楊冬雪 鄧榮

摘要：主要對(duì)車載邊緣計(jì)算環(huán)境中基于Linux平臺(tái)的FTP服務(wù)器集群進(jìn)行研究，首先對(duì)車載邊緣計(jì)算場(chǎng)景進(jìn)行分析，了解數(shù)據(jù)的來(lái)源以及傳輸方向，之后根據(jù)需求選擇使用FTP協(xié)議，搭建一個(gè)基于Linux平臺(tái)的FTP服務(wù)器集群，在服務(wù)器集群中提供FTP服務(wù)，實(shí)時(shí)上傳車載數(shù)據(jù)，有效避免車輛與云端服務(wù)器通信過程中會(huì)產(chǎn)生的高延時(shí)和數(shù)據(jù)量龐大的問題，提高道路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理效率。

關(guān)鍵詞：車載邊緣計(jì)算；FTP服務(wù)；服務(wù)器集群

中圖分類號(hào)：TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）31-0122-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來(lái)，隨著駕駛技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，伴隨著云計(jì)算技術(shù)以及云服務(wù)器的出現(xiàn)，在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中引入移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)被稱作車載邊緣計(jì)算技術(shù)（Vehicle Edge Computing，VEC） [1]，通過在路邊單元（Road Side Unit，RSU）上配備邊緣服務(wù)器，就近提供車輛所需數(shù)據(jù)處理計(jì)算服務(wù)，在道路場(chǎng)景中，產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)和連接，邊緣計(jì)算靠近數(shù)據(jù)終端側(cè)，可以及時(shí)處理對(duì)時(shí)延要求敏感的大量數(shù)據(jù)，這樣避免了云平臺(tái)因處理海量數(shù)據(jù)而出現(xiàn)延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況，可為車載用戶提供低時(shí)延、高帶寬、高可靠性的應(yīng)用服務(wù)。

車載邊緣計(jì)算需要將計(jì)算任務(wù)從云端遷移到車輛所在的邊緣設(shè)備上，并且通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行存儲(chǔ)和處理。通過FTP協(xié)議，用戶可以上傳和下載文件，其在車載邊緣計(jì)算中具有廣泛的應(yīng)用潛力，F(xiàn)TP具有高效的文件傳輸能力，能夠快速地傳輸大量的數(shù)據(jù)；其次，F(xiàn)TP支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；此外，F(xiàn)TP還支持多種安全協(xié)議和身份驗(yàn)證機(jī)制，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩Ｕ?。本文考慮車載邊緣計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)上傳問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)Linux服務(wù)器的集群，利用服務(wù)器集群的快速數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力，并在集群中提供FTP服務(wù)，上傳汽車實(shí)時(shí)行駛數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)，加強(qiáng)信息共享能力。

1 車載邊緣計(jì)算場(chǎng)景

車載邊緣計(jì)算技術(shù)（VEC） 是車聯(lián)網(wǎng)與MEC技術(shù)的結(jié)合，車載邊緣計(jì)算場(chǎng)景圖如圖1 所示，通常可以分為三個(gè)層次：邊緣節(jié)點(diǎn)層、邊緣網(wǎng)絡(luò)層和后端云層。每個(gè)層次具有不同的功能和職責(zé)[2]：

1） 邊緣節(jié)點(diǎn)層：由車、路邊單元、行人和紅綠燈等組成，包含車輛內(nèi)部的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)層負(fù)責(zé)接收、處理和存儲(chǔ)來(lái)自路邊單元和車載單元的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行本地計(jì)算任務(wù)，它包括了各種嵌入式系統(tǒng)或車載計(jì)算平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)響應(yīng)車輛的需求，提供邊緣計(jì)算的能力，在這一層可以實(shí)現(xiàn)車與車、車與人、車與路之間的通信。

2） 邊緣網(wǎng)絡(luò)層：由基站和邊緣服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)連接車輛內(nèi)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與后端云層之間的通信，可以及時(shí)處理路邊單元和車載單元上傳的低時(shí)延數(shù)據(jù)，將邊緣節(jié)點(diǎn)層收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，并通過基站將邊緣網(wǎng)絡(luò)層和后端云層處理完成后的數(shù)據(jù)返還至車輛。邊緣網(wǎng)絡(luò)層提供網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，邊緣層通常使用各種通信技術(shù)，如4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)牙等，實(shí)現(xiàn)車輛與邊緣網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3） 后端云層：由云服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)接收、處理和存儲(chǔ)來(lái)自車輛節(jié)點(diǎn)和其他邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。它提供強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，支持大規(guī)模數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和決策制定。后端云層可以執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用程序任務(wù)，并通過邊緣網(wǎng)絡(luò)層與車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

這三個(gè)層次協(xié)同工作，使得車載邊緣計(jì)算能夠在車輛內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和決策，減少了與后端云服務(wù)器的延遲和數(shù)據(jù)傳輸量。

2 FTP協(xié)議

FTP （File Transfer Protocol） [3]，文件傳輸協(xié)議，可跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，是應(yīng)用最廣泛的文件傳輸應(yīng)用之一。FTP工作在網(wǎng)絡(luò)OSI參考模型中的第七層，TCP/IP模型的第四層，提供文件傳輸和管理功能。TCP通過一系列策略保證傳輸過程中的可靠性，建立在TCP基礎(chǔ)上的FTP協(xié)議，在文件傳輸過程中也是非?？煽康模圆捎肍TP進(jìn)行文件傳輸時(shí)除非提示有錯(cuò)誤，否則不會(huì)出現(xiàn)任何傳輸問題。

FTP的基本模型如圖2所示，采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，即C/S模式，其中客戶端是發(fā)送文件或請(qǐng)求文件的一方，而服務(wù)器是存儲(chǔ)文件和響應(yīng)客戶端請(qǐng)求的一方。在普遍使用的HTTP通信過程中，只需要建立一個(gè)連接就可以傳輸數(shù)據(jù)，但在FTP通信過程中，在客戶端與服務(wù)器進(jìn)行文件傳輸?shù)倪^程中須使用兩個(gè)連接，控制連接和數(shù)據(jù)連接，分別負(fù)責(zé)命令請(qǐng)求與交互和數(shù)據(jù)傳輸。

在FTP協(xié)議進(jìn)行文件傳輸時(shí)，客戶端與服務(wù)器通過TCP建立連接，客戶端首先使用默認(rèn)的21號(hào)端口向服務(wù)器發(fā)出控制連接請(qǐng)求，隨后服務(wù)器使用20號(hào)端口與客戶端建立數(shù)據(jù)連接。正是由于FTP采用兩個(gè)獨(dú)立連接的優(yōu)點(diǎn)，使文件傳輸分工更加明確，文件傳輸時(shí)也可以控制連接。

在本文中，需要完成車載邊緣計(jì)算環(huán)境中邊緣節(jié)點(diǎn)與FTP服務(wù)器的文件上傳以及下載任務(wù)，根據(jù)上述對(duì)FTP的介紹，要實(shí)現(xiàn)最終的文件傳輸，首先需要建立FTP控制連接、客戶身份驗(yàn)證和FTP數(shù)據(jù)連接，控制連接需要一直保持連接狀態(tài)，只有用戶端需要斷開才會(huì)斷開連接。FTP與計(jì)算機(jī)的類型和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，因此基于這種原理，在不同的計(jì)算機(jī)類型和操作系統(tǒng)上使用FTP進(jìn)行文件的上傳時(shí)基本的命令結(jié)構(gòu)也都是完全相同的。

3 中心云服務(wù)器集群應(yīng)用

Linux服務(wù)器集群在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[4]，如科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等。它們提供了一種高性能、高可靠性和可擴(kuò)展性的解決方案，可以滿足大規(guī)模計(jì)算和處理需求。Linux服務(wù)器集群是將多臺(tái)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器組合在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的高性能計(jì)算集群。Linux服務(wù)器集群通常采用并行計(jì)算的方式，將大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)分解成多個(gè)小任務(wù)，并在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上同時(shí)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算，確保整個(gè)系統(tǒng)的可用性，可通過添加更多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)增加計(jì)算能力，擴(kuò)展集群的計(jì)算能力。

服務(wù)器集群可以提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、車輛感知和決策等任務(wù)。集群中的多個(gè)服務(wù)器可以進(jìn)行并行計(jì)算，以加快數(shù)據(jù)處理速度。此外，服務(wù)器集群還可用于車載邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供持久性的存儲(chǔ)解決方案。服務(wù)器集群可以充當(dāng)車載通信網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)與車輛內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)功能。集群中的服務(wù)器可以處理車輛與云端服務(wù)器之間的通信，包括數(shù)據(jù)上傳、命令下發(fā)、實(shí)時(shí)消息推送等。服務(wù)器集群的高可用性和負(fù)載均衡特性能夠提供穩(wěn)定可靠的通信服務(wù)。通過服務(wù)器集群，可以對(duì)車載邊緣節(jié)點(diǎn)的資源進(jìn)行集中管理和調(diào)度。集群中的服務(wù)器可以監(jiān)控和管理車輛內(nèi)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源，并根據(jù)需求進(jìn)行資源分配、任務(wù)調(diào)度和負(fù)載均衡。這樣可以提高資源利用率，降低能耗，同時(shí)確保系統(tǒng)的性能和可靠性。

在車載邊緣計(jì)算場(chǎng)景中使用Linux服務(wù)器集群具有如下優(yōu)勢(shì)：

1） 高可用性：服務(wù)器集群可以提供高可用性和冗余性，減少了因服務(wù)器故障而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。車載邊緣計(jì)算涉及大量的數(shù)據(jù)生成、處理和存儲(chǔ)需求，服務(wù)器集群可以提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、車輛感知和決策等任務(wù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供持久性的存儲(chǔ)解決方案。

2） 負(fù)載均衡：服務(wù)器集群通過將負(fù)載分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。這有助于避免單個(gè)服務(wù)器過載，根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載情況智能地分配請(qǐng)求，確保資源的有效利用和最大化的吞吐量。

3） 擴(kuò)展性：服務(wù)器集群可以輕松擴(kuò)展以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的流量和需求。通過添加更多的節(jié)點(diǎn)，可以增加系統(tǒng)的處理能力和容量。

4） 故障恢復(fù)和容錯(cuò)能力：可以保證車載邊緣計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通過在集群中配置冗余節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移機(jī)制，若某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其他節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)接管該節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，提供可靠的系統(tǒng)運(yùn)行，避免長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)時(shí)間和數(shù)據(jù)丟失。

5） 靈活性和可管理性：允許對(duì)集群中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理和監(jiān)控，實(shí)施統(tǒng)一的配置和更新。這樣可以簡(jiǎn)化管理任務(wù)，并提供更好的可控性和可維護(hù)性。

6） 成本效益：通過充分利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源，可以按需分配和利用硬件資源，減少硬件投資和維護(hù)成本。

4 仿真測(cè)試

4.1 在Linux服務(wù)器上架設(shè)FTP服務(wù)

由于FTP服務(wù)與計(jì)算機(jī)型號(hào)和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，利用Linux系統(tǒng)的高穩(wěn)定性，本文采用RHEL8系統(tǒng)架設(shè)FTP服務(wù)器[5]。RHEL8系統(tǒng)中 FTP用戶有匿名用戶、本地用戶及虛擬用戶三種認(rèn)證方式，在此選擇相對(duì)較安全的虛擬用戶模式，虛擬用戶是一種由FTP服務(wù)器創(chuàng)建的虛擬賬號(hào)，它不對(duì)應(yīng)于服務(wù)器操作系統(tǒng)中的實(shí)際用戶，通常用于增加FTP服務(wù)器的靈活性和安全性，特別是在大型服務(wù)器環(huán)境中，虛擬用戶的憑據(jù)和權(quán)限由FTP服務(wù)器自己管理和維護(hù)，不依賴于操作系統(tǒng)的用戶和權(quán)限，F(xiàn)TP服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)靈活的權(quán)限控制，為FTP服務(wù)單獨(dú)建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù)文件，將不同的虛擬用戶映射到不同的目錄，并給予它們特定的讀寫權(quán)限，最安全的一種用戶認(rèn)證模式。因此在車載邊緣計(jì)算場(chǎng)景中FTP服務(wù)器集群采用更為安全的匿名模式進(jìn)行文件傳輸服務(wù)。選擇一臺(tái)服務(wù)器配置步驟如下：

1） 配置該臺(tái)服務(wù)器的IP為192.168.10.100。

2） 采用本地yum源安裝FTP服務(wù)的vsftpd軟件，即yum? ?-y? install? vsftpd*。

3） FTP服務(wù)安裝完成后，為虛擬用戶創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)文件：/etc/vsftpd/virtuserdb.txt，然后使用Hash算法加密數(shù)據(jù)庫(kù)文件：db_load? -T? -t? hash? -f? /etc/vsftpd/virtuserdb.txt? /etc/vsftpd/vsftpd.db。

4） 創(chuàng)建虛擬用戶對(duì)應(yīng)的真實(shí)賬號(hào)及其所登錄的目錄，并設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限：useradd? -d? /var/virtuser? virtuser創(chuàng)建用戶virtuser，其主目錄是/var/virtuser，并且為virtuser用戶和組添加讀和執(zhí)行權(quán)限chmod? 755? /var/virtuser。

5） 在/etc/vsftpd/vsftpd_user_conf目錄下為虛擬用戶添加讀寫權(quán)限。

6） 修改FTP配置文件，打開FTP配置文件：/etc/vsftpd/vsftpd.conf，在配置文件末尾添加語(yǔ)句及對(duì)應(yīng)功能如表1所示。

7） 啟動(dòng)vsftpd服務(wù)：systemctl? restart? vsftpd，關(guān)閉防火墻： systemctl? stop? firewalld，關(guān)閉selinux：setenforce? 0，之后便可在客戶端使用虛擬用戶登錄訪問FTP服務(wù)器上的資源。

4.2 FTP服務(wù)器性能測(cè)試

為了便于觀察，在Windows客戶端使用JMeter對(duì)FTP服務(wù)器進(jìn)行性能測(cè)試[6]。 JMeter是一款由Apache 組織基于 Java開發(fā)的開源的負(fù)載測(cè)試工具軟件，它主要用于模擬并發(fā)用戶訪問網(wǎng)站、Web應(yīng)用程序、Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，以評(píng)估系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的性能和穩(wěn)定性。JMeter提供了豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，支持多種協(xié)議，可以創(chuàng)建測(cè)試計(jì)劃來(lái)組織和管理測(cè)試，通過線程組來(lái)模擬并發(fā)用戶，生成豐富的測(cè)試報(bào)告和圖表，以可視化方式展示測(cè)試結(jié)果?？梢酝ㄟ^圖表分析響應(yīng)時(shí)間、吞吐量、錯(cuò)誤率等指標(biāo)，可用于測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)資源，可進(jìn)行壓力測(cè)試、性能測(cè)試、功能測(cè)試、接口測(cè)試等，可以幫助開發(fā)人員和測(cè)試人員評(píng)估系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)潛在的性能問題，并進(jìn)行性能優(yōu)化。

1） 創(chuàng)建FTP服務(wù)測(cè)試計(jì)劃

首先在測(cè)試計(jì)劃中創(chuàng)建線程組，添加線程“FTP服務(wù)器測(cè)試”，設(shè)置線程數(shù)為500，模擬此時(shí)有500個(gè)邊緣用戶同時(shí)請(qǐng)求FTP服務(wù)器的響應(yīng)。添加FTP請(qǐng)求并進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置協(xié)議為FTP協(xié)議，服務(wù)器IP為192.168.10.100，端口號(hào)為默認(rèn)端口號(hào)21，設(shè)置服務(wù)器中遠(yuǎn)程文件路徑為tmp，本地上傳的文件為D：/putfile.txt，傳輸方式為put，并輸入訪問FTP服務(wù)器的虛擬用戶名及口令。

2） 添加監(jiān)聽器

在監(jiān)聽器中添加結(jié)果樹和聚合報(bào)告。

3） 運(yùn)行線程

運(yùn)行線程后查看結(jié)果樹和聚合報(bào)告，進(jìn)行性能分析，如圖 3、圖4 所示。在察看結(jié)果樹中，可以看到所有的請(qǐng)求都有正確響應(yīng)并完成，500個(gè)模擬用戶均完成本地文件上傳任務(wù)；在聚合報(bào)告中，通過觀察每個(gè)FTP上傳請(qǐng)求的平均響應(yīng)時(shí)間為109ms，響應(yīng)時(shí)間指系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求做出響應(yīng)所需要的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間越短，表明軟件的響應(yīng)速度越快，性能越好，吞吐量為25.0/sec，表示每秒能處理25個(gè)任務(wù)，吞吐量越大，系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)就越多，即負(fù)載能力就越強(qiáng)。

5 結(jié)論

車載邊緣計(jì)算技術(shù)可以有效提升交通系統(tǒng)的安全性和可靠性，但其中的數(shù)據(jù)傳輸需要毫秒級(jí)別的處理速度，考慮將計(jì)算任務(wù)卸載到云端服務(wù)器，但同時(shí)也會(huì)因傳輸距離較遠(yuǎn)帶來(lái)車載終端的服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降的問題。因此本文在云端設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Linux系統(tǒng)的FTP服務(wù)器集群，提供高性能、高可用性的FTP服務(wù)，以提高車載終端的服務(wù)質(zhì)量，提高道路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理效率。

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【通聯(lián)編輯：梁書】