車聯(lián)網移動云系統(tǒng)虛擬機遷移技術研究

危湖貴 劉炎松

摘 要：智能交通車聯(lián)網的發(fā)展面臨著異構網絡傳輸容量瓶頸、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其網絡環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務，達到移動網絡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)網中的信息傳輸隨時可能中斷，這就制約了車聯(lián)網業(yè)務服務質量的提高，對云計算持續(xù)穩(wěn)定的服務構成了很大的挑戰(zhàn)，這一瓶頸問題可以通過虛擬機動態(tài)遷移技術得到改善，從而實現(xiàn)服務的不間斷。

關鍵詞：車聯(lián)網；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絡和車輛日益緊密結合起來。人們在車輛移動過程中的應用服務需求日益增長，車聯(lián)網的研究已成為世界矚目的熱點，同時也促進了車輛向網絡化、智能化方向發(fā)展[1-2]。

車聯(lián)網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、計算技術、網絡技術、控制技術、智能技術，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、大容量的數據傳輸與交互，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]。目前國內外的車聯(lián)網發(fā)展仍處于起步階段，從體系架構基本理論到網絡系統(tǒng)關鍵技術，都面臨著一系列非常具有挑戰(zhàn)性的難題。首先，在網絡技術方面，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，并以蜂窩無線網絡等系統(tǒng)為輔，組成一個異構無線網絡。然而，網絡異構性的本質特征顯著降低了網絡資源的利用率，成為影響車聯(lián)網提升網絡容量的重要難題。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，導致網絡拓撲的頻繁變化、無線鏈路質量急劇下降，車聯(lián)網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絡特性成為制約車聯(lián)網提高業(yè)務服務質量的瓶頸問題。本文提出建立層次化車聯(lián)網移動云系統(tǒng)模型，包括中心云、路側云、車載云，使移動終端根據其網絡環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務，達到移動網絡資源與云計算資源的最佳匹配。在該模型的基礎上，運用虛擬機動態(tài)遷移技術，實現(xiàn)服務的不中斷，提高用戶體驗質量。

1 層次化車聯(lián)網移動云系統(tǒng)架構

移動云計算是指以通過移動通信網絡為移動終端提供云計算服務的一種新技術。隨著移動互聯(lián)網的迅速普及，移動云計算得到了業(yè)界的高度關注。充分整合利用移動網絡資源與云計算資源是移動云計算亟待解決的關鍵科學問題[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）兩種無線網絡模式，這兩種模式在網絡帶寬和網絡覆蓋上各有優(yōu)勢。為使移動終端根據其網絡環(huán)境與通信能力擇優(yōu)接入相應層次的云服務，達到移動網絡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、路側云和中心云三個層次。車載云通過車載自組網構成車輛間云資源共享系統(tǒng)；路側云通過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、路側云、中心云的云資源逐漸增強，但隨著通信距離增加網絡帶寬逐漸下降。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，達到云資源和網絡資源最佳匹配提供了有效途徑。

2 車聯(lián)網移動云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)點經常處于快速移動狀態(tài)中，導致網絡拓撲動態(tài)變化，車聯(lián)網中的信息傳輸隨時有可能被中斷，VM動態(tài)遷移技術可以保障持續(xù)穩(wěn)定的服務，減少傳輸延時。車聯(lián)網移動云系統(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設施。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的過程中，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虛擬機與網絡資源的重分配：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絡資源的預定，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虛擬機數據傳輸：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)點傳輸數據。該過程分為兩個步驟，首先是遷移所有數據，然后逐次循環(huán)，根據上一輪循環(huán)的記錄遷移上一輪循環(huán)過程中被修改過的臟數據。虛擬機的內存遷移是虛擬機遷移中最有難度和挑戰(zhàn)的部分。在虛擬機內存遷移的過程中，虛擬機內存臟頁生成的同時，虛擬機的服務也一直在運行。一般情況下，遷移內存臟頁的過程會分階段來進行，因為在遷移當前的內存臟頁的同時，新的內存臟頁也在產生。

⑷VM服務暫停：如果最后一輪的臟數據足夠小，源云主機節(jié)點會暫時的中止VM的服務，完成最后一輪臟數據的遷移，并宣布虛擬機的動態(tài)遷移結束。通常情況下，暫停過程中只有少量的數據需要同步，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 結束語

車聯(lián)網是智能交通的關鍵組成部分，是“十二·五”期間國家重點建設領域。本文中將車聯(lián)網、移動云計算、虛擬化技術相結合，提出了基于車聯(lián)網的移動云系統(tǒng)層次化體系架構，通過VM動態(tài)遷移技術，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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