基于邊緣計算的高校創(chuàng)客智能化平臺設(shè)計研究①

任 群， 王愛平， 劉春妹

(亳州學(xué)院電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

0 引 言

創(chuàng)客精神是創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新精神在互聯(lián)網(wǎng)+時代的表現(xiàn)，創(chuàng)客的出現(xiàn)充分響應(yīng)了“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的號召[1]?？茖W(xué)的管理平臺能夠有效地指導(dǎo)和支持高校創(chuàng)客的發(fā)展，因此探討了高校創(chuàng)客智能化平臺設(shè)計。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，高校的學(xué)生大多使用移動終端登陸并使用平臺。由于平臺用戶的移動性，移動終端會在不同的無線基站(如WiFi接入點)之間頻繁地切換，現(xiàn)有的創(chuàng)客平臺不能滿足該需求[2～3]。因此采用基于邊緣計算的設(shè)計模式來部署高校創(chuàng)客智能化平臺，以提高平臺的性能。

1 系統(tǒng)需求分析

通過對高校創(chuàng)客智能化平臺的調(diào)研情況，總結(jié)了高校創(chuàng)客平臺需要實現(xiàn)的幾個主要業(yè)務(wù)需求：系統(tǒng)管理、活動管理、新聞發(fā)布、通知動態(tài)以及留言互動模塊。為了直觀地表示出平臺的具體功能，采用用例圖來揭示系統(tǒng)的參與者和用例之間的關(guān)系。平臺的功能需求包括了用戶信息管理、通知動態(tài)管理、新聞發(fā)布管理、活動信息管理、項目作品管理以及留言互動管理。此處僅展示用戶信息管理的用例圖，如圖1所示。

除了上述的功能性需求以外，平臺還需要實現(xiàn)響應(yīng)時間、可擴(kuò)展性以及安全性的非功能性需求。響應(yīng)時間與用戶體驗息息相關(guān)，過長的響應(yīng)時間會為平臺用戶帶來較差的體驗，足夠快的響應(yīng)速度能提高系統(tǒng)用戶的使用體驗，達(dá)到提高工作效率的目的?？蓴U(kuò)展性是指平臺處理不斷增長的工作量的能力，并為適應(yīng)這種增長而擴(kuò)大其潛力的能力。當(dāng)使用平臺的人數(shù)增多或者多用戶并發(fā)訪問平臺時，高可擴(kuò)展性保證用戶能得到較好的使用體驗。平臺不僅需要保障數(shù)據(jù)的安全性，還需要考慮硬件故障等情況。平臺的數(shù)據(jù)安全可以通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的相應(yīng)功能實現(xiàn)，同時采用獨立冗余磁盤陣列來緩解硬件故障而帶來的影響。

圖1 用戶信息管理用例圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)的前提，是對系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)的全局把控。根據(jù)需求分析，設(shè)計系統(tǒng)時需要遵循三個主要原則：可靠性、易用性以及可擴(kuò)展性。平臺采用層次化設(shè)計，由應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層組成，體系架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 體系架構(gòu)設(shè)計

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)接受用戶的請求并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為客戶端或者Web提供應(yīng)用程序的訪問。業(yè)務(wù)邏輯層主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)層進(jìn)行操作，實現(xiàn)平臺的業(yè)務(wù)邏輯，是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)存儲層的中間層。數(shù)據(jù)存儲層主要用于存儲數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。為了保證平臺的可擴(kuò)展性，添加了外部接口模塊。

由需求分析可知，平臺需要實現(xiàn)用戶信息管理、通知動態(tài)管理、新聞發(fā)布管理、活動信息管理、項目作品管理以及留言互動管理的業(yè)務(wù)流程。與此同時，系統(tǒng)登陸也是一個重要的業(yè)務(wù)流程。此處僅展示用戶信息管理業(yè)務(wù)的流程，如圖3所示。

圖3 用戶信息管理業(yè)務(wù)流程

接下來是對數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計和物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行闡述。采用實體關(guān)系圖來描述數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，平臺包含了以下幾組實體關(guān)系：用戶信息實體、權(quán)限實體、通知新聞實體、項目作品實體、留言評論實體。其中，此處僅介紹用戶信息實體關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 用戶信息實體屬性圖

將用戶信息實體關(guān)系圖轉(zhuǎn)換為物理結(jié)構(gòu)，得到如表1所示的數(shù)據(jù)庫表。

表1 用戶信息表

圖5 基于邊緣計算的系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

圖6 平均時延對比

3 基于邊緣計算的系統(tǒng)部署

將高校創(chuàng)客智能化平臺部署在基于邊緣計算的移動架構(gòu)中，系統(tǒng)的總體框架如圖5所示。在采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]后，邊緣網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)之間的區(qū)別將變得不那么明顯，系統(tǒng)的功能可以更靈活地在虛擬化平臺上實現(xiàn)。圖5 中的控制器與網(wǎng)絡(luò)、云和軟件定義網(wǎng)絡(luò)交互，選擇性地將流量卸載到云中托管的私有虛擬機上，以降低用戶應(yīng)用程序的延遲?？刂破饔蓛蓚€邏輯實體組成：監(jiān)控器和執(zhí)行器。首先，監(jiān)控器負(fù)責(zé)監(jiān)控移動網(wǎng)絡(luò)元素之間交換的控制平面消息，并提取必要的數(shù)據(jù)。這樣一來，系統(tǒng)便能夠感知移動網(wǎng)絡(luò)的活動。然后，執(zhí)行器使用監(jiān)視器提取的數(shù)據(jù)，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)底層和云之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。具體來說，執(zhí)行器使用提取的數(shù)據(jù)平面參數(shù)構(gòu)造相關(guān)的流規(guī)則，以進(jìn)行特定應(yīng)用程序的流量卸載。當(dāng)用戶從一個位置移動到另一個位置時，執(zhí)行器會與云平臺交互來進(jìn)行虛擬機的實例化和數(shù)據(jù)遷移。

當(dāng)用戶第一次連接到網(wǎng)絡(luò)時(假設(shè)用戶訪問無線基站1)，云1會為他創(chuàng)建一個私有的虛擬機。監(jiān)控器監(jiān)控基站與移動管理之間交換的控制平面消息，提取必要的數(shù)據(jù)和控制平面參數(shù)，以用于卸載?？刂破魇褂眠@些信息為軟件定義網(wǎng)絡(luò)1構(gòu)建流規(guī)則，為屬于卸載應(yīng)用程序的上行鏈路數(shù)據(jù)包(即從無線基站1到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包)進(jìn)行解封，并將其路由到私有的虛擬機實例。私有的虛擬機實例的下行數(shù)據(jù)包在返回?zé)o線基站1之前會被封裝為具有相關(guān)隧道標(biāo)識符的數(shù)據(jù)包。封裝/解封的操作使卸載對基站透明，并且不需要更改基站和核心網(wǎng)絡(luò)[5]之間的標(biāo)準(zhǔn)交互。當(dāng)用戶向無線基站2移動時，通過移動管理在無線基站1和無線基站2之間交換信令消息。監(jiān)控器監(jiān)視控制平面消息交換中的切換事件，控制器2檢測到切換到無限基站2的情況，并觸發(fā)虛擬機遷移的操作?？刂破?從網(wǎng)關(guān)提取隧道的標(biāo)識符，然后在軟件定義網(wǎng)絡(luò)2中添加流規(guī)則以啟用路徑切換，并向控制器1發(fā)送修改請求。接下來，控制器1在軟件定義網(wǎng)絡(luò)1中執(zhí)行必要的流規(guī)則修改，以確保在切換完成后，從目標(biāo)無線基站卸載的流量仍然可以到達(dá)位于云1上的私有虛擬機。此時，控制器1也會主動啟動實時虛擬機遷移，以便將個人用戶虛擬機從云1遷移到云2。

4 性能評估

對平臺的性能進(jìn)行評估，對比了基于邊緣計算和基于MVC(Model-View-Controller)模式[6]的數(shù)據(jù)包往返時延，結(jié)果如圖6所示。在圖6的圖例中，“基于邊緣計算的系統(tǒng)”是文中提出的基于邊緣計算的高校創(chuàng)客智能化平臺，“基于MVC的系統(tǒng)”是指基于MVC模式的系統(tǒng)。由圖6可知，基于MVC模式系統(tǒng)的平均時延為86ms，而基于邊緣計算系統(tǒng)的平均時延為19ms。由于系統(tǒng)的用戶會在校園內(nèi)移動，因此會頻繁地從一個無線基站移動到另一個移動基站。文中提出的系統(tǒng)考慮了用戶的移動性，并進(jìn)行了相應(yīng)的虛擬機遷移操作，因此能獲得更低的時延。

5 結(jié) 語

首先對高校創(chuàng)客智能化平臺進(jìn)行需求分析，然后介紹了系統(tǒng)的設(shè)計，并將平臺部署到基于邊緣計算的結(jié)構(gòu)中。實驗評估結(jié)果驗證了文中設(shè)計的有效性。未來的工作在于采用真實的數(shù)據(jù)集，進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的有效性。