張 鵬，侯文靜，文 紅，郭 娟，費靈芝

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）和第六代無線移動網(wǎng)絡(luò)（6G）的發(fā)展，連接到網(wǎng)絡(luò)的智能終端數(shù)量急劇增加。智能終端的實時應(yīng)用導(dǎo)致邊緣計算技術(shù)飛速發(fā)展。邊緣計算靠近終端設(shè)備，可以快速完成任務(wù)。然而，由于多維網(wǎng)絡(luò)資源和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的共存，難以滿足終端設(shè)備對超低等待時間、高可靠性和低功耗服務(wù)的需求?；贑ybertwin 的邊緣計算體系結(jié)構(gòu)以分布式方式分配計算、通信和緩存資源，與邊緣云、核心云和終端設(shè)備協(xié)作提供高效的計算服務(wù)。

為了確保系統(tǒng)的安全性、可靠性和高效性，本文提出了一種基于Cybertwin 和區(qū)塊鏈相結(jié)合的架構(gòu)，用于調(diào)度和管理云服務(wù)資源。首先，Cybertwin在邊緣云上收集終端設(shè)備的狀態(tài)信息。對于收集到的終端設(shè)備狀態(tài)信息，在邊緣主導(dǎo)系統(tǒng)下建立多維資源管理模型，從而描述針對不同類型任務(wù)的不同處理方法，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。其次，建立基于區(qū)塊鏈和Cybertwin 技術(shù)協(xié)作的多維資源管理架構(gòu)，以確保系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。最后，建立不同任務(wù)處理方式的成本模型和效率模型，以評估多維資源管理系統(tǒng)的效率。

1 資源調(diào)度模型

在Cybertwin 網(wǎng)絡(luò)合作計算任務(wù)的場景中，主要包含核心云、邊緣云（Edge Cloud，EC）、Cybertwin 和終端設(shè)備4 個組件[2]。Cybertwin 網(wǎng)絡(luò)智能代理在邊緣云和核心云的協(xié)同中最終將服務(wù)交付給終端。所有邊緣云表示的集合為K={1,2,L,K}，邊緣云k∈K，可用頻譜、計算和緩存資源表示為終端設(shè)備的集合表示為N={1,2,…,N}。每個終端設(shè)備i∈N在一個時隙中生成的計算密集型任務(wù)表示為Di(t)={si(t),ωi(t),τi(t)}，其中si(t)、ωi(t)、τi(t)分別表示數(shù)據(jù)大小、計算資源和可以容忍的最大延遲。對于每個終端設(shè)備的計算密集型任務(wù)，既可以在本地設(shè)備上執(zhí)行，也可以卸載到邊緣云執(zhí)行，或者通過邊緣云卸載到相鄰的邊緣云及更遠(yuǎn)的核心云。因此，選擇合適的任務(wù)卸載策略對系統(tǒng)效率具有重要影響。

現(xiàn)有工作很少在終端計算任務(wù)中區(qū)分延遲敏感任務(wù)和延遲容忍任務(wù)，而這種混合傳輸策略會導(dǎo)致無線資源的過度消耗和服務(wù)質(zhì)量的嚴(yán)重下降。因此，本文設(shè)計了一個分層的任務(wù)處理和多維資源分配策略，對時延敏感的任務(wù)作邊緣協(xié)作計算處理，包括本地執(zhí)行、卸載到邊緣云以及卸載到相鄰邊緣云執(zhí)行幾種方式[3]。此外，本文對延遲容忍的任務(wù)提出了一種混合的替代計算處理方法，包括分流到核心云和分流到其他設(shè)備（Device-to-Device，D2D）兩種方式。

1.1 通信模型

1.1.1 終端設(shè)備到邊緣云側(cè)

如果將任務(wù)卸載到邊緣云k∈K，則可用帶寬為且Nedge是上行鏈路信道的總數(shù)，Nedge是上行鏈路信道的集合，每個子信道的帶寬是Nedge，則上行鏈路傳輸速率可表示為：

1.1.2 邊緣云到邊緣云

如果邊緣云k將終端設(shè)備i的任務(wù)卸載到相鄰邊緣云j∈中以供執(zhí)行，則總可用帶寬為Ne2e是上行鏈路信道的總數(shù)，且Ne2e是上行鏈路信道的集合。每個子信道的帶寬為則上行傳輸速率可表示為：

1.1.3 D2D 通信

設(shè)備之間的無線通信數(shù)據(jù)傳輸速率與設(shè)備的傳輸功率、信道干擾和帶寬有關(guān)。表示與終端設(shè)備建立通信連接的設(shè)備集合?？偪捎脦挒槠渲蠳d2d為上行通道總數(shù)，Nd2d是上行通道的集合，每個子通道的帶寬是因此，上行傳輸速率為：

1.2 計算模型

1.2.1 本地執(zhí)行任務(wù)

設(shè)備的執(zhí)行時間為：

執(zhí)行任務(wù)的能耗為：

1.2.2 將任務(wù)卸載到邊緣云

邊緣云任務(wù)執(zhí)行延遲可以表示為：

能耗可表示為：

1.2.3 將任務(wù)卸載到鄰近的邊緣云

任務(wù)執(zhí)行延遲可以表示為：

能耗可表示為：

1.2.4 將任務(wù)卸載到云服務(wù)器進(jìn)行處理

云服務(wù)器任務(wù)執(zhí)行延遲為：

能耗可表示為：

1.2.5 將任務(wù)卸載到其他設(shè)備（D2D）

總?cè)蝿?wù)執(zhí)行延遲可以表示為：

能耗可表示為：

2 基于區(qū)塊鏈的資源管理

2.1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)及特性

區(qū)塊鏈常見模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，各層相互配合實現(xiàn)去中心化信任機制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

WEI Dong-po, JIANG Wei-wei, WANG Sheng-yun, HE Chao, LI Wen-fang

圖1 區(qū)塊鏈模型結(jié)構(gòu)

不可篡改性。由于區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，某個區(qū)塊中的交易被篡改，會導(dǎo)致根哈希發(fā)生變化而影響后續(xù)所有區(qū)塊產(chǎn)生改變，因此篡改一個區(qū)塊的數(shù)據(jù)需要篡改后續(xù)所有區(qū)塊[4]。

去中心化性。區(qū)塊鏈中節(jié)點在信息傳輸時先進(jìn)行身份驗證，成功后會把接收到的信息共享在整個系統(tǒng)。每個節(jié)點可以階段性成為中心，但共識算法保證了少數(shù)節(jié)點難以控制整個系統(tǒng)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的權(quán)利義務(wù)都是對等的[5]。

可追溯性。區(qū)塊鏈中的交易完成后，各種交易信息會加入時間戳形成一個新的區(qū)塊加進(jìn)鏈中，因此所有的交易都可以通過區(qū)塊鏈賬本查詢，隨時準(zhǔn)備查看和驗證，保證了信息傳輸安全。

智能合約性。智能合約是一種數(shù)字形式的承諾，在區(qū)塊鏈中合約內(nèi)容公開且不可更改，被各個節(jié)點共同維護(hù)，可以永久運行，保證了不在第三方的公證參與下自動強制執(zhí)行合約，強化了節(jié)點間的互信機制。

2.2 結(jié)合區(qū)塊鏈和Cybertwin 技術(shù)進(jìn)行資源管理

在邊緣計算場景下，邊緣服務(wù)器的安全措施比傳統(tǒng)云服務(wù)器薄弱，易受到網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點的攻擊[6]。如果邊緣服務(wù)器被惡意節(jié)點操縱，將影響該區(qū)域終端的計算任務(wù)，導(dǎo)致完成的計算任務(wù)結(jié)果不可信。該場景下迫切需要區(qū)塊鏈技術(shù)來保證終端計算任務(wù)的可信完成并正確返回給終端用戶[7]。因此，本文建立了邊緣計算場景下結(jié)合區(qū)塊鏈和Cybertwin 的資源管理模型。結(jié)合區(qū)塊鏈和Cybertwin 的資源管理系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈和Cybertwin 的資源管理系統(tǒng)

當(dāng)終端設(shè)備生成一個計算密集型任務(wù)直到結(jié)果返回到終端設(shè)備i時，過程如下：

（1）終端設(shè)備生成一個計算密集型任務(wù)ti，并將該任務(wù)及其任務(wù)類型發(fā)送給邊緣服務(wù)器k；

（2）邊緣服務(wù)器k的Cybertwin 根據(jù)其計算任務(wù)的類型t和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源選擇任務(wù)的處理策略；

（4）在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)Ne達(dá)成共識后，包含計算任務(wù)和相應(yīng)策略的事務(wù)將寫入?yún)^(qū)塊鏈分類帳；

（5）云服務(wù)器或邊緣云服務(wù)器對應(yīng)計算策略，完成計算任務(wù)t。

基于此架構(gòu)的資源管理系統(tǒng)，每個計算任務(wù)的執(zhí)行器和策略都將通過區(qū)塊鏈分類帳記錄下來[8]。根據(jù)計算任務(wù)的正確率，可以進(jìn)一步評估每個邊緣云的可信度。它可以用來判斷邊緣云是否被攻擊。如果邊緣云的信用值低于閾值，則視為無效服務(wù)器，將其移出區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

2.3 系統(tǒng)效率

2.3.1 時間成本

根據(jù)討論，設(shè)備總執(zhí)行時間可表示為：

2.3.2 能 耗

根據(jù)第1 部分的討論，設(shè)備總能耗可表示為：

2.3.3 區(qū)塊生成成本

根據(jù)區(qū)塊鏈的原理，區(qū)塊鏈的時間成本可表示為：

2.3.4 總成本

根據(jù)討論，設(shè)備總成本可表示為：

為了提高邊緣計算主導(dǎo)的Cybertwin 網(wǎng)絡(luò)的性能，需要處理盡可能多的任務(wù)，同時降低系統(tǒng)的處理成本。用任務(wù)處理成本和完成的任務(wù)數(shù)兩個因素來構(gòu)建系統(tǒng)的整體處理效率，可表示為：

最后，結(jié)合不同的任務(wù)處理方法和多維資源約束，以使系統(tǒng)整體處理效率η(t)最大化為目標(biāo)對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)性能對比如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)性能比較

3 結(jié)語

文章把計算密集的任務(wù)分為延遲敏感和延遲容忍兩種，并提出了不同的卸載策略來優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的多維資源調(diào)度和管理體系結(jié)構(gòu)，以保證其計算任務(wù)更可靠地完成。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)在保證可靠計算的同時，提高了系統(tǒng)效率。