危湖貴 劉炎松
摘 要:智能交通車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展面臨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量瓶頸、海量信息高效處理瓶頸等一系列具有挑戰(zhàn)性的難題。針對該系列問題,本文提出一種層次化移動云系統(tǒng)參考模型,使車載移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務,達到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計算資源的最佳匹配。同時,由于車載單元的快速移動性,車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時可能中斷,這就制約了車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務質(zhì)量的提高,對云計算持續(xù)穩(wěn)定的服務構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn),這一瓶頸問題可以通過虛擬機動態(tài)遷移技術(shù)得到改善,從而實現(xiàn)服務的不間斷。
關(guān)鍵詞:車聯(lián)網(wǎng);云計算;虛擬機遷移;層次化
近年來,車輛的爆發(fā)式增長及無處不在的信息需求將通信網(wǎng)絡(luò)和車輛日益緊密結(jié)合起來。人們在車輛移動過程中的應用服務需求日益增長,車聯(lián)網(wǎng)的研究已成為世界矚目的熱點,同時也促進了車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展[1-2]。
車聯(lián)網(wǎng)是智能交通信息化平臺的核心組成部分,它利用先進的傳感技術(shù)、計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù),對道路和交通進行全面感知,實現(xiàn)多個交通系統(tǒng)間大范圍、大容量的數(shù)據(jù)傳輸與交互,支持對每一輛車進行交通全程控制,對每一條道路進行交通全時空控制,從而有效提升交通安全和交通效率[1-3]。目前國內(nèi)外的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍處于起步階段,從體系架構(gòu)基本理論到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),都面臨著一系列非常具有挑戰(zhàn)性的難題。首先,在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面,由于衛(wèi)星通信的高時延特性,以及蜂窩無線系統(tǒng)的頻譜資源稀缺性,很難支持大量的車-車(V2V)通信,因此車聯(lián)網(wǎng)必須以專用短距離無線通信系統(tǒng)(DSRC)為主,并以蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)為輔,組成一個異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。然而,網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性的本質(zhì)特征顯著降低了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,成為影響車聯(lián)網(wǎng)提升網(wǎng)絡(luò)容量的重要難題。其次在移動服務方面,近年來迅速發(fā)展的媒體業(yè)務(尤其是社交媒體)已成為車聯(lián)網(wǎng)應用的主流,媒體業(yè)務具有帶寬需求大、實時性要求高等特性。但是,由于車載節(jié)點的快速移動,導致網(wǎng)絡(luò)拓撲的頻繁變化、無線鏈路質(zhì)量急劇下降,車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時可能會中斷。動態(tài)變化與間斷連接的網(wǎng)絡(luò)特性成為制約車聯(lián)網(wǎng)提高業(yè)務服務質(zhì)量的瓶頸問題。本文提出建立層次化車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)模型,包括中心云、路側(cè)云、車載云,使移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務,達到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計算資源的最佳匹配。在該模型的基礎(chǔ)上,運用虛擬機動態(tài)遷移技術(shù),實現(xiàn)服務的不中斷,提高用戶體驗質(zhì)量。
1 層次化車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)架構(gòu)
移動云計算是指以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)為移動終端提供云計算服務的一種新技術(shù)。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及,移動云計算得到了業(yè)界的高度關(guān)注。充分整合利用移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計算資源是移動云計算亟待解決的關(guān)鍵科學問題[4,6]。
目前的移動終端普遍具有短距離(例如WiFi)和長距離(例如3G/4G)兩種無線網(wǎng)絡(luò)模式,這兩種模式在網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)覆蓋上各有優(yōu)勢。為使移動終端根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務,達到移動網(wǎng)絡(luò)資源與云計算資源的最佳匹配。對此,我們以智能交通車聯(lián)網(wǎng)為背景,提出了層次化移動云系統(tǒng)參考模型(見圖1),包括車載云、路側(cè)云和中心云三個層次。車載云通過車載自組網(wǎng)構(gòu)成車輛間云資源共享系統(tǒng);路側(cè)云通過WAVE模式為車輛提供微云服務;中心云通過3G/4G模式提供遠程接入。車載云、路側(cè)云、中心云的云資源逐漸增強,但隨著通信距離增加網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸下降。實際系統(tǒng)成本和硬件約束等因素使這種矛盾難以避免。該參考模型為解決這種矛盾,達到云資源和網(wǎng)絡(luò)資源最佳匹配提供了有效途徑。
2 車聯(lián)網(wǎng)移動云VM動態(tài)遷移
VM(虛擬機)動態(tài)遷移是指一臺主機( 源主機) 上運行的虛擬機遷移到另一臺主機(目的主機) 上繼續(xù)運行,在整個遷移過程中,虛擬機的暫停時間非常短,虛擬機上運行的服務始終能響應用戶的請求[5,7,8]。
2.1 VM動態(tài)遷移場景
由于車載節(jié)點經(jīng)常處于快速移動狀態(tài)中,導致網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化,車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸隨時有可能被中斷,VM動態(tài)遷移技術(shù)可以保障持續(xù)穩(wěn)定的服務,減少傳輸延時。車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)VM動態(tài)遷移場景如圖2所示,車載節(jié)點從路測云、中心云或其它車載節(jié)點來獲取云服務。當一輛車在道路上行駛時,它必須要切換連接到不同的基礎(chǔ)設(shè)施。與此同時,云服務也要從一個云主機節(jié)點向另一個云主機節(jié)點轉(zhuǎn)移。由于虛擬機是一個基本的實體,它運行著云服務,虛擬機動態(tài)遷移是保證服務連續(xù)性的首選方式。在虛擬機動態(tài)遷移中,虛擬機鏡像需要從源云主機節(jié)點拷貝到目標云主機節(jié)點。在車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)中,有如下所述的虛擬機動態(tài)遷移場景。
⑴路測微云之間的遷移:如圖2(見案例1),當車輛A從RSU-3(路側(cè)單元-3)的無線服務范圍運動到RSU-4的無線服務范圍,虛擬機跟隨其遷移,VM-A在兩個路測微云之間傳輸?shù)倪^程中,使其服務具有連續(xù)性。
⑵路測云與中心云之間的遷移:如圖2(見案例2),當車輛A駛出RSU-2的無線覆蓋范圍,除中心云可用外,沒有其他的路測微云。在這種情況下,VM-A必須從路測微云遷移到中心云。之后,車輛A通過蜂窩無線通信訪問到中心云來恢復它的服務。
⑶RSU之間的切換:如圖2(見案例3),當車輛A離開RSU-1的無線服務范圍,進入RSU-2的無線服務范圍,由于RSU-1和RSU-2同時連接著同一個路測微云,故只需要切換接入。
2.2 VM動態(tài)遷移流程
在虛擬機的動態(tài)遷移中,車載節(jié)點、源云主機節(jié)點和目標云主機節(jié)點之間相互影響。車聯(lián)網(wǎng)移動云系統(tǒng)虛擬機動態(tài)遷移的流程如下:
⑴信號強度檢測:車載節(jié)點會定期的監(jiān)測源云主機節(jié)點和目標云主機節(jié)點的接收信號強度。只要來自兩個云主機節(jié)點的接收信號強度差值達到預先設(shè)定的閾值,車載節(jié)點將會向相應的源云主機節(jié)點發(fā)送遷移請求。
⑵虛擬機與網(wǎng)絡(luò)資源的重分配:當接收到虛擬機的遷移請求后,目標云主機節(jié)點應該進行虛擬機和網(wǎng)絡(luò)資源的預定,來決定遷移是否被允許。如果遷移被允許,無線鏈路和一定數(shù)量的云資源將會分配給遷移的虛擬機。如果遷移被拒絕,必須尋求其它的目標云主機節(jié)點。
⑶虛擬機數(shù)據(jù)傳輸:終端用戶觸發(fā)遷移后,源云主機節(jié)點開始向目標云主機節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。該過程分為兩個步驟,首先是遷移所有數(shù)據(jù),然后逐次循環(huán),根據(jù)上一輪循環(huán)的記錄遷移上一輪循環(huán)過程中被修改過的臟數(shù)據(jù)。虛擬機的內(nèi)存遷移是虛擬機遷移中最有難度和挑戰(zhàn)的部分。在虛擬機內(nèi)存遷移的過程中,虛擬機內(nèi)存臟頁生成的同時,虛擬機的服務也一直在運行。一般情況下,遷移內(nèi)存臟頁的過程會分階段來進行,因為在遷移當前的內(nèi)存臟頁的同時,新的內(nèi)存臟頁也在產(chǎn)生。
⑷VM服務暫停:如果最后一輪的臟數(shù)據(jù)足夠小,源云主機節(jié)點會暫時的中止VM的服務,完成最后一輪臟數(shù)據(jù)的遷移,并宣布虛擬機的動態(tài)遷移結(jié)束。通常情況下,暫停過程中只有少量的數(shù)據(jù)需要同步,暫停時間極短。
⑸VM服務恢復:當虛擬機完成遷移后,車載節(jié)點和目標云主機節(jié)點建立新的無線連接,這樣使得虛擬機的服務能繼續(xù)。
3 結(jié)束語
車聯(lián)網(wǎng)是智能交通的關(guān)鍵組成部分,是“十二·五”期間國家重點建設(shè)領(lǐng)域。本文中將車聯(lián)網(wǎng)、移動云計算、虛擬化技術(shù)相結(jié)合,提出了基于車聯(lián)網(wǎng)的移動云系統(tǒng)層次化體系架構(gòu),通過VM動態(tài)遷移技術(shù),實現(xiàn)服務的連續(xù)性,從而可提供穩(wěn)定可靠的智能交通服務。
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