移动边缘计算中的网络控制切换机制

摘要

由于移动通信技术的快速发展，每个人都使用移动设备连接互联网并访问各种服务。如今，大多数应用都是多媒体服务。因此，在移动环境下如何维持服务质量（QoS）并保持连接成为一个重大挑战。此前，许多研究提出了基于主机的快速切换方案，但这些方案难以被广泛使用。这是因为移动设备必须支持移动性功能，否则切换过程无法进行。为了解决这一问题，本文提出两种移动边缘计算（MEC）中的网络控制切换机制。第一种机制是基于代理移动IPv6（PMIPv6）的快速切换方案，另一种是基于软件定义网络（SDN）的解决方案。网络控制切换方案的优点在于移动设备不参与切换过程。然后，我们通过数值分析对所提出的方案进行评估。评估结果表明，我们的方案在切换延迟和丢包方面优于其他现有方案。

关键词 —软件定义网络（SDN），代理移动IPv6（PMIPv6），移动边缘计算（MEC），切换

一、引言

随着无线通信技术的快速发展，网络带宽变得越来越大，越来越多的云多媒体应用服务被提出。2020年是5G元年。当前5G网络具有三大特征[1]：大规模机器类通信（mMTC）、超可靠低延迟通信（URLLC）和增强型移动宽带（eMBB）。世界各国也正在积极广泛地建设5G无线通信设备，以期为人们提供更加便捷的生活。此外，移动通信的应用正变得越来越多样化，例如无人机、自动驾驶汽车等。在5G网络中，当用户移动时如何保证连接质量且连接不中断，这将是一个巨大的挑战。此外，云计算环境不适合实时管理，因此提出了边缘计算。图1展示了5G网络中的边缘计算网络模型，包括云设备、边缘网络以及终端物联网（IoT）设备或传感器。表I是物联网、边缘计算和云计算特征的对比表。为了解决移动性管理问题，在本论文中，我们提出了两种移动边缘计算（MEC）中的网络控制切换机制。第一种机制是基于代理移动IPv6（PMIPv6）的快速切换方案，另一种是基于软件定义网络的解决方案。我们期望获得更低的切换延迟和更少的丢包。

本论文的其余部分组织如下。第二节回顾了相关研究。在第三部分中，我们描述了提出的切换方案的操作，第四节展示了性能结果。第五节包含了一些结论。

IoT	Edge	云
部署	分布式	分布式
组件	物理设备	边缘节点
计算容量	Low	中
存储
响应时间	No	Fast
大数据角色	数据源	Data处理器

II. 相关工作

许多移动性管理方案已经被提出。一般来说，移动性管理方案可以分为两类：基于主机的[2‐6]和基于网络的[7‐18]。基于主机的方案存在切换延迟长和大量丢包的问题。因此，本文重点研究基于网络的移动性管理。

A. 基于PMIPv6的解决方案

IETF NETLMM工作组提出了代理移动IPv6（PMIPv6）[7]，一种基于网络的局部化移动性管理方案，具有以下特征：i) 允许未经修改的IPv6设备接入网络；ii) 避免了无线链路上的隧道开销；以及iii) 减少了信令开销（即移动设备不需要参与任何与移动性相关的信令）。此外，由于PMIPv6的切换过程接管了MIPv6在第三层切换过程中的移动性检测和重复地址检测（DAD），因此显著降低了MIPv6的切换延迟。这些特性正在被纳入下一代网络的3GPP系统架构演进/长期演进（SAE/LTE）标准[8]中。

如今，移动网络中的组播服务越来越受欢迎。然而，移动设备（MD）在切换到新子网时需要重新加入组播组，导致较长的服务中断。最近，一些研究工作[9‐11]提出了针对PMIPv6网络中组播切换问题的解决方案。然而，这些方案存在较长的切换延迟，因为移动设备必须等待移动接入网关（MAG）完成代理绑定更新或上下文传输过程。此外，这些方案未采用缓冲机制，导致切换期间出现严重的丢包问题。横田等人[12]提出了一种适用于PMIPv6网络的快速切换方案，但该方案未考虑组播切换。因此，在[12]中，移动设备在切换到新子网时仍需执行组播组加入过程。

B. 基于SDN的解决方案

SDN[13]通过OpenFlow[14]、网络功能虚拟化（NFV）和服务切片策略推动了互联网的发展。SDN架构将控制平面与数据平面分离，从而实现灵活的组网。因此，网络管理任务得以简化，新协议也能更快地部署。OpenFlow是SDN的一种实际实现方式，广泛用作SDN控制器与转发设备之间的南向接口。OpenFlow最初被引入用于校园网络，并由ONF维护。许多研究[15‐17]针对未来无线通信系统中的高效网络管理提出了新的网络架构。在SDN中，SDN控制器收集所有交换机的信息，根据网络策略动态调整转发决策，并更新交换机的流表项。在此类网络中，数据包仅在交换机之间进行路由。移动设备在移动网络中频繁执行切换过程，尤其是在超密集小小区网络中。庄等人[18]提出了一种基于SDN的轨迹感知超密集小小区网络中的无缝切换（STASH）方案。然而，该方案假设SDN控制器已知用户的行进路径。我们认为这是一个较强的假设。

III. 所提方案

本节将详细描述所提方案。本文提出了两种网络控制的切换方案，以支持无缝切换。第一种方案称为PMIPv6‐SHM，第二种方案称为S‐FMIPv6。

A. 网络架构

未来的5G网络架构是一种包含云和多个边缘网络的混合全IP网络。SDN控制器可分为两类：全局SDN控制器和本地SDN控制器。SDN控制器之间通过OpenFlow协议进行通信。本地SDN控制器负责移动设备的微移动性，全局SDN控制器负责移动设备的宏移动性。图2展示了所提出的网络架构。

B. PMIPv6-SHM

PMIPv6‐SHM方案采用基于预切换方案的快速切换概念和缓冲机制，分别减少切换延迟和丢包问题。图3显示了PMIPv6‐SHM下的切换操作步骤。

步骤1：L2触发（即链路检测（LD）和链路连接（LU））基于IEEE 802.21协议[19]。注意，L2触发包含有关网络拓扑的信息。
步骤2：在所提出的PMIPv6‐SHM中，当检测到LD触发时，MD向前一个MAG（PMAG）发送代理组播侦听发现（PMLD）报告。
步骤3：PMAG收到报告后，向新MAG（NMAG）发送切换初始化（HI）消息，该消息包含上下文传输请求（CTR）。
步骤4：NMAG获取MD的配置文件，然后通过发送携带上下文传输确认（CTA）的切换确认（HACK）消息响应PMAG。
步骤5：然后在PMAG和自身之间建立双向隧道，并开始缓冲数据包。
步骤6：当触发LU时，建立新的连接，以便NMAG可以立即将缓冲的组播数据包发送给MD（即图4中显示的灰色数据流）。注意，PMIPv6‐SHM方案不需要路由器发现消息（即路由器请求（RS）和路由器通告（RA）），因为上下文传输消息（即CTR）已包含MD的信息。
步骤7：同时，NMAG向本地移动锚点发送一个携带MLD报告的代理绑定更新（PBU）消息。
步骤8：LMA在收到报告后，更新组播表并向NMAG发送代理绑定确认（PBA）消息。在完成PBU/PBA操作后，移动设备（MD）从NMAG接收组播数据（即图4中所示的黑色数据流）。

C. S-FMIPv6

图4展示了S‐FMIPv6协议。红色虚线表示控制信号，粗黑线表示数据流。在移动边缘计算中，移动设备从应用服务器（AS）下载数据（即流1），数据通过边缘交换机（Edge SW）和服务交换机传输。具体步骤描述如下。

步骤1：SDN控制器向移动设备发送测量控制消息。
步骤2：移动设备向SDN控制器回复测量报告。
步骤3：SDN控制器将做出切换决策。如果SDN控制器决定执行切换过程，则将执行以下步骤。
步骤4：SDN控制器通过服务交换机向移动设备发送切换确认消息。
步骤5：服务交换机将数据转发到目标交换机。
步骤6：目标交换机开始从服务交换机缓冲区接收数据。
步骤7：移动设备将服务交换机切换到目标交换机。
步骤8：移动设备连接到目标交换机。
步骤9：移动设备下载已缓冲的数据。
步骤10：目标交换机向先前的服务交换机发送转发取消消息。同时，它还向边缘交换机发送更新消息。
步骤11：移动设备从目标交换机下载新的数据流（即，流程2）。

在步骤6中，缓冲机制可以避免移动设备执行切换过程时的丢包问题。从图中可以看出，S‐FMIPv6的切换延迟仅等于链路切换时间。我们的S‐FMIPv6与FMIPv6类似，但移动设备不参与切换过程。

IV. 性能评估

A. 性能指标

(1) 切换延迟（HL） ：切换延迟是指移动设备（MD）断开与PMAG的L2连接到从NMAG接收到第一个数据包之间的中断时间。
(2) 丢包率（PL） ：丢包是指在切换过程中丢失的数据包数量。设λ为每秒包数的分组到达率。因此，若无缓冲机制，在切换过程中到达的数据包将被丢弃。

B. 数值分析

(1) PMIPv6‐SHM

在本节中，我们分析了所提出的PMIPv6‐SHM与PMIPv6‐MLD[9]、PMIPv6‐MM[10]和PMIPv6‐MHA[11]相比的切换延迟和丢包情况。该网络模型由单域中的两个子网组成，如图4‐1所示。本文中使用的符号列于表II中。

切换延迟（HL）
我们分别使用以下方程来计算PMIPv6‐MLD、PMIPv6‐MM、PMIPv6‐MHA和PMIPv6‐SHM下的切换延迟。

$$
HL_{PMIPv6-MLD} = T_{L2} + T_{RD} + T_{PBU/PBA} + T_{MLD} + T_{MAG-MD} + T_{LMA-MAG} \
= T_{L2} + T_{RD} + 3T_{MAG-MD} + 4T_{LMA-MAG} \quad (1)
$$

$$
HL_{PMIPv6-MM} = T_{L2} + T_{RD} + T_{PBU/PBA} + T_{CT} + T_{MAG-MD} + T_{LMA-MAG} \
= T_{L2} + T_{RD} + T_{MAG-MD} + 2T_{MAG-MAG} + 3T_{LMA-MAG} \quad (2)
$$

$$
HL_{PMIPv6-MHA} = T_{L2} + T_{PBU/PBA} + T_{MAG-MD} + T_{LMA-MAG} \
= T_{L2} + T_{MAG-MD} + 3T_{LMA-MAG} \quad (3)
$$

$$
HL_{PMIPv6-SHM} = T_{L2} + T_{MAG-MD} \quad (4)
$$

丢包率（PL）
我们可以推导出在PMIPv6‐MLD、PMIPv6‐MM、PMIPv6‐MHA和PMIPv6‐SHM下关于丢包的公式(5)到(8)。

$$
PL_{PMIPv6-MLD} = \lambda(T_{L2} + T_{RD} + T_{PBU/PBA} + T_{MLD}) \
= \lambda(T_{L2} + T_{RD} + 2T_{MAG-MD} + 3T_{LMA-MAG}) \quad (5)
$$

$$
PL_{PMIPv6-MM} = \lambda(T_{L2} + T_{RD} + T_{PBU/PBA} + T_{CT}) \
= \lambda(T_{L2} + T_{RD} + 2T_{LMA-MAG} + 2T_{MAG-MAG}) \quad (6)
$$

$$
PL_{PMIPv6-MHA} = \lambda(T_{L2} + T_{PBU/PBA}) = \lambda(T_{L2} + 2T_{LMA-MAG}) \quad (7)
$$

$$
PL_{PMIPv6-SHM} = 0 \quad (8)
$$

所提出的PMIPv6‐SHM方案由于准备了缓冲区来存储数据包，因此在切换过程中不会出现丢包问题。

(2) S‐FMIPv6

我们分析了所提出的S‐FMIPv6与传统SDN和STASH[18]相比的切换延迟和丢包情况。网络模型如图4‐2所示。本文中使用的符号列在表III中。

切换延迟（HL）
我们分别使用以下方程来表示S‐FMIPv6、SDN和STASH下的切换延迟。

$$
HL_{S-FMIPv6} = T_{L2} + T_{SW-MD} \quad (9)
$$

$$
HL_{SDN} = T_{L2} + T_{SW-MD} + T_{EdgeSW-SC} + 2T_{SW-SC} \quad (10)
$$

$$
HL_{STASH} = T_{L2} + T_{SW-MD} \quad (11)
$$

丢包率（PL）
我们可以推导出S‐FMIPv6、SDN和STASH下的丢包公式(12)到(14)。

$$
PL_{S-FMIPv6} = 0 \quad (12)
$$

$$
PL_{SDN} = \lambda(T_{L2} + T_{SW-MD} + T_{EdgeSW-SC} + 2T_{SW-SC}) \quad (13)
$$

$$
PL_{STASH} = 0 \quad (14)
$$

所提出的S‐FMIPv6方案由于准备了用于存储数据包的缓冲区，因此在切换过程中不会出现丢包问题。此外，STASH也因采用软切换方案而不会出现丢包问题。

表II. 符号说明
符号
$T_{L2}$
$T_{RD}$
$T_{PBU/PBA}$
$T_{MLD}$
$T_{CT}$
$T_{MAG-MD}$
$T_{LMA-MAG}$
$T_{MAG-MAG}$
$\lambda$

表III. 符号说明
符号
$T_{L2}$
$T_{SW-SC}$
$T_{EdgeSW-SC}$
$T_{SW-MD}$
$T_{EdgeSW-SW}$
$T_{SW-SW}$
$\lambda$

C. 分析结果

(1) PMIPv6‐SHM

表IV列出了根据[20]在数值分析中使用的参数值。注意，两个实体之间的延迟等于跳数乘以有线/无线传播延迟（即$L_W$和$L_{WL}$）。图5和图6分别显示了切换延迟与无线传播延迟和有线传播延迟的关系；图7和图8分别显示了丢包与无线传播延迟和分组到达率的关系。

从图5可以看出，切换延迟与无线传播延迟成正比。所提出的PMIPv6‐SHM方案实现了最低的切换延迟，因为它采用了快速切换方法，并且不需要执行路由器发现操作。同时，图6表明，在有线传播延迟方面，PMIPv6‐SHM优于对比方案。我们的方案的切换延迟不受影响，因为它基于预切换方法采用了快速切换机制。此外，PBU/PBA操作不会影响该方案的切换延迟，因为移动设备（MD）一连接到NMAG，便立即从NMAG的缓冲区接收数据包，而NMAG同时执行PBU/PBA操作。

从图7可以看出，PMIPv6‐MLD、PMIPv6‐MM和PMIPv6‐MHA存在丢包问题。尽管无线传播延迟并未影响PMIPv6‐MHA的整体性能，但由于该方案缺乏缓冲机制，在切换过程中丢失了大量分组。相比之下，PMIPv6‐SHM在切换期间利用缓冲区在移动接入网关处存储分组，从而避免了丢包问题。图8显示，除了PMIPv6‐SHM外，当分组到达率增加时，丢包率也随之上升。所提方案再次取得了最佳结果，因为它采用了缓冲机制。

表IV. 数值分析的参数值
参数
L2切换延迟
路由器发现延迟
有线传播延迟
无线传播延迟
分组到达率
LMA与MAG之间的跳数
MAG之间的跳数
MAG与MD之间的跳数

(2) S‐FMIPv6

在本部分中，我们将展示切换延迟和丢包的性能。表V给出了数值分析的参数值。图9和图10显示了S‐FMIPv6、SDN和STASH的切换性能。可以看出，S‐FMIPv6和STASH具有较低的切换延迟。S‐FMIPv6采用预测切换来降低切换延迟，而STASH采用软件切换实现平滑切换。图11显示了在不同分组到达率下的丢包比较。可以看出，传统的SDN方案存在大量丢包。相反，S‐FMIPv6和STASH在切换过程中没有丢包。S‐FMIPv6使用缓冲机制，而STASH使用双播机制。

表V. 数值分析的参数值
参数
L2切换延迟
有线传播延迟
无线传播延迟
分组到达率
SW与边缘SW之间的跳数
SC与边缘SW之间的跳数
交换机之间的跳数
交换机与SC之间的跳数
交换机与移动设备之间的跳数

五、结论

移动性管理是未来5G网络中的一个重要问题。为了实现高效管理，我们的网络架构基于移动边缘计算，因为云计算不适合实时服务。在本论文中，我们提出了两种移动边缘计算中的网络控制的切换方案：PMIPv6‐SHM和S‐FMIPv6。我们的方案具有以下优点：低切换延迟和低丢包。此外，移动设备不参与切换过程。因此，我们认为网络控制的移动性管理机制更适用于未来的移动网络。移动设备上的群体移动行为通常发生在公共交通工具上。必须克服诸多挑战，例如频繁切换、同时大规模切换、带宽不足和服务质量差。因此，我们将在未来考虑使用网络移动性（NEMO）协议来解决这些问题。