面向邊緣協(xié)作的動態(tài)服務配置與遷移機制研究

杜 楚 ，黃澤鋒，李小翠

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北省智能化信息感知與處理重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院,北京 100083)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)設備的普及催生了許多新興物聯(lián)網(wǎng)應用，如智能家居、智慧城市、實時制造和患者監(jiān)測等。這些物聯(lián)網(wǎng)應用通常表現(xiàn)出嚴格的服務質(zhì)量(QoS)要求，如低延遲和低能耗等，對物聯(lián)網(wǎng)設備有限的資源與計算能力帶來了重大挑戰(zhàn)[1-3]。邊緣計算成為緩解新興物聯(lián)網(wǎng)應用低延遲要求和設備資源受限之間沖突的首選平臺[4-6]。邊緣計算支持在靠近終端用戶的邊緣服務器上配置服務，用戶可以將復雜的計算任務卸載到附近的邊緣服務器，實現(xiàn)快速響應和實時計算任務處理[1]。因此，在邊緣計算下，服務實時配置到距離終端用戶最近的邊緣服務器上的同時，滿足用戶請求約束的QoS是一個關鍵挑戰(zhàn)。此外，當終端用戶請求的服務未配置在請求的邊緣服務器上時，為保證QoS，考慮將用戶任務通過當前請求的邊緣服務器遷移到臨近的邊緣服務器運行，或?qū)⑴R近邊緣服務器上配置的服務動態(tài)遷移到當前邊緣服務器。因此，利用邊緣服務器之間協(xié)作，動態(tài)服務配置與遷移機制研究對于邊緣計算下減少用戶請求服務訪問延遲和降低設備能耗開銷至關重要。

邊緣計算下的任務動態(tài)配置和遷移受到了廣泛關注。許多研究者致力于設計有效算法來提升QoS和降低成本。任務分配決策在服務配置中起著關鍵作用，Chen等[7]通過對各參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，設計了一種能量最優(yōu)動態(tài)計算卸載方案。文獻[8]為了最小化任務的卸載時間，設計了一種基于延遲依賴的優(yōu)先級感知任務卸載策略，根據(jù)任務的截止時間為每個任務分配優(yōu)先級。文獻[9-12]集中于部分卸載策略或協(xié)同優(yōu)化卸載決策和資源配置。大多數(shù)相關研究只關注任務卸載以解決延遲和能耗限制，而忽略了用戶的服務請求在實際情況下是高度動態(tài)的。邊緣節(jié)點可能沒有配置任務所需的服務，這會限制任務卸載策略?？紤]服務請求的多樣性與邊緣節(jié)點有限的服務數(shù)量之間的沖突，文獻[13]提出將服務從云遷移到網(wǎng)絡邊緣。但是，云服務器和邊緣節(jié)點之間通信的時間和能源成本很高。因此，頻繁地從云到邊緣節(jié)點的服務遷移會導致延遲和能耗增加。文獻[14]提出在邊緣節(jié)點之間遷移服務，使可用服務更接近用戶設備，減少服務遷移的額外成本。文獻[15]解決了何時何地遷移服務以在QoS和遷移成本之間實現(xiàn)最佳權(quán)衡的挑戰(zhàn)。文獻[16-18]側(cè)重在動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)低延遲服務遷移和無縫計算。任務卸載和服務遷移問題可以建模為馬爾可夫決策過程(MDP)，利用強化學習算法獲得MDP的最優(yōu)策略。

邊緣節(jié)點之間的協(xié)作(例如任務卸載和遷移)降低了設備的能源消耗，提高了QoS約束。以上研究大多數(shù)分別考慮這2種協(xié)作策略，并沒有將服務配置和遷移有效地結(jié)合起來。因此，本文提出了一種高效的計算任務卸載策略，將任務卸載與服務遷移策略動態(tài)結(jié)合，以最小化任務處理成本。本文的主要貢獻包括以下3點：

① 基于現(xiàn)實的任務請求模式與任務協(xié)作處理方式，分析了若干種任務請求模式的特征，歸納出多種請求情況，并制定了相應的遷移和卸載策略。

② 提出一種新的邊緣協(xié)作策略，在考慮傳統(tǒng)的縱向遷移和橫向卸載協(xié)同方式的同時引入服務橫向遷移的方式，并行執(zhí)行任務卸載和服務遷移過程，減小了數(shù)據(jù)傳輸延遲，達到網(wǎng)絡整體能量消耗及響應延遲的最小化。

③ 通過對多種請求場景的分析，將選擇任務執(zhí)行地點問題建模成多維馬爾可夫決策過程，利用深度強化學習算法并合理設置該算法的狀態(tài)空間、動作空間和獎懲函數(shù)等屬性，實現(xiàn)該問題快速決策。

為了評估該策略的可行性及高效性，本文對所構(gòu)建的邊緣計算網(wǎng)絡下的任務協(xié)同處理問題進行了模擬仿真實驗。實驗結(jié)果表明，本文提出的策略可以有效地降低網(wǎng)絡整體延遲以及能量損耗。

1 相關工作

1.1 邊緣計算下的任務卸載

任務服務配置決策在邊緣計算中起著關鍵作用。通過對各參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，文獻[7]提出了一種能量最優(yōu)動態(tài)計算卸載方案?？紤]各個邊緣節(jié)點的能量效率和優(yōu)先級，提出了公平任務卸載方案[9]。文獻[10]引入了一種新的動態(tài)邊緣計算模型，并設計了一種在線原對偶算法來卸載到達的任務。為了提高卸載算法的泛化能力，文獻[11]提出了一種基于元強化學習的任務卸載方法?？紤]邊緣節(jié)點資源受限，文獻[12]提出了一種資源感知自適應任務卸載框架，靈活選擇最優(yōu)卸載策略。

但是，這些算法沒有考慮到用戶請求的服務可能沒有在執(zhí)行節(jié)點上配置。這項工作引入了一種動態(tài)計算卸載策略，將具有豐富計算資源的中間節(jié)點作為任務的執(zhí)行節(jié)點。如果執(zhí)行節(jié)點沒有配置相應的服務，服務遷移過程并行進行。本文采用深度強化學習算法快速決策最優(yōu)中間節(jié)點。

1.2 邊緣計算下服務遷移

邊緣節(jié)點有限的服務和用戶時延敏感約束給邊緣計算下開展服務配置與遷移帶來了更多的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)低延遲和無縫計算，邊緣節(jié)點間的服務遷移備受關注。文獻[16]提出了一種基于用戶活動熱點的服務遷移策略，根據(jù)用戶活動熱點圖，提前在邊緣節(jié)點上部署服務。文獻[17]開發(fā)了一種基于松弛和舍入的最優(yōu)迭代求解方法來最小化遷移成本。文獻[14]將服務遷移問題表述為非線性 0-1規(guī)劃問題，并設計了基于粒子群的服務遷移方案。然而，由于傳統(tǒng)啟發(fā)式算法時間復雜度高，難以實現(xiàn)算法的快速收斂。強化學習正在成為優(yōu)化服務遷移策略的一種有前途的方法，文獻[18-20]提出了服務遷移的決策過程建模為一維馬爾可夫決策，以服務遷移延遲為目標函數(shù)，提出利用強化學習優(yōu)化服務遷移決策，實現(xiàn)算法快速收斂，有效地減少遷移過程中的額外延遲和能量消耗。

綜上所述，這些方法在特定的場景下節(jié)能效果十分顯著，但是并不適用于本文的場景。因此，本文提出了一種高效的計算任務卸載策略，采用深度強化學習實現(xiàn)快速決策，并將服務遷移與任務動態(tài)卸載相結(jié)合。

2 網(wǎng)絡和性能模型

本節(jié)介紹了系統(tǒng)模型，包括網(wǎng)絡模型、能耗模型和時延模型3個部分。

2.1 網(wǎng)絡模型

網(wǎng)絡基本要素主要包括邊緣節(jié)點的描述、服務和任務描述以及時間片的劃分，具體的定義如下：

① 該研究場景中，網(wǎng)絡包括N個邊緣節(jié)點，將這些邊緣節(jié)點表示為集合F={F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)i，…，F(xiàn)N}。對于這些邊緣節(jié)點，通過以下幾個屬性來描述：邊緣節(jié)點的唯一標識Fi.id、邊緣節(jié)點的地理位置Fi.Loc=(Lx,Ly)、邊緣節(jié)點當前托管的服務列表Fi.HostLst、邊緣節(jié)點當前正在處理的任務列表Fi.PT以及處理器頻率Fi.Fre。其中，i∈[1,N],Lx為邊緣節(jié)點地理位置的經(jīng)度，Ly為邊緣節(jié)點地理位置的緯度。不失一般性的前提下，本文考慮所有邊緣節(jié)點的資源相同，資源包括CPU處理能力、帶寬、內(nèi)存和存儲。

② 本文網(wǎng)絡中包括了M種類型的服務，將這些服務類型標記為集合S={S1，S2，…，Si，…，SM}，并通過以下幾個屬性來描述：服務的唯一標識Si.id，服務的大小Si.Bytes和服務重配置所需的時間Si.RCT，其中，i∈[1,N]。服務重配置所需的時間與服務本身所占用的大小無直接關系。

③ 將時間段T均勻地劃分為相等的時間片，將其標記為T={T1，T2，…，Ti，…，Tt}。

④ 每個時間片下，假定用戶會發(fā)出K個任務請求，將其標記為C={C1，C2，…，Ci，…，CK}。對于這些任務請求，通過以下幾個屬性來描述：任務請求的地理位置Ci.Loc=(Lx,Ly)，任務請求的類型Ci.Sj，任務請求的數(shù)據(jù)量大小Ci.Bytes以及任務處理所需的CPU時鐘周期Ci.Cir。其中，i∈[1,N]，j∈[1,M]，Lx為發(fā)出請求的用戶的經(jīng)度，Ly為發(fā)出請求的用戶的緯度。

2.2 能量模型

對于每個任務請求，其所需的總能耗為：

Etotal=Ecomp+Etti+Eftji，

(1)

式中，Ecomp為該任務的計算處理能耗；Etti為任務卸載到邊緣節(jié)點Fi的能耗；Eftji為服務從邊緣節(jié)點Fj遷移到邊緣節(jié)點Fi的能耗,i∈[1,N]，j∈[1,M]。

通信能耗模型的參數(shù)及其相關參數(shù)如表1所示。Etti和Eftji都是通信時將數(shù)據(jù)包從i點發(fā)送到j點產(chǎn)生的能耗，根據(jù)FORM模型，對于kbyte從節(jié)點發(fā)送到距離為d的節(jié)點的過程,，可以表示為：

Ecmm,ij(k,d)=ETx(k,d)+ERx(k)，

(2)

ETx(k,d)=Eelec×k+εamp×k×dn，

(3)

ERx(k)=Eelec×k，

(4)

式中，ETx(k,d)為將數(shù)據(jù)大小為k的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到距離為d的節(jié)點所消耗的能量；ERx(k)為接收kbyte數(shù)據(jù)所消耗的能量。傳播衰減指數(shù)n的值受環(huán)境影響較大。若設備之間傳輸數(shù)據(jù)時沒有建筑物遮擋，可將n的值設置為2，否則根據(jù)具體的環(huán)境可設置為3，4或5。Eelec和εamp分別表示單位能耗常數(shù)和發(fā)射放大器單位能耗常數(shù)。

表1 一階無線電模型參數(shù)

2.3 時延模型

對于每個任務請求，其所需的總延遲為：

Dtotal=Dcomp+max(Dtti,ArgMin{Dfttji}+Dr)+Dw,

(5)

式中，Dcomp為該任務的計算處理時間；Dtti為任務轉(zhuǎn)發(fā)卸載到邊緣節(jié)點Fi的時間；Dftji為服務從邊緣結(jié)點Fj遷移到邊緣節(jié)點Fi的時間；Dr為服務的重配置時間；Dw為任務請求處理的等待時間，i∈[1,N]，j∈[1,M]。Dttti和Dfttji都是通信時將數(shù)據(jù)包從i點發(fā)送到j點產(chǎn)生的時延，本文將無線傳輸時的延遲定義為：

delay=knetlgdij+bnet,

(6)

式中，dij為i點與j點的距離；knet和bnet定義如下：

knet=44.9-6.55lg(hb)，

(7)

bnet=46.3+33.9lg(f)-13.82lg(hb)-ahm+cm，

(8)

式中，f為信號頻率，單位MHz；hb為節(jié)點的天線高度；cm在一般情況下設置為3 dB;ahm定義如下：

ahm=3.20(lg(11.75hr))2-4.97，

(9)

式中，hr為用戶設備的高度。單個任務的計算時延Dcomp定義如下：

(10)

式中，C.Cir為任務處理所需的CPU時鐘周期；F.Fre為邊緣節(jié)點的處理器頻率。

2.4 目標函數(shù)定義

整個網(wǎng)絡的能耗和延遲成本定義為所有任務的能量消耗之和以及所有任務的時延之和的加權(quán)和，目標函數(shù)定義如下：

(11)

式中，Ditotal為所有任務請求完成所需的時延總和；Eitotal為所有任務請求完成所需的能量總和；ω1和ω2分別是控制權(quán)重的參數(shù)。

3 基于DQN服務配置與遷移

在強化學習算法中，對于每個時間片Tτ，產(chǎn)生系統(tǒng)狀態(tài)Sτ，并計算上一時刻的獎勵Rτ-1。根據(jù)預先定義的策略選擇動作Aτ。執(zhí)行該操作后，系統(tǒng)將在下一個時間片中轉(zhuǎn)換到新狀態(tài)Sτ+1。同樣，再次計算獎勵Rτ并根據(jù)狀態(tài)Sτ+1選擇新動作Aτ+1。

3.1 服務配置狀態(tài)空間

系統(tǒng)狀態(tài)基于延遲、能耗、邊緣節(jié)點托管的服務類型、邊緣節(jié)點的運行狀態(tài)以及當前時間片的所有請求信息。系統(tǒng)總延遲和總能耗如下：

(12)

即，Xi,j(t)為t時刻，請求i在邊緣節(jié)點Fj上執(zhí)行的總延遲Dtotal。

(13)

即，Yi,j(t)為t時刻，請求i在邊緣節(jié)點Fj上執(zhí)行的總能耗Etotal。

綜上所述，系統(tǒng)在t時刻的狀態(tài)可以表示為：

St={X(t),Y(t),F.HostLst,F.rt,C.Loc,Ci.S}∈S，

式中，S為系統(tǒng)的狀態(tài)空間。

3.2 服務遷移動作空間

動作空間被定義為等待處理的任務請求的候選執(zhí)行地點集，即所有的邊緣節(jié)點集合以及云節(jié)點，系統(tǒng)Tτ時刻的動作可以表示為一維向量：

At= {aF1,aF2,…,aFN,ac}∈A，

式中，A為所有可執(zhí)行的動作，每一個元素值代表了該請求是否在此處執(zhí)行，其值為1時代表在此處執(zhí)行，其值為0時代表不在此處執(zhí)行；Fi為邊緣節(jié)點；c為云節(jié)點。

3.3 服務配置與遷移獎懲函數(shù)

本文的目標是最小化延遲和能耗，因此，系統(tǒng)Tτ時刻的獎勵定義為：

Rt=M1-(Dtotal(t)+Etotal(t))，

(14)

式中，M1為常數(shù)值；Dtotal(t)，Etotal(t)分別表示時刻t產(chǎn)生的任務請求的處理延遲以及能量損耗。

3.4 服務配置與遷移算法設計

本文采用了DNN和 Q-Learning相結(jié)合的深度Q-Learning算法。在深度Q-Learning算法中，使用Q-Network存儲Q矩陣，該網(wǎng)絡由權(quán)重為θ的DNN組成，可以有效存儲Q值信息。算法1描述了深度Q-Learning算法。對于每次迭代，首先獲取初始狀態(tài)S0，對每個時間片τ，根據(jù)預先定義的策略選擇動作Aτ，并獲取下一個狀態(tài)Sτ+1。通過式(14)計算獎勵，更新Q-Network并最終輸出動作Aτ。

算法 1:基于服務遷移和邊緣協(xié)作的DQN算法輸入:θ:Q-Network的權(quán)重D:經(jīng)驗重放池輸出:Aτ:動作算法流程:1:for episode = 1,M do2: 獲取初始狀態(tài)S03: 初始化D3: for τ= 1,k do4: 調(diào)用算法2選擇動作Aτ 5: 獲取狀態(tài)Sτ+16: 通過式(14)計算Rτ7: 調(diào)用算法3,根據(jù)Sτ,Sτ+1,Aτ,Rτ,D更新Q-Network8: 輸出動作Aτ9: end for10:end for

3.4.1 動作選擇

動作選擇基于epsilon-greedy策略，該算法主要包括2個部分：探索者及開發(fā)者。預設一個ε閾值，每次選擇時產(chǎn)生一個隨機值Φ，當Φ大于ε，則由開發(fā)者進行動作選擇；否則通過探索者進行動作選擇。具體動作選擇過程如算法2所示。

算法 2:動作選擇輸入: Sτ:當前狀態(tài) BD:最佳動作表輸出: Aτ:動作算法流程: 1:產(chǎn)生隨機值Φ 2:ifΦ>εthen 3: 通過開發(fā)查找最佳動作表BD,得到Aτ 4:else 5: 獲取可用計算資源列表L 6: 從資源列表中隨機選取邊緣節(jié)點Fi,得到對應的Aτ 7:end if

3.4.2 Q-Network更新

在Q-Learning算法中，每個Q(Sτ-1，Aτ-1)都可以用如下規(guī)則更新：

Q(Sτ-1,Aτ-1)←(1-α)Q(Sτ-1,Aτ-1)+

α[Rτ-1+γ×maxAτQ(Sτ,Aτ)，

(15)

式中，α為學習率；γ為折扣率。在深度Q-Learning算法中，Q值信息一般都被抽象存儲在DNN中，由于系統(tǒng)狀態(tài)會在每個時刻Tτ不斷變化，因此DNN需要自適應地進行更新。目標網(wǎng)絡提供穩(wěn)定的Q(Sτ，Aτ;θ’)，其y(τ)定義如下：

yτ=E{(1-α)Q(Sτ-1,Aτ-1;θ′)+

α(Rτ-1+γmaxQ(Sτ,Aτ;θ′))}，

(16)

式中，θ′為目標網(wǎng)絡的權(quán)重，會間歇地重置回θ。

算法3描述了Q-Network更新過程。在該算法中，對于每個時刻，都將經(jīng)驗四元組(Sτ，Aτ，Rτ，Sτ+1)存儲在經(jīng)驗重放池D中，然后在D中抽取一組四元組用于更新網(wǎng)絡。對于每個四元組(Sτ-1(j)，Aτ-1(j)，Rτ-1(j)，Sτ(j))，計算Q(Sτ(j)，Aτ(j);θ’) 和y(τ)。

3.5 服務配置與遷移算法復雜度分析

在算法1中，算法時間復雜度主要包括動作選擇算法和Q-Network更新算法。其中，對于行2及行5的狀態(tài)觀察和收集，其時間復雜度與需要收集的狀態(tài)的個數(shù)有關，即邊緣節(jié)點的個數(shù)N，對于K個任務請求，需要預計每個任務請求在各個邊緣節(jié)點上運行的延遲和能耗，因此該步驟的時間復雜度為O(K×N)。對于行4，其時間復雜度取決于動作選擇算法，開發(fā)過程只需要查找最佳動作表，因此時間復雜度為O(1)，探索過程需要在可用資源列表中隨機選擇動作，在3.3節(jié)已經(jīng)分析過該步驟的時間復雜度為O(N)。對于行6，其時間復雜度取決于獎勵函數(shù)的計算，具體為O(N+M+K)。對于行7，其時間復雜度取決于Q-Network的更新，其時間復雜度取決于經(jīng)驗重放池D的大小，大小取決于狀態(tài)空間S的大小和動作空間的大小A，狀態(tài)空間大小為邊緣節(jié)點和云節(jié)點的個數(shù)之和N+1，動作空間大小一般情況下為邊緣節(jié)點的個數(shù)N，故可得該算法時間復雜度為O(N2)。

4 結(jié)果評估

實驗程序的運行環(huán)境為：64位Windows10操作系統(tǒng)、16 GB內(nèi)存、處理器為Intel(R) Core(TM) i7-3770 CPU @ 3.40 GHz以及顯卡NVIDIA GeForce GTX 1070 Ti，通過Python程序?qū)崿F(xiàn)。為保證實驗的科學性，所有實驗均在同一環(huán)境下進行。

4.1 實驗設置

本實驗中的參數(shù)設置如表2所示。

表2 實驗參數(shù)設置

網(wǎng)絡區(qū)域為500 m×500 m，該區(qū)域中均勻分布了50個邊緣節(jié)點。由于邊緣節(jié)點的資源限制，每個邊緣節(jié)點上最多可配置H=2種服務。通常一個物聯(lián)網(wǎng)部署之后，會根據(jù)節(jié)點的部署情況，選擇一個合適的通信范圍，為了保障該網(wǎng)絡的連通性，本文將邊緣節(jié)點的通信半徑設為150 m。邊緣節(jié)點的CPU頻率F.Fre=2 GHz。任務處理所需的CPU時鐘周期C.Cir∈[50,200]單位時間。信號頻率f=2.5 MHz，天線高度hb=35 m，用戶設備高度hr=1 m。無線信號傳輸?shù)膸抴i=500 MHz，無線傳輸?shù)哪芰肯某?shù)Eelec=50 nJ/bit，傳輸放大器的能耗常數(shù)εamp=0.1 nJ/(bit·m2)。CPU單循環(huán)的計算能耗為6×10-9Wh。成本函數(shù)的時延權(quán)重ω1=0.8，能耗權(quán)重ω2=0.2。

對于DQN中的網(wǎng)絡參數(shù)設置，學習率α=0.1，折扣率γ=0.9。對于DNN的結(jié)構(gòu)，本文使用4層全連接層的神經(jīng)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡的設置基于實驗結(jié)果。本文對網(wǎng)絡的深度設置開展了大量實驗，結(jié)果表明，4層的網(wǎng)絡在本文的問題場景以及數(shù)據(jù)下有較好的表現(xiàn)。本文將狀態(tài)St和動作At對表示為元組，并轉(zhuǎn)換成12 127×1的向量，將其作為DNN的輸入。在DNN的第1層和第2層之間添加了線性整流激活函數(shù)。DNN的輸出則是St和At元組的Q值對。需要注意的是，在該網(wǎng)絡中，所有的邊緣節(jié)點有著相同的DNN結(jié)構(gòu)和權(quán)重。

4.2 實驗結(jié)果

本實驗通過觀察系統(tǒng)長期的平均延遲以及能耗來探索不同的系統(tǒng)參數(shù)設置對該策略的影響，這些系統(tǒng)參數(shù)包括任務請求的稀疏度以及服務類型的個數(shù)。

4.2.1 任務請求稀疏度

當任務請求的稀疏度越高，平均每個時刻產(chǎn)生的任務請求會越多，則系統(tǒng)的平均響應延遲以及能耗會越高。為了研究任務請求的稀疏度對平均延遲和能耗的影響，本文實驗將任務請求的稀疏度prob設置為0.2，0.4,0.8。不同任務請求稀疏度設置下系統(tǒng)平均延遲如圖1所示。

圖1 不同任務請求稀疏度設置下系統(tǒng)平均延遲Fig.1 Average system delay under different task request sparsity settings

系統(tǒng)的平均響應延遲與每個時刻的任務請求數(shù)量成正比，即與任務請求的稀疏度成正比，但從圖中可以觀察發(fā)現(xiàn)，稀疏度prob=0.4時，相比于稀疏度prob=0.2時的系統(tǒng)平均延遲沒有增加至一倍，其原因是prob=0.2時，在密集部署邊緣節(jié)點的網(wǎng)絡中，該網(wǎng)絡的計算負載是不飽和的，因此接收到任務請求時，邊緣節(jié)點往往可以立即處理該任務請求。而稀疏度prob=0.4時，該網(wǎng)絡的計算負載接近飽和，此時任務請求開始出現(xiàn)不能在最合適的邊緣節(jié)點上立即處理的情況，邊緣間協(xié)同處理情況開始變得頻繁。prob=0.8時，該網(wǎng)絡的計算負載過飽和，因此平均延遲相比于稀疏度prob=0.4時翻倍。

不同任務請求稀疏度設置下系統(tǒng)平均能耗如圖2所示。直覺上，系統(tǒng)的平均能耗與每個時刻的任務請求數(shù)量成正比，即與任務請求的稀疏度成正比，因為無論系統(tǒng)是否處于飽和的狀態(tài)，任務請求是否由于計算資源不足導致延遲增加都與能量損耗沒有直接關系。由圖2可以看出，當系統(tǒng)計算負載接近飽和時，開始出現(xiàn)較頻繁的服務遷移和任務卸載，這些任務協(xié)同處理方式必然會導致傳輸能耗增加，因此，系統(tǒng)的平均能耗與任務請求的稀疏度成線性增加的關系。

圖2 不同任務請求稀疏度設置下系統(tǒng)平均能耗Fig.2 Average system energy consumption under different task request sparsity settings

4.2.2 服務類型的個數(shù)

不同服務類型數(shù)量設置下系統(tǒng)平均延遲如圖3所示。

圖3 不同服務類型數(shù)量設置下系統(tǒng)平均延遲Fig.3 Average system delay under different service types and quantity settings

服務類型數(shù)量snum=50時，系統(tǒng)的平均延遲與圖3中prob=0.4的系統(tǒng)平均延遲基本一致。當snum=20時，所有服務類型都可以在邊緣網(wǎng)絡中找到多個配置了該服務類型的邊緣節(jié)點，因此服務遷移和任務卸載的地點有了更多候選，也更容易找到與數(shù)據(jù)產(chǎn)生地點鄰近的任務處理地點。因此，在邊緣網(wǎng)絡的計算負載還沒有完全飽和時，隨著服務類型snum值減小，系統(tǒng)的平均響應延遲也越小。值得一提的是，當snum=100時，系統(tǒng)平均延遲的波動率顯著增加，分析這一現(xiàn)象可能的原因是邊緣層配置的服務出現(xiàn)了“脫靶”的情況，即任務請求的類型可能在邊緣層級上沒有找到配置了相應服務的邊緣節(jié)點，配置了相應服務的邊緣節(jié)點計算資源不足或者其物理距離不夠鄰近也可能造成該問題。在這種情況下，邊緣節(jié)點為保障任務能有效處理，必須將任務卸載至云端或者將云端中的服務類型遷移至邊緣層，這種遠距離的遷移或者卸載都會導致任務的響應急劇增加，從而出現(xiàn)了圖中系統(tǒng)平均延遲波動率增加的情況。因此，當服務類型數(shù)量遠多于邊緣層所能配置的服務數(shù)量時，為盡量減少脫靶的情況，如何對邊緣層的服務進行合理的預配置，以及在遷移時如何保證邊緣層服務的豐富度是亟需研究的問題。

不同服務類型數(shù)量設置下系統(tǒng)平均能耗如圖4所示。

圖4 不同服務類型數(shù)量設置下系統(tǒng)平均能耗Fig.4 Average system energy consumption under different service types and quantity settings

由圖4可以看出，相比于系統(tǒng)平均延遲，服務類型數(shù)量snum=100時，邊緣網(wǎng)絡的系統(tǒng)平均能耗波動率更大。如圖4所示，波動率增大的原因是發(fā)生了脫靶情況，這種情況導致邊緣節(jié)點不得不進行遠距離的遷移和卸載，但受益于第3節(jié)提出的圍繞計算資源的策略，邊緣節(jié)點在任務處理時是將可用的計算資源作為遷移和卸載的中繼點，并通過服務遷移和任務卸載使其存在時間、空間上重疊，因此該策略在發(fā)生遠距離邊緣間協(xié)作時，可以有效降低任務處理的延遲，但是邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)量傳輸?shù)木嚯x沒有太多變化，因此相比于系統(tǒng)平均延遲，系統(tǒng)的平均能耗在脫靶時代價更大。

5 結(jié)束語

針對服務請求高度多樣且動態(tài)變化的情況，如何對計算、存儲和帶寬等資源限制的邊緣節(jié)點實時服務配置與遷移，使網(wǎng)絡的總體能耗以及請求延遲盡量最小化，本文提出了一種基于服務遷移和邊緣協(xié)作的服務動態(tài)重配置策略，降低任務請求處理過程中的時延以及能耗。根據(jù)所提策略設置深度強化學習算法的狀態(tài)空間、動作空間和獎勵函數(shù)，并利用深度強化學習進行任務處理地點的決策，解決傳統(tǒng)啟發(fā)式算法由于復雜度過高無法在時延敏感的場景中使用的問題。為了驗證本文提出策略的可行性和高效性，探索了2種不同的網(wǎng)絡參數(shù)因子對該策略的影響，并且對比了2種傳統(tǒng)的任務協(xié)作處理方式，實驗結(jié)果表明，本文所提策略可有效降低系統(tǒng)任務處理延遲，并且一定程度上可以減小系統(tǒng)能耗。