车联网移动云系统虚拟机迁移技术研究
2022-06-09
摘 要：智能交通车联网的发展面临着异构网络传输容量瓶颈、海量信息高效处理瓶颈等一系列具有挑战性的难题。针对该系列问题，本文提出一种层次化移动云系统参考模型，使车载移动终端根据其网络环境与通信能力择优接入相应层次的云服务，达到移动网络资源与云计算资源的最佳匹配。同时，由于车载单元的快速移动性，车联网中的信息传输随时可能中断，这就制约了车联网业务服务质量的提高，对云计算持续稳定的服务构成了很大的挑战，这一瓶颈问题可以通过虚拟机动态迁移技术得到改善，从而实现服务的不间断。
关键词：车联网；云计算；虚拟机迁移；层次化
近年来，车辆的爆发式增长及无处不在的信息需求将通信网络和车辆日益紧密结合起来。人们在车辆移动过程中的应用服务需求日益增长，车联网的研究已成为世界瞩目的热点，同时也促进了车辆向网络化、智能化方向发展[1-2]。
车联网是智能交通信息化平台的核心组成部分，它利用先进的传感技术、计算技术、网络技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个交通系统间大范围、大容量的数据传输与交互，支持对每一辆车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，从而有效提升交通安全和交通效率[1-3]。目前国内外的车联网发展仍处于起步阶段，从体系架构基本理论到网络系统关键技术，都面临着一系列非常具有挑战性的难题。首先，在网络技术方面，由于卫星通信的高时延特性，以及蜂窝无线系统的频谱资源稀缺性，很难支持大量的车-车（V2V）通信，因此车联网必须以专用短距离无线通信系统（DSRC）为主，并以蜂窝无线网络等系统为辅，组成一个异构无线网络。然而，网络异构性的本质特征显著降低了网络资源的利用率，成为影响车联网提升网络容量的重要难题。其次在移动服务方面，近年来迅速发展的媒体业务（尤其是社交媒体）已成为车联网应用的主流，媒体业务具有带宽需求大、实时性要求高等特性。但是，由于车载节点的快速移动，导致网络拓扑的频繁变化、无线链路质量急剧下降，车联网中的信息传输随时可能会中断。动态变化与间断连接的网络特性成为制约车联网提高业务服务质量的瓶颈问题。本文提出建立层次化车联网移动云系统模型，包括中心云、路侧云、车载云，使移动终端根据其网络环境与通信能力择优接入相应层次的云服务，达到移动网络资源与云计算资源的最佳匹配。在该模型的基础上，运用虚拟机动态迁移技术，实现服务的不中断，提高用户体验质量。
1 层次化车联网移动云系统架构
移动云计算是指以通过移动通信网络为移动终端提供云计算服务的一种新技术。随着移动互联网的迅速普及，移动云计算得到了业界的高度关注。充分整合利用移动网络资源与云计算资源是移动云计算亟待解决的关键科学问题[4，6]。
目前的移动终端普遍具有短距离（例如WiFi）和长距离（例如3G/4G）两种无线网络模式，这两种模式在网络带宽和网络覆盖上各有优势。为使移动终端根据其网络环境与通信能力择优接入相应层次的云服务，达到移动网络资源与云计算资源的最佳匹配。对此，我们以智能交通车联网为背景，提出了层次化移动云系统参考模型（见图1），包括车载云、路侧云和中心云三个层次。车载云通过车载自组网构成车辆间云资源共享系统；路侧云通过WAVE模式为车辆提供微云服务；中心云通过3G/4G模式提供远程接入。车载云、路侧云、中心云的云资源逐渐增强，但随着通信距离增加网络带宽逐渐下降。实际系统成本和硬件约束等因素使这种矛盾难以避免。该参考模型为解决这种矛盾，达到云资源和网络资源最佳匹配提供了有效途径。
2 车联网移动云VM动态迁移
VM（虚拟机）动态迁移是指一台主机（ 源主机） 上运行的虚拟机迁移到另一台主机（目的主机） 上继续运行，在整个迁移过程中，虚拟机的暂停时间非常短，虚拟机上运行的服务始终能响应用户的请求[5，7，8]。
2.1 VM动态迁移场景
由于车载节点经常处于快速移动状态中，导致网络拓扑动态变化，车联网中的信息传输随时有可能被中断，VM动态迁移技术可以保障持续稳定的服务，减少传输延时。车联网移动云系统VM动态迁移场景如图2所示，车载节点从路测云、中心云或其它车载节点来获取云服务。当一辆车在道路上行驶时，它必须要切换连接到不同的基础设施。与此同时，云服务也要从一个云主机节点向另一个云主机节点转移。由于虚拟机是一个基本的实体，它运行着云服务，虚拟机动态迁移是保证服务连续性的首选方式。在虚拟机动态迁移中，虚拟机镜像需要从源云主机节点拷贝到目标云主机节点。在车联网移动云系统中，有如下所述的虚拟机动态迁移场景。
⑴路测微云之间的迁移：如图2（见案例1），当车辆A从RSU-3（路侧单元-3）的无线服务范围运动到RSU-4的无线服务范围，核心期刊虚拟机跟随其迁移，VM-A在两个路测微云之间传输的过程中，使其服务具有连续性。
⑵路测云与中心云之间的迁移：如图2（见案例2），当车辆A驶出RSU-2的无线覆盖范围，除中心云可用外，没有其他的路测微云。在这种情况下，VM-A必须从路测微云迁移到中心云。之后，车辆A通过蜂窝无线通信访问到中心云来恢复它的服务。
⑶RSU之间的切换：如图2（见案例3），当车辆A离开RSU-1的无线服务范围，进入RSU-2的无线服务范围，由于RSU-1和RSU-2同时连接着同一个路测微云，故只需要切换接入。
2.2 VM动态迁移流程
在虚拟机的动态迁移中，车载节点、源云主机节点和目标云主机节点之间相互影响。车联网移动云系统虚拟机动态迁移的流程如下：
⑴信号强度检测：车载节点会定期的监测源云主机节点和目标云主机节点的接收信号强度。只要来自两个云主机节点的接收信号强度差值达到预先设定的阈值，车载节点将会向相应的源云主机节点发送迁移请求。
关键词：车联网；云计算；虚拟机迁移；层次化
近年来，车辆的爆发式增长及无处不在的信息需求将通信网络和车辆日益紧密结合起来。人们在车辆移动过程中的应用服务需求日益增长，车联网的研究已成为世界瞩目的热点，同时也促进了车辆向网络化、智能化方向发展[1-2]。
车联网是智能交通信息化平台的核心组成部分，它利用先进的传感技术、计算技术、网络技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个交通系统间大范围、大容量的数据传输与交互，支持对每一辆车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，从而有效提升交通安全和交通效率[1-3]。目前国内外的车联网发展仍处于起步阶段，从体系架构基本理论到网络系统关键技术，都面临着一系列非常具有挑战性的难题。首先，在网络技术方面，由于卫星通信的高时延特性，以及蜂窝无线系统的频谱资源稀缺性，很难支持大量的车-车（V2V）通信，因此车联网必须以专用短距离无线通信系统（DSRC）为主，并以蜂窝无线网络等系统为辅，组成一个异构无线网络。然而，网络异构性的本质特征显著降低了网络资源的利用率，成为影响车联网提升网络容量的重要难题。其次在移动服务方面，近年来迅速发展的媒体业务（尤其是社交媒体）已成为车联网应用的主流，媒体业务具有带宽需求大、实时性要求高等特性。但是，由于车载节点的快速移动，导致网络拓扑的频繁变化、无线链路质量急剧下降，车联网中的信息传输随时可能会中断。动态变化与间断连接的网络特性成为制约车联网提高业务服务质量的瓶颈问题。本文提出建立层次化车联网移动云系统模型，包括中心云、路侧云、车载云，使移动终端根据其网络环境与通信能力择优接入相应层次的云服务，达到移动网络资源与云计算资源的最佳匹配。在该模型的基础上，运用虚拟机动态迁移技术，实现服务的不中断，提高用户体验质量。
1 层次化车联网移动云系统架构
移动云计算是指以通过移动通信网络为移动终端提供云计算服务的一种新技术。随着移动互联网的迅速普及，移动云计算得到了业界的高度关注。充分整合利用移动网络资源与云计算资源是移动云计算亟待解决的关键科学问题[4，6]。
目前的移动终端普遍具有短距离（例如WiFi）和长距离（例如3G/4G）两种无线网络模式，这两种模式在网络带宽和网络覆盖上各有优势。为使移动终端根据其网络环境与通信能力择优接入相应层次的云服务，达到移动网络资源与云计算资源的最佳匹配。对此，我们以智能交通车联网为背景，提出了层次化移动云系统参考模型（见图1），包括车载云、路侧云和中心云三个层次。车载云通过车载自组网构成车辆间云资源共享系统；路侧云通过WAVE模式为车辆提供微云服务；中心云通过3G/4G模式提供远程接入。车载云、路侧云、中心云的云资源逐渐增强，但随着通信距离增加网络带宽逐渐下降。实际系统成本和硬件约束等因素使这种矛盾难以避免。该参考模型为解决这种矛盾，达到云资源和网络资源最佳匹配提供了有效途径。
2 车联网移动云VM动态迁移
VM（虚拟机）动态迁移是指一台主机（ 源主机） 上运行的虚拟机迁移到另一台主机（目的主机） 上继续运行，在整个迁移过程中，虚拟机的暂停时间非常短，虚拟机上运行的服务始终能响应用户的请求[5，7，8]。
2.1 VM动态迁移场景
由于车载节点经常处于快速移动状态中，导致网络拓扑动态变化，车联网中的信息传输随时有可能被中断，VM动态迁移技术可以保障持续稳定的服务，减少传输延时。车联网移动云系统VM动态迁移场景如图2所示，车载节点从路测云、中心云或其它车载节点来获取云服务。当一辆车在道路上行驶时，它必须要切换连接到不同的基础设施。与此同时，云服务也要从一个云主机节点向另一个云主机节点转移。由于虚拟机是一个基本的实体，它运行着云服务，虚拟机动态迁移是保证服务连续性的首选方式。在虚拟机动态迁移中，虚拟机镜像需要从源云主机节点拷贝到目标云主机节点。在车联网移动云系统中，有如下所述的虚拟机动态迁移场景。
⑴路测微云之间的迁移：如图2（见案例1），当车辆A从RSU-3（路侧单元-3）的无线服务范围运动到RSU-4的无线服务范围，核心期刊虚拟机跟随其迁移，VM-A在两个路测微云之间传输的过程中，使其服务具有连续性。
⑵路测云与中心云之间的迁移：如图2（见案例2），当车辆A驶出RSU-2的无线覆盖范围，除中心云可用外，没有其他的路测微云。在这种情况下，VM-A必须从路测微云迁移到中心云。之后，车辆A通过蜂窝无线通信访问到中心云来恢复它的服务。
⑶RSU之间的切换：如图2（见案例3），当车辆A离开RSU-1的无线服务范围，进入RSU-2的无线服务范围，由于RSU-1和RSU-2同时连接着同一个路测微云，故只需要切换接入。
2.2 VM动态迁移流程
在虚拟机的动态迁移中，车载节点、源云主机节点和目标云主机节点之间相互影响。车联网移动云系统虚拟机动态迁移的流程如下：
⑴信号强度检测：车载节点会定期的监测源云主机节点和目标云主机节点的接收信号强度。只要来自两个云主机节点的接收信号强度差值达到预先设定的阈值，车载节点将会向相应的源云主机节点发送迁移请求。