IoT-MEC網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)功能鏈主動重構(gòu)方法

摘 要：在移動邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)（Ｍｏｂｉｌｅ Ｅｄｇｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇｅｎａｂｌｅｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＩｏＴ-ＭＥＣ） 中，物聯(lián)終端的高移動性、服務(wù)請求的隨機到達性以及網(wǎng)絡(luò)流量的實時變化，導(dǎo)致原有應(yīng)用場景下的資源配置與服務(wù)部署不再完全匹配。如何有效利用網(wǎng)絡(luò)提供的資源以實現(xiàn)服務(wù)功能鏈（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｈａｉｎ，ＳＦＣ） 的實時部署和重構(gòu)是一個重要的挑戰(zhàn)。針對用戶的高移動性和網(wǎng)絡(luò)流量的實時變化造成的ＳＦＣ 性能需求和已分配資源不匹配的問題，提出ＩｏＴ-ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中基于用戶移動和資源需求預(yù)測的ＳＦＣ 重構(gòu)策略。建立以ＳＦＣ 的端到端時延和重構(gòu)成本最小化為目標(biāo)的整數(shù)線性規(guī)劃模型；設(shè)計基于注意力機制的Ｅｎｃｏｄｅｒ-Ｄｅｃｏｄｅｒ 移動用戶軌跡預(yù)測模型和基于長短期記憶（Ｌｏｎｇ Ｓｈｏｒｔ-Ｔｅｒｍ Ｍｅｍｏｒｙ，ＬＳＴＭ） 網(wǎng)絡(luò)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＶＮＦ） 實例資源需求預(yù)測模型，分別準(zhǔn)確預(yù)測用戶移動軌跡和節(jié)點負載；基于預(yù)測結(jié)果提出ＳＦＣ 主動重構(gòu)（Ｐｒｅｄｉｃｔ-ｂａｓｅｄ ＳＦＣ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ＰＳＡＲ） 啟發(fā)式算法，確保在服務(wù)質(zhì)量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ） 下降之前，提前完成ＶＮＦ 遷移和路由更新，實現(xiàn)ＳＦＣ 的主動重構(gòu)和無縫遷移，保證網(wǎng)絡(luò)的一致性高質(zhì)量服務(wù)。仿真結(jié)果表明，所提算法有效降低了ＳＦＣ 端到端時延和重構(gòu)成本。

關(guān)鍵詞：移動邊緣計算；物聯(lián)網(wǎng)；服務(wù)功能鏈；重構(gòu)；注意力機制

中圖分類號：ＴＮ９２９． ５ 文獻標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０６－１５４３－１０

０ 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩｏＴ）設(shè)備的迅速普及造成ＩｏＴ 終端（如工業(yè)傳感器、智能攝像頭等）產(chǎn)生了越來越多異構(gòu)的計算密集型和時延敏感型業(yè)務(wù)請求［１］。為了滿足這些請求流的安全性和時敏性等要求，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ，ＩＳＰ）可利用移動邊緣計算（Ｍｏｂｉｌｅ Ｅｄｇｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＭＥＣ）技術(shù)［２］和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Ｎｅｔｗｏｒｋ ＦｕｎｃｔｉｏｎＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＮＦＶ）技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)部署由多個虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＶＮＦ）依序組成的服務(wù)功能鏈（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｈａｉｎ，ＳＦＣ）為請求流提供低時延且高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［３］。然而，在支持移動邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)（ＭｏｂｉｌｅＥｄｇｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ-ｅｎａｂｌｅｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＩｏＴ-ＭＥＣ）中，由于用戶的高移動性可能會造成用戶邊緣接入位置切換，從而導(dǎo)致之前已部署的ＳＦＣ 違反端到端時延約束［４］。同時，越來越多的ＩｏＴ 設(shè)備試圖隨時隨地訪問邊緣服務(wù)，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量實時變化［５］，可能造成已部署ＳＦＣ 對底層網(wǎng)絡(luò)的資源需求發(fā)生變化，從而超出部署節(jié)點的資源使用閾值。因此，為了減少網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）的不利影響，確保為用戶提供一致性的高質(zhì)量服務(wù)，ＩＳＰ 需要對部分已部署的ＳＦＣ 進行重構(gòu)或無縫遷移。

目前，ＳＦＣ 重構(gòu)的相關(guān)研究工作可按重構(gòu)動機分為２ 類：被動重構(gòu)［６－９］ 和主動重構(gòu)［１０－１１］。文獻［６］研究了移動邊緣網(wǎng)絡(luò)中ＳＦＣ 的被動重構(gòu)方案，以支持移動用戶跨基站移動時其業(yè)務(wù)的無縫遷移。該文獻假設(shè)用戶的移動軌跡是已知的，而實際中，移動用戶的移動軌跡具有一定的隨機性，用假設(shè)位置已知的方式進行業(yè)務(wù)遷移會造成部分業(yè)務(wù)遷移失敗。文獻［７］提出了一種在線惰性遷移自適應(yīng)干擾感知算法，用于實時部署ＶＮＦ 和５Ｇ 網(wǎng)絡(luò)切片中的ＶＮＦ 遷移。文獻［８］引入了啟發(fā)式算法和基于強化學(xué)習(xí)的算法來解決ＮＦＶ 網(wǎng)絡(luò)中的ＳＦＣ 放置和遷移問題。但文獻［７－８］忽略了網(wǎng)絡(luò)流量的實時動態(tài)變化對服務(wù)器負載的影響，可能造成資源碎片化或資源浪費。文獻［９］以最小化所有受影響業(yè)務(wù)的端到端延遲并同時保證遷移后的網(wǎng)絡(luò)負載均衡為目標(biāo)，確定ＶＮＦ 實例并發(fā)遷移的最優(yōu)位置分配。但該文獻沒有考慮ＶＮＦ 的遷移成本以及遷移后重路由路徑的選擇。上述ＳＦＣ 重構(gòu)機制都是基于網(wǎng)絡(luò)中的某個條件被觸發(fā)時進行的被動重構(gòu)，該機制往往存在滯后性，可能導(dǎo)致服務(wù)中斷［１２］，且由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的迅速變化可能會頻繁觸發(fā)重構(gòu)條件，導(dǎo)致ＳＦＣ頻繁地重構(gòu)，造成網(wǎng)絡(luò)整體性能下降。

與被動重構(gòu)策略不同，主動重構(gòu)通過實時監(jiān)控ＳＦＣ 性能，預(yù)測用戶移動軌跡和節(jié)點負載變化等情況，對當(dāng)前已部署的ＳＦＣ 進行重構(gòu)，不僅可以降低網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對ＱｏＳ 的影響，還可以實現(xiàn)ＳＦＣ 的無縫遷移。具體來講，文獻［１０］提出了一種基于節(jié)點計算負載和ＳＦＣ 資源需求預(yù)測的ＳＦＣ 主動重構(gòu)機制，與被動重構(gòu)相比，有一定的優(yōu)勢，但其未考慮ＩｏＴ 終端用戶的高移動性對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)帶來的影響。文獻［１１］提出一種基于在線訓(xùn)練的雙向門控循環(huán)單元算法預(yù)測ＶＮＦ 的資源需求，并基于資源預(yù)測結(jié)果采用分布式近端策略優(yōu)化的遷移算法，提前制定ＶＮＦ 遷移策略。但該文獻僅依據(jù)單條ＳＦＣ 上ＶＮＦ的資源信息進行部署節(jié)點負載預(yù)測，沒有考慮現(xiàn)實環(huán)境中單個ＶＮＦ 實例通常是被多個ＳＦＣ 共享的情況［１３］，會造成節(jié)點負載預(yù)測不準(zhǔn)確，從而影響ＳＦＣ的重構(gòu)性能。

綜上所述，目前還沒有相關(guān)工作聯(lián)合考慮基于用戶移動軌跡和節(jié)點負載進行預(yù)測的方式，實現(xiàn)ＩｏＴ-ＭＥＣ 中ＳＦＣ 的主動重構(gòu)和無縫遷移。在已有研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于用戶移動和資源需求預(yù)測的ＳＦＣ 主動重構(gòu)方案來解決ＩｏＴ-ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)變化造成的已分配網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)需求不匹配的問題，在網(wǎng)絡(luò)ＱｏＳ 下降之前，提前完成ＳＦＣ 的遷移和路由更新，為用戶提供一致性的高質(zhì)量服務(wù)。具體內(nèi)容為：① 定義ＩｏＴ-ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中的ＳＦＣ 主動重構(gòu)問題，并將其刻畫為一個以端到端時延和重構(gòu)成本最小化為目標(biāo)的整數(shù)線性規(guī)劃（Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏ-ｇｒａｍｍｉｎｇ，ＩＬＰ）模型；② 設(shè)計基于注意力機制的移動用戶軌跡預(yù)測模型和一種基于長短期記憶（ＬｏｎｇＳｈｏｒｔ-Ｔｅｒｍ Ｍｅｍｏｒｙ，ＬＳＴＭ）網(wǎng)絡(luò)的算法分別對用戶移動位置和節(jié)點負載進行預(yù)測，并基于預(yù)測結(jié)果提出ＳＦＣ 主動重構(gòu)（Ｐｒｅｄｉｃｔ-ｂａｓｅｄ ＳＦＣ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｃｏｎｆｉｇ-ｕｒａｔｉｏｎ，ＰＳＡＲ）算法；③ 將提出的ＰＳＡＲ 算法與現(xiàn)有算法進行性能對比，結(jié)果表明ＰＳＡＲ 能有效降低ＳＦＣ 端到端時延和重構(gòu)成本。

１ 系統(tǒng)建模與問題定義

１． １ 物理網(wǎng)絡(luò)

將移動邊緣云網(wǎng)絡(luò)建模為一個無向圖Ｇ ＝ （Ｃ∪Ｂ，Ｌ），其中，Ｂ 表示基站，Ｃ 表示微云，Ｌ 表示物理鏈路。如圖１ 所示，ＩＳＰ 運行這些微云為用戶提供服務(wù)，時間間隔Ｔ 被分成許多大小相同的小周期間隔，稱為時隙。在每個時隙ｔ 的開始，ＩｏＴ 移動用戶都會通過基站接入邊緣云網(wǎng)絡(luò)，并向ＩＳＰ 發(fā)送服務(wù)請求，也就是說，每個基站作為ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中移動用戶的中繼點，位于網(wǎng)絡(luò)中的不同區(qū)域，只起到服務(wù)接入和轉(zhuǎn)發(fā)的作用，微云和基站處于同一位置。

微云上的資源類型一般有ＣＰＵ、內(nèi)存和存儲，假設(shè)每個微云上的存儲資源是充足的，而ＣＰＵ 資源和內(nèi)存資源有限，對ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中的每個微云ｃ∈Ｃ，其ＣＰＵ 資源容量為Ｃｃ，內(nèi)存資源容量為Ｍｃ，計算資源利用率的范圍為μ⌒ｃ ≤μｃ ≤μ⌒ｃ，內(nèi)存資源利用率的范圍為μ⌒ｍ ≤μｍ ≤μ⌒ｍ 。連接基站ｕ 和基站ｖ 之間的物理鏈路上的帶寬容量為Ｂｕｖ。基站和微云之間是高速鏈路，不考慮它們之間的時延。

１． ２ ＳＦＣ 模型

用Ｒ 表示ＩｏＴ-ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中所有請求流的集合。如圖１ 所示，將移動用戶發(fā)出的請求流建模為ＳＦＣ，并將其轉(zhuǎn)化為有向圖Ｇｉ ＝ （Ｆｉ，Ｌｉ），其中，Ｆｉ 表示ＩｏＴ請求流ｉ 所需的ＶＮＦ 的集合，對任意的ＶＮＦ ｍ∈Ｆｉ，其所需的計算資源為ｆｃｐｕｉ，ｍ ，所需的內(nèi)存資源為ｆｍｅｍｉ，ｍ 。Ｌｉ 表示ＳＦＣ ｉ 上的虛擬鏈路的集合。ＩｏＴ 網(wǎng)請求流ｉ的最大可容忍端到端時延為Ｒｄｅｌａｙｉ ，帶寬資源需求為Ｒｂｗｉ ，用于ＳＦＣ 無縫遷移的最大可容忍時延為Ｔｉ。

按照一定的時間間隔獲取連續(xù)的一段時間內(nèi)的移動用戶的歷史軌跡信息，歷史軌跡由地理坐標(biāo)點的空間信息和到達該區(qū)域的時間信息組成，表示為Ｘ ＝ （ｌ１ ，ｌ２ ，…，ｌＴｏｂｓ），其中Ｔｏｂｓ 表示觀測序列的長度，ｌｔ ＝ （ｌｎｇｔ，ｌａｔｔ）表示在ｔ 時刻的軌跡點，ｌｎｇｔ 和ｌａｔｔ 分別表示ｔ 時刻移動用戶所處位置的經(jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo)。通常，移動終端的時空活動軌跡與基站之間存在大量的誤差和噪聲數(shù)據(jù)，要想得到有效的移動終端歷史軌跡數(shù)據(jù)，必須將這些誤差和噪聲數(shù)據(jù)消除。為了處理由于用戶在某些地點的長時間停留產(chǎn)生的大量重復(fù)數(shù)據(jù)，對軌跡序列中相鄰的且在同一位置的數(shù)據(jù)，進行合并，僅保留第一次出現(xiàn)的重復(fù)數(shù)據(jù)。由于移動用戶位于２ 個基站的覆蓋范圍重合處時，會導(dǎo)致移動終端信令在２ 個基站之間來回快速切換產(chǎn)生乒乓現(xiàn)象，采取直接刪除的方式對乒乓數(shù)據(jù)進行過濾處理。

為了得到細粒度的預(yù)測結(jié)果，采用位置信息網(wǎng)格化法對去除噪聲后的軌跡數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化預(yù)處理。具體來說，將移動邊緣云網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)格化，每一格是一個半徑為ｒ 米的正六邊形蜂窩網(wǎng)絡(luò)。記錄第ｊ 個網(wǎng)格的中心經(jīng)緯度坐標(biāo)ｇｊｌｎｇ，ｇｊｌａｔ。軌跡序列中每一個軌跡點所映射的網(wǎng)格編號的計算為：

網(wǎng)格化處理后軌跡點中的ｌｔ 映射到的網(wǎng)格編號為ｆｔ，然后使用獨熱編碼將網(wǎng)格編號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格索引號ｉｄｘｔ。進而可以得到以網(wǎng)格索引號表示的移動用戶軌跡序列Ｘ ＝ （ｉｄｘ１ ，ｉｄｘ２ ，…，ｉｄｘＴｏｂｓ）。

２． １． ２ 基于注意力機制的編解碼器預(yù)測模型

由于Ｅｎｃｏｄｅｒ-Ｄｅｃｏｄｅｒ 模型可以將特征提取和預(yù)測兩部分解耦，因此其天然具有序列預(yù)測能力，提出一種基于Ｅｎｃｏｄｅｒ-Ｄｅｃｏｄｅｒ 的移動用戶軌跡預(yù)測模型，如圖２ 所示。主要由３ 個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：由雙向ＬＳＴＭ（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＬＳＴＭ，Ｂｉ-ＬＳＴＭ）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的編碼器用以提取歷史軌跡中的隱含時序特征、由ＬＳＴＭ 網(wǎng)絡(luò)和全連接層組成的解碼器和注意力層（Ａｔｔｅｎｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）。

考慮到移動用戶軌跡數(shù)據(jù)具有時間序列數(shù)據(jù)的特點，且時間序列預(yù)測數(shù)據(jù)的結(jié)果會受到未來數(shù)據(jù)的影響，因此，選擇Ｂｉ-ＬＳＴＭ 作為編碼器。Ｂｉ-ＬＳＴＭ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型包含了２ 個獨立的ＬＳＴＭ，輸入序列分別以正序和逆序輸入至２ 個ＬＳＴＭ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行特征提取得到２ 個輸出向量，Ｂｉ-ＬＳＴＭ 的輸出將由這２ 個輸出向量共同決定。

由于移動用戶的軌跡序列中每個時刻的軌跡點的重要程度是不同的，而Ｂｉ-ＬＳＴＭ 對這些輸入的長時間軌跡序列沒有區(qū)分。故將上面輸出的最終的隱藏層變量輸入至注意力層，使得注意力層對隱藏層向量賦予不同的權(quán)重大小進行加權(quán)求和，權(quán)重為不同時間點上提取到的特征的重要程度，權(quán)重越大代表特征的貢獻程度更大，使用獲取到的權(quán)重值與隱藏層輸出加權(quán)求和得到新的隱藏層的輸出特征值，即上下文向量Ｃｉ。

解碼器第一層的ＬＳＴＭ 接收上一時間的預(yù)測結(jié)果、上一時間的隱藏狀態(tài)和上下文向量生成該時刻的隱藏狀態(tài)向量，然后查看上下文向量和當(dāng)前時隙的隱藏狀態(tài)向量生成當(dāng)前時隙的預(yù)測輸出值。在模型中，全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理編碼器端ＬＳＴＭ 隱層的輸出。在全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層使用ｓｏｆｔｍａｘ 函數(shù)，輸出移動用戶停留在每一個網(wǎng)格的概率，取概率最大的索引對應(yīng)的網(wǎng)格作為移動用戶在下一時刻最可能出現(xiàn)的位置。

使用反向傳播訓(xùn)練預(yù)測模型，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行迭代更新，交叉熵損失函數(shù)為：

式中：ｙＴｏｂｓ＋ｉ，ｊ 表示在Ｔｏｂｓ ＋ｉ 時隙的真實的位置標(biāo)簽，ｙ′Ｔｏｂｓ＋ｉ，ｊ 表示模型認為在時隙Ｔｏｂｓ ＋ｉ 處于網(wǎng)格ｊ 的概率。

２． ２ 節(jié)點負載預(yù)測模型

在預(yù)測ＶＮＦ 實例資源需求時，要同時考慮時間和空間信息，不能僅依據(jù)單個ＶＮＦ 的歷史數(shù)據(jù)去預(yù)測，而是要同時考慮ＳＦＣ 中其他ＶＮＦ 的特征信息來實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的資源需求預(yù)測。由于ＶＮＦ 是可以被多條ＳＦＣ 共享的，因此還需考慮當(dāng)前ＳＦＣ 和其他ＳＦＣ 中的其他ＶＮＦ 資源使用信息來作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。這是因為，ＶＮＦ 會接收來自其他ＶＮＦ 的流量，當(dāng)目標(biāo)ＶＮＦ 的前２ 個ＶＮＦ 資源不充足時，可能會產(chǎn)生垃圾流量或與目標(biāo)ＶＮＦ 中斷連接，使用其他ＶＮＦ的資源使用數(shù)據(jù)做訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以大大提高預(yù)測精度。

當(dāng)ｘ ＝ ｃｐｕ 時，表示ＶＮＦ ｍ 的ＣＰＵ 計算資源使用歷史數(shù)據(jù)；當(dāng)ｘ ＝ ｍｅｍ 時，表示ＶＮＦ ｍ 的內(nèi)存資源使用歷史數(shù)據(jù)。對不同類型的資源訓(xùn)練不同的模型以完成資源需求預(yù)測。ＶＮＦ ｍ 的資源使用歷史數(shù)據(jù)為：

ｒｍ，ｘ ＝ ｛ｒ１ｍ，ｘ ，ｒ２ｍ，ｘ ，…，ｒｔｍ，ｘ ｝， （２０）

式中：ｒｔｍ，ｘ 表示ｔ 時隙ＶＮＦ ｍ 的ＣＰＵ 或內(nèi)存資源使用歷史數(shù)據(jù)。

如圖３ 所示，ＶＮＦ 實例資源需求預(yù)測模型由ＬＳＴＭ、注意力機制和全連接層組成。首先，將與目標(biāo)ＶＮＦ 相關(guān)的ＶＮＦ 的資源使用歷史信息ｒｉ 輸入至ＬＳＴＭ 網(wǎng)絡(luò)；然后，因每個ＶＮＦ 的資源使用歷史信息對目標(biāo)ＶＮＦ 的資源需求預(yù)測影響程度不同，將ＬＳＴＭ 學(xué)習(xí)到的信息輸入至注意力機制，以對每個ＶＮＦ 分配不同的權(quán)重；最后，由訓(xùn)練好的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到下一時刻的ＶＮＦ 資源需求。

２． ３ 服務(wù)功能鏈重構(gòu)算法

本節(jié)將詳細說明當(dāng)ＶＮＦ 對底層物理網(wǎng)絡(luò)資源需求超出節(jié)點的資源使用范圍，或由于用戶移動導(dǎo)致端到端時延約束被違反時，如何確定待遷入邊緣服務(wù)器，及當(dāng)ＶＮＦ 完成遷移后，如何實現(xiàn)重路由路徑的選擇。ＳＦＣ 重構(gòu)觸發(fā)算法實現(xiàn)流程如算法１ 所示。

算法１ 的觸發(fā)條件為用戶移動導(dǎo)致ＳＦＣ 端到端時延約束被違反或ＶＮＦ 實例資源需求超出節(jié)點負載范圍，第２ 行中，集合Ｎｉ 中存儲ＳＦＣ ｉ 中的過載節(jié)點。在第３ ～ ８ 行，預(yù)測ＳＦＣ ｉ 中的每一個ＶＮＦ 的資源需求，根據(jù)預(yù)測結(jié)果計算物理節(jié)點ＣＰＵ 資源利用率和內(nèi)存資源利用率，如果大于資源利用率上限或小于資源利用率下限，則將其添加至ＳＦＣ ｉ 的過載節(jié)點集合Ｎｉ。在第９ ～ １２ 行將由于ＶＮＦ 資源需求超出節(jié)點資源利用率范圍觸發(fā)ＳＦＣ 重構(gòu)的ＳＦＣ 添加至Ｓ１ ，并添加Ｎｉ 至Ｎ。第１４ ～ １６ 行，將違反端到端時延約束的請求流添加至Ｓ１ 和Ｓ２ ，那么僅違反端到端時延約束但節(jié)點未過載的ＳＦＣ 集合為Ｓ２ ，僅ＶＮＦ 實例資源需求超出節(jié)點資源利用率范圍但端到端時延要求滿足的ＳＦＣ 存儲在Ｓ１ 和Ｓ２ 的差集中。當(dāng)?shù)玫叫枰貥?gòu)的ＳＦＣ 時，要確定待遷移ＶＮＦ 以及待遷入的邊緣服務(wù)器以實現(xiàn)無縫遷移，ＶＮＦ 遷移算法如算法２所示。

第３ ～ １４ 行對僅由端到端時延不滿足觸發(fā)重構(gòu)的ＳＦＣ 完成ＶＮＦ 的遷移，一條ＳＦＣ 中遷移ＶＮＦ 的順序按照其節(jié)點上的資源利用率大小排序，即節(jié)點負載最高的其上的ＶＮＦ 最先遷出。第６ ～ ７ 行在滿足資源約束、無縫遷移和端到端時延的候選節(jié)點集中選擇遷移成本和端到端時延最小的節(jié)點作為待遷入節(jié)點，調(diào)用算法３ 獲得重路由路徑。第１５ ～ ２０ 行將ＳＦＣ 中所有ＶＮＦ 實例資源需求超出節(jié)點負載范圍的ＶＮＦ 從過載節(jié)點上遷出。

由于ＳＦＣ 的遷移實際上可以看作是待遷移ＶＮＦ 上未完成處理的數(shù)據(jù)的遷移。在給出遷移的源邊緣節(jié)點和目標(biāo)邊緣節(jié)點后，可以使用多條路由路徑同時遷移數(shù)據(jù)包，以高效地傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。算法３ 詳細說明了重路由路徑的選擇，其中，第５ 行為獲取最短路徑ｐ 上的所有鏈路的最小帶寬值。

３ 性能評估

３． １ 仿真設(shè)置

３． １． １ 數(shù)據(jù)集

選擇微軟亞洲研究院提供的一個公開的數(shù)據(jù)集ＧｅｏＬｉｆｅ［１５］訓(xùn)練移動用戶軌跡預(yù)測模型，本文只使用了來自北京的軌跡，選取其中２ ０００ ｍ × ２ ０００ ｍ 的郊區(qū)，?。玻罚?條用戶的軌跡記錄，對每一條軌跡記錄，只使用其經(jīng)度、緯度和時間戳信息。軌跡采樣時間間隔為３０ ｓ。隨機選擇８０％ 的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，剩下２０％ 的數(shù)據(jù)作為測試集，軌跡預(yù)測模型準(zhǔn)確度達到了９５％ 。另外在真實的數(shù)據(jù)集Ｍａｔｅｒｎａ Ｔｒａｃｅｓ（ＢｉｔＢｒａｉｎ）［１６］上評估負載預(yù)測模型，該數(shù)據(jù)集收集了分布式云數(shù)據(jù)中心３ 個月內(nèi)的１ ７５０ 個虛擬機數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含虛擬機的１２ 個特征指標(biāo)，包括ＣＰＵ 利用率、內(nèi)存利用率等。同樣隨機選擇８０％ 的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，剩下２０％ 的數(shù)據(jù)作為測試集，利用負載預(yù)測模型，預(yù)測準(zhǔn)確度達到９６％ 。

３． １． ２ 網(wǎng)絡(luò)拓撲與ＳＦＣ

構(gòu)造一個由１５０ 個邊緣服務(wù)器組成的ＭＥＣ 系統(tǒng)。

正六邊形蜂窩網(wǎng)絡(luò)的半徑為２００ ｍ，單個邊緣服務(wù)器的ＣＰＵ 容量設(shè)置為２０ ～２５ ＧＨｚ，內(nèi)存容量為３０ ～ ４０ ＧＢ，每條鏈路的帶寬容量設(shè)置為５００ ～ １ ０００ Ｍｂ ／ ｓ，傳輸成本設(shè)置為１０ ～ ３０，μ⌒ｃ 和μ⌒ｍ 設(shè)為０． ２，μ⌒ｃ 和μ⌒ｍ 設(shè)為０． ８［１７］。

每條ＳＦＣ 由３ ～ ６ 個ＶＮＦ 組成，最大可容忍端到端延遲設(shè)為５０ ～ １００ ｍｓ，無縫遷移的延遲閾值為１５ ｍｓ，帶寬資源需求設(shè)為２０ ～ １２０ Ｍｂ ／ ｓ。每個ＶＮＦ 的ＣＰＵ 資源需求為１ ～ ３ ＧＨｚ，內(nèi)存資源需求為２ ～ ４ ＧＢ。

３． １． ３ 對比算法

① 基于動態(tài)規(guī)劃的ＳＦＣ 遷移（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍ-ｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＳＦＣ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ，ＤＰＳＭ）算法［６］：ＤＰＳＭ 算法中，當(dāng)用戶跨基站移動導(dǎo)致延遲不滿足時觸發(fā)基于動態(tài)規(guī)劃的遷移，但其假設(shè)用戶的移動軌跡是已知的；

② 強化動態(tài)規(guī)劃Ｑ 學(xué)習(xí)算法（Ｄｅｅｐ ＤｙｎａｍｉｃＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ-Ｑ，ＤＤＱ）［１７］：ＤＤＱ 基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Ｇｒａｐｈ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＧＮＮ）預(yù)測ＶＮＦ 實例的資源需求，然后利用ＤｙｎａＱ 算法完成ＳＦＣ 重構(gòu)；

③ 基于禁忌搜索重構(gòu)的模糊Ｃ 均值算法（ＴａｂｕＳｅａｒｃｈ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ Ｆｕｚｚｙ Ｃ-Ｍｅａｎｓ，ＴＳＲＦＣＭ）［１８］：ＴＳＲＦＣＭ 在原有禁忌算法基礎(chǔ)上引入模糊Ｃ 均值算法得到最優(yōu)的ＳＦＣ 重構(gòu)策略；

④ 最優(yōu)調(diào)度算法（Ｏｐｔｉｍａｌ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＯＳＡ）［１９］：ＯＳＡ 在最優(yōu)停止時間重新調(diào)度ＶＮＦ 的放置。

３． ２ 仿真結(jié)果分析

圖４ 展示了所述ＰＳＡＲ 算法與對比算法在ＳＦＣ數(shù)量變化時的平均ＳＦＣ 時延。由圖可知，ＰＳＡＲ 和其他對比算法的平均時延都隨著ＳＦＣ 數(shù)量的增加而增大。盡管ＤＰＳＭ 將用戶的移動性納入考慮，但其假設(shè)用戶的移動軌跡是已知的，無法處理用戶動態(tài)變化的情況，故其平均時延高于ＰＳＡＲ，但低于其他３ 種算法。ＤＤＱ 和ＴＳＲＦＣＭ 算法的時延性能差于ＯＳＡ，因為這２ 個算法未考慮優(yōu)化ＳＦＣ 時延。

圖５ 比較了不同算法在ＳＦＣ 數(shù)量變化時的重構(gòu)成本?？梢钥闯鲋貥?gòu)成本與ＳＦＣ 數(shù)量成正比。原因是ＳＦＣ 數(shù)量越大，由于用戶高移動性導(dǎo)致延遲約束不滿足的概率越高，節(jié)點出現(xiàn)資源過載的可能性也越大，容易觸發(fā)ＳＦＣ 重構(gòu)，被需要遷移的ＶＮＦ影響的ＳＦＣ 數(shù)量也就越多，從而導(dǎo)致重構(gòu)成本越來越高。此外，本文提出的ＰＳＡＲ 算法基于用戶移動性和ＶＮＦ 資源需求預(yù)測進行ＳＦＣ 遷移，因此，重構(gòu)成本最低。ＤＤＱ 采用ＧＮＮ 預(yù)測ＶＮＦ 資源需求，可以確保ＶＮＦ 實例提前遷移到資源可用性較高的節(jié)點，故ＤＤＱ 的遷移成本低于其他３ 個對比算法。

圖６ 比較了不同重構(gòu)算法在ＳＦＣ 數(shù)量變化時的邊緣服務(wù)器各維度資源平均利用率。已激活邊緣服務(wù)器各維度資源利用率均值，為所有已激活服務(wù)器上內(nèi)存和ＣＰＵ 資源利用率的加權(quán)和與已激活服務(wù)器的數(shù)量之比。可以看出當(dāng)ＳＦＣ 數(shù)量較少時，ＰＳＡＲ 與其他幾個對比算法的邊緣服務(wù)器資源利用率差距較小?？傮w來看，ＰＳＡＲ 的物理節(jié)點資源利用率最高，因為其通過節(jié)點負載預(yù)測和移動用戶軌跡預(yù)測可以為未來流量有效保留資源，對負載較低和較高的服務(wù)器都將觸發(fā)ＳＦＣ 重構(gòu)機制，從而提高資源利用率。

圖７ 顯示了在ＳＦＣ 數(shù)量為５０ 時，ＰＳＡＲ 與僅基于節(jié)點負載預(yù)測的重構(gòu)算法（ＤＤＱ）和僅基于用戶移動性預(yù)測的重構(gòu)算法（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｂａｓｅｄ Ｐｒｅｄｉｃｔ ＳＦＣ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ＭＰＳＲ）的遷移次數(shù)做對比。ＰＳＡＲ根據(jù)用戶移動軌跡預(yù)測和ＶＮＦ 實例資源需求預(yù)測的結(jié)果來預(yù)估下一時刻的ＱｏＳ，進而判斷是否啟動重構(gòu)機制，故遷移次數(shù)較少。雖然ＤＤＱ 的遷移觸發(fā)條件為節(jié)點負載超出范圍或違反延遲約束，但其未預(yù)測用戶在下一時隙的位置，容易造成頻繁遷移。

圖８ 顯示了加權(quán)系數(shù)對ＰＳＡＲ 算法的平均時延和重構(gòu)成本的影響。當(dāng)α 值越大時，ＰＳＡＲ 算法越注重平均ＳＦＣ 時延，因此，由圖可知平均ＳＦＣ 時延隨著α 的增大而減少，重構(gòu)成本隨著α 的增大而增大。

４ 結(jié)束語

本文在一個由用戶高移動性和網(wǎng)絡(luò)流量實時變化導(dǎo)致的動態(tài)復(fù)雜的ＩｏＴ-ＭＥＣ 場景中，研究ＳＦＣ 的主動重構(gòu)策略。首先以最小化端到端時延和重構(gòu)成本為目標(biāo)，對ＩｏＴ-ＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)中的ＳＦＣ 重構(gòu)問題進行定義，并將其刻畫為ＩＬＰ 模型。其次，利用基于注意力機制的編解碼器模型預(yù)測用戶的移動軌跡。然后，在ＶＮＦ 可被多條ＳＦＣ 共享的場景下設(shè)計了一種ＶＮＦ 實例資源需求預(yù)測模型。最后，根據(jù)２ 個預(yù)測模型得到的預(yù)測結(jié)果預(yù)估下一時隙用戶的ＱｏＳ，并提出一種啟發(fā)式算法ＰＳＡＲ 實現(xiàn)ＳＦＣ 的主動重構(gòu)。仿真結(jié)果表明所提算法在端到端時延和重構(gòu)成本方面，比現(xiàn)有算法具有更好的性能，為考慮用戶高移動性和節(jié)點負載變化的動態(tài)場景下的ＳＦＣ 主動重構(gòu)提供了有價值的參考。

參考文獻

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作者簡介

王 寧 女，（１９８７—），碩士，副教授。主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能。

（*通信作者）杜婭榮 女，（１９９８—），碩士，助理研究員。主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、邊緣智能計算。

劉 亮 男，（１９７９—），博士，副教授。主要研究方向：端邊云協(xié)同計算、網(wǎng)絡(luò)安全。

基金項目：重慶市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃２０２３ 年度重點課題（Ｋ２３ＹＤ２０６００９１）