刘家希,董剑,吴智博,吴晋,温东新,赵耀
(哈尔滨工业大学 容错与移动计算中心, 哈尔滨 150001)
摘要:
为更好地解决车辆云计算中车辆的高度动态性对失效检测性能的影响，提出了一种适用于车辆云计算环境的基于检测结果共享机制的失效检测器.首先，对车辆云计算的系统架构进行了分析，发现车辆云计算系统具有明显的层次结构，而且可以利用路侧单元对车辆节点进行分组.在此基础之上，引进检测结果共享机制，提出针对车辆云计算环境的共享失效检测器VC-FD.然后，构建了可以对所提出的失效检测器进行定量分析的共享失效检测模型，该模型主要针对检测时间、平均错误发生概率以及检测负载三个失效检测服务质量指标进行评价.最后，在仿真环境下比较和分析了所提出的共享失效检测器与非共享失效检测器的性能.实验结果表明，该失效检测器在保证检测准确性的前提下，通过增加有限的检测负载能够明显地改善系统中节点失效检测时间.因此，提出的基于检测结果共享机制的失效检测器VC-FD能够准确、快速的发现车辆云计算中的节点失效，有效地降低车辆高度动态性对失效检测性能的影响.
关键词: 车辆云计算 系统架构 路侧单元 服务质量 共享失效检测
DOI：10.11918/j.issn.0367-6234.201708010
分类号:TP302.8
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金(61100029和61370085)
A cooperative failure detector in vehicular cloud computing
LIU Jiaxi,DONG Jian,WU Zhibo,WU Jin,WEN Dongxin,ZHAO Yao
(Harbin Institute of Technology, Fault-tolerant and Mobile Computing Research Center, Harbin 150001, China)
Abstract:
To solve the problem that the performance of failure detection is effected by mobility of vehicular cloud computing, a new failure detector (VC-FD) based on architecture of vehicular cloud computing was proposed. We found that vehicular cloud computing has a hierarchical structure and the vehicles can be grouped through Roadside Unit (RSU), according to the architecture analysis of vehicular cloud computing. On this basis, the sharing mechanism of detection results is introduced, and the new failure detector VC-FD for vehicular cloud computing was proposed. Then, the model of cooperative failure detection was proposed to evaluate the detection time, mistake rate and detection overhead. The performance of the VC-FD and non shared failure detector was compared in a simulation environment. The experimental results show that the VC-FD can ensure the accuracy, and significantly improve the node failure detection time by increasing limited detection overhead. Thus, the VC-FD can accurately and quickly find out the node failures in vehicular cloud computing, and effectively reduce the influence of vehicular mobility on the performance of failure detection.
Key words: vehicular cloud computing architecture RSU quality of service cooperative failure detection
刘家希, 董剑, 吴智博, 吴晋, 温东新, 赵耀. 一种车辆云计算中共享失效检测器[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2018, 50(5): 24-29. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.201708010.
LIU Jiaxi, DONG Jian, WU Zhibo, WU Jin, WEN Dongxin, ZHAO Yao. A cooperative failure detector in vehicular cloud computing[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2018, 50(5): 24-29. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.201708010.
基金项目 国家自然科学基金(61100029和61370085) 作者简介 刘家希(1988—)，男，博士研究生;
董剑(1978—)，男，教授，博士生导师 通信作者 董剑，dan@hit.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2017-08-03
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一种车辆云计算中共享失效检测器
刘家希, 董剑
, 吴智博, 吴晋, 温东新, 赵耀 哈尔滨工业大学 容错与移动计算中心，哈尔滨 150001
收稿日期: 2017-08-03
基金项目: 国家自然科学基金(61100029和61370085)
作者简介: 刘家希(1988—)，男，博士研究生;
董剑(1978—)，男，教授，博士生导师
通信作者: 董剑，dan@hit.edu.cn
摘要: 为更好地解决车辆云计算中车辆的高度动态性对失效检测性能的影响，提出了一种适用于车辆云计算环境的基于检测结果共享机制的失效检测器.首先，对车辆云计算的系统架构进行了分析，发现车辆云计算系统具有明显的层次结构，而且可以利用路侧单元对车辆节点进行分组.在此基础之上，引进检测结果共享机制，提出针对车辆云计算环境的共享失效检测器VC-FD.然后，构建了可以对所提出的失效检测器进行定量分析的共享失效检测模型，该模型主要针对检测时间、平均错误发生概率以及检测负载三个失效检测服务质量指标进行评价.最后，在仿真环境下比较和分析了所提出的共享失效检测器与非共享失效检测器的性能.实验结果表明，该失效检测器在保证检测准确性的前提下，通过增加有限的检测负载能够明显地改善系统中节点失效检测时间.因此，提出的基于检测结果共享机制的失效检测器VC-FD能够准确、快速的发现车辆云计算中的节点失效，有效地降低车辆高度动态性对失效检测性能的影响.
关键词: 车辆云计算 系统架构 路侧单元 服务质量 共享失效检测
A cooperative failure detector in vehicular cloud computing
LIU Jiaxi, DONG Jian
, WU Zhibo, WU Jin, WEN Dongxin, ZHAO Yao Harbin Institute of Technology, Fault-tolerant and Mobile Computing Research Center, Harbin 150001, China
Abstract: To solve the problem that the performance of failure detection is effected by mobility of vehicular cloud computing, a new failure detector (VC-FD) based on architecture of vehicular cloud computing was proposed. We found that vehicular cloud computing has a hierarchical structure and the vehicles can be grouped through Roadside Unit (RSU), according to the architecture analysis of vehicular cloud computing. On this basis, the sharing mechanism of detection results is introduced, and the new failure detector VC-FD for vehicular cloud computing was proposed. Then, the model of cooperative failure detection was proposed to evaluate the detection time, mistake rate and detection overhead. The performance of the VC-FD and non shared failure detector was compared in a simulation environment. The experimental results show that the VC-FD can ensure the accuracy, and significantly improve the node failure detection time by increasing limited detection overhead. Thus, the VC-FD can accurately and quickly find out the node failures in vehicular cloud computing, and effectively reduce the influence of vehicular mobility on the performance of failure detection.
Key words: vehicular cloud computing architecture RSU quality of service cooperative failure detection
目前，随着移动云计算(Mobile Cloud Computing，MCC)以及车联网(Vehicular Networking，VN)的发展，出现一种融合这两种技术的新的通信、计算平台—车辆云计算(Vehicular Cloud Computing，VCC)[1].在车辆云计算中，车辆既是服务的提供者, 也是服务的消费者[2-3].车辆云计算一个重要的特征就是高度的动态性[3-4]，车辆的突然加入或者离开都会造成正在进行的任务突然中断[5].我们需要解决这种动态性并且提供一种高效的控制架构用以引导服务状态以及云资源[6-7].大量的自适应失效检测器[8-9]作为实现这种控制架构的基础构件被提出.为进一步提高失效检测性能，在系统层面提出了基于检测结果共享机制的失效检测(简称共享失效检测).共享失效检测[10-12]是不同节点之间通过检测结果共享机制，改善失效检测性能.基于层次式的检测方法[10-11]和基于Gossip式的检测方法[12]是共享失效检测的两种重要的方法.但这些共享失效检测算法并没有考虑车辆云计算的系统架构特点.在保证失效检测准确性的前提下，为进一步提高检测速度应对车辆云系统的高度动态性，即快速发现已经离开系统的车辆节点，根据车辆云计算的系统架构特点，提出共享失效检测器VC-FD(VCC Cooperative Failure Detector).通过仿真实验，比较了VC-FD和非共享失效检测器的性能.
1 系统模型 1.1 车辆云计算系统架构Olariu和Arif等[13-14]提出车辆云计算的概念，车辆云计算结合计算、传感器、通信与存储资源于一体向授权用户提供服务.在车辆云计算中，车辆与云服务数据中心通过V2I(Vehicles-to-Infrastructure)机制进行通信(例如LTE，WiMax等).而且，车辆也能够以独立方式工作，仅需依靠V2V(Vehicles-to-Vehicles)机制进行通信.为改善连接性，路侧单元(Roadside Unit，RSU)被部署于车辆网络边缘[15].因此，车辆云计算可被认为是由松散的二层架构组成.用户可以从一级数据中心或者二级车辆朵云(Cloudlet)获取云服务.车辆朵云是由数台通过V2I或者V2V通信连接的车辆和RSU所组成.如图 1所示是一种车辆云计算的系统架构[2, 7].
Figure 1
图 1 车辆云系统架构 Figure 1 Architecture of vehicular cloud computing 1.2 理论模型考虑一个部分同步的系统由有限个节点Π={p1, p2, …, pn}组成.每一个节点正常工作直到崩溃(可认为车辆所提供资源不可用)，并且崩溃后不能恢复.任意两个节点可以被一条不可靠的链路连接.因为多数的失效检测检测器是用UDP协议实现的，所以我们假设进程之间的连接链路是fair-lossy链路[16](即没有消息被复制或修改，而且没有新的消息被创造).如果一个节点p持续发送心跳消息m到q，q最终会收到心跳消息m.
假设存在一些全局时间，这些全局时间被定义为全局稳定时间(Global Stabilization Time，GST).在到达全局稳定时间后，消息的传输时间和节点的处理速度都是有界的，但是这个界限及GST是未知的.
1.3 失效检测器服务质量(QoS)指标许多实际应用对失效检测器所提供节点的怀疑信息有时间的限制.它们无法接受过慢的或者太多错误的失效检测服务.为解决这个问题，Chen提出了一系列描述失效检测器QoS的指标[17].其中包括：检测到真实节点失效的速度以及避免错误检测的频率.
检测时间(Detection time，TD)：代表一个节点从崩溃到被永久怀疑的时间.
平均错误发生概率(Mistake rate，λM)：代表失效检测器发生错误的概率.也就是正常工作的节点被失效检测器错误的怀疑.
检测负载(Detection overhead，OD)：代表为检测失效节点而产生的流量.对于一个监测节点检测失效节点所耗费的负载，可以用单位时间内产生的平均消息数量来衡量检测负载.
2 共享失效检测算法实现 2.1 基础检测方法为描述方便，考虑系统由两个节点组成，节点q检测节点p.节点q以间隔时间τ为周期向被检测节点p发送心跳消息“are you alive”，节点p收到以后回复应答消息“I am alive”以表明其处于工作状态.如果节点q在时间τ内没有收到应答消息，则考虑心跳消息丢失.那么在此之后，节点q至多连续发送k－1个心跳消息，如果均没有收到应答消息，则推断节点p处于失效状态.否则，推断节点p处于正常状态.这种重传机制可以有效地减少心跳消息丢失对检测结果输出的影响，提高失效检测的准确性.检测参数k和τ可根据需要改变，决定失效检测器的性能.
2.2 共享失效检测器VC-FD原理共享失效检测器VC-FD的目的是让目标节点的监测节点作为一个组合彼此协作，以便每个节点能够更快地获取目标节点的状态信息.在车辆云计算中，由于其系统架构的特点，可利用朵云对节点进行分组.每个朵云为一个分组，分组内的节点互相检测，如果发现节点失效，会共享失效信息到组内其他节点以及RSU.而不同分组之间可通过RSU实现跨组交换信息，节点可通过自己的RSU查询其他分组的节点的状态.对于RSU，它的状态由云端负责检测，如果RSU发生失效，分组内的节点会就近划分到附近的分组内，云端会将失效信息进行广播，以便系统中其他的RSU获知(在实际应用中，RSU的可靠性远远高于车辆节点的可靠性).
图 2显示了共享失效检测器VC-FD的工作原理.对于同一分组内节点的失效检测情况，既可根据自己的检测结果进行判断，也可根据其他节点共享的检测结果进行判断.例如，节点A1、A2、A3及A4为同一分组的节点，现A1、A2及A4都对A3进行检测，恰好A1经过检测已经知道了A3失效，那么它将会立即把失效信息通知节点A2、A4以及本组的RSU.对于不同分组间的节点失效检测情况，可以通过RSU跨组交换信息得到目标节点的状态信息.例如，节点A1想要获取节点C3的状态，它不会直接对C3进行检测，而是通过本组的RSU去访问C3所在分组的RSU，从而获得C3的状态.对于RSU的失效检测情况，云端会检测RSU的状态，并且广播RSU的失效信息到系统中其他的RSU.例如，节点B1所在分组的RSU发生失效，云端会广播失效信息到系统中其他RSU，B1同分组内的节点B2、B3及B4会根据距离远近就近分配到附近的分组中.由于云计算中心的高可靠性，不考虑云端的失效情况.
Figure 2
图 2 共享失效检测架构 Figure 2 Architecture of cooperative failure detection 2.3 共享失效检测理论模型为更好地理解共享失效检测器VC-FD，给出了正式的理论分析.方便定量的描述失效检测的3个QoS指标：检测时间TD，平均错误发生概率λM以及检测负载OD.
2.3.1 检测时间对于基础的(非共享)检测方法，如果心跳消息数量的丢失超过阈值k，监测节点q就可判断目标节点p发生失效.考虑两种极端的情况，即最短的检测时间和最长的检测时间.如果节点p在收到节点q的心跳消息后立即失效，那么，节点q的检测时间需要(k－1)τ；如果节点p在发送完应答消息后立即失效，那么，节点q的检测时间需要kτ.因此，节点q的失效检测时间在(k－1)τ和kτ之间(见图 3).假设节点发生失效概率在(0, τ)上符合均匀分布，那么非共享检测方法的平均节点失效检测时间为
${T_{\rm{D}}} = \left( {k - \frac{1}{2}} \right)\tau .$ (1)
Figure 3
图 3 检测时间 Figure 3 Detection time 对于共享的检测方法，如果心跳消息数量的丢失超过阈值k，或者监测节点收到其他邻居节点的通知消息，监测节点q就可以判断目标节点p发生失效.考虑两种极端的情况，即最长的检测时间和最短的检测时间.如果节点q在检测过程中没有收到其他邻居节点的通知消息，那么节点q的最长检测时间为kτ.如果节点q在即将发送心跳消息到目标节点时，邻居发送通知消息，那么节点q的最短检测时间近乎为0.实际上，对d个邻居中至少一个邻居的通知消息到达节点q的平均时间更感兴趣.因为在(0, kτ)上，邻居节点通知消息在平均时间到达的概率远高于0时刻到达的概率.根据次序统计理论[18]，在(0, kτ)上均匀分布的d个邻居节点中至少一个邻居节点发送通知消息到节点q符合kτβd分布，βd是拥有参数1和d的贝塔分布，其均值为1/(d+1).因此，节点q收到来自邻居节点之一的通知消息的平均时间为kτ/(d+1).考虑到分组内没有邻居节点的情况，假设节点发生失效概率在(0, τ)上符合均匀分布，那么共享检测方法的平均节点失效检测时间为
${T_{\rm{D}}} = {\rm{min}}\left( {\left( {k - \frac{1}{2}} \right)\tau ,\frac{{d + 3}}{{2\left( {d + 1} \right)}}k\tau } \right).$ (2)
共享检测方法的失效检测时间既受阈值k和心跳发送间隔τ的影响，又受邻居节点数量d的影响.当邻居节点数量越多，失效检测时间越短.
2.3.2 平均错误发生概率对于基础的(非共享)检测方法，发生错误检测是由于被发送到目标节点的连续k个心跳消息丢失，因此，其平均错误发生概率为
${\lambda _{\rm{M}}} = 2p_{\rm{l}}^k.$ (3)
式中pl代表心跳消息丢失的概率.
对于共享的检测方法，发生错误检测是由于被发送到目标节点的连续k个心跳消息丢失或者收到邻居节点错误的通知消息.那么，共享检测方法的平均错误发生概率为
${\lambda _{\rm{M}}} = 2p_{\rm{l}}^k + 1 - {(1 - 2p_{\rm{l}}^k)^{\rm{d}}}.$ (4)
从等式(3)和(4)可知，共享检测方法的平均错误发生概率要高于非共享检测方法.但是，随着阈值k和邻居节点数量d的增加，两种方法的平均错误发生概率趋于一致.
2.3.3 检测负载对于基础的(非共享)检测方法，如果目标节点没有失效，一个监测节点的负载是每个发送周期τ产生两条心跳消息，那么非共享方法的节点检测负载大约是
${O_{\rm{D}}} = \frac{{2(1 - {f_{\rm{p}}})}}{\tau }.$ (5)
式中fp(0 < fp < 1)是节点单独失效的概率.
对于共享的检测方法，增加的负载来自通知消息.当目标节点失效(概率为fp)，监测节点将发送d－1条通知消息到其他邻居节点.当目标节点工作正常(概率为1－fp)，由于消息丢失(概率为2plk)引起错误检测，监测节点将发送d－1条通知消息到其他邻居节点.那么共享检测方法的节点检测负载为
${O_{\rm{D}}} = \frac{{2 + d{f_{\rm{p}}} - 2{f_{\rm{p}}}}}{\tau } + \frac{{(1 - {f_{\rm{p}}})\left( {d - 1} \right)}}{\tau }2p_{\rm{l}}^k.$ (6)
2.4 VC-FD算法实现基于上述思想，VC-FD共享失效检测算法可由算法1中的伪代码表示.为便于描述算法1，从监测节点q和被检测节点p的角度进行描述.在实际系统中，监测节点也同时是被检测节点，所以，算法1中的两个模块同时运行在每一个系统节点之上.在算法1初始时，确定心跳发送间隔τ以及心跳重传次数的阈值k.对于监测节点q而言，如果收到其他邻居节点对节点p的状态的通知消息，会推断p处于失效状态.否则在每个心跳发送间隔发送检测消息mq到p.如果发送k个检测消息mq后，没有收到任何回复，则判定节点p失效，并发布通知消息到邻居节点.对于被检测节点p而言，每当收到来自节点q的检测消息mq后，发送应答消息ma到q以表明自己的状态.
算法1????VC-FD共享失效检测算法
Initialization:
τ: sending interval;
k: threshold;
1：for node q: (Monitoring node)
2：??if receive notification message
3：????p∈suspectlist;
4：??for all i≥1, at time (i·τ)
5：????send heartbeat message mq to p (at most k);
6：??if don’t receive any acknowledge message
7：????p∈suspectlist and
send notification message to neighbor nodes;
8：for node p: (Detected node)
9：??upon receive mq from q do
10：????send ma to q.
3 实验验证及分析为对提出的共享失效检测器VC-FD的性能进行验证，基于网络仿真工具NS2设计共享失效检测算法的实验方案.在实验中，利用网络拓扑生成器GT-ITM生成2 000个节点的transit-stub模型作为底层网络.车辆节点被随机分布在stub区域内.传输延迟参考在Internet上所得到的数据，两个节点之间的传输延迟是它们之间最短路径上的链路延迟之和.它的范围从1 ms~220 ms，平均值等于96 ms.任意一个节点通过自身的路由表可以访问到d个其他的节点，这些节点称为其邻居节点，d的取值范围在[2, 30]之间均匀分布.实验开始时由200个节点组成.然后其他节点动态地加入和离开，节点加入和离开遵循泊松分布(λ=0.2/s).每次实验持续3个小时.用Gilbert模型模拟网络连接的包丢失，平均链路丢包率为pl=1%.如果点到点之间的路径由m个链接组成，那么其丢包率为p=1－(1－pl)m.实验中，心跳发送间隔τ被分别设定为0.5 s和1 s.
在这个实验环境下，我们对共享失效检测算法的检测速度、检测准确性以及检测负载进行了验证和对比分析.对比实验参照对象即为非共享失效检测方法.
3.1 检测时间图 4显示在不同的心跳发送间隔(τ=0.5 s和τ=1 s)情况下，共享方法和非共享方法平均检测时间的比较. X轴代表阈值k(即节点间检测的重传次数)，Y轴代表平均检测时间.从图 4中可看出，随着阈值k的增长，两种检测方法的平均检测时间都呈现增长趋势，并且心跳发送间隔大，检测时间增加.但是，共享方法的平均检测时间低于非共享方法的平均检测时间.而且，随着阈值k的增大，共享方法的平均检测时间的改进愈明显(当k=6以及τ=0.5 s时，平均检测时间的改进是40%；当k=6以及τ=1 s时，平均检测时间的改进是45%).这种改进是由于在检测结果共享机制下，各节点的检测周期是不同步的，通过共享获得的节点失效的信息可能会早于本地发起的检测，因而共享方法改进了平均检测时间.通过实验也证明，采用检测结果共享机制，可以有效地降低节点失效的检测时间.
Figure 4
图 4 平均检测时间 Figure 4 Average detection time 3.2 检测准确性图 5显示了在不同的心跳发送间隔(τ=0.5 s和τ=1 s)情况下，共享方法和非共享方法平均错误发生概率的比较. X轴代表阈值k，Y轴代表平均错误发生概率.从图中可看出，随着阈值k的增长，两种检测方法的平均错误发生概率都呈现降低的趋势，并且心跳发送间隔愈大，平均错误发生概率愈低.这是因为通过重传检测消息可很好地改进由于心跳消息丢失造成的失效检测器平均错误发生概率的增加.当给定阈值k较小时，共享方法的平均错误发生概率要高于非共享方法的平均错误发生概率.但是，当阈值k逐渐增大，两种方法的平均错误发生概率差距愈小.这是由于共享方法可通过其他节点的检测结果去推断目标节点的状态，而在重传次数较大时受心跳消息丢失的影响愈小，从而降低了平均错误发生概率.在k=6及τ=0.5 s、τ=1 s时，两种方法的平均错误发生概率几乎一致，而检测时间的差距分别为46%和44%.根据平均错误发生概率的定义，当k=6及τ=0.5 s时，失效检测器VC-FD平均每6 667 s发生一次错误检测，已经可满足大部分用户或应用的需求.
Figure 5
图 5 平均错误发生概率 Figure 5 Mistake rate 3.3 检测负载通过测量节点以检测为目的每秒发送的控制包的数量来衡量节点检测负载.对于非共享方法而言，记录节点心跳消息包的数量.而对于共享方法而言，除了记录节点心跳消息包的数量，还需要记录节点通知消息包的数量.此外，利用相对负载来说明两种检测方法所消耗的检测负载.相对负载是共享方法所消耗的检测负载与非共享方法所消耗的检测负载的比值.
图 6(a)、(b)显示了不同心跳发送间隔(τ=0.5 s和τ=1 s)两种检测方法的相对负载的比较.从图中可看出，当心跳发送间隔较小时，两种检测方法分别消耗了更多的检测负载；共享方法的检测负载高于非共享方法的负载，但是随着阈值k的增大，两种方法的检测负载的差距在减小.这是由于当阈值k较小时，平均错误发生概率较高，会发送更多的通知消息，所以此时的共享方法会消耗很多的检测负载.而当阈值k较大时，平均错误发生概率降低，被发送的通知消息减少，所以此时的共享方法消耗的检测负载减少. Hayashibara等[19]测试了失效检测器对节点性能的影响，结果显示，运行失效检测器的节点CPU负载几乎为常数，远远低于CPU满载情况.失效检测器VC-FD在τ=0.5 s以及k=1时，较非共享失效检测器增加了最多约10%的节点检测负载.所以失效检测器增加的节点检测负载不会对节点性能产生影响，是在可接受的范围之内.
Figure 6
图 6 相对检测负载 Figure 6 Relative detection overhead 通过以上实验结果，可发现当k=5以及τ=0.5 s的共享检测方法的检测时间、检测准确性要优于k=4以及τ=0.5 s的非共享检测方法.当k>1时，总能找到合适的阈值k和发送间隔τ使共享检测方法的检测时间以及平均错误发生概率同时优于非共享检测方法.而且，在所有的场景中，增加的检测负载没有超过10%.
4 结论失效检测器在可靠的车辆云计算系统中扮演了非常重要的角色.在本文中提出了基于车辆云计算架构特征的共享失效检测器VC-FD.通过对车辆云计算系统进行分层，以及利用RSU对车辆节点进行分组，采用检测结果共享机制的VC-FD能够适应系统的高度动态性.通过对比实验，结果显示VC-FD在保证准确性的基础上，通过增加有限的检测负载能够有效地改善检测速度.因此，VC-FD适合于部署在车辆云计算中提供失效检测服务.
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