緣云心跳時，本地終端接入邊緣云保持，該過程如圖9 所示。

圖9 終端接入邊緣云保持的過程

終端接入邊緣云保持包括終端入云調整判定、終端接入保持更新兩個階段。具體介紹如下文所述。

（1）終端入云調整判定

終端入云調整判定的詳細步驟同終端新入云調整中的終端入云調整判定過程。

（2）終端接入保持更新

在本地終端接入邊緣云保持的情況下，本地終端更新已接入服務節點消息送達時間TNodeEnterMsgTrans=TNodeMsgTrans、已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，tCloudHeart等于消息接收時間戳tNodeMsgRcv。

3.2.5 終端退出邊緣云

在終端已接入邊緣云即StateCloudEnter=true 的情況下，當超出接入邊緣云保持時間TCloudEnterHold而未監聽到接入邊緣云心跳時，本地終端退出邊緣云，該過程如圖10 所示。

圖10 終端退出邊緣云的過程

終端退出邊緣云包括終端出云判定、終端出云執行兩個階段。具體介紹如下文所述。

（1）終端出云判定。

本地終端距離上一次已接入邊緣云心跳時間tCloudHeart，若超過接入邊緣云保持時間TCloudEnterHold仍未監聽接收到鄰近邊緣云心跳，則本地終端判定退出邊緣云。

（2）終端出云執行

在本地終端退出邊緣云的情況下，更新接入邊緣云狀態為未接入，即StateCloudEnter=false。

4 仿真結果及分析

4.1 仿真及結果

按照本文方法使用C++語言編寫邊緣云發現接入軟件程序，結合運用邊緣云聚云散軟件[14]，運行該軟件并在不同外部無線通信帶寬環境下對其進行仿真模擬性能試驗。分別在環境無線帶寬為2 Mbit/s、8 Mbit/s、100 Mbit/s、1 000 Mbit/s 的情況下依次仿真模擬，并設定帶寬可用率為0.5。同時，IP 協議頭長度為20 字節，UDP 報文頭長度為8 字節，終端入云申請報的終端身份標識、系統驗證碼字段長度均為8 字節，終端入云許可報的邊緣云身份標識、終端入云時間字段長度也均為8 字節。進而，終端入云申請報大小=20+8+16=44 字節，終端入云許可報大小=20+8+16=44 字節；終端入云申請報傳輸用時=（終端入云申請報大小×8 bit）÷（環境無線帶寬×帶寬可用率×1 048 576 bit）×1 000 000 μs；終端入云許可報傳輸用時=（終端入云許可報大小×8 bit）÷（環境無線帶寬×帶寬可用率×1 048 576 bit）×1 000 000 μs；終端用戶接入邊緣云用時=終端入云申請報傳輸用時+終端入云許可報傳輸用時；終端用戶接入邊緣云用時=終端入云申請報傳輸用時+終端入云許可報傳輸用時；邊緣云可并發接入終端用戶數=（1 000 000 μs÷終端用戶接入邊緣云用時）個/s，具體數據及仿真試驗結果如表1 所示。在終端用戶接入邊緣云的過程中，本地計算時間包括終端入云申請報、終端入云許可報的接收解析時間，可忽略不計。

表1 仿真參數設置與仿真結果

4.2 性能分析

由仿真結果可知，在環境無線帶寬為2 Mbit/s、8 Mbit/s、100 Mbit/s、1 000 Mbit/s 的條件下，邊緣云聚調整用時為671.38 μs、167.84 μs、13.42 μs、1.34 μs，邊緣云可并發接入終端用戶數對應為1 489 個/s、5 957 個/s、74 472 個/s、744 727 個/s。因此，本系統可以適配各種帶寬條件，極速、便捷地完成千數量級以上終端用戶接入邊緣云，既可以支持邊緣云的終端動態高可用接入，又可以實現終端接入邊緣云面向高機動環境的場景運用，應用的范圍更加廣泛，且有助于提高系統邊緣服務的穩定性及效能。同時，如圖11 所示，本文方法可支持通過邊緣信息基礎設施平臺[15]監視終端接入邊緣云的狀態，能夠為上層信息服務系統實時掌握其服務終端用戶的狀況提供依據。

圖11 終端隨遇接入邊緣云

5 結語

本文所提系統在邊緣環境高機動條件下，根據與網絡中鄰近邊緣云的連接實時變化的情況，自適應調整終端接入邊緣云，或新接入邊緣云，或更換接入服務節點，或更換接入邊緣云，或退出邊緣云。所提系統不但支持邊緣云的終端動態高可用接入，而且實現了終端接入邊緣云面向高機動環境的場景運用，可支撐邊緣云平臺環境為各類終端設備提供更多且質量有保證的“云”“邊”數據、服務資源，更適用于機動車輛、船舶、飛機等業務信息系統，有助于提高系統邊緣服務的穩定性及效能。