CN112084020B - 多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，面向边缘用户设备的任务卸载，具体是考虑到多接入边缘计算数据中心强大的计算能力，边缘用户设备通过把任务部分卸载到虚拟边缘计算数据中心执行任务计算，在虚拟化数据中心内，采用双边匹配的虚拟机布设方法，不仅可以提高物理资源利用率，降低物理机能耗，节约运营成本，而且可以降低时延，提升用户服务体验。本发明提供的双边匹配虚拟机布设方法，低时延且物理资源利用率高，尤其适用于边缘用户设备。

Description

多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟机布设方法，特别是一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法。

背景技术

随着5G时代的到来以及智能用户设备的普及，呈现出越来越多的新兴业务与移动应用，如扩展现实(XR)，自动驾驶，全息通信、无线医疗、网联机器人、智慧工厂等，这些新兴业务及移动应用属于计算密集型和时延敏感型业务，往往需要更大的带宽、更高的速度、更低的延迟，同时也需要更加安全可靠的连接，灵活、可移动也是最基本的通信需求。

通过将算力下沉至网络边缘，多接入边缘计算(Multi-Access Edge Computing)具有低时延、高带宽、邻近性、实时感知、增强隐私和安全可靠等特性，满足5G背景下部署密度超高的边缘设备等新兴业务的需求。由于多接入边缘计算强大的计算能力，越来越多的边缘用户设备将计算密集型的任务卸载到多接入边缘计算数据中心以执行云计算，获得更低时延、更加良好的服务体验。

多接入边缘计算运行于网络边缘，专用硬件设备在可扩展方面受到限制，并且不容易支持新服务的快速启动，网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization)可以为边缘设备提供计算、存储和网络资源，并且可以为边缘设备提供持续的存储和时间相关的信息。通过构建多接入虚拟边缘计算，运用网络功能虚拟化技术，将网络功能与专有硬件分离，对网络功能进行软件化，使其可以在标准化硬件上运行，即虚拟化网络功能(VirtualizedNetwork Function)。虚拟化网络功能部署在网络功能虚拟化基础架构上，有助于加快服务供应和创新，单个虚拟化网络服务有一个或多个内部组件，因此它可以部署在一个或多个虚拟机(Virtual Machine)上，每个虚拟机都承载一个虚拟化网络服务的一个组件。虚拟机是创建在另一个称为“主机”(即物理机(Physical Machine))的计算环境中的，即虚拟机是布设在物理机上的。虚拟机布设问题是边缘计算中资源分配和管理的重要组成。虚拟机合理有效地布设不仅可以降低运营成本，节约能耗，而且可以提高带宽利用率，降低平均响应时间，保证用户服务质量。本发明提出的多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法就是优化时延和能耗的问题。

在现有的研究中，虚拟机布设方案主要有以下两种优化角度：

(1)从云提供商角度，虚拟机布设策略可分为两大类，降低成本和保证虚拟机性能。降低成本可以从四个方向优化，①功率消耗，从物理机的角度考虑优化，降低物理机功率消耗，进而降低成本。②能量消耗，数以万计的虚拟机被分配到物理机上，以提供具有服务质量保证的数据密集型服务，并在此过程中需要大量能源消耗，降低能量消耗，提高能量效率，进而降低成本。③流量消耗，虚拟资源布设算法中涉及到流量问题，减少流量消耗，进而降低成本。④物理机的数量。在一台物理机可布设多台虚拟机，活动的物理机在不布设虚拟机的状态下，同样消耗功率，减少活动的物理机的数量，降低功率消耗，进而降低成本。

(2)从用户角度，虚拟机布设策略主要优化方向提高用户质量感知。可以从以下四个方面进行优化：①平均响应时间，网络拥塞日益严重，降低时延，保证用户的服务质量。②吞吐量，提高吞吐率，缓解网络拥塞，降低平均响应时间，保证服务质量。③可靠性，虚拟化技术为每个按需请求提供计算和存储服务，一旦请求到达，将在一个或多个数据中心节点(可以位于相同或不同的数据中心)中创建多个虚拟机，以适应该请求，提高将数据从源传输到目的地的可靠性，保证用户的服务质量。④带宽利用率，在业界实现相对可预测的数据中心网络的一种流行方法是为租户虚拟机组件严格保留带宽。然而，严格的带宽预留并不能有效地利用网络资源，当虚拟机流量需求低于规定的峰值速率时，未使用的带宽会被浪费，提高带宽利用率，缓解网络拥塞，保证服务质量。

但这些虚拟机布设方案大都单方面侧重于虚拟机或者物理机，很少涉及到双方进行匹配的虚拟机布设方案，这会使得部分物理资源得不到有效地利用，造成资源浪费，也会降低用户服务质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，低时延且物理资源利用率高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：构建集合N，M，F，S，其中，虚拟机集合为N＝{1,2,…,N}，物理机集合为M＝{1,2,…,M}，M个物理机的偏好列表集合为F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}，N个虚拟机的偏好列表集合为S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}，F_m为第m个物理机的偏好列表，S_n为第n个虚拟机的偏好列表；

步骤二：定义一个匹配集合G，若G为空，则M个物理机都为空，即都没有布设虚拟机；

步骤三：初始化第m个物理机为空，且第m个物理机有一个不为空的偏好列表F_m；

步骤四：对于第m个物理机(m∈M)，根据第m个物理机的偏好列表F_m，第m个物理机匹配到第n个虚拟机，即在此次匹配中，第n个虚拟机被选择，把第n个虚拟机从F_m中移除；

步骤五：把匹配到的结果(m,n)添加到匹配集合G，即G＝G∪(m,n)；

步骤六：对于第n个虚拟机(n∈N)，如果第n个虚拟机已经匹配到了物理机，则无法再匹配其他的物理机，根据第n个虚拟机对物理机的偏好列表S_n，找到匹配度最低的那对(n_worst,m_worst)，把(n_worst,m_worst)从匹配集合G中移除，即G＝G/(n_worst,m_worst)；

步骤七：重复步骤三至步骤六，直到将集合M和N全部循环并匹配；

步骤八：输出匹配集合G，根据集合G完成物理机和虚拟机之间的双边多对多匹配。

进一步地，所述步骤一中，在多接入虚拟边缘计算系统中，K个边缘用户设备可以购买N个虚拟机，构成虚拟机集合N＝{1,2,…,N}。

进一步地，所述N个虚拟机在多接入虚拟边缘计算数据中心布设到M个物理机上以执行计算任务，构成物理机集合M＝{1,2,…,M}。

进一步地，所述M个物理机的偏好列表集合的获得过程为：

对于第m个物理机，可以提供的可用资源用向量为

其中，α_m表示第m个物理机可用的CPU核数，β_m表示第m个物理机可用的内存大小；同时，采用

表示第m个物理机维持自身运行所需要的资源，其中，u_m表示第m个物理机需要的CPU核数，v_m表示第m个物理机需要的内存大小；

对于第n个虚拟机所需要的资源向量表示为

其中，c_n表示第n个虚拟机需要的CPU核数，s_n表示第n个虚拟机需要的内存大小；

采用α_n,m和β_n,m分别表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上的CPU核数和内存大小，设置一个二进制变量b_n,m表示第n个虚拟机与第m个物理机之间的布设关系，其中，b_n,m＝1表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上，否则，b_n,m＝0；

采用R_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的CPU核数的偏好，具体量化为：

其中，α_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的CPU核数，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上；

采用Q_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机内存大小的偏好，具体量化为：

其中，α_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的内存大小，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上；

第m个物理机对N个虚拟机的偏好矩阵表示为：

设q₁与q₂分别为CPU核数和内存的权重值，其关系为q₁+q₂＝1，且0≤q₁≤1，0≤q₂≤1；

第m个物理机对N个虚拟机的偏好向量表示为：

其中，ω_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的偏好值，可知ω_n,m值越小越匹配，ω_n,m值为负说明不匹配；

设F_m为第m个物理机对N个虚拟机的偏好列表，ω_n,m按从小到大的顺序排列，便可得到F_m，则：

W_m＝{ω_1,m,ω_2,m,…,ω_n,m,…,ω_N,m|m∈M}，F_m∈W_m

M个物理机的偏好列表为：

F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}。

进一步地，所述N个虚拟机的偏好列表集合获取过程为：

设M个物理机的CPU计算能力用集合表示为：

P＝{ρ₁,ρ₂,…,ρ_m,…,ρ_M}

虚拟机对物理机的偏好列表根据物理机CPU的计算能力，虚拟机对物理机的偏好列表表示为S_n，则把CPU的计算能力从强到弱排列即为S_n，S_n∈P，N个虚拟机的偏好列表用集合表示为：

S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明具有低时延且物理资源利用率高特征，尤其适用于边缘用户设备。本发明基于边缘用户设备的任务卸载，具体是考虑到多接入边缘计算数据中心强大的计算能力，边缘用户设备通过把任务部分卸载到边缘计算数据中心执行任务计算，在虚拟化数据中心内，采用双边匹配的虚拟机布设方法，不仅可以提高物理资源利用率，降低物理机能耗，节约运营成本，而且可以降低时延，提升用户服务体验。

附图说明

图1是本发明的多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法的流程图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图所示，本发明的一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：构建集合N，M，F，S，其中，虚拟机集合为N＝{1,2,…,N}，物理机集合为M＝{1,2,…,M}，M个物理机的偏好列表集合为F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}，N个虚拟机的偏好列表集合为S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}，F_m为第m个物理机的偏好列表，S_n为第n个虚拟机的偏好列表。

一个多接入虚拟边缘计算系统，包括一个eNB基站和K个用户设备。

在一个多接入虚拟边缘计算系统中，K个边缘用户设备可以购买N个虚拟机，构成边缘用户设备集合K＝{1,2,…,K}，虚拟机集合N＝{1,2,…,N}。

而这些虚拟机在多接入虚拟边缘计算数据中心布设到M个物理机上以执行计算任务，构成物理机集合M＝{1,2,…,M}。

对于第m个物理机，可以提供的可用资源用向量表示为

其中，α_m表示第m个物理机可用的CPU核数，β_m表示第m个物理机可用的内存大小；同时，采用

表示第m个物理机维持自身运行所需要的资源，其中，u_m表示第m个物理机需要的CPU核数，v_m表示第m个物理机需要的内存大小。对于第n个虚拟机所需要的资源向量表示为

其中，c_n表示第n个虚拟机需要的CPU核数，s_n表示第n个虚拟机需要的内存大小。

采用α_n,m和β_n,m分别表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上的CPU核数和内存大小，设置一个二进制变量b_n,m表示第n个虚拟机与第m个物理机之间的布设关系，其中，b_n,m＝1表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上，否则，b_n,m＝0。

采用基于时分多址(TDMA)的媒体接入方式，通过上行链路调度对基站eNB多个边缘用户设备进行访问，以避免在计算卸载期间在一段时间内的共信道多址干扰。把参考的一段时间段分成K个时隙，在第k个时隙(k∈K)，初始化参考距离l₀，接受参考功率P₀，路径损耗指数θ。

在此设置下，计算第k个用户设备到基站的欧几里得距离l_k，进一步计算第k个用户设备的最大发射功率P_k，表示为：

设每一个用户设备有一个固定发射功率，第k个用户设备的发射功率与最大发射功率成线性相关，即p_k＝εP_k，其中，ε为调整因子，且ε∈(0,1]。

根据第k个用户设备的发射功率、初始化信道带宽B、通信开销τ、噪声功率σ²、信道增益η_k等，计算第k个用户设备卸载到eNB的卸载速率为：

将第k个用户设备的部分计算任务卸载到多接入虚拟边缘计算数据中心。

在多接入虚拟边缘计算数据中心，用R_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的CPU核数的偏好，进一步定义，α_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的CPU核数，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上，则：

采用Q_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机内存大小的偏好，进一步定义，α_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的内存大小，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上，则：

第m个物理机对N个虚拟机的偏好矩阵表示为：

设q₁与q₂分别为CPU核数和内存的权重值，其关系为q₁+q₂＝1，且0≤q₁≤1，0≤q₂≤1；

第m个物理机对N个虚拟机的偏好向量表示为：

其中，ω_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的偏好值，可知ω_n,m值越小越匹配，ω_n,m值为负说明不匹配。

设F_m为第m个物理机对N个虚拟机的偏好列表，ω_n,m按从小到大的顺序排列，便可得到F_m，则：

W_m＝{ω_1,m,ω_2,m,…,ω_n,m,…,ω_N,m|m∈M}，F_m∈W_m

M个物理机的偏好列表为F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}。

设M个物理机的CPU计算能力用集合表示为P＝{ρ₁,ρ₂,...,ρ_m,...,ρ_M}，虚拟机对物理机的偏好列表根据物理机CPU的计算能力，虚拟机对物理机的偏好列表表示为S_n，则把CPU的计算能力从强到弱排列即为S_n，S_n∈P，N个虚拟机的偏好列表用集合表示为S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}。

步骤二：定义一个匹配集合G，若G为空，则M个物理机都为空，即都没有布设虚拟机。

步骤三：初始化第m个物理机为空，且第m个物理机有一个不为空的偏好列表F_m。

步骤四：对于第m个物理机(m∈M)，根据第m个物理机的偏好列表F_m，第m个物理机匹配到第n个虚拟机，即在此次匹配中，第n个虚拟机被选择，把第n个虚拟机从F_m中移除，以方便下一次的匹配。

步骤五：把匹配到的结果(m,n)添加到匹配集合G，即G＝G∪(m,n)；

步骤六：对于第n个虚拟机(n∈N)，如果第n个虚拟机已经匹配到了物理机，则无法再匹配其他的物理机，根据第n个虚拟机对物理机的偏好列表S_n，找到匹配度最低的那对(n_worst,m_worst)，把(n_worst,m_worst)从匹配集合G中移除，即G＝G/(n_worst,m_worst)，这样经过每一次的迭代循环，可得到的匹配对象都不是最差的。

步骤七：重复步骤三至步骤六，直到将集合M和N全部循环并匹配。

步骤八：输出匹配集合G，根据集合G完成物理机和虚拟机之间的双边多对多匹配。

步骤九：重复步骤三至步骤八，进行下一次的虚拟机和物理机匹配。

本发明主要用于多接入虚拟边缘计算中边缘用户设备虚拟资源布设问题。在物理机和虚拟机之间运用双边多对多匹配，双方根据各自的偏好列表选择适合自己的资源，根据帕累托最优原则，可以得出更加合理的匹配方案。通过上述虚拟资源布设方案，有效地提升了资源利用率，由于CPU计算能力不同，也使得边缘用户设备获得更低时延，用户获得良好的服务体验，还能有效地降低移动边缘计算数据中心能耗，降低运营商成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：构建集合N，M，F，S，其中，虚拟机集合为N＝{1,2,…,N}，物理机集合为M＝{1,2,…,M}，M个物理机的偏好列表集合为F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}，N个虚拟机的偏好列表集合为S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}，F_m为第m个物理机的偏好列表，S_n为第n个虚拟机的偏好列表；

(1)所述M个物理机的偏好列表集合的获得过程为：

对于第m个物理机，可以提供的可用资源向量为

其中，α_m表示第m个物理机可用的CPU核数，β_m表示第m个物理机可用的内存大小；同时，采用

表示第m个物理机维持自身运行所需要的资源，其中，u_m表示第m个物理机需要的CPU核数，v_m表示第m个物理机需要的内存大小；

对于第n个虚拟机所需要的资源向量表示为

其中，c_n表示第n个虚拟机需要的CPU核数，s_n表示第n个虚拟机需要的内存大小；

采用α_n,m和β_n,m分别表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上的CPU核数和内存大小，设置一个二进制变量b_n,m表示第n个虚拟机与第m个物理机之间的布设关系，其中，b_n,m＝1表示第n个虚拟机布设到第m个物理机上，否则，b_n,m＝0；

采用R_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的CPU核数的偏好，具体量化为：

其中，α_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的CPU核数，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上；

注：当n＝1，m＝1时，

即当第一个虚拟机开始布设时，第一个物理机剩余可用的CPU核数就是其本身可用的CPU核数；

采用Q_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机内存大小的偏好，具体量化为：

其中，β_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机布设到第m-1个物理机的内存大小，b_(n-1),(m-1)表示第n-1个虚拟机是否布设到第m-1个物理机上；

注：当n＝1，m＝1时，

即当第一个虚拟机开始布设时，第一个物理机剩余可用的内存大小就是其本身可用的内存大小；

第m个物理机对N个虚拟机的偏好矩阵表示为：

设q₁与q₂分别为CPU核数和内存的权重值，其关系为q₁+q₂＝1，且0≤q₁≤1，0≤q₂≤1；

第m个物理机对N个虚拟机的偏好向量表示为：

其中，ω_n,m表示第m个物理机对第n个虚拟机的偏好值，可知ω_n,m值越小越匹配，ω_n,m值为负说明不匹配；

设F_m为第m个物理机对N个虚拟机的偏好列表，ω_n,m按从小到大的顺序排列，便可得到F_m，则：

W_m＝{ω_1,m,ω_2,m,…,ω_n,m,…,ω_N,m|m∈M}，F_m∈W_m

M个物理机的偏好列表为：

F＝{F₁,F₂,…,F_m,…,F_M}；

(2)所述N个虚拟机的偏好列表集合获取过程为：

设M个物理机的CPU计算能力用集合表示为：

P＝{ρ₁,ρ₂,…,ρ_m,…,ρ_M}

虚拟机对物理机的偏好列表根据物理机CPU的计算能力，虚拟机对物理机的偏好列表表示为S_n，则把CPU的计算能力从强到弱排列即为S_n，S_n∈P，N个虚拟机的偏好列表用集合表示为：

S＝{S₁,S₂,…,S_n,…,S_N}；

步骤二：定义一个匹配集合G，若G为空，则M个物理机都为空，即都没有布设虚拟机；

步骤三：初始化第m个物理机为空，且第m个物理机有一个不为空的偏好列表F_m；

步骤四：对于第m个物理机(m∈M)，根据第m个物理机的偏好列表F_m，第m个物理机匹配到第n个虚拟机，即在此次匹配中，第n个虚拟机被选择，把第n个虚拟机从F_m中移除；

步骤五：把匹配到的结果(m,n)添加到匹配集合G，即G＝G∪(m,n)；

步骤六：对于第n个虚拟机(n∈N)，如果第n个虚拟机已经匹配到了物理机，则无法再匹配其他的物理机，根据第n个虚拟机对物理机的偏好列表S_n，找到匹配度最低的那对(n_worst,m_worst)，把(n_worst,m_worst)从匹配集合G中移除，即G＝G/(n_worst,m_worst)；

步骤七：重复步骤三至步骤六，直到将集合M和N全部循环并匹配；

步骤八：输出匹配集合G，根据集合G完成物理机和虚拟机之间的双边多对多匹配。

2.按照权利要求1所述的多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，其特征在于：所述步骤一中，在多接入虚拟边缘计算系统中，K个边缘用户设备可以购买N个虚拟机，构成虚拟机集合N＝{1,2,…,N}。

3.按照权利要求2所述的多接入虚拟边缘计算中基于双边匹配的虚拟机布设方法，其特征在于：所述N个虚拟机在多接入虚拟边缘计算数据中心布设到M个物理机上以执行计算任务，构成物理机集合M＝{1,2,…,M}。

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