移動邊緣計(jì)算中基于用戶移動的虛擬機(jī)遷移策略研究

劉 亮，劉 星，曾 帥，汪 濤，龐瑞琴

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 達(dá)州 635000；3.重慶郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

Cisco最新VNI預(yù)測報(bào)告顯示，2016年到2021年全球移動數(shù)據(jù)流量將增長7倍，保持47%的年增長率，到2021年將達(dá)到每月49 EByte或每年587 EByte[1]。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的承受能力無法滿足當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所需的接近實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，物聯(lián)網(wǎng)所需的海量連接數(shù)目以及其他各類應(yīng)用海量增長的數(shù)據(jù)流量需求。因此，為了解決上述挑戰(zhàn)，研究者們提出了移動邊緣計(jì)算(mobile edge computing，MEC)技術(shù)，MEC將云計(jì)算平臺與移動網(wǎng)絡(luò)融合，把位于云數(shù)據(jù)中心的功能與服務(wù)“下沉”到移動網(wǎng)絡(luò)的邊緣，在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計(jì)算、存儲和通信資源。MEC強(qiáng)調(diào)靠近用戶，減少服務(wù)交付與網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)間延遲，從而提升用戶的服務(wù)體驗(yàn)。同時(shí)，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以通過移動邊緣計(jì)算技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)信息和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制功能更多地開放給第三方開發(fā)者，并允許其提供給用戶更多的服務(wù)與應(yīng)用。移動邊緣計(jì)算的基本框架如圖1所示。

圖1 MEC基本框架Fig.1 MEC basic framework

該框架將移動邊緣計(jì)算下不同的功能實(shí)體劃分為3個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)層(network layer)、移動邊緣主機(jī)層(mobile edge host layer)以及移動邊緣系統(tǒng)層(mobile edge system layer)。移動邊緣主機(jī)層包含移動邊緣主機(jī)(mobile edge host)和相應(yīng)的移動邊緣主機(jī)水平管理實(shí)體(mobile edge host-level management entity)。其中，移動邊緣主機(jī)又可以進(jìn)一步劃分為移動邊緣平臺(mobile edge platform)、移動邊緣應(yīng)用(mobile edge application)和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施(virtualization infrastructure)。網(wǎng)絡(luò)水平主要包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的外部實(shí)體，該層主要表示MEC的工作系統(tǒng)與局域網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)或外部網(wǎng)絡(luò)的連接情況。最高層是移動邊緣系統(tǒng)水平的管理實(shí)體，負(fù)責(zé)全局掌控移動邊緣計(jì)算系統(tǒng)。

由于MEC更靠近用戶，因此，影響MEC性能最關(guān)鍵的一個(gè)因素就是用戶的移動。MEC中用戶移動性問題主要包括2種情況：①移動終端在移動邊緣計(jì)算服務(wù)器覆蓋范圍內(nèi)的移動，這種移動不涉及服務(wù)器的切換；②移動終端從一個(gè)源服務(wù)器移動到另一個(gè)目的服務(wù)器，這種移動則涉及服務(wù)器之間的切換。

T. Taleb等[2]用馬爾可夫鏈模型描述用戶在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動，分析了鏈路模型中各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。另外，A. Ksentini等[3]用一維移動模型簡化蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將虛擬機(jī)遷移表示為連續(xù)時(shí)間馬爾可夫決策過程(continuous time Markov decision process，CTMDP)，并嘗試在啟動虛擬機(jī)遷移時(shí)找到一個(gè)最佳閾值，該閾值可以在虛擬機(jī)的遷移成本和用戶服務(wù)體驗(yàn)之間取得良好平衡。然而，他們都沒有考慮用戶移動前的應(yīng)用卸載問題。此外，C. Wang等[4]通過研究設(shè)備的移動性來解決機(jī)會計(jì)算卸載問題。首先將接觸時(shí)間和接觸率定義為移動性的統(tǒng)計(jì)特性，然后利用這個(gè)統(tǒng)計(jì)特性制定一個(gè)最優(yōu)的機(jī)會卸載模型，最后使用凸優(yōu)化方法確定要卸載到其他設(shè)備的計(jì)算量。A. Nadembega等[5]通過預(yù)測用戶的移動進(jìn)一步地對虛擬機(jī)的遷移策略進(jìn)行優(yōu)化，并提出了基于用戶移動性的服務(wù)遷移預(yù)測方案(mobile service migration prediction，MSMP)，同時(shí)對于成本和服務(wù)質(zhì)量采取了折中的辦法。本文不僅考慮了用戶的應(yīng)用卸載問題，同時(shí)研究了應(yīng)用卸載完成后，用戶移動伴隨的虛擬機(jī)遷移策略，而C. Wang和A. Nadembega等只考慮了其中的一種情況。

本文考慮在移動邊緣計(jì)算中，利用文獻(xiàn)[6]中所提的應(yīng)用卸載策略，將用戶設(shè)備上的帶寬延遲敏感型應(yīng)用卸載到代價(jià)最小的邊緣云服務(wù)器。然后，針對用戶的移動造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，提出采用虛擬機(jī)遷移技術(shù)，將運(yùn)行任務(wù)的虛擬機(jī)從原來的擁塞邊緣服務(wù)器遷移到資源豐富的邊緣服務(wù)器上，從而減少用戶與服務(wù)器之間的通信時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)的TCP吞吐量，改善用戶服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)。為了評估所提出的虛擬機(jī)遷移技術(shù)的性能，本文提出了關(guān)于邊緣節(jié)點(diǎn)B和無線多跳網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的4種不同的評估場景，通過分析每種評估場景中TCP(trarsmission control protocol)吞吐量在不同網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下的改進(jìn)比率，發(fā)現(xiàn)采用虛擬機(jī)遷移技術(shù)，可以有效解決由用戶移動造成的通信延時(shí)問題，提高用戶的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量。

1 移動邊緣計(jì)算中用戶移動性問題

MEC的邊緣服務(wù)器平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用平臺2部分。基礎(chǔ)設(shè)施由硬件資源層和虛擬化層組成，MEC應(yīng)用平臺由虛擬化管理器和應(yīng)用平臺服務(wù)組成[7]。一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)包括一對基站和一個(gè)可以運(yùn)行虛擬機(jī)(virtual machine，VM)的邊緣服務(wù)器。移動邊緣計(jì)算主要用于解決對帶寬和延遲敏感的應(yīng)用的計(jì)算卸載問題，例如需要高帶寬和低延遲的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)應(yīng)用[7]等。

下面將分別介紹在移動邊緣計(jì)算中本文所采用的應(yīng)用卸載方法，以及移動邊緣計(jì)算中針對用戶移動所提出的虛擬機(jī)遷移技術(shù)。

1.1 用戶移動時(shí)的應(yīng)用卸載

MEC是將移動中心云計(jì)算的功能和服務(wù)在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行，云服務(wù)器更加靠近用戶，從而減少數(shù)據(jù)包在鏈路中的傳輸時(shí)間，進(jìn)而減少應(yīng)用計(jì)算的完成時(shí)間。并且，當(dāng)設(shè)備上的任務(wù)卸載到云上執(zhí)行時(shí)，由于云服務(wù)器與用戶設(shè)備的距離更近，設(shè)備的等待能量消耗更小。由此，可以減少應(yīng)用的卸載代價(jià)。

在MEC中，對于帶寬和延遲敏感型應(yīng)用程序，采用文獻(xiàn)[6]所提的最佳云選擇卸載策略。不同的是，本文所選擇的是移動邊緣云上的服務(wù)器，并且當(dāng)確定應(yīng)用要卸載的服務(wù)器后，邊緣服務(wù)器會自動為該應(yīng)用生成一個(gè)虛擬機(jī)，用于運(yùn)行將要卸載的應(yīng)用，即虛擬機(jī)與應(yīng)用是一一對應(yīng)的，每個(gè)要卸載到邊緣服務(wù)器上的應(yīng)用，都會為其生成一個(gè)虛擬機(jī)。當(dāng)用戶的設(shè)備運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用時(shí)，其卸載的完成時(shí)間和卸載此應(yīng)用的設(shè)備能量消耗分別為

Cost(X)=λtT(X)+λeE(x)

(3)

根據(jù)應(yīng)用在不同服務(wù)器上的卸載代價(jià)，找到代價(jià)最小的那個(gè)服務(wù)器，進(jìn)而將任務(wù)卸載到對應(yīng)服務(wù)器為其生成的虛擬機(jī)上。

1.2 針對用戶移動的虛擬機(jī)遷移技術(shù)

將應(yīng)用卸載到代價(jià)最小的邊緣服務(wù)器上的虛擬機(jī)后，由于用戶在頻繁移動，因此，需要進(jìn)一步地考慮用戶移動情況下怎么保證用戶運(yùn)行的應(yīng)用的卸載代價(jià)仍是最小。

對于用戶來說，應(yīng)用卸載代價(jià)最小對應(yīng)的就是高質(zhì)量的服務(wù)體驗(yàn)。而在MEC中，移動網(wǎng)絡(luò)和邊緣服務(wù)器的擁塞可能是QoS退化的關(guān)鍵因素。由于移動流量正在迅速增加，可用帶寬和延遲等隨著移動設(shè)備產(chǎn)生更多移動流量而減小。在這種情況下，TCP吞吐量受到抑制，完成數(shù)據(jù)傳輸需要很長時(shí)間。即使MEC架構(gòu)也不能滿足帶寬與延遲敏感應(yīng)用的具體要求。為了提高TCP吞吐量等指標(biāo)，提出了一種VM遷移方法，將VM從擁塞的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到移動邊緣的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過使用虛擬機(jī)遷移技術(shù)[8]之一的實(shí)時(shí)遷移，可以將虛擬機(jī)遷移到不同的虛擬化平臺，而幾乎不會停止在虛擬機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。

提出的虛擬機(jī)遷移方法的主要挑戰(zhàn)在于以下3點(diǎn)：①當(dāng)虛擬機(jī)應(yīng)該遷移到另一個(gè)不太擁擠的邊緣節(jié)點(diǎn)時(shí)，虛擬機(jī)遷移的成本不可忽略。由于虛擬機(jī)的大小比其他內(nèi)容大，核心網(wǎng)絡(luò)將虛擬機(jī)遷移到邊緣節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)虛擬化層會產(chǎn)生巨大的流量負(fù)載。因此，需要事先知道虛擬機(jī)遷移如何提高QoS。在本文中，主要關(guān)注這一挑戰(zhàn)，為確保在MEC體系結(jié)構(gòu)中提出的虛擬機(jī)遷移方法的效益，研究了TCP吞吐量改進(jìn)方面的虛擬機(jī)遷移方法；②相鄰邊緣節(jié)點(diǎn)之間的VM遷移需要考慮QoS的改善。如果相鄰邊緣節(jié)點(diǎn)與用戶設(shè)備的距離相同，則QoS改善與節(jié)點(diǎn)擁塞率的差異相同。如果相鄰的邊緣節(jié)點(diǎn)距離更遠(yuǎn)，則QoS改善的程度并不明顯。一般來說，由于基站距離用戶較遠(yuǎn)，無線電衰減會導(dǎo)致無線電質(zhì)量下降，QoS降低，因此，處于通信中心之外的用戶無法與邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在這種情況下，用戶設(shè)備通過諸如(long term evolution device to device，LTE D2D)進(jìn)行端到端通信或利用其他設(shè)備將分組發(fā)送到遠(yuǎn)端邊緣節(jié)點(diǎn)的無線局域網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)端邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。總體來說，進(jìn)行VM遷移時(shí)必須考慮整體影響，避免擁塞可能會改善延遲和帶寬，但增加到相鄰邊緣節(jié)點(diǎn)的距離會增加延遲并降低帶寬；③虛擬機(jī)遷移時(shí)應(yīng)該考慮邊緣節(jié)點(diǎn)的情況。因此，本文通過改變參數(shù)，如與遠(yuǎn)端邊緣節(jié)點(diǎn)通信所需的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)和邊緣節(jié)點(diǎn)的擁塞程度，來評估VM遷移方法。

圖2給出了虛擬機(jī)遷移方法的概要。用戶X運(yùn)行的是延遲和帶寬敏感型應(yīng)用，首先，采用文獻(xiàn)[6]所提的最佳云選擇卸載策略，通過基站A，將應(yīng)用卸載到與用戶X相鄰的邊緣服務(wù)器A的VM上運(yùn)行。然而隨著越來越多的設(shè)備連接基站A，用戶X的可用帶寬越來越少，用戶X的RTT增加，導(dǎo)致用戶X服務(wù)體驗(yàn)下降甚至無法為用戶X提供服務(wù)。相反，相鄰的基站B具有足夠的可用帶寬來滿足要求，另外，邊緣服務(wù)器B的虛擬化層具有很大的空間并且硬件資源具有足夠的處理能力。因此，為了避免擁塞并獲得更好的QoS，運(yùn)行用戶X應(yīng)用的虛擬機(jī)會遷移到邊緣服務(wù)器B的虛擬化層。

圖2 基于VM遷移的MECFig.2 MEC based on VM migration

關(guān)于位置關(guān)系，可以考慮2種情況。首先，如果用戶X在2個(gè)通信范圍的邊界上，位于與基站A和基站B相同的距離處，則用戶X可以與邊緣節(jié)點(diǎn)A相同的物理距離的邊緣節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行通信。在這種情況下，如前所述，由于擁塞程度的不同，VM遷移方法可以提高QoS。其次，如果用戶X位于基站B的通信范圍之外，則用戶X可通過無線多跳網(wǎng)絡(luò)與基站B通信。由于基站B離用戶X更遠(yuǎn)，再加上多跳網(wǎng)絡(luò)的性能，會減少由VM遷移帶來的QoS改善。用戶可根據(jù)預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量，可以選擇接近但擁塞的節(jié)點(diǎn)，也可以選擇距離較長但擁塞程度較低的節(jié)點(diǎn)。本文主要關(guān)注后一種選擇方式。接下來，介紹如何判斷虛擬機(jī)是否要進(jìn)行遷移。

假定(x,y)表示移動邊緣計(jì)算中的用戶分配，α表示基站A與基站B通信范圍交叉區(qū)域的中心點(diǎn)。在不失通用性的前提下，假設(shè)2個(gè)節(jié)點(diǎn)都位于同一水平軸上，且A位于原點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 虛擬機(jī)遷移判斷Fig.3 Migration judgment of virtual machine

與用戶關(guān)聯(lián)的虛擬機(jī)是否遷移的決定可以用如下條件判斷。

1)如果(x,y)只在一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)，則將虛擬機(jī)遷移到該邊緣節(jié)點(diǎn)中資源較豐富的服務(wù)器。

2)如果(x,y)在基站A和基站B的通信范圍內(nèi)，即用戶位于2個(gè)基站的交叉區(qū)域，則有2種情況。

①如果x<α，則將虛擬機(jī)遷移到邊緣節(jié)點(diǎn)A中資源較豐富的服務(wù)器；

②如果x≥α，則將虛擬機(jī)遷移到B中不擁塞的邊緣服務(wù)器。

由于VM遷移需要一定的成本，因此，將通過執(zhí)行VM遷移來顯示可以提高多少TCP吞吐量。

2 實(shí)驗(yàn)評估模型

帶寬和延遲敏感的應(yīng)用程序是主要評估目標(biāo)，本文將根據(jù)TCP吞吐量的改進(jìn)來評估VM遷移方法。在本節(jié)中，將詳細(xì)描述評估模型。提出評估方案，計(jì)算模型和評估參數(shù)，最后采用4種不同的評估方案進(jìn)行評估。

2.1 評估方案

圖2中，用戶X連接邊緣節(jié)點(diǎn)A，并執(zhí)行虛擬機(jī)遷移以避免擁塞。首先分析連接擁塞的邊緣節(jié)點(diǎn)A和擁塞較少的邊緣節(jié)點(diǎn)B的TCP吞吐量；其次，分析TCP吞吐量改進(jìn)的比率。根據(jù)文獻(xiàn)[6，9]，TCP吞吐量TP可以表示為

(4)

本文中，假設(shè)LTE是移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，多跳無線網(wǎng)絡(luò)由基于802.11的無線LAN和LTE形成，只有最后一跳需要應(yīng)用LTE網(wǎng)絡(luò)來連接基站B。

評估過程中，設(shè)置了關(guān)于邊緣節(jié)點(diǎn)B和無線多跳網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的4種不同的場景。

①邊緣節(jié)點(diǎn)B和多跳網(wǎng)絡(luò)都擁塞較少：與邊緣節(jié)點(diǎn)A相比，邊緣節(jié)點(diǎn)B的流量負(fù)載低且擁塞程度也較低。此外，無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有較低的流量負(fù)載和較高的傳輸速率。

②邊緣節(jié)點(diǎn)B擁塞較少但多跳網(wǎng)絡(luò)擁塞：邊緣節(jié)點(diǎn)B具有較高的帶寬和較低的延遲，但無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有輕微過載流量和較低的傳輸速率。

③邊緣節(jié)點(diǎn)B擁塞但多跳網(wǎng)絡(luò)擁塞較少：這與上述場景相反。

④邊緣節(jié)點(diǎn)B和多跳網(wǎng)絡(luò)都較擁塞：2個(gè)網(wǎng)絡(luò)都比較擁塞，但邊緣節(jié)點(diǎn)A比邊緣節(jié)點(diǎn)B更擁塞。

2.2 計(jì)算模型

為了得到TCP吞吐量，需要計(jì)算往返時(shí)間RTT和在邊緣節(jié)點(diǎn)及中繼設(shè)備上排隊(duì)的數(shù)據(jù)包的平均數(shù)量。TCP吞吐量受到擁塞控制算法的限制， TCP吞吐量的上限值(ULTCP)[10]為

(5)

(5)式中，p是分組丟失概率。期望的TCP吞吐量是可用帶寬的最小值，同時(shí)也是ULTCP。RTT由傳播延遲，串行化延遲，處理延遲和排隊(duì)延遲組成。一般來說，可以忽略傳播延遲和處理延遲，且由于是擁塞和多跳網(wǎng)絡(luò)，將RTT評估為往返排隊(duì)延遲。

中繼節(jié)點(diǎn)的平均排隊(duì)數(shù)據(jù)包的數(shù)量設(shè)置為參數(shù)，在邊緣節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)數(shù)據(jù)包的計(jì)算方式如下。利用邊緣服務(wù)器處的流量強(qiáng)度(即邊緣服務(wù)器的擁塞度)和M/M/1隊(duì)列模型來計(jì)算平均數(shù)據(jù)包數(shù)量。隨著到邊緣服務(wù)器的業(yè)務(wù)量增加，在邊緣節(jié)點(diǎn)排隊(duì)的數(shù)據(jù)包數(shù)量也增加，排隊(duì)延遲變大，導(dǎo)致服務(wù)體驗(yàn)降低。

從延遲中繼節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)數(shù)據(jù)包(queueing packets at relayed nodes，QPR)和邊緣節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)數(shù)據(jù)包(queueing packets at edge nodes ，QPE)中得出排隊(duì)延遲。中繼節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)延遲只需將分組數(shù)除以無線局域網(wǎng)的傳輸速率即可計(jì)算出來。因此，無線多跳部分(latency at the wireless multi-hop part，LM)的等待時(shí)間為

(6)

(6)式中，hops是無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量。在LTE系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸時(shí)間間隔(transmission time interval,TTI)為1 ms僅傳輸一個(gè)傳輸塊大小(transport block size，TBS)的數(shù)據(jù)[11]。 因此，邊緣節(jié)點(diǎn)(latency at the edge node，LE)的等待時(shí)間按(7)式計(jì)算。

(7)

2.3 評估參數(shù)

首先，進(jìn)行LTE相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。MEC是5G即將推出的關(guān)鍵架構(gòu)模型。因此，將LTE相關(guān)參數(shù)設(shè)置為接近5G的要求[12]。為了表示基站A和基站B之間擁塞率的差異，可用帶寬分別設(shè)置為10和20 Mbit/s，延遲分別設(shè)置為10，5和2 ms進(jìn)行評估；移動網(wǎng)絡(luò)的丟包概率設(shè)置為0.01；將邊緣服務(wù)器A的流量強(qiáng)度設(shè)置為可變參數(shù)，邊緣服務(wù)器B的流量強(qiáng)度設(shè)置為0.25和0.5。

其次，與無線LAN多跳網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如下。傳輸速率和平均排隊(duì)數(shù)據(jù)包的數(shù)量設(shè)置為可變參數(shù)，其中傳輸速率分別設(shè)置為250和500 Mbit/s，平均排隊(duì)數(shù)據(jù)包的數(shù)量設(shè)置為10和20個(gè)。由于基于802.11的無線局域網(wǎng)使用CSMA / CA，當(dāng)設(shè)備正在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，距離該設(shè)備一定距離內(nèi)的其他設(shè)備在本設(shè)備完成傳輸前無法傳輸任何數(shù)據(jù)包。因此，部分?jǐn)?shù)據(jù)包會留在中繼終端的隊(duì)列中。連接基站B所需的跳數(shù)從1跳到6跳變化。無線局域網(wǎng)多跳網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包丟失率設(shè)置為與移動網(wǎng)絡(luò)相同的值為0.01。

最后，傳輸數(shù)據(jù)包大小設(shè)置為1 500 Byte，傳輸協(xié)議為TCP。表1匯總了用于無線多跳網(wǎng)絡(luò), 邊緣節(jié)點(diǎn)B的每個(gè)場景的參數(shù)。

3 評估結(jié)果

本節(jié)中，將根據(jù)邊緣服務(wù)器A的流量強(qiáng)度來刻畫 TCP吞吐量的改進(jìn)特性，并顯示每種場景的評估結(jié)果。

3.1 TCP吞吐量改進(jìn)的特點(diǎn)

首先分析遷移之前的TCP吞吐量的特征。最初，用戶X通過擁塞的移動網(wǎng)絡(luò)與基站A進(jìn)行通信。因此，對于邊緣服務(wù)器A的流量強(qiáng)度的最低值，TCP吞吐量是可用帶寬的恒定值。隨著強(qiáng)度增加，延遲逐漸增加，ULTCP反而變小。流量越來越大，ULTCP的可用帶寬就達(dá)到了一個(gè)數(shù)值。根據(jù)該值，隨著流量強(qiáng)度的增加，TCP吞吐量的瓶頸將變?yōu)閁LTCP并且TCP吞吐量開始下降。當(dāng)流量強(qiáng)度達(dá)到較高值時(shí)，即使基站B位于很遠(yuǎn)的地方，遷移后TCP吞吐量也可能得到改善。

然后，分析遷移后TCP吞吐量的特征。由于邊緣服務(wù)器A的QoS降低，虛擬機(jī)遷移到邊緣服務(wù)器B。但是，雖然流量強(qiáng)度不夠高，但由于采用多跳方式連接到遠(yuǎn)端基站B的開銷，吞吐量可能會比遷移之前降低。特別是如果到基站B的距離很長并且中繼設(shè)備的數(shù)量很大，由于延遲時(shí)間的增加，TCP吞吐量將變小。另外，如果邊緣服務(wù)器B的延遲相當(dāng)?shù)?，則TCP吞吐量為少量跳數(shù)的恒定可用帶寬。

最后，分析每種情況下TCP吞吐量的改進(jìn)特征。

①邊緣節(jié)點(diǎn)B和多跳網(wǎng)絡(luò)的擁塞較少：在這種情況下，由于2個(gè)網(wǎng)絡(luò)都具有高帶寬和低延遲，因此，隨著流量強(qiáng)度的增加，TCP吞吐量可以得到顯著提高。

②邊緣節(jié)點(diǎn)B的擁塞較少但是多跳網(wǎng)絡(luò)擁塞：由于邊緣節(jié)點(diǎn)B的流量負(fù)載遠(yuǎn)低于邊緣節(jié)點(diǎn)A，但多跳網(wǎng)絡(luò)具有過載流量，所以當(dāng)TCP吞吐量可以得到改善時(shí)，它是不可靠的。

③邊緣節(jié)點(diǎn)B擁塞但多跳網(wǎng)絡(luò)的擁塞較少：與上述場景相同，只是瓶頸從多跳網(wǎng)絡(luò)變?yōu)檫吘壒?jié)點(diǎn)B。

④邊緣節(jié)點(diǎn)B和多跳網(wǎng)絡(luò)都擁塞：在這種情況下，由于多跳網(wǎng)絡(luò)流量過載，邊緣節(jié)點(diǎn)B稍有擁塞，即使流量強(qiáng)度較高，TCP吞吐量也可能無法改善。

3.2 TCP吞吐量改進(jìn)結(jié)果

圖4—圖7分別表示4種場景中，隨著邊緣服務(wù)器A的流量強(qiáng)度及多跳網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)的變化，TCP吞吐量的改進(jìn)結(jié)果。圖4—圖7中，對應(yīng)每個(gè)橫坐標(biāo)處的柱狀從左到右依次表示跳數(shù)1—6的多跳網(wǎng)絡(luò)TCP吞吐量的改進(jìn)比率，其中，TCP吞吐量改進(jìn)比率大于0意味著VM遷移改善了QoS。

圖4 場景1中基于虛擬機(jī)遷移的吞吐量提升Fig.4 Throughput enhancement based on virtualmachine migration in scenario 1

場景1的結(jié)果如圖4所示，觀察圖4，當(dāng)跳數(shù)超過4跳時(shí)，無論邊緣服務(wù)器A的流量強(qiáng)度如何，都可以提高TCP吞吐量。當(dāng)流量強(qiáng)度超過90%時(shí)，對于1跳，2跳和3跳網(wǎng)絡(luò)，TCP吞吐量可分別提高至少160%，100%和50%。而當(dāng)流量強(qiáng)度超過95%時(shí)，即使對于6跳網(wǎng)絡(luò)，TCP吞吐量也能得到提升。

圖5 場景2中基于虛擬機(jī)遷移的吞吐量提升Fig.5 Throughput enhancement based on virtual machine migration in scenario 2

圖6 場景3中基于虛擬機(jī)遷移的吞吐量提升Fig.6 Throughput enhancement based on virtual machine migration in scenario 3

圖7 場景4中基于虛擬機(jī)遷移的吞吐量提升Fig.7 Throughput enhancement based on virtual machine migration in scenario 4

場景2的結(jié)果如圖5所示，觀察圖5，無論流量強(qiáng)度如何，當(dāng)跳數(shù)為1時(shí)，都可以提高TCP吞吐量。但是，當(dāng)流量強(qiáng)度低于90%時(shí)，對于2跳以上的網(wǎng)絡(luò)，TCP吞吐量將會降低。流量強(qiáng)度超過90%時(shí)，在1跳網(wǎng)絡(luò)中，TCP吞吐量可以提高60%，在2跳中也能得到提高。

場景3的結(jié)果如圖6所示，觀察圖6，與場景2相似，當(dāng)跳數(shù)為1時(shí)，無論流量強(qiáng)度如何，都可以提高TCP吞吐量。對于2跳網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)流量強(qiáng)度超過85%時(shí)，TCP吞吐量將開始增加。同樣，在1跳網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)流量強(qiáng)度超過90%以上時(shí)，TCP吞吐量可以提高60%。

場景4的結(jié)果如圖7所示，觀察圖7，當(dāng)流量強(qiáng)度低于90%時(shí)，所有跳數(shù)網(wǎng)絡(luò)的TCP吞吐量都會下降。當(dāng)流量強(qiáng)度超過90%和95%時(shí)，在1跳和2跳網(wǎng)絡(luò)中，TCP吞吐量都可以得到提高。

4 結(jié)束語

本文研究了移動邊緣計(jì)算中由用戶移動產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。首先將應(yīng)用卸載到代價(jià)最小的服務(wù)器，然后針對用戶移動，提出了一種VM遷移方案，該方案將VM遷移到擁塞較少的邊緣。這解決了2個(gè)問題：①無線接入網(wǎng)中的擁塞；②邊緣計(jì)算資源的擁塞。如果訪問更多邊緣所引起的額外延遲比不遷移時(shí)小，則期望通過遷移來提高服務(wù)質(zhì)量，如提高TCP吞吐量。VM遷移的目的邊緣節(jié)點(diǎn)通過無線多跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。結(jié)果表明，當(dāng)擁塞節(jié)點(diǎn)的流量強(qiáng)度大于90%時(shí)，對于1，2和3跳網(wǎng)絡(luò)，VM遷移方法可以使TCP吞吐量分別提高160%，100%和50%。