基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載

盧菲菲，趙 蜜，趙 帆，施夢(mèng)琦

（浙江華云信息科技有限公司，浙江杭州 310008）

移動(dòng)邊緣云計(jì)算在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)置多個(gè)云端接口，從而達(dá)到全面開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)單元的目的。隨著移動(dòng)邊緣云計(jì)算技術(shù)的推廣，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所緩存的執(zhí)行任務(wù)總量也在不斷增大，而這也間接導(dǎo)致了云網(wǎng)絡(luò)卡頓的問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]提出了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的任務(wù)卸載方法，將緩存節(jié)點(diǎn)部署在邊緣云環(huán)境中，能夠較好地解決數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]提出了多用戶細(xì)粒度任務(wù)卸載調(diào)度方法，在同一網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)設(shè)置多個(gè)用戶對(duì)象，并通過(guò)分流數(shù)據(jù)信息的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)待執(zhí)行任務(wù)的卸載與調(diào)度處理。然而上述兩種方法均未能有效實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)的流暢傳輸，且不能解決云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓情況。

模擬退火機(jī)制是以迭代求解策略為基礎(chǔ)構(gòu)建的新型隨機(jī)尋優(yōu)算法，其出發(fā)點(diǎn)在于將固體物質(zhì)在退火過(guò)程中的表現(xiàn)行為與組合優(yōu)化問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)分析二者之間的相似性，計(jì)算得到多個(gè)數(shù)值解，再借助目標(biāo)函數(shù)，確定唯一的全局最優(yōu)解[3]。這種應(yīng)用機(jī)制允許數(shù)據(jù)樣本時(shí)變性與突跳性同時(shí)存在，可以在搜索全局最優(yōu)解的同時(shí)，將其他數(shù)值解與之進(jìn)行對(duì)比，從而避免局部最優(yōu)問(wèn)題的出現(xiàn)。從理論角度來(lái)看，只要所選樣本足夠多、計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)，模擬退火算法就一定能通過(guò)數(shù)據(jù)處理的方式，得到一個(gè)最優(yōu)解結(jié)果，因此與其他尋優(yōu)機(jī)制相比，這種方法所得計(jì)算結(jié)果是唯一的，能夠較好地解決數(shù)值解頻繁出現(xiàn)的問(wèn)題[4]。基于上述分析，提出了基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載模型。

1 移動(dòng)邊緣云計(jì)算隊(duì)列

移動(dòng)邊緣云計(jì)算隊(duì)列的構(gòu)建需要根據(jù)邊緣云計(jì)算的定義表達(dá)式，對(duì)任務(wù)緩存指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)求解。

1.1 邊緣云計(jì)算定義式

云任務(wù)卸載指令的實(shí)現(xiàn)必須借助最基本的邊緣云計(jì)算條件。邊緣云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)應(yīng)將具有計(jì)算能力的節(jié)點(diǎn)布置在網(wǎng)絡(luò)邊緣之中，并借助數(shù)據(jù)通路，建立節(jié)點(diǎn)集群與核心處理之間的連接關(guān)系，從而在降低信息識(shí)別時(shí)延的同時(shí)，滿足準(zhǔn)確提取數(shù)據(jù)樣本的處理需求。由于邊緣節(jié)點(diǎn)與核心計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同等級(jí)相同，所以在卸載云任務(wù)時(shí)，處理器設(shè)備的開(kāi)放時(shí)間并沒(méi)有明顯的先后順序[5-6]。設(shè)定α表示一個(gè)隨機(jī)云參數(shù)，α′表示與之對(duì)應(yīng)的邊緣節(jié)點(diǎn)參數(shù)，二者之間的映射關(guān)系可表示為：

式中，β表示數(shù)據(jù)信息在云環(huán)境中的迭代傳輸次數(shù)。在式（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)χ表示由節(jié)點(diǎn)α′指向節(jié)點(diǎn)α的映射向量，ΔE表示云數(shù)據(jù)樣本的單位累積量，聯(lián)立上述物理量，推導(dǎo)邊緣云計(jì)算表達(dá)式如下：

式中，δ代表云環(huán)境中的邊緣化參數(shù)。隨著數(shù)據(jù)樣本的不斷累積，云網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積也會(huì)不斷增大，但由于邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)信息參量的承載能力有限，所以在計(jì)算過(guò)程中，參數(shù)δ不會(huì)出現(xiàn)無(wú)限增大的情況。

1.2 任務(wù)緩存指標(biāo)

任務(wù)緩存指標(biāo)決定了移動(dòng)邊緣云隊(duì)列對(duì)于數(shù)據(jù)樣本的處理能力[7-8]。從宏觀層面看，任務(wù)緩存就是任務(wù)累積的過(guò)程，對(duì)于移動(dòng)邊緣云隊(duì)列而言，累積的任務(wù)越多，表示其在執(zhí)行卸載指令時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)樣本越多；從微觀層面來(lái)講，任務(wù)緩存是一個(gè)由少到多的變化過(guò)程，而云計(jì)算任務(wù)卸載則是由多變少的變化過(guò)程，二者出現(xiàn)沖突，解決這種沖突表現(xiàn)，就是云計(jì)算主機(jī)的運(yùn)行目的[9-10]。任務(wù)緩存指標(biāo)的求解滿足式（3）：

式中，e表示云任務(wù)運(yùn)行參數(shù)，γe表示緩存參數(shù)，R表示正在執(zhí)行的云計(jì)算任務(wù)，ε表示任務(wù)腳本運(yùn)行向量，u1表示首個(gè)定義的云任務(wù)腳本，un表示最后一個(gè)定義的云任務(wù)腳本，n表示最大運(yùn)行系數(shù)。由于移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行需要一定時(shí)間，所以任務(wù)卸載指令與計(jì)算處理指令不可能保持同步執(zhí)行狀態(tài)。

2 任務(wù)卸載模型

任務(wù)卸載模型在云計(jì)算隊(duì)列的基礎(chǔ)上，聯(lián)合模擬退火機(jī)制，定義云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)優(yōu)化卸載參數(shù)的具體取值結(jié)果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本的實(shí)時(shí)處理。

2.1 模擬退火機(jī)制

模擬退火機(jī)制認(rèn)為，在卸載移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)存在由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的可能[11-12]。取i、o兩種不同的云計(jì)算執(zhí)行狀態(tài)，推導(dǎo)二者之間計(jì)算任務(wù)的轉(zhuǎn)化條件如式（4）所示：

式中，F(xiàn)(i)表示i狀態(tài)下的云計(jì)算指令表達(dá)式，si表示與之對(duì)應(yīng)的模擬參數(shù)，F(xiàn)(o)表示o狀態(tài)下的云計(jì)算指令表達(dá)式，so表示與之對(duì)應(yīng)的模擬參數(shù)。

若計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)化條件保持恒定，則有式（5）所示不等式條件成立：

式中，di、do表示兩個(gè)不同的退火系數(shù)，由于i系數(shù)、o系數(shù)的取值會(huì)隨著移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)的推進(jìn)而發(fā)生變化，所以退火系數(shù)取值也不可能始終保持恒定。

聯(lián)立式（3）-（5），可將模擬退火機(jī)制作用表達(dá)式定義為：

式中，φi表示基于i系數(shù)的云計(jì)算任務(wù)評(píng)價(jià)參數(shù)，φo表示基于o系數(shù)的云計(jì)算任務(wù)評(píng)價(jià)參數(shù)。

針對(duì)移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載模型，模擬退火機(jī)制作用能力的解釋包括如下三種：

1）φi=φo，模擬退火機(jī)制作用表達(dá)式求解結(jié)果趨近于“1”，表示云計(jì)算任務(wù)在i、o執(zhí)行狀態(tài)之間進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)化，執(zhí)行卸載任務(wù)時(shí)，可在云環(huán)境中間位置處選擇數(shù)據(jù)樣本；

2）φi＞φo，模擬退火機(jī)制作用表達(dá)式求解結(jié)果趨近于i狀態(tài)下的云計(jì)算結(jié)果，執(zhí)行卸載任務(wù)時(shí)，應(yīng)在靠近i端區(qū)域內(nèi)選擇數(shù)據(jù)樣本；

3）φi＜φo，模擬退火機(jī)制作用表達(dá)式求解結(jié)果趨近于o狀態(tài)下的云計(jì)算結(jié)果，執(zhí)行卸載任務(wù)時(shí)，應(yīng)在靠近o端區(qū)域內(nèi)選擇數(shù)據(jù)樣本。

2.2 云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)

云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)可以理解為執(zhí)行任務(wù)卸載指令時(shí)，移動(dòng)邊緣云計(jì)算主機(jī)所必須遵循的處理原則[13]。邊緣計(jì)算主機(jī)與核心計(jì)算主機(jī)雖然處于同一網(wǎng)絡(luò)體系之內(nèi)，但前者的運(yùn)行等級(jí)明顯低于后者，這就表示執(zhí)行任務(wù)卸載指令時(shí)，核心計(jì)算主機(jī)的響應(yīng)速率明顯比邊緣計(jì)算主機(jī)更快，而這也是緩存任務(wù)量持續(xù)增大的主要原因。在云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)的作用下，邊緣計(jì)算主機(jī)首先按照模擬退火機(jī)制，將緩存任務(wù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)樣本提取出來(lái)，再對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性處理，不僅可以提升邊緣計(jì)算主機(jī)的響應(yīng)速度，而且還能夠較好地解決緩存任務(wù)量不斷增大的問(wèn)題[14]。設(shè)z表示云計(jì)算任務(wù)負(fù)載向量，lj表示緩存任務(wù)提取系數(shù)，fz表示關(guān)聯(lián)調(diào)度系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（6），求解云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如下：

如果出現(xiàn)已緩存任務(wù)中不包含關(guān)鍵數(shù)據(jù)樣本的情況，則邊緣計(jì)算主機(jī)會(huì)暫時(shí)停止運(yùn)行。

2.3 優(yōu)化卸載參數(shù)

優(yōu)化卸載參數(shù)影響云計(jì)算任務(wù)卸載指令的執(zhí)行頻度，在移動(dòng)邊緣云環(huán)境中，主機(jī)元件可以根據(jù)該項(xiàng)物理量的取值結(jié)果，判斷當(dāng)前情況下，是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云數(shù)據(jù)的流暢傳輸[15-16]。其求解結(jié)果受到任務(wù)配比參數(shù)、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)存向量?jī)身?xiàng)物理系數(shù)的直接影響。任務(wù)配比參數(shù)常表示為μ，由于移動(dòng)邊緣云環(huán)境只允許數(shù)據(jù)單向傳輸行為的出現(xiàn)，且傳輸方向只能由主機(jī)端指向邊緣計(jì)算主機(jī)端，所以該項(xiàng)物理量的取值始終大于自然數(shù)“1”。實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)存向量常表示為m→，如果該項(xiàng)物理系數(shù)的取值較大，則表示移動(dòng)邊緣云計(jì)算環(huán)境中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積的可能性較高，故而為避免云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓情況的出現(xiàn)，在計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)盡可能取得其極小值結(jié)果。聯(lián)立上述物理量，推導(dǎo)優(yōu)化卸載參數(shù)計(jì)算式為：

式中，表示兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)樣本編碼參數(shù)，ω表示方向判別系數(shù)，v?表示云計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)存特征。移動(dòng)邊緣云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)較為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，因此在實(shí)施任務(wù)卸載處理時(shí)，應(yīng)該綜合考慮所有影響因素。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載方法的有效性，采用相關(guān)設(shè)備元件搭建云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以所提方法、文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法作為三組不同的實(shí)驗(yàn)方法。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理與步驟

搭建云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖1 所示。

圖1 云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

記錄在三組不同實(shí)驗(yàn)方法作用下，緩存任務(wù)量在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)值變化情況。實(shí)驗(yàn)所涉及具體設(shè)備元件型號(hào)如表1 所示。

實(shí)時(shí)緩存任務(wù)量是指云計(jì)算主機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所記錄的任務(wù)總量，隨著運(yùn)行任務(wù)量的增大，云網(wǎng)絡(luò)剩余存儲(chǔ)空間會(huì)變小，就會(huì)導(dǎo)致云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓情況的出現(xiàn)，從而使云數(shù)據(jù)傳輸流暢度受到影響。任務(wù)卸載算法主要通過(guò)去除非必要任務(wù)的方式，對(duì)執(zhí)行器向外傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量進(jìn)行控制，能夠避免云計(jì)算主機(jī)中出現(xiàn)大量的緩存任務(wù)，從而解決云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓的問(wèn)題，提升云數(shù)據(jù)傳輸流暢度。

針對(duì)上述問(wèn)題，按照如下流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1）利用基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載模型控制云計(jì)算主機(jī)，以15 min 作為一個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)，分析五個(gè)單位時(shí)間段內(nèi)，緩存任務(wù)量的數(shù)值變化情況；

2）分別利用基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的任務(wù)卸載方法、多用戶細(xì)粒度任務(wù)卸載調(diào)度方法控制云計(jì)算主機(jī)，再次重復(fù)上述步驟，記錄緩存任務(wù)量的數(shù)值變化情況；

3）對(duì)比所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

3.2 結(jié)果與討論

三種方法的實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種方法的實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量對(duì)比結(jié)果

分析圖2 可知，所提方法作用下，云計(jì)算主機(jī)中實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量在第60 min 時(shí)取得最大值550 個(gè)，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前，任務(wù)緩存量數(shù)值不斷增大，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之后，任務(wù)緩存量數(shù)值則不斷減小。在文獻(xiàn)[1]方法作用下，云計(jì)算主機(jī)中實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量在第45 min時(shí)取得最大值600 個(gè)，高于前一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大值，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前，任務(wù)緩存量數(shù)值不斷增大，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之后，任務(wù)緩存量數(shù)值保持不變。在文獻(xiàn)[2]方法作用下，云計(jì)算主機(jī)中實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量始終保持不斷增大的變化態(tài)勢(shì)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束其最大值達(dá)到了700 個(gè)，也高于第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大值。

綜上可知，基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載方法可以較好地解決因緩存任務(wù)過(guò)多而造成的云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓的問(wèn)題，在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)云計(jì)算主機(jī)中實(shí)時(shí)任務(wù)緩存量的有效控制，可以促進(jìn)云數(shù)據(jù)的流暢傳輸，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了有效地實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)的流暢傳輸，解決因緩存任務(wù)過(guò)多導(dǎo)致的云環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸卡頓的問(wèn)題，提出了基于模擬退火機(jī)制的移動(dòng)邊緣云計(jì)算任務(wù)卸載方法，能夠精準(zhǔn)求解任務(wù)緩存指標(biāo)，又聯(lián)合云負(fù)載調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，確定優(yōu)化卸載參數(shù)的實(shí)際取值范圍。實(shí)用性方面，這種新型卸載模型能夠較好解決云環(huán)境卡頓的問(wèn)題，在提升云數(shù)據(jù)傳輸流暢性方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用可行性。