CN109725949A - 一种基于移动代理的移动边缘计算卸载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于移动代理技术的移动边缘计算卸载系统与方法。该系统通过在移动设备上设置计算卸载管理器，决定哪些模块需要卸载，将卸载任务封装到移动代理中，并传递到MEC服务器的代理容器中执行。本发明使用移动代理技术替代传统的虚拟机技术以及容器技术，大大缩短用户需要忍受的停机时间，即计算卸载正在进行导致用户无法接受服务的时间；并且克服了容器技术不支持异构终端的缺点，提升了计算卸载的成功率，并且更好地支持用户的移动性；同时减轻了边缘服务器和用户设备的管理负担。

Description

一种基于移动代理的移动边缘计算卸载系统及方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种移动边缘计算卸载系统及方法。

背景技术

移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)是一项被欧洲5G PPP研究机构认可的5G网络的主要新兴技术。可以将其理解为在移动网络边缘运行的云服务器，它可以解决一些传统网络基础架构固有的问题。由于MEC服务器距离用户或信息源在地理上非常邻近，这使得服务器响应用户请求的时延大大减小，同时也降低了传输网的压力，减小了发生网络拥塞的可能性。另外，MEC服务器通常具有较高的计算能力，适合完成需要分析处理大量数据的任务。

为了解决移动终端计算能力、内存空间、电量容量有限等问题，同时提高服务质量(Quality of Service，QoS)，计算卸载的概念应运而生。计算卸载是将原本在移动终端上执行的计算密集型、资源密集型的计算任务通过无线网络发送到远端服务器上执行，依靠远端服务器丰富的计算资源和强大计算能力，更好地完成计算任务。此外，通过将复杂的计算任务搬移到远端服务器，移动终端可以大大减少计算开销，使得移动终端的能耗降低，电池续航时间延长。而MEC服务器同时具有丰富的计算资源和与靠近用户的地理位置，十分适合担任计算卸载中远端服务器的角色。

在MEC服务器上，可能同时运行着多个不同应用程序的组件，为了保证各个应用程序的安全性和完整性，不同应用程序的组件之间的资源隔离(尤其是内存)是必需的，对这些组件进行的隔离称为应用组件的托管，同时隔离出来的组件也作为计算任务卸载的对象。

目前，在移动边缘计算卸载领域中常用的应用组件托管技术有两种：虚拟机(Virtual Machine，VM)技术和容器(Container)技术。

由于虚拟机的实时迁移是云计算数据中心所采用的一项成熟技术，拥有着高可靠性和安全性的优点，因此许多MEC计算卸载工作都以虚拟机为应用组件托管技术。例如，K.Ha等人就在他们的研究工作“Adaptive VM handoff across cloudlets”中讨论了用于边缘计算环境下的实时虚拟机迁移与传统数据中心中虚拟机的迁移之间的区别，考虑了用户移动性并提出无缝的VM切换技术，以在用户移动时将运行中的虚拟机迁移到最优的站点。

然而，随着移动应用对时延的要求越来越高，基于虚拟机的计算卸载过程启动慢，需要传输的数据量大的弊端也逐渐显露出来。因此，提出了基于容器的计算任务卸载。Machen等人在论文“Migrating running applications across mobile edge clouds:poster”中提出了一个层次化的计算卸载框架，并分别用虚拟机和容器实现框架进行性能对比，结果表明容器的表现优于虚拟机。具体来说，与虚拟机相比，容器的速度更快，需要传输的数据更少，是当前热门的研究对象。

但是，容器技术依旧有他的弊端，那就是对不同平台的支持很差。例如，在Linux系统环境下开发的容器不能在Windows系统中运行。而移动代理(Mobile Agent，MA)技术可以解决这一问题。

与虚拟机和容器技术相比，除了数据传输量更小，启动和运行速度更快以外，MA对服务器的要求也很低，只要求服务器提供运行时的环境。此外，MA可以克服容器在动态和异构环境中的困难。一个直观的例子是JADE(JAVA Agent Development Framework,一种开发代理的软件框架)中实现的代理可以在配备了Java运行环境的任何机器实例上运行。

在计算机科学中，代理是一个计算机程序块，它作为其他实体的代理人执行具体任务。移动代理则是一种具备代理的功能且具有移动性的软件程序，可以从计算机发送到网络，并在网络中的计算机节点之间漫游。移动代理技术并不是一项全新的技术，在移动边缘计算还未提出的年代，他就已经被应用在云计算当中，但在MEC计算卸载中使用代理技术还是一个尚未探索的领域。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于移动代理技术构建的MEC计算卸载系统，能够克服虚拟机技术启动慢，需要传输的数据量大的问题以及容器技术不支持异构平台的缺点，缩短计算卸载中的停机时间，提高计算卸载的成功率，提升QoS和用户体验。

本发明还相应提供一种基于移动代理技术的移动边缘计算任务卸载方法。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，所述系统包括MEC服务器和用户所持的移动设备，所述MEC服务器部署在基站上，其中，

所述移动设备包括：

计算卸载管理器，用于确定该移动设备上哪些模块需要卸载，创建移动代理并将需要卸载的模块封装进移动代理；与MEC服务器上的资源管理器交流以获取可用代理容器；以及向资源管理器发出卸载请求；

移动代理，用于封装需要卸载的模块，以及在到达目标代理容器后与移动设备交流，执行任务；

所述MEC服务器包括：

一个或多个代理容器，用于为移动代理提供运行环境；以及

资源管理器，用于记录该MEC服务器所在局域网中所有可用的代理容器的信息，提供查询服务；以及响应来自移动设备的卸载请求，通过在移动设备与代理容器之间建立通道以将移动代理发送至代理容器中执行。

优选地，所述计算卸载管理器根据以下开销模型决定是否将模块卸载到MEC服务器：

CS_n＝d_n/B (2)

其中，CD_n代表模块n在移动设备上运行花费的时间，包括模块n本身和他调用的所有子模块的运行时间；CS_n代表模块n卸载到MEC服务器运行花费的时间；T_n是模块n本身在移动设备上运行花费的时间；ε_n是模块n所调用的所有子模块的集合；d_n是模块n与调用它的模块交互的总信息量；B为APP可以使用的网络带宽；

如果CD_n大于CS_n，则将模块n卸载到MEC服务器，否则将其保留在移动设备上运行。

优选地，所述MEC服务器的资源管理器之间进行周期性数据交互，以实时更新代理容器的信息。

优选地，所述资源管理器中记录的代理容器的信息包括：MEC服务器的地理位置、IP和物理地址、代理容器的标识以及活跃状态。

优选地，所述移动代理还用于周期性从移动设备上获取定位信息，当移动代理与移动设备交流的延迟高于指定阈值时，移动代理根据所述定位信息选择离最近的MEC服务器上的合适代理容器作为迁移目标，向资源管理器发出迁移请求，并在资源管理器做出响应后改变为迁移准备状态，在到达目标容器后恢复工作状态。

优选地，所述资源管理器还用于响应迁移请求，为移动代理建立到目标容器之间的通道，并在移动代理变为迁移准备状态后经由该通道将移动代理发送至该目标容器。

优选地，所述计算卸载管理器还用于，当移动代理的任务全部完成后，发出命令结束移动代理的生命周期。

优选地，所述计算卸载管理器还用于，当移动代理的任务全部完成后，清空移动代理所在的代理容器。

根据本发明的第二方面，一种基于移动代理技术的任务卸载方法，包括以下步骤：

Step1：用户启动移动设备上的APP后，计算卸载管理器联系MEC服务器上的资源管理器获取可用代理容器的名单，选择合适的目标代理容器；

Step2：计算卸载管理器制定卸载计划，随后创建移动代理并将需要卸载的模块封装进移动代理中，向资源管理器发出卸载请求；

Step3：资源管理器在移动设备与目标代理容器之间建立一条通道，将计算卸载管理器新建的移动代理发送到目标代理容器中运行，移动代理通过资源管理器建立的通道与原APP进行交流，执行任务；

Step4：移动代理的任务全部完成后，计算卸载管理器发出命令结束移动代理的生命周期，资源管理器清空移动代理所在的代理容器。

优选地，所述卸载方法还包括：

Step5：当移动代理在与移动设备交流的过程中发现延迟高于阈值时，根据移动设备的定位信息选择离用户最近的MEC服务器上的合适容器作为迁移目标，向资源管理器发出迁移请求；

Step6：资源管理器响应迁移请求，为移动代理建立到目标代理容器的通道；

Step7：移动代理暂停正在执行的任务，将自身状态调整为迁移准备状态，准备迁移；

Step8：资源管理器将移动代理发送至目标MEC服务器上的目标代理容器；

Step9：移动代理到达目标代理容器后恢复工作状态，与移动设备重连，继续执行任务。

有益效果：本发明使用移动代理技术替代传统的虚拟机技术以及容器技术，主要有以下优点：

1、MA的本体比VM甚至容器的本体都要小得多，因为MA在平台之间共享了更多的资源，因此无论是卸载过程还是迁移过程，MA花费的时间均大大缩短。这使得用户需要忍受的停机时间(即计算卸载正在进行导致用户无法接受服务的时间)也大大缩短。因此，本发明对比传统的方案可以提升QoS和用户体验。

2、MA十分适合异构终端的边缘计算环境，可以在任意配备了MA运行条件的设备上运行，无论其操作系统是什么系统。这一点克服了容器技术不支持异构终端的缺点，提升了计算卸载的成功率，并且更好地支持用户的移动性。

3、MA是一个智能体，拥有一定的自主性，例如MA可以自主地与外界交换信息，可以自己决定是否迁移、何时迁移到其他MEC服务器。目前，对用户卸载的任务的管理工作很依赖于底层虚拟化技术的支持，MA的这一特性减轻了MEC服务器的管理负担。

附图说明

图1为本发明的卸载系统模型图；

图2为本发明的计算任务卸载的示意图；

图3为本发明的卸载方法流程图；

图4为根据本发明实施例的移动应用的决策树；

图5为根据本发明实施例的由用户移动引起的MA迁移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提出的计算卸载系统模型建立在传统的蜂窝网络模型基础之上，MEC服务器均架设在基站(Base Station，BS)上。参照图1和图2，根据一个实施例，一种基于移动代理的移动边缘计算卸载系统包括：MEC服务器和用户所持的移动设备(Mobile Device，MD)，所述MEC服务器部署在BS上，其中，MEC服务器由两个部分组成：一是代理容器，和背景中提到的容器有所区别，代理容器只是为MA提供运行时的环境。由于MEC服务器的计算资源远比MD要丰富，所以MEC服务器有能力同时运行许多个代理容器，以便同时为多个用户提供服务；二是资源管理器(Resource Manager，RM)，RM维护着一个资源数据库，数据库中记录着其所在局域网中所有可用的代理容器，包括其服务器的地理位置、IP和物理地址、容器的标识以及活跃状态(被占用或是空闲)。这个数据库会经由RM之间的周期性数据交互来实时更新。借助这个数据库，RM可以提供查询服务和响应来自OM的卸载请求和来自MA的迁移请求。

用户的MD上的各种应用在安装之时就已经划分为一系列的模块，这些模块可以分为两种：本地模块，即不可卸载到MEC服务器的模块，例如需要在本地收集数据的传感器模块等；可卸载模块，就是可以封装在MA中卸载到MEC服务器上执行的模块。此外，原则上只需要把计算密集型的模块发送过去以降低移动设备的负担，故设置一个计算卸载管理器(Offloading Manager，OM)来制定卸载计划，决定哪些模块需要卸载。同时这个管理器也负责与MEC服务器上的资源管理器RM交流以获取可用代理容器。

计算卸载的过程如图3所示，包括以下步骤：

Step1：用户启动MD(如智能手机)上的移动APP后，OM联系MEC服务器上的RM获取可用代理容器的名单，选择合适的目标代理容器。

Step2：OM制定卸载计划(其中包含需要卸载的具体模块)，随后，OM创建移动代理并将需要卸载的模块封装进代理中。向RM发出卸载请求。

Step3：RM在MD与目标代理容器之间建立一条通道，将OM新建的MA发送到目标代理容器中运行。MA通过RM建立的通道与原APP进行交流，执行任务。

Step4：MA的任务全部完成后，OM发出命令结束MA的生命周期，RM清空其所在的容器。

进一步地，考虑到用户的移动性，在MA执行任务过程中用户可能会走出当前基站的覆盖范围。为了保证MA与MD之间的交流延迟不会过高，MA将迁移到距离用户更近的MEC服务器上。迁移过程包括：

Step5：若MA在与MD交流的过程中发现延迟高于阈值，则代理将做出迁移决定。MA咨询RM获取局域网中其他MEC服务器的信息。代理会根据移动设备的定位信息(OM允许MA从移动设备上周期性的获取定位信息)选择离用户最近的服务器上的合适容器作为迁移目标，之后向RM发出迁移请求。

Step6：RM响应迁移请求，为MA建立通道。MA暂停正在执行的任务，将自身状态调整为迁移准备状态，准备迁移。RM将代理发送至目标MEC服务器上的目标容器。

Step7：MA到达目标容器后恢复工作状态，与MD重连，继续执行任务。由于用户还可能继续移动至超出当前基站的覆盖范围，因此返回至Step5，继续监测MA和MD的交流延迟，根据条件决定是否触发迁移。直至MA的任务全部完成后，OM发出命令结束MA的生命周期，RM清空其所在的容器。

根据上述卸载方法流程，下面结合一个具体实例详述卸载和迁移的过程。设某用户在联网状态下启动了MD上的某个APP，OM随后通过当前手机连接的BS与BS上的MEC服务器通信，不妨称它们为BS0与MEC服务器0。OM从MEC服务器0上的RM处获取本服务器上可用容器的列表，选择一个作为目标容器。随后，OM基于该应用的决策树做出卸载计划。

应用决策树表示了APP中所有可卸载模块之间的关系(主要是调用与被调用的关系)。如图4所示，图中每一个节点都代表应用程序的一个模块，最上方的节点代表程序的入口(即主模块)。每个节点的子节点代表其直接调用的子模块，例如图中的节点N₁、N₂、N₃就是被N₀调用的子模块。父节点与子节点的连线上标注了他们之间交互的信息量，例如，图中N₂₁是被N₂调用的子模块，两者连线上的d₂₁则是N₂₁被调用过程中与N₂交互的总信息量，包括输入参数和返回值等。

对于决策树中的每个模块，OM根据以下开销模型决定是否应该将其卸载到MEC服务器：

CS_n＝d_n/B (2)

其中，CD_n代表模块n在MD上运行花费的时间，包括n本身和他调用的所有子模块的运行时间。CS_n则代表模块n卸载到MEC服务器运行花费的时间，由于我们假定MEC服务器的运算能力远远高于移动设备，模块在服务器上执行的时间与在MD上执行的时间相比可以忽略，所以在计算CS_n时只计算MD和服务器之间信息交互花费的时间。T_n是模块n本身在MD上运行花费的时间，不包括其调用模块，可以通过静态程序分析器来获得。d_n是模块n与调用它的模块交互的总信息量，B为APP可以使用的网络带宽，ε_n是模块n所调用的所有子模块的集合。如果CD_n大于CS_n，则需要将模块n卸载到MEC服务器，否则将其保留在MD上运行。

利用上面描述的对单个模块做出卸载决定的方法，OM通过深度优先遍历应用决策树，确定每个节点的执行成本，做出卸载决定。其中存在一种特殊情况，当某个父节点的所有子节点的执行成本都被确定，那么这个节点是否需要卸载也随之被确定。此时如果卸载决定是肯定的，则其所有子节点的卸载决定都将失效，因为子模块将会随着父模块一起移动。当决策树遍历完成，卸载计划也就制定完毕了。

根据卸载计划，OM创建MA并将计划中的模块封装进去，联系RM要求将MA发送到目标容器。RM为MD与目标代理容器分配一条信道，将OM新建的MA发送到容器中运行。MA通过该信道与原APP进行交流，执行任务。

经过一段时间，用户在接受计算卸载服务的过程中走出了BS0的信号覆盖范围，如图5中所示。MD与BS0断开了连接，切换到了与之相邻的BS1，故MA与MD的通信需要经过BS1中转，这就不可避免的带来了通信延迟。为了不影响服务质量，MA在这种情况下可以自主地迁移到距离MD更近的MEC服务器1上。

具体地，MA在与MD交流的过程中发现延迟高于阈值，则代理将做出迁移决定。MA咨询当前服务器上的RM获取局域网中其他MEC服务器的信息，然后根据MD的定位信息选择离用户最近的服务器(MEC服务器1)上的合适容器作为迁移目标，之后向RM发出迁移请求。RM响应迁移请求，为MA建立通道。MA暂停正在执行的任务，将自身状态调整为转变状态，即迁移准备状态，准备迁移。RM将代理发送至目标MEC服务器1上的目标容器。MA到达目标容器后恢复工作状态，与MD重连，继续执行任务。MA的任务全部完成后，OM发出命令结束MA的生命周期，RM清空其所在的容器。

Claims (10)

1.一种基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，所述系统包括MEC服务器和用户所持的移动设备，所述MEC服务器部署在基站上，其特征在于：

所述移动设备包括：

计算卸载管理器，用于确定该移动设备上哪些模块需要卸载，创建移动代理并将需要卸载的模块封装进移动代理；与MEC服务器上的资源管理器交流以获取可用代理容器；以及向资源管理器发出卸载请求；

移动代理，用于封装需要卸载的模块，以及在到达目标代理容器后与移动设备交流，执行任务；

所述MEC服务器包括：

一个或多个代理容器，用于为移动代理提供运行环境；以及

资源管理器，用于记录该MEC服务器所在局域网中所有可用的代理容器的信息，提供查询服务；以及响应来自移动设备的卸载请求，通过在移动设备与代理容器之间建立通道以将移动代理发送至代理容器中执行。

2.根据权利要求1所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述计算卸载管理器根据以下开销模型决定是否将模块卸载到MEC服务器：

CS_n＝d_n/B (2)

其中，CD_n代表模块n在移动设备上运行花费的时间，包括模块n本身和他调用的所有子模块的运行时间；CS_n代表模块n卸载到MEC服务器运行花费的时间；T_n是模块n本身在移动设备上运行花费的时间；ε_n是模块n所调用的所有子模块的集合；d_n是模块n与调用它的模块交互的总信息量；B为APP可以使用的网络带宽；

如果CD_n大于CS_n，则将模块n卸载到MEC服务器，否则将其保留在移动设备上运行。

3.根据权利要求1所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述MEC服务器的资源管理器之间进行周期性数据交互，以实时更新代理容器的信息。

4.根据权利要求1所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述资源管理器中记录的代理容器的信息包括：MEC服务器的地理位置、IP和物理地址、代理容器的标识以及活跃状态。

5.根据权利要求1所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述移动代理还用于周期性从移动设备上获取定位信息，当移动代理与移动设备交流的延迟高于指定阈值时，移动代理根据所述定位信息选择离最近的MEC服务器上的合适代理容器作为迁移目标，向资源管理器发出迁移请求，并在资源管理器做出响应后改变为迁移准备状态，在到达目标容器后恢复工作状态。

6.根据权利要求5所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述资源管理器还用于响应迁移请求，为移动代理建立到目标容器之间的通道，并在移动代理变为迁移准备状态后经由该通道将移动代理发送至该目标容器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述计算卸载管理器还用于，当移动代理的任务全部完成后发出命令结束移动代理的生命周期。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统，其特征在于：所述资源管理器还用于，当移动代理的任务全部完成后清空移动代理所在的代理容器。

9.根据权利要求1-8任一所述的基于移动代理的移动边缘计算卸载系统的卸载方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

Step1：用户启动移动设备上的APP后，计算卸载管理器联系MEC服务器上的资源管理器获取可用代理容器的名单，选择合适的目标代理容器；

Step2：计算卸载管理器制定卸载计划，随后创建移动代理并将需要卸载的模块封装进移动代理中，向资源管理器发出卸载请求；

Step3：资源管理器在移动设备与目标代理容器之间建立一条通道，将计算卸载管理器新建的移动代理发送到目标代理容器中运行，移动代理通过资源管理器建立的通道与原APP进行交流，执行任务；

Step4：移动代理的任务全部完成后，计算卸载管理器发出命令结束移动代理的生命周期，资源管理器清空移动代理所在的代理容器。

10.据权利要求9所述的卸载方法，其特征在于：所述方法还包括：

Step5：当移动代理在与移动设备交流的过程中发现延迟高于阈值时，根据移动设备的定位信息选择离用户最近的MEC服务器上的合适容器作为迁移目标，向资源管理器发出迁移请求；

Step6：资源管理器响应迁移请求，为移动代理建立到目标代理容器的通道；

Step7：移动代理暂停正在执行的任务，将自身状态调整为迁移准备状态，准备迁移；

Step8：资源管理器将移动代理发送至目标MEC服务器上的目标代理容器；

Step9：移动代理到达目标代理容器后恢复工作状态，与移动设备重连，继续执行任务。