面向高机动环境的边缘云聚云散方法.pdf
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1、第 56 卷 第 8 期2023 年 8 月通信技术Communications TechnologyVol.56 No.8Aug.2023966文献引用格式:葛光富,陈宁亚,吴文龙,等.面向高机动环境的边缘云聚云散方法 J.通信技术,2023,56(8):966-976.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2023.08.007面向高机动环境的边缘云聚云散方法*葛光富1,陈宁亚2,吴文龙1,陈 健1(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210000;2.中国人民解放军陆军工程大学,江苏 南京 210007)摘 要:信息系统规模的增大及其复杂度的提高给边缘
2、环境的服务组织运用带来了挑战。为给各类端设备带来更多且质量有保证的服务,通过集约运用边缘环境中的服务器资源构建边缘云,引接“云”的服务能力向网络边缘延伸,并就近向“端”提供“云”“边”服务。进而,为了满足高机动场景运用需求,提出边缘环境高机动条件下的边缘云聚云散技术。该技术能够针对高机动环境提供边缘高可用的边缘云构建调整手段,可支撑边缘云计算平台环境的组织运用。关键词:边缘云;高机动环境;自组织;云聚云散中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1002-0802(2023)-08-0966-011Edge Cloud Gathering and Dispersing Method f
3、or High Mobility EnvironmentGE Guangfu1,CHEN Ningya2,WU Wenlong1,CHEN Jian1(1.No.28 Institute of CETC,Nanjing Jiangsu 210000,China;2.Army Engineering University of PLA,Nanjing Jiangsu 210007,China)Abstract:The increase of scale and complexity of information system pose a challenge to the application
4、 of service organization in edge environments.In order to bring more services with guaranteed quality to various end devices,the edge cloud is constructed through intensive use of server resources in the edge environment,and the service capability of the“cloud”is extended to the edge of the network,
5、and the“cloud”and“edge”services are provided to the“end”.Furthermore,in order to meet the application requirements of high mobility scenes,the edge cloud gathering and dispersing technology under high mobility conditions in the edge environment is proposed.This technology could provide edge highly a
6、vailable edge cloud construction adjustment means for high mobility environments,and can support the organization application of edge cloud computing platform environments.Keywords:edge cloud computing;high mobility environment;self-organization;cloud gathering and dispersing0 引 言伴随着物联网1、车联网、船联网、飞联网
7、等领域的迅猛发展,边缘计算技术不断取得突破,各类云业务延展至边缘,进而提高了信息系统规模及其复杂度,为边缘环境的服务组织运用带来了挑战。综合考虑军民用市场,边缘环境下有着大量的服务器类型设备用于搭建各型信息系统,但这些设备的软硬件资源参差不齐、性能不一,其中终端设备尤为突出,受限的计算、存储、网络资源会约束各地能够集成部署运用的功能服务。通过集约运用 *收稿日期:2023-06-22;修回日期:2023-07-23 Received date:2023-06-22;Revised date:2023-07-23967第 56 卷第 8 期葛光富,陈宁亚,吴文龙,陈健:面向高机动环境的边缘云聚云
8、散方法边缘环境中的服务器资源构建边缘云,引接“云”的服务能力向网络边缘延伸,并就近向“端”提供“云”“边”服务。边缘云的构建有望给各类端设备带来更多且质量有保证的服务,进而能够合适地利用机动车辆、船舶、飞机等的服务器资源并支撑其业务系统,满足高机动场景运用需求,兼顾提高资源利用效率和系统可用性,可应用于边缘环境高机动条件下的边缘云聚云散技术成为信息系统软件服务平台统筹规划中的必要考虑因素。目前暂未有针对边缘环境高机动条件下边缘云的动态构建与调整方法。然而,统筹设计机动通信网络条件下边缘云的动态自组织,实现物理分布边缘云数据、服务等资源在弱连接下的高可用,以减少因服务器硬件故障、网络通信失联、软
9、件系统问题、人为失误操作带来的信息系统应用风险,是当前信息系统建设所急需。因此,需要一种新的适用于高机动环境的边缘云聚云散方法。本文提供了一种面向高机动环境的边缘云聚云散方法。1 边缘云概述边缘云计算简称边缘云,其本质上是分布在网络边缘侧,提供实时数据处理、分析决策功能的小规模云数据中心,是由大规模地域分散的边缘云节点相互协同组成的分布式云。边缘云基于云计算技术的核心和边缘计算的能力构筑在边缘基础设施之上的云计算平台,形成边缘位置的计算、网络、存储、安全等能力全面的弹性云平台,并与中心云和物联网终端形成“云、边、端三体协同”的端到端的技术架构。通过将网络转发、存储、计算、智能化数据分析等工作放
10、在边缘处理,降低了响应时延、减轻了云端压力、降低了带宽成本,并提供全网调度、算力分发等云服务2。边缘云的发展历程如图 1 所示。1998 年 Akamai 公司提出了内容分发网络3(Content Delivery Network,CDN),是一种基于互联网的缓存网络,而边缘计算的基本思想便是功能缓存。2009 年 Satyanar-ayanan 等 人 提 出 了 Cloudle4的 概 念,Cloudlet 是一个可信且资源丰富的主机,部署在网络边缘,与互联网连接6,可以被移动设备访问,为其提供服务。2013 年美国太平洋西北国家实验室 Ryan LaMothe提出了“edge compu
11、ting5”一词,这是“edge computing”首次被提出。2018 年边缘云计算技术及标准化白皮书正式发布,边缘云计算概念定义逐渐明晰。边缘云7-8的在许多领域应用较为广泛,面向特定领域的边缘云在智慧医疗9、云游戏、工业互联网等领域发展迅速。1988年Content delivery network内容分发网络2005年功能缓存概念2009年Cloudlet概念2012年海云计算系统2013年Edge computing边缘计算2018年边缘云技术演进与发展白皮书发布图 1 边缘云发展历程2 系统模型本地服务器10组节点(本地所有计算机服务器作为对外通联及服务的整体节点)启动时,根据与
12、网络中邻近服务器组节点的连接情况动态构建边缘云(物理分布的若干服务器组节点构成的边缘云),或独自构建单节点边缘云(单个服务器组节点构建的边缘云),或加入多节点的边缘云(一个以上服务器组节点构建的边缘云),同时自适应配置边缘云中角色为管理节点、管理接替节点和工作节点,并按照角色加载相应的边缘云管理控制模块组。本地服务器组节点开始工作后,根据与网络中邻近服务器组节点的连接情况变化,以及通过边缘云中各角色间管理控制模块组的协作配合实现边缘云的动态调整,聚合单个服务器组节点或其他边缘云生成组成节点更多的边缘云,或退出服务器组节点,散开为新的单节点或多节点边缘云。系统模型如图 2 所示。其中,边缘云分布
13、在网络边缘侧,是提供实时数据处理、分析决策功能的小规模云数据中心。网络是指服务器组节点所属机动平台(如车辆、船舶、飞机等)间的通信网络,其以无线方式连接且遵循 IP 通信标准。工作节点是边缘云中仅能被分配任务执行的服务节点,工作节点设置对应加载的边缘云管理控制模块组,包括节点状态报告监听模块。节点状态报告监听模块用于实时向边缘云管理节点上报本节点工作状态并接收管理节点应答。管理节点除具备工作节点的功能外,还具备边缘云的总控调度能力。管理节点设置对应加载的边缘云管理控制模块组,包括边缘云节点组成管理模块、边缘云节点状态监968通信技术2023 年视模块、边缘云扩展认证模块和邻近边缘云搜索模块,其
14、中,边缘云节点组成管理模块用于管理边缘云的边缘云节点组成列表。边缘云节点组成列表包括所有节点的 IP 地址和角色信息。加入加入退出单节点边缘云服务器组.服务器组服务器组服务器组服务器组.服务器组服务器组服务器组服务器组服务器组多节点边缘云多节点边缘云多节点边缘云构建退出图 2 系统模型边缘云节点状态监视模块用于实时收集边缘云中所有工作节点的工作状态;边缘云扩展认证模块用于监听和认证边缘云新节点入网和其他边缘云并网;邻近边缘云搜索模块用于实时搜索网络中邻近的其他边缘云;管理接替节点为工作节点,但能够在边缘云中管理节点失能、失联后,直接变为新边缘云的管理节点,其设置对应加载的边缘云管理控制模块组,
15、包括作为工作节点所需的节点状态报告监听模块和作为管理接替节点特有的边缘云节点组成备份交接模块。边缘云节点组成备份交接模块,用于接收记录边缘云管理节点下发的边缘云所有组成节点的信息,以及监视边缘云管理节点失效时及时接替其作为新的边缘云管理节点。本地服务器组节点启动时,根据与网络中邻近服务器组节点的连接情况动态构建边缘云,或独自构建单节点边缘云,或加入多节点边缘云,同时自适应配置边缘云中角色为管理节点、管理接替节点、工作节点,并按照角色加载相应的边缘云管理控制模块组。上述系统模型考虑了高机动条件下边缘云的自组织适应性构建,然而暂未有针对该场景下边缘云的动态构建与调整方法,因此,针对该问题,本文提出
16、一种面向高机动环境的动态高可用边缘云聚云散方法。3 动态自组织的边缘云聚云散方法面向高机动环境的边缘云聚云散方法包括边缘云启动构建与边缘云运行调整两个阶段,具体如下文所述。3.1 边缘云启动构建本地服务器组节点启动时,根据与网络中邻近服务器组节点的连接情况动态构建边缘云,或独自构建单节点边缘云,或加入多节点边缘云,同时自适应配置边缘云中角色为管理节点、管理接替节点、工作节点,并按照角色加载相应的边缘云管理控制模块组。边缘云启动构建如图 3 所示。3.1.1 边缘云初始创建网络中首个本地服务器组节点启动时,以该服务器组节点独自构建单节点边缘云,实现边缘云的初始构建,其过程如图 4 所示。边缘云初
17、始创建过程包括节点入网申请、单节点边缘云创建确认、管理节点配置 3 个阶段。(1)节点入网申请。在网络邻近环境检测时间范围Tsmax内,本地服务器组节点(本地所有计算机服务器作为对外通联及服务的整体节点)在时序ts上定时(其间隔设为Td,检测计次为nd)以网络广播方式向邻近(若有的边缘云)发送节点入网申请,即检测网络邻近环境中有无可加入的边缘云。969第 56 卷第 8 期葛光富,陈宁亚,吴文龙,陈健:面向高机动环境的边缘云聚云散方法节点入网申请结束开始单节点边缘云创建确认管理节点配置图 4 边缘云初始创建的过程(2)单节点边缘云创建确认。超时即ts=ndTdTsmax仍未接收到入网许可,表明
18、网络邻近环境中此时没有可加入的边缘云,即本地为网络中启动的首个本地服务器组节点,此时确认以本地服务器组节点独自构建单节点边缘云。(3)管理节点配置。设置本地为管理节点角色,即加载配置该角色所需的边缘云管理控制模块组,包括边缘云节点组成管理模块(主要用于管理边缘云节点组成列表,包括所有节点的 IP 地址、角色信息)、边缘云节点状态监视模块(用于实时收集边缘云中各节点工作状态)、边缘云扩展认证模块(用于监听认证边缘云新节点入网和其他边缘云并网)、邻近边缘云搜索模块(用于实时搜索网络中邻近其他边缘云),之后将此管理节点作为组成列表的首节点添加到边缘云节点组成管理模块的边缘云节点组成列表,并记录该节点
19、的 IP 地址、角色信息。3.1.2 边缘云初始聚合网络中若有其他的任意一个本地服务器组节点启动,均加入到已创建的边缘云,实现邻近网路中所有服务器组节点初始聚合构成同一个边缘云,其过程如图 5 所示。边缘云初始聚合包括七个阶段,分别为:节点入网申请、节点入网许可、工作节点配置、管理接替节点确认、管理接替关系备用、管理接替节点配置、边缘云节点组成备份。具体介绍如下:(1)节点入网申请。在网络邻近环境检测时间范围Tsmax内,本地服务器组节点(指的是本地所有计算机服务器作为对外通联及服务的整体节点)在时序ts上定时(其间隔设为Td,检测计次为nd)以网络广播方式向邻近(若有的边缘云)发送节点入网申
20、请,即用以检测网络邻近环境中有无可加入的边缘云,申请附带信息包括本地 IP 地址、系统验证码;(2)节点入网许可。邻近边缘云管理节点的边缘云扩展认证模块通过网络监听到边缘云外部的服务器组节点入网申请时,验证申请附带提交的验证码与系统的统一识别码一致否,两者一致则表明入网申请通过,此时将申请方节点作为工作节点角色添加到边缘云节点组成管理模块的边缘云节点组成列表并记录该节点的 IP 地址、角色信息,之后多节点边缘云多节点边缘云多节点边缘云单节点边缘云服务器组.服务器组服务器组加入加入构建图 3 边缘云启动构建970通信技术2023 年按照目的地 IP 地址把节点入网许可回复给申请方;图 5 边缘云
21、初始聚合的过程(3)工作节点配置。申请方接收到入网许可时确认本地自身已被作为工作节点加入相应的边缘云,此时设置本地为工作节点角色,即加载配置该角色所需的边缘云管理控制模块组包括节点状态报告监听模块(用于实时向边缘云管理节点上报本节点工作状态并接收管理节点应答等)。(4)管理接替节点确认。管理节点通过检查边缘云节点组成列表中次首位置的节点,发现其不是管理接替节点时,表明边缘云暂未确认好管理接替节点,此时根据预设策略选择管理接替节点,具体为:s(1,),11,10,0RandNNPNN=(1)式中:N为边缘云中的工作节点数量;Rand(1,N)表示从工作节点列表中随机选取一个;Ps表示选择的管理接
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