李小翠/周长兵：一种边缘计算下资源失配时物联网服务在线重配机制

2022-09-14     发布：[信息工程学院]    点击：110次

物联网和6G通信技术的广泛发展，以时延敏感型为主的新兴应用大量部署，如实时视频处理、在线互动游戏、增强现实等。边缘计算提供了一种实时响应范式，便于物联网服务在靠近用户请求的网络端设备上部署，进而通过功能互补和地理相邻的组合形式实现复杂请求。边缘网络中物联网设备大多资源匮乏，计算能力和剩余能量有限，新传入的任务请求可能无法及时通过物联网服务部分(或全部)组合得到满足。因为某些物联网设备此时正在执行之前的子任务，根据某些任务的功能性和非功能性需求，这些设备可能没有足够的资源来支持新传入任务请求的额外物联网服务实例。此外，任何物联网设备的资源过度利用都可能对网络寿命产生严重的负面影响。因此，如何合理优化网络资源应答用户请求，实现网络负载均衡，成为一项挑战。在此背景下，本文综合考虑物联网设备资源与用户请求时延约束，以最优方式重新配置服务，使得某些物联网服务在线迁移至资源充足的相邻设备，同时仍然满足其任务所指定的约束条件，这些释放的资源可以用于实现新传入请求的子任务。本文所提物联网服务在线重配策略允许边缘网络中的资源得到最优利用，以提高边缘网络对应用的吞吐量。

针对上述科学问题，我校李小翠博士、周长兵教授及其合作者，引入边缘设备容器分层迁移相关技术，对边缘网络下资源失配时物联网服务在线重配机制展开研究，取得贡献如下：

1、提出一种边缘网络下资源失配时物联网设备的探测方法；

本文考虑了物联网设备资源限制与用户请求时延约束冲突，识别资源过载设备集合如图1所示，边缘网络中部署了8个物联网设备节点sn0,sn1,sn2…,sn7，t时刻物联网设备正在执行3个用户请求wf0,wf1,wf2。请求任务分配情况如图所示，s0,2和s1,2由设备sn0，根据其严格的时空约束，s3,1和s3,2分配给设备sn5、sn0执行。由于新部署任务，导致sn5、sn0容量过载，对t时刻的用户请求执行性能有所影响。因此，设备sn0和sn5上运行的某些物联网服务需要进行迁移，使其释放的资源能够用于实现新入请求wf3，s1,2、s0,3、s1,3成为待迁移的候选物联网服务实例。

2、提出一种面向资源失配时物联网服务在线重配优化方法；

获取资源过载设备集合，进而迭代服务重配调度集合，以最优方式进行服务柔性重配，优化边缘网络资源利用，提高边缘网络对应用的吞吐量。如图2-(a)所示，以wf0为例，s0,2、s0,3分别被迁移到设备sn7、sn0，重配置调整后的用户请求wf0完成时间可表示为：te(s0,0)+ te(s0,1)+max{ te(s0,2), te(s0,3)}+tc(7,0)。图2-(b)展示了另一种服务在线重配策略，s0,2、s0,3分别被迁移到设备sn1，重配置调整后的用户请求完成时间可表示为：te(s0,0)+ te(s0,1)+max{ te(s0,2), te(s0,3)}+tc(7,0) +tc(0,1)。图2表明，wf0和wf1的服务执行效益及物联网设备的资源可以通过服务重配得到优化。

3、提出资源分配模型和服务协同部署模型；

所提模型用于评估服务在线重配策略，以此反馈服务在线重配算法进行策略调整，对评估通过的策略进行资源配置，从而实现感知、分析、决策以及执行的闭环过程，完成网络服务资源请求的最优配置。

该研究针对边缘计算下请求应用所需资源与支撑其子任务的边缘设备上剩余资源可能存在“失配”的问题，基于运行时边缘服务对承载该服务的设备上特定资源的具体需求，分析边缘设备运行的资源动态性，将在线计算和网络资源的运行时效能评估引入到网络资源调整与服务重配过程，提出服务在线重配策略，促进边缘网络资源的优化调配，提高边缘网络对应用的吞吐量。取得的成果可与现有基于容器迁移的服务计算基础设施平台集成，对于在线资源配置算法构建，设备资源成本模型构建等科学研究都有重要参考意义。

图1：边缘网络物联网服务在线重配系统示例

图2：重配策略下资源分配和服务协同放置示例

上述研究成果发表在计算机物联网领域国际权威刊物《 IEEE Internet of Things Journal 》：Xiaocui Li, Zhangbing Zhou, Chunsheng Zhu, Lei Shu, and Jiehan Zhou. 2022. Online Reconfiguration of Latency-Aware IoT Services in Edge Networks [J]. IEEE Internet of Things Journal, 9(18): 17035 – 17046. [JCR: Q1, IF = 10.238].

全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9650543/