車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)虛擬機(jī)遷移技術(shù)研究

危湖貴 劉炎松

摘 要：智能交通車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展面臨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量瓶頸、海量信息高效處理瓶頸等一系列具有挑戰(zhàn)性的難題。針對該系列問題，本文提出一種層次化移動云系統(tǒng)參考模型，使車載移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應(yīng)層次的云服務(wù)，達(dá)到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計(jì)算資源的最佳匹配。同時(shí)，由于車載單元的快速移動性，車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時(shí)可能中斷，這就制約了車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的提高，對云計(jì)算持續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)，這一瓶頸問題可以通過虛擬機(jī)動態(tài)遷移技術(shù)得到改善，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)的不間斷。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；虛擬機(jī)遷移；層次化

近年來，車輛的爆發(fā)式增長及無處不在的信息需求將通信網(wǎng)絡(luò)和車輛日益緊密結(jié)合起來。人們在車輛移動過程中的應(yīng)用服務(wù)需求日益增長，車聯(lián)網(wǎng)的研究已成為世界矚目的熱點(diǎn)，同時(shí)也促進(jìn)了車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展[1-2]。

車聯(lián)網(wǎng)是智能交通信息化平臺的核心組成部分，它利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)，對道路和交通進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)多個(gè)交通系統(tǒng)間大范圍、大容量的數(shù)據(jù)傳輸與交互，支持對每一輛車進(jìn)行交通全程控制，對每一條道路進(jìn)行交通全時(shí)空控制，從而有效提升交通安全和交通效率[1-3]。目前國內(nèi)外的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍處于起步階段，從體系架構(gòu)基本理論到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，都面臨著一系列非常具有挑戰(zhàn)性的難題。首先，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，由于衛(wèi)星通信的高時(shí)延特性，以及蜂窩無線系統(tǒng)的頻譜資源稀缺性，很難支持大量的車-車（V2V）通信，因此車聯(lián)網(wǎng)必須以專用短距離無線通信系統(tǒng)（DSRC）為主，并以蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)為輔，組成一個(gè)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。然而，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性的本質(zhì)特征顯著降低了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，成為影響車聯(lián)網(wǎng)提升網(wǎng)絡(luò)容量的重要難題。其次在移動服務(wù)方面，近年來迅速發(fā)展的媒體業(yè)務(wù)（尤其是社交媒體）已成為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流，媒體業(yè)務(wù)具有帶寬需求大、實(shí)時(shí)性要求高等特性。但是，由于車載節(jié)點(diǎn)的快速移動，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化、無線鏈路質(zhì)量急劇下降，車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時(shí)可能會中斷。動態(tài)變化與間斷連接的網(wǎng)絡(luò)特性成為制約車聯(lián)網(wǎng)提高業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的瓶頸問題。本文提出建立層次化車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)模型，包括中心云、路側(cè)云、車載云，使移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應(yīng)層次的云服務(wù)，達(dá)到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計(jì)算資源的最佳匹配。在該模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬機(jī)動態(tài)遷移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的不中斷，提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量。

1 層次化車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)架構(gòu)

移動云計(jì)算是指以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)為移動終端提供云計(jì)算服務(wù)的一種新技術(shù)。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，移動云計(jì)算得到了業(yè)界的高度關(guān)注。充分整合利用移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計(jì)算資源是移動云計(jì)算亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題[4，6]。

目前的移動終端普遍具有短距離（例如WiFi）和長距離（例如3G/4G）兩種無線網(wǎng)絡(luò)模式，這兩種模式在網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)覆蓋上各有優(yōu)勢。為使移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應(yīng)層次的云服務(wù)，達(dá)到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計(jì)算資源的最佳匹配。對此，我們以智能交通車聯(lián)網(wǎng)為背景，提出了層次化移動云系統(tǒng)參考模型（見圖1），包括車載云、路側(cè)云和中心云三個(gè)層次。車載云通過車載自組網(wǎng)構(gòu)成車輛間云資源共享系統(tǒng)；路側(cè)云通過WAVE模式為車輛提供微云服務(wù)；中心云通過3G/4G模式提供遠(yuǎn)程接入。車載云、路側(cè)云、中心云的云資源逐漸增強(qiáng)，但隨著通信距離增加網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸下降。實(shí)際系統(tǒng)成本和硬件約束等因素使這種矛盾難以避免。該參考模型為解決這種矛盾，達(dá)到云資源和網(wǎng)絡(luò)資源最佳匹配提供了有效途徑。

2 車聯(lián)網(wǎng)移動云VM動態(tài)遷移

VM（虛擬機(jī)）動態(tài)遷移是指一臺主機(jī)（ 源主機(jī)） 上運(yùn)行的虛擬機(jī)遷移到另一臺主機(jī)（目的主機(jī)） 上繼續(xù)運(yùn)行，在整個(gè)遷移過程中，虛擬機(jī)的暫停時(shí)間非常短，虛擬機(jī)上運(yùn)行的服務(wù)始終能響應(yīng)用戶的請求[5，7，8]。

2.1 VM動態(tài)遷移場景

由于車載節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于快速移動狀態(tài)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化，車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時(shí)有可能被中斷，VM動態(tài)遷移技術(shù)可以保障持續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)，減少傳輸延時(shí)。車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)VM動態(tài)遷移場景如圖2所示，車載節(jié)點(diǎn)從路測云、中心云或其它車載節(jié)點(diǎn)來獲取云服務(wù)。當(dāng)一輛車在道路上行駛時(shí)，它必須要切換連接到不同的基礎(chǔ)設(shè)施。與此同時(shí)，云服務(wù)也要從一個(gè)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。由于虛擬機(jī)是一個(gè)基本的實(shí)體，它運(yùn)行著云服務(wù)，虛擬機(jī)動態(tài)遷移是保證服務(wù)連續(xù)性的首選方式。在虛擬機(jī)動態(tài)遷移中，虛擬機(jī)鏡像需要從源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)拷貝到目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)。在車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)中，有如下所述的虛擬機(jī)動態(tài)遷移場景。

⑴路測微云之間的遷移：如圖2（見案例1），當(dāng)車輛A從RSU-3（路側(cè)單元-3）的無線服務(wù)范圍運(yùn)動到RSU-4的無線服務(wù)范圍，虛擬機(jī)跟隨其遷移，VM-A在兩個(gè)路測微云之間傳輸?shù)倪^程中，使其服務(wù)具有連續(xù)性。

⑵路測云與中心云之間的遷移：如圖2（見案例2），當(dāng)車輛A駛出RSU-2的無線覆蓋范圍，除中心云可用外，沒有其他的路測微云。在這種情況下，VM-A必須從路測微云遷移到中心云。之后，車輛A通過蜂窩無線通信訪問到中心云來恢復(fù)它的服務(wù)。

⑶RSU之間的切換：如圖2（見案例3），當(dāng)車輛A離開RSU-1的無線服務(wù)范圍，進(jìn)入RSU-2的無線服務(wù)范圍，由于RSU-1和RSU-2同時(shí)連接著同一個(gè)路測微云，故只需要切換接入。

2.2 VM動態(tài)遷移流程

在虛擬機(jī)的動態(tài)遷移中，車載節(jié)點(diǎn)、源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)之間相互影響。車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)虛擬機(jī)動態(tài)遷移的流程如下：

⑴信號強(qiáng)度檢測：車載節(jié)點(diǎn)會定期的監(jiān)測源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度。只要來自兩個(gè)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度差值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值，車載節(jié)點(diǎn)將會向相應(yīng)的源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送遷移請求。

⑵虛擬機(jī)與網(wǎng)絡(luò)資源的重分配：當(dāng)接收到虛擬機(jī)的遷移請求后，目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該進(jìn)行虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)定，來決定遷移是否被允許。如果遷移被允許，無線鏈路和一定數(shù)量的云資源將會分配給遷移的虛擬機(jī)。如果遷移被拒絕，必須尋求其它的目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

⑶虛擬機(jī)數(shù)據(jù)傳輸：終端用戶觸發(fā)遷移后，源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)開始向目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。該過程分為兩個(gè)步驟，首先是遷移所有數(shù)據(jù)，然后逐次循環(huán)，根據(jù)上一輪循環(huán)的記錄遷移上一輪循環(huán)過程中被修改過的臟數(shù)據(jù)。虛擬機(jī)的內(nèi)存遷移是虛擬機(jī)遷移中最有難度和挑戰(zhàn)的部分。在虛擬機(jī)內(nèi)存遷移的過程中，虛擬機(jī)內(nèi)存臟頁生成的同時(shí)，虛擬機(jī)的服務(wù)也一直在運(yùn)行。一般情況下，遷移內(nèi)存臟頁的過程會分階段來進(jìn)行，因?yàn)樵谶w移當(dāng)前的內(nèi)存臟頁的同時(shí)，新的內(nèi)存臟頁也在產(chǎn)生。

⑷VM服務(wù)暫停：如果最后一輪的臟數(shù)據(jù)足夠小，源云主機(jī)節(jié)點(diǎn)會暫時(shí)的中止VM的服務(wù)，完成最后一輪臟數(shù)據(jù)的遷移，并宣布虛擬機(jī)的動態(tài)遷移結(jié)束。通常情況下，暫停過程中只有少量的數(shù)據(jù)需要同步，暫停時(shí)間極短。

⑸VM服務(wù)恢復(fù)：當(dāng)虛擬機(jī)完成遷移后，車載節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)云主機(jī)節(jié)點(diǎn)建立新的無線連接，這樣使得虛擬機(jī)的服務(wù)能繼續(xù)。

3 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)是智能交通的關(guān)鍵組成部分，是“十二·五”期間國家重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域。本文中將車聯(lián)網(wǎng)、移動云計(jì)算、虛擬化技術(shù)相結(jié)合，提出了基于車聯(lián)網(wǎng)的移動云系統(tǒng)層次化體系架構(gòu)，通過VM動態(tài)遷移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的連續(xù)性，從而可提供穩(wěn)定可靠的智能交通服務(wù)。

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