《移動(dòng)邊緣計(jì)算中的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)》9000字

移動(dòng)邊緣計(jì)算中的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u289761.1移動(dòng)邊緣計(jì)算概述 0162431.1.1移動(dòng)邊緣計(jì)算概念 074441.1.2移動(dòng)邊緣計(jì)算架構(gòu) 2326091.1.3移動(dòng)邊緣計(jì)算應(yīng)用場景 4106481.2MEC中計(jì)算任務(wù)卸載概述 5121721.1.1計(jì)算卸載基本過程 5266471.1.2計(jì)算卸載決策 758071.1.3影響計(jì)算卸載決策的因素 871441.3數(shù)據(jù)緩存概述 8195031.3.1數(shù)據(jù)緩存基本概念 8252731.3.2數(shù)據(jù)緩存的研究內(nèi)容 9131631.4李雅普諾夫優(yōu)化理論 1094921.4.1李雅普諾夫優(yōu)化概念 107181.4.2排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的李雅普諾夫漂移 11306451.4.3排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的李雅普諾夫優(yōu)化 121.1移動(dòng)邊緣計(jì)算概述1.1.1移動(dòng)邊緣計(jì)算概念2014年，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）被歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）成立的行業(yè)規(guī)范組（ISG）提出，許多有名的移動(dòng)運(yùn)營商和設(shè)備制造商參與到了MEC的標(biāo)準(zhǔn)化工作中，如意大利電信、DOCOMO、沃爾沃、英特爾、華為、IBM。高效結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算功能，也是因?yàn)镮SG移動(dòng)邊緣計(jì)算工作小組想要提供更良好的服務(wù)環(huán)境供移動(dòng)運(yùn)營商、服務(wù)提供商、供應(yīng)商、用戶等與會(huì)者利用，以期獲得更多經(jīng)濟(jì)利益。移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)也被歐洲5G公私計(jì)劃合作伙伴關(guān)系看好，被視為下一代5G的主要新式技術(shù)。在MEC體系結(jié)構(gòu)中，計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源通常以邊緣服務(wù)器的形式部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，5G網(wǎng)絡(luò)里，將邊緣服務(wù)器與基站（BS）一起部署在無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）中[30]是一種流行的方法。在這種情況下，可以首先由本地邊緣服務(wù)器為從用戶設(shè)備至每個(gè)BS的網(wǎng)絡(luò)流量提供服務(wù)，從而避免長距離網(wǎng)絡(luò)傳輸。MEC的主要宗旨便是應(yīng)對MCC系統(tǒng)目前正面臨的難題，而MEC這個(gè)新型架構(gòu)也確實(shí)令最終用戶體驗(yàn)到了快捷而強(qiáng)大的計(jì)算能力，以及包括良好的能效、存儲(chǔ)容量、移動(dòng)性、位置以及上下文感知支持[31]等一系列優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，這并不意味著在MEC場景中所有流量都可以在本地進(jìn)行處理。一方面，邊緣服務(wù)器的功能實(shí)現(xiàn)確實(shí)是存在一定限制的，并且沒有足夠的能力去應(yīng)對來自各種用戶應(yīng)用的所有流量。從另一方面來說，應(yīng)用的延遲要求各自有別，需要在滿足延遲要求的情況下，某些流量才可以在區(qū)域邊緣服務(wù)器中提供服務(wù)[32]。因此，以分布式方式部署的邊緣服務(wù)器通常不會(huì)獨(dú)立運(yùn)行，而是與其他服務(wù)器和云服務(wù)器協(xié)同工作[33]。MEC具有以下特點(diǎn)：（1）本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知：MEC被安設(shè)于邊緣，并具有實(shí)時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)訪問以及信道信息獲知的能力。（2）本地用戶上下文感知：用戶上下文及位置能夠在本地為應(yīng)用程序所利用。（3）分布式：MEC資源、應(yīng)用程序以及服務(wù)能夠于地理層面分布在無線接入網(wǎng)絡(luò)（例如BS、AP、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)以及移動(dòng)設(shè)備）的不同位置和層次結(jié)構(gòu)級(jí)別上。（4）異構(gòu)性：相較于具備悉心籌劃的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的專用數(shù)據(jù)中心，MEC節(jié)點(diǎn)異構(gòu)，因此存在能夠變動(dòng)的處理和存儲(chǔ)資源，以及變化的帶寬和網(wǎng)絡(luò)連接性。（5）移動(dòng)性和不可靠訪問：借助不可靠的無線訪問，移動(dòng)設(shè)備才能夠?qū)崿F(xiàn)對MEC服務(wù)的連接，另外與網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)也會(huì)時(shí)常更換。MEC服務(wù)實(shí)際上能夠借助移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)交付，機(jī)動(dòng)性支持對于MEC來說十分關(guān)鍵。（6）極低延遲：MEC是有幾率實(shí)現(xiàn)極低延遲的，類似一毫秒到幾毫秒，來支持觸覺Internet應(yīng)用程序，例如虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人技術(shù)以及交互式實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)。這些對延遲非常敏感的應(yīng)用程序，所要求得是以人類觸覺響應(yīng)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的端到端延遲。（7）與中央云的相互作用：MEC是對傳統(tǒng)中央云的添補(bǔ)，而非替代。MEC靠近移動(dòng)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)包含上下文感知與低延遲的本地化處理，至于傳統(tǒng)云則是實(shí)現(xiàn)具有更優(yōu)秀計(jì)算和存儲(chǔ)能力的集中化全局。很多應(yīng)用程序或許在跨越移動(dòng)終端設(shè)備和MEC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后才能執(zhí)行。1.1.2移動(dòng)邊緣計(jì)算架構(gòu)MEC提供的是一種分布式計(jì)算環(huán)境，能夠?qū)?yīng)用程序與服務(wù)部署在無線訪問網(wǎng)絡(luò)中，其關(guān)鍵元素MEC服務(wù)器，能提供計(jì)算資源與存儲(chǔ)資源，并具有連接性及對無線電和網(wǎng)絡(luò)信息的訪問能力。MEC服務(wù)器能夠嵌入或是與無線網(wǎng)絡(luò)元素（例如AP、BS、交換機(jī)、路由器、無線電網(wǎng)絡(luò)控制器和小區(qū)聚合站點(diǎn)等）共置。通常，最終用戶移動(dòng)設(shè)備或傳感器也能夠作為MEC服務(wù)器，并提供部分計(jì)算功能為運(yùn)行在其上的應(yīng)用程序所使用。所以，MEC可以在這些網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備元素之上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和服務(wù)的托管，也就是說在網(wǎng)絡(luò)層之上，不但可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，而且還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)處理和緩存。MEC是通用的，并且開放支持各種應(yīng)用程序、軟件服務(wù)以及平臺(tái)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)。除了用戶能夠提出服務(wù)和卸載工作需求之外，網(wǎng)絡(luò)還能夠基于網(wǎng)絡(luò)條件和上下文判斷自動(dòng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理，而第三方能夠借助開放的管理界面租用資源并部署新服務(wù)。這種具有智能計(jì)算能力的邊緣網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)不只是對傳統(tǒng)云架構(gòu)的淺易擴(kuò)充，因?yàn)槠洫?dú)特的特性與要求，例如異構(gòu)性、實(shí)時(shí)無線電和網(wǎng)絡(luò)信息的公開以及各種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)服務(wù)，督促生成了一種新的MEC服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。如圖1.1與1.2，展示了MEC的分布情況與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。圖1.1MEC的分布情況示意圖圖1.2MEC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)情況示意圖MEC服務(wù)器具有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)管理界面，根據(jù)需求，外部管理系統(tǒng)能夠依靠該界面在MEC服務(wù)器上創(chuàng)建和管理計(jì)算實(shí)例或虛擬機(jī)（VM）。每一個(gè)虛擬機(jī)皆具備相應(yīng)的系統(tǒng)資源容量，例如CPU速度、內(nèi)核數(shù)、存儲(chǔ)容量和內(nèi)存大小。創(chuàng)建虛擬機(jī)后，即可將其用于承載應(yīng)用程序并通過應(yīng)用程序平臺(tái)執(zhí)行程序。在無線訪問網(wǎng)絡(luò)的不同位置和層次級(jí)別里，多個(gè)MEC服務(wù)器能夠被分別部署，并且每個(gè)服務(wù)器可以承載多個(gè)虛擬應(yīng)用程序?qū)嵗?，因此MEC可用于與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP協(xié)議棧協(xié)作，來提供Web服務(wù)（WS）以及其他服務(wù)。而關(guān)于MEC應(yīng)用程序平臺(tái)，其中包含了一個(gè)MEC虛擬化管理器以及一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）控制器，并且能夠提供多個(gè)MEC應(yīng)用程序平臺(tái)服務(wù)。通過提供IaaS設(shè)施，MEC虛擬化管理器實(shí)現(xiàn)環(huán)境支持托管，而IaaS控制器則為MEC平臺(tái)與應(yīng)用程序保障了安全性并供應(yīng)資源沙箱（即虛擬環(huán)境）。MEC應(yīng)用程序平臺(tái)包含四項(xiàng)主要服務(wù)類別，即流量卸載功能（TOF）、無線電網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（RNIS）、服務(wù)注冊表和通信服務(wù)。運(yùn)營商則借助MEC應(yīng)用程序平臺(tái)管理界面進(jìn)行相應(yīng)管理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序配置并控制生命周期，以及進(jìn)行VM操作管理。在MEC應(yīng)用程序平臺(tái)之上，MEC應(yīng)用程序在VM內(nèi)部署和執(zhí)行，由VM的相關(guān)應(yīng)用程序管理系統(tǒng)執(zhí)管，并且與MEC服務(wù)器/平臺(tái)和其它MEC應(yīng)用程序無關(guān)。1.1.3移動(dòng)邊緣計(jì)算應(yīng)用場景基于MEC所具備屬性，MEC的應(yīng)用場景通常包括以下內(nèi)容：（1）延遲敏感的應(yīng)用程序。由于該過程可以在邊緣執(zhí)行，并且數(shù)據(jù)不必在最終設(shè)備和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間在網(wǎng)絡(luò)上來回傳輸，因此可以減少延遲，對于延遲敏感的應(yīng)用程序（例如實(shí)時(shí)流量控制）來說，其用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求能夠受到有效的滿足和保障。（2）需要適應(yīng)本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和要求的應(yīng)用程序。像是伴隨著逐漸惡化的無線電信道條件和不斷增加的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，諸如網(wǎng)絡(luò)內(nèi)視頻轉(zhuǎn)碼的邊緣應(yīng)用通過利用MEC技術(shù)來適應(yīng)視頻數(shù)據(jù)速率，以此去解決可用帶寬減少的難題。并且，根據(jù)本地的網(wǎng)絡(luò)需求，運(yùn)營商能夠借助邊緣計(jì)算功能來實(shí)施防火墻、VPN和其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)服務(wù)的部署。（3）具有本地性質(zhì)或本地上下文的應(yīng)用程序。本地應(yīng)用程序（例如本地信息共享、本地人群感知、本地廣告插入等）的性能是能夠借助位置信息、本地計(jì)算功能以及用戶上下文來提高的，原因是數(shù)據(jù)處理與計(jì)算是在本地以較小的數(shù)據(jù)集進(jìn)行的，從而減少了開銷。由于移動(dòng)用戶的位置不會(huì)從無線訪問網(wǎng)絡(luò)中被發(fā)送出去，因此也增加了隱私程度。（4）需要處理和聚合數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。由于在網(wǎng)絡(luò)邊緣為某些應(yīng)用（例如視頻監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析和安全監(jiān)控等）搜聚到了大量數(shù)據(jù)，因此可以通過MEC來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析與匯總，然后把結(jié)果發(fā)送至中央云。邊緣的處理將大大減少原本需要通過Internet傳送到中央云的數(shù)據(jù)量，并節(jié)省了帶寬和云存儲(chǔ)。除此之外可以注意到，與跨域Internet鏈接相比，無線訪問網(wǎng)絡(luò)中的帶寬可能要高得多，單個(gè)應(yīng)用程序可能有多個(gè)任務(wù)的存在。在這里，任務(wù)是要執(zhí)行的計(jì)算工作或功能，分布在不同實(shí)體或虛擬機(jī)（VM）上的進(jìn)程或線程可以實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)的執(zhí)行。通過以最小的延遲將部分復(fù)雜的任務(wù)從移動(dòng)設(shè)備卸載到擁有更豐富功能的邊緣節(jié)點(diǎn)，某些時(shí)間要求緊迫和高帶寬的應(yīng)用程序?qū)⒃贛EC的幫助下變得可行，在這之前，這些應(yīng)用程序是無法得到很好的服務(wù)的。MEC可以說是一種非常創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)樣例，可以應(yīng)對日趨增長的計(jì)算需求帶來的挑戰(zhàn)并包容不斷拔高的用戶需求標(biāo)準(zhǔn)。MEC旨在利用卸遷大量的計(jì)算與存儲(chǔ)至網(wǎng)絡(luò)邊緣，在最終用戶周邊實(shí)現(xiàn)云計(jì)算功能與IT服務(wù)。無線通信、移動(dòng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器之間的直接交互，為支持具有極低等待時(shí)間要求的應(yīng)用程序、延長設(shè)備電池壽命以及促進(jìn)高效網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了可能性。不過，由于諸如復(fù)雜的無線環(huán)境和MEC服務(wù)器固有的計(jì)算能力限制等原因，MEC也伴隨著各種新的設(shè)計(jì)考慮因素和獨(dú)特的挑戰(zhàn)，例如網(wǎng)絡(luò)整合技術(shù)、應(yīng)用程序可移植性、安全性、滿足法規(guī)和法律要求情況下的開發(fā)等多種方面的問題。MEC想要更好的運(yùn)用到當(dāng)下，出現(xiàn)在更豐富更創(chuàng)新的應(yīng)用空間中，還需要不斷地研究與拓展。1.2MEC中計(jì)算任務(wù)卸載概述1.1.1計(jì)算卸載基本過程移動(dòng)應(yīng)用程序通常會(huì)運(yùn)用到大量資源以及計(jì)算，并產(chǎn)生高能耗，而物理尺寸的既定存在限制了移動(dòng)設(shè)備所能夠擁有的計(jì)算資源和電池容量。受限于計(jì)算和能量資源，如何確保移動(dòng)應(yīng)用程序的運(yùn)行效率并改善用戶體驗(yàn)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。任務(wù)卸載是一種有效的技術(shù)，可以通過將一些計(jì)算任務(wù)卸載到云來有效地減輕負(fù)載[34]，計(jì)算資源會(huì)被運(yùn)送至資源相對受限的設(shè)備，使其能夠進(jìn)行計(jì)算密集型應(yīng)用的運(yùn)行。針對具有順序拓?fù)涞膽?yīng)用，研究人員們提出了大多數(shù)現(xiàn)有的任務(wù)卸載方法，通常是使用了整數(shù)線性規(guī)劃和貪婪算法來獲得最佳的卸載策略[35]。不過，在大多數(shù)情況下，許多應(yīng)用程序都被建模為通用拓?fù)?，可以通過在其中引入?yún)f(xié)作任務(wù)執(zhí)行并且作為約束延遲的工作流調(diào)度問題[36]，以此讓具有延遲約束的移動(dòng)設(shè)備上的能耗能夠在盡可能的范圍內(nèi)被有效降低。計(jì)算卸載通常指的是將運(yùn)算量多的任務(wù)恰當(dāng)規(guī)劃給代理服務(wù)器，再將運(yùn)算結(jié)果由計(jì)算資源充足的服務(wù)器中拿回。計(jì)算卸載的基本過程可以簡略由下面這幾個(gè)步驟構(gòu)成，如圖1.3所示：圖1.3計(jì)算卸載流程示意圖（1）發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)：查找能夠用于后續(xù)卸載程序計(jì)算的MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的MEC服務(wù)器，也可以位于云中心的高性能服務(wù)器。（2）程序切割：分割正在等待辦理的任務(wù)程序，盡可能保證在這個(gè)過程里被劃分的程序功能是完善無缺的，為后續(xù)卸載做好準(zhǔn)備。（3）卸載決策：作為計(jì)算卸載中的關(guān)鍵步驟，主要討論能否開始程序卸載、卸載至MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)的是程序的什么模塊等問題。而卸載策略包含了動(dòng)態(tài)卸載與靜態(tài)卸載兩種情況，動(dòng)態(tài)卸載策略意為參照卸載過程中的具體情況實(shí)現(xiàn)對卸載程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)籌劃的策略，而靜態(tài)卸載策略指在卸載進(jìn)行前已經(jīng)規(guī)劃好需要卸載的全部程序塊的策略。（4）程序傳輸：將移動(dòng)設(shè)備卸載的劃分計(jì)算程序通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi送到移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。（5）執(zhí)行計(jì)算：移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)對卸載到服務(wù)器的程序進(jìn)行計(jì)算，過程利用到云端為任務(wù)啟動(dòng)的虛擬機(jī)，使得任務(wù)能夠在VM中執(zhí)行而不對用戶端產(chǎn)生影響。（6）計(jì)算結(jié)果回傳：作為計(jì)算卸載流程中的最終片段，把移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)算加工完成后的結(jié)果遷回用戶的移動(dòng)設(shè)備終端?？偭鞒痰酱私Y(jié)束，移動(dòng)終端與云端連接中斷。1.1.2計(jì)算卸載決策計(jì)算卸載過程中存在無線信道通信狀態(tài)、用戶習(xí)慣、移動(dòng)設(shè)備性能、回程連接質(zhì)量和云服務(wù)器可用性等多種因素的影響，所以如何挑選出一個(gè)恰當(dāng)?shù)男遁d決策是計(jì)算卸載的重點(diǎn)。據(jù)此，邊緣計(jì)算社區(qū)對計(jì)算卸載任務(wù)的性能需求展開了分析，并圍繞計(jì)算卸載策略研究做了一個(gè)淺易的闡述。當(dāng)前情況下，一般會(huì)用時(shí)延與能耗來衡量計(jì)算卸載的性能，而計(jì)算時(shí)延和能耗的手段存在這樣兩種情形。在沒有進(jìn)行計(jì)算卸載時(shí)，時(shí)間延遲等同于處理本地計(jì)算時(shí)移動(dòng)設(shè)備終端所需消耗的時(shí)間，而能量消耗等同于處理本地計(jì)算時(shí)移動(dòng)設(shè)備終端需要耗損的能量。而在計(jì)算卸載中，將數(shù)據(jù)卸載至MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間、MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的處理執(zhí)行時(shí)間以及從MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)處理結(jié)果的傳輸時(shí)間，這三種時(shí)間總和稱為時(shí)間延遲，而能耗包含了從卸載數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC計(jì)算節(jié)點(diǎn)的能耗，以及從MEC計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)處理結(jié)果的傳輸能耗。卸載決策（UE）決定了能否進(jìn)行卸載以及卸載多少的情況。UE分為代碼解析器、決策引擎和系統(tǒng)解析器這幾個(gè)構(gòu)成部分，卸載決策的實(shí)現(xiàn)存在三個(gè)流程。起初，由代碼解析器查看應(yīng)用程序類型以及代碼/數(shù)據(jù)分區(qū)，以明確能夠協(xié)同幫助執(zhí)行的任務(wù)。其次，所需的參數(shù)，例如可用的帶寬、需要卸載的數(shù)據(jù)多少或是運(yùn)轉(zhuǎn)本地應(yīng)用程序造成的能耗等，由系統(tǒng)解析器進(jìn)行看管。最終，決策引擎會(huì)判定能否開展卸載工作。通常，計(jì)算卸載決策包含這三種情況:（1）本地執(zhí)行（localexecution）：整個(gè)計(jì)算任務(wù)都在移動(dòng)設(shè)備端本地處理。（2）完全卸載(fulloffloading)：整個(gè)計(jì)算都遷至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。（3）部分卸載（partialoffloading）：在本地完成個(gè)別的計(jì)算加工，卸載其余計(jì)算到MEC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)處理。1.1.3影響計(jì)算卸載決策的因素影響不同決策方案的因素主要是UE的能耗和完成計(jì)算任務(wù)的延時(shí)。做出卸載決策時(shí)應(yīng)當(dāng)兼顧計(jì)算延遲，合理的計(jì)算延遲才能夠保障用戶的體驗(yàn)，而相對的，過大的計(jì)算延遲有幾率致使耦合程序由于無法得到足用的計(jì)算結(jié)果而出現(xiàn)異常運(yùn)作的情況。所以，不論是怎樣的卸載決策都起碼應(yīng)當(dāng)遵循在移動(dòng)設(shè)備程序許可的時(shí)間延遲限制范圍內(nèi)。同時(shí)，能耗問題也需要予以關(guān)注，過高的能耗會(huì)加速移動(dòng)設(shè)備終端的電池消耗，而能耗的最小化就意味著最大程度地在時(shí)延條件的限制范圍內(nèi)降低能量消耗值。針對部分應(yīng)用程序來說，如果沒有將某個(gè)指標(biāo)的延遲或能量降到最低的需求，就可以依照程序應(yīng)用的詳細(xì)需求來給出延遲和能耗指標(biāo)各自的加權(quán)值，令兩個(gè)值的總和最小，也就等同于擁有最低的總成本，使用這種卸載決策來最大限度地增加收益。卸載決策選定后，需要開展計(jì)算資源的合理支分規(guī)劃。類似于計(jì)算決策，應(yīng)用是否可以劃分進(jìn)行并計(jì)算會(huì)影響服務(wù)端計(jì)算執(zhí)行地點(diǎn)的選擇。應(yīng)用程序若是不具備分割性和并行計(jì)算性，就僅有一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)能提供至本次計(jì)算。反之，如若應(yīng)用程序是具備可分割性且能夠?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算的，則卸載程序?qū)⒛軌蛟诓煌摂M機(jī)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算。1.3數(shù)據(jù)緩存概述1.3.1數(shù)據(jù)緩存基本概念數(shù)據(jù)緩存是一種將移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用程序所需必不可少的數(shù)據(jù)復(fù)制到邊緣服務(wù)器緩存的技術(shù)[37]，而MEC數(shù)據(jù)緩存的關(guān)鍵就在于權(quán)衡數(shù)據(jù)庫和有限的存儲(chǔ)容量。MEC所擁有的特點(diǎn)使得移動(dòng)設(shè)備可以更容易獲得所需的數(shù)據(jù)資源，對設(shè)備端的服務(wù)請求也能夠?qū)崿F(xiàn)快速的相應(yīng)，而實(shí)現(xiàn)這些過程的前提便是在移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)所緩存的數(shù)據(jù)資源。由于MEC的節(jié)點(diǎn)是不具備類似云計(jì)算擁有的強(qiáng)大存儲(chǔ)能力的，所以需要采用合理的數(shù)據(jù)緩存策略使得移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存能夠最大化價(jià)值的數(shù)據(jù)。這也就意味著，MEC中的數(shù)據(jù)緩存工作是基于低成本、高收益、優(yōu)質(zhì)服務(wù)這些目的，來分析在有限存儲(chǔ)空間的條件下應(yīng)當(dāng)緩存哪些數(shù)據(jù)資源，以及采用何等策略來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在大多數(shù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)緩存工作中，緩存的內(nèi)容是計(jì)算結(jié)果的一部分，可以由其他用戶重用。例如有研究人員們在MEC中調(diào)查了協(xié)作式多比特率視頻緩存和處理情況[38]，其中游戲渲染的視頻（例如游戲場景）可以被其他玩家重用。不過，現(xiàn)有的許多數(shù)據(jù)緩存策略并沒有考慮到用戶對計(jì)算結(jié)果的要求方面差異，因此，如何設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的數(shù)據(jù)緩存策略來減少移動(dòng)設(shè)備的總延遲與能耗仍然是一個(gè)值得關(guān)注的重點(diǎn)。1.3.2數(shù)據(jù)緩存的研究內(nèi)容傳統(tǒng)的緩存技術(shù)里，在Web上進(jìn)行緩存的第一種方法是在Web瀏覽器中建立客戶端本地磁盤，研究人員們很快意識(shí)到，可以將內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的概念擴(kuò)展到將Web服務(wù)器視為另一種外部內(nèi)存級(jí)別。因?yàn)榫彺娴挠行匀Q于請求同一數(shù)據(jù)的次數(shù)，所以很明顯，如果在多個(gè)用戶之間共享緩存，則實(shí)現(xiàn)的收益將顯著增加。這些事實(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)了現(xiàn)在在Web上使用的第二種緩存方法，即緩存代理的發(fā)展，代理即充當(dāng)用戶計(jì)算機(jī)與外界之間的中間件。從用戶的角度來看，代理就像Web服務(wù)器一樣工作，每個(gè)請求都發(fā)送到代理并由代理回答。從服務(wù)器的角度來看，代理的行為類似于客戶端，能夠?qū)⒄埱筠D(zhuǎn)遞到原始Web服務(wù)器。因此，代理是第二級(jí)緩存的理想位置，能夠在多個(gè)用戶之間共享，數(shù)據(jù)被多次訪問的可能性也因此增加，具有在本地計(jì)算機(jī)與外界之間充當(dāng)防火墻的顯著優(yōu)勢。而在傳統(tǒng)的緩存技術(shù)之外，也存在著許多不同的緩存技術(shù)。其中之一例如，推挽緩存技術(shù)，在進(jìn)行任何進(jìn)一步操作之前，需要在“推”和“拉”緩存之間進(jìn)行區(qū)分。拉緩存由客戶端啟動(dòng)，而推緩存是由Web服務(wù)器啟動(dòng)的。創(chuàng)建推式緩存是為了緩解Internet用戶所面臨的信息過載和低帶寬等問題。在基于推式的數(shù)據(jù)傳遞中，服務(wù)器會(huì)跟蹤已請求對象的所有代理，如果網(wǎng)頁已被修改，每個(gè)代理都將會(huì)被通知，并且當(dāng)客戶端請求文件時(shí)，將從代理的緩存中為其提供服務(wù)，而不是直接將請求提交到服務(wù)器。借此可以提高網(wǎng)絡(luò)利用率。服務(wù)器和代理之間有指示對象已更改和發(fā)送對象新版本這兩種通知，服務(wù)器必須選擇的通知類型取決于修改發(fā)生的速率，而更新通知可用于頻繁更改的對象，無效則可用于休息?；诶〉臄?shù)據(jù)傳遞也稱為需求數(shù)據(jù)傳遞。在基于拉取的緩存方法中，當(dāng)客戶端請求文檔時(shí)，代理會(huì)從服務(wù)器請求數(shù)據(jù)項(xiàng)。這個(gè)過程里，代理可以代替客戶端直接向服務(wù)器發(fā)送請求，可以為客戶端對同一文件的后續(xù)請求提供服務(wù)。在基于拉的方法中，代理完全負(fù)責(zé)保持一致性，通過在緩存的文檔上設(shè)置TTL來保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，并且將一直提供到TTL過期為止。數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的最終用途是在網(wǎng)絡(luò)上施加更少的開銷并占用更少的資源，同時(shí)令更多數(shù)據(jù)可供用戶使用。因此，緩存系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)具有更多理想的功能，包括透明性、可伸縮性、高效率、穩(wěn)定性和簡單性。1.4李雅普諾夫優(yōu)化理論1.4.1李雅普諾夫優(yōu)化概念李雅普諾夫（Lyapunov）優(yōu)化是指借助李雅普諾夫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在最佳下情況下被控制。Lyapunov函數(shù)在控制理論中被頻繁運(yùn)用，來維護(hù)多種形式下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。一般是利用多維矢量來規(guī)劃表述系統(tǒng)在特定時(shí)間的狀態(tài)，Lyapunov函數(shù)則為此多維狀態(tài)的非負(fù)標(biāo)量度量。在平時(shí)的情況中，當(dāng)系統(tǒng)朝非希望狀態(tài)的方向發(fā)展時(shí)將函數(shù)設(shè)定為變大，此時(shí)依靠令Lyapunov函數(shù)朝負(fù)方向漂移至零的控制動(dòng)作，去幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。Lyapunov漂移對排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)控制的相關(guān)研究來說至關(guān)重要，關(guān)鍵性目的就是實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列的穩(wěn)定，并兼具某些性能指標(biāo)的優(yōu)化，例如平均能量的最小化或是平均吞吐量的最大化。最小化二次Lyapunov函數(shù)的漂移能夠獲得有關(guān)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的背壓路由算法，也稱為最大權(quán)重算法。而在Lyapunov漂移中添加加權(quán)罰分項(xiàng)并最小化其總和，能夠得到漂移加罰分算法，用于聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和罰分最小化[39]，也可以用于計(jì)算凸程序和找到線性程序的解[40]。Lyapunov穩(wěn)定性的概念在控制和系統(tǒng)理論中扮演重要角色，能夠確保研究模型的穩(wěn)定性?；贚yapunov函數(shù)的策略方法被廣泛用于非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，Lyapunov理論的有效利用已經(jīng)可以涉及到自適應(yīng)濾波技術(shù)，例如有限沖激響應(yīng)（FIR）和無限沖激響應(yīng)（IIR）自適應(yīng)濾波器。通過顯示Lyapunov函數(shù)的存在，可以保證Lyapunov穩(wěn)定性，并且在其他條件下，可以保證軌跡收斂到平衡點(diǎn)，而無需計(jì)算非線性系統(tǒng)的軌跡。1.4.2排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的李雅普諾夫漂移考慮一個(gè)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，在離散時(shí)間中以標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)隙t在中演化。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)隊(duì)列，并通過以下方式定義在時(shí)間t處的隊(duì)列積壓向量：(1.1)主要進(jìn)行如下三個(gè)要點(diǎn)的介紹：（1）二次Lyapunov函數(shù)。對于每個(gè)時(shí)隙t，將L(t)定義為當(dāng)前隊(duì)列積壓的平方和（為方便起見，除以2）：(1.2)以上表述網(wǎng)絡(luò)中總隊(duì)列積壓的標(biāo)量，在隊(duì)列狀態(tài)里被稱作二次Lyapunov函數(shù)。將Lyapunov漂移表述為此函數(shù)從一個(gè)時(shí)間隙至另一個(gè)時(shí)間隙的變化：(1.3)（2）邊界Lyapunov漂移。假設(shè)隊(duì)列積壓量根據(jù)以下等式隨時(shí)間變化：,(1.4)其中和分別是時(shí)隙t上隊(duì)列i中的到達(dá)和服務(wù)機(jī)會(huì)。則以下公式可用于計(jì)算任何時(shí)隙t的Lyapunov漂移的界：(1.5)重新排列該不等式，對所有i求和，然后除以2，得出如下公式：(1.6)其中B(t)定義為：(1.7)假設(shè)每個(gè)隊(duì)列于隨意時(shí)隙上的綜合都是有界的，因此具備一個(gè)有限常數(shù)B>0，使得對于所有t和所有可能的隊(duì)列向量Q(t)，以下屬性均成立：(1.8)取公式（1.6）的有條件期望,可以求得有條件預(yù)期Lyapunov漂移的界線公式如下：(1.9)（3）一個(gè)基本的Lyapunov漂移定理。在許多情況下，可以通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，以使每個(gè)隊(duì)列的到達(dá)和服務(wù)之間的差異滿足某些實(shí)數(shù)的以下屬性：(1.10)如果說，以上對于所有隊(duì)列i，所有時(shí)隙t和所有可能的向量Q(t)都適用于相同的，則公式（1.9）可以被簡化為以下Lyapunov漂移定理中使用的漂移條件。下述的定理則可以看作是馬爾可夫鏈的福斯特定理的變體，但是馬爾可夫鏈結(jié)構(gòu)在這其中并不必需。假設(shè)存在常數(shù)，，使得對于所有t和所有可能的向量Q(t)，條件Lyapunov漂移都能夠滿足，則：(1.11)然后，對于所有t>0的時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間平均隊(duì)列大小滿足：(1.12)證明如下：取漂移不平等雙方的期望并使用迭代期望定律可得出：(1.13)總結(jié)以上情況中的表達(dá)式，并根據(jù)伸縮和定律得出：(1.14)利用L(t)為非負(fù)數(shù)的事實(shí)并重新排列上述表達(dá)式中的項(xiàng),即可以證明結(jié)果。 1.4.3排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的李雅普諾夫優(yōu)化基于與上一節(jié)相同的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，將p(t)定義為在時(shí)隙t上引起的網(wǎng)絡(luò)損失。將目標(biāo)假設(shè)為最小化p(t)的平均時(shí)間，并同時(shí)穩(wěn)定排隊(duì)