基于边缘计算的高校创客智能化平台设计研究①

任 群， 王爱平， 刘春妹

(亳州学院电子与信息工程系，安徽 亳州 236800)

0 引 言

创客精神是创业创新精神在互联网+时代的表现，创客的出现充分响应了“大众创业，万众创新”的号召[1]。科学的管理平台能够有效地指导和支持高校创客的发展，因此探讨了高校创客智能化平台设计。随着移动互联网的发展，高校的学生大多使用移动终端登陆并使用平台。由于平台用户的移动性，移动终端会在不同的无线基站(如WiFi接入点)之间频繁地切换，现有的创客平台不能满足该需求[2～3]。因此采用基于边缘计算的设计模式来部署高校创客智能化平台，以提高平台的性能。

1 系统需求分析

通过对高校创客智能化平台的调研情况，总结了高校创客平台需要实现的几个主要业务需求：系统管理、活动管理、新闻发布、通知动态以及留言互动模块。为了直观地表示出平台的具体功能，采用用例图来揭示系统的参与者和用例之间的关系。平台的功能需求包括了用户信息管理、通知动态管理、新闻发布管理、活动信息管理、项目作品管理以及留言互动管理。此处仅展示用户信息管理的用例图，如图1所示。

除了上述的功能性需求以外，平台还需要实现响应时间、可扩展性以及安全性的非功能性需求。响应时间与用户体验息息相关，过长的响应时间会为平台用户带来较差的体验，足够快的响应速度能提高系统用户的使用体验，达到提高工作效率的目的。可扩展性是指平台处理不断增长的工作量的能力，并为适应这种增长而扩大其潜力的能力。当使用平台的人数增多或者多用户并发访问平台时，高可扩展性保证用户能得到较好的使用体验。平台不仅需要保障数据的安全性，还需要考虑硬件故障等情况。平台的数据安全可以通过数据库管理系统中的相应功能实现，同时采用独立冗余磁盘阵列来缓解硬件故障而带来的影响。

图1 用户信息管理用例图

2 系统设计

系统设计是系统实现的前提，是对系统开发实现的全局把控。根据需求分析，设计系统时需要遵循三个主要原则：可靠性、易用性以及可扩展性。平台采用层次化设计，由应用层、业务逻辑层和数据存储层组成，体系架构设计如图2所示。

图2 体系架构设计

应用层主要负责接受用户的请求并显示相应的数据，为客户端或者Web提供应用程序的访问。业务逻辑层主要负责对数据层进行操作，实现平台的业务逻辑，是应用层和数据存储层的中间层。数据存储层主要用于存储数据，与数据库进行交互。为了保证平台的可扩展性，添加了外部接口模块。

由需求分析可知，平台需要实现用户信息管理、通知动态管理、新闻发布管理、活动信息管理、项目作品管理以及留言互动管理的业务流程。与此同时，系统登陆也是一个重要的业务流程。此处仅展示用户信息管理业务的流程，如图3所示。

图3 用户信息管理业务流程

接下来是对数据库的逻辑结构的设计和物理结构的设计进行阐述。采用实体关系图来描述数据库的逻辑结构，平台包含了以下几组实体关系：用户信息实体、权限实体、通知新闻实体、项目作品实体、留言评论实体。其中，此处仅介绍用户信息实体关系图，如图4所示。

图4 用户信息实体属性图

将用户信息实体关系图转换为物理结构，得到如表1所示的数据库表。

表1 用户信息表

图5 基于边缘计算的系统部署结构

图6 平均时延对比

3 基于边缘计算的系统部署

将高校创客智能化平台部署在基于边缘计算的移动架构中，系统的总体框架如图5所示。在采用网络功能虚拟化和软件定义网络技术[4]后，边缘网络、软件定义网络网络和核心网络之间的区别将变得不那么明显，系统的功能可以更灵活地在虚拟化平台上实现。图5 中的控制器与网络、云和软件定义网络交互，选择性地将流量卸载到云中托管的私有虚拟机上，以降低用户应用程序的延迟。控制器由两个逻辑实体组成：监控器和执行器。首先，监控器负责监控移动网络元素之间交换的控制平面消息，并提取必要的数据。这样一来，系统便能够感知移动网络的活动。然后，执行器使用监视器提取的数据，在软件定义网络底层和云之间进行协调，以实现系统功能。具体来说，执行器使用提取的数据平面参数构造相关的流规则，以进行特定应用程序的流量卸载。当用户从一个位置移动到另一个位置时，执行器会与云平台交互来进行虚拟机的实例化和数据迁移。

当用户第一次连接到网络时(假设用户访问无线基站1)，云1会为他创建一个私有的虚拟机。监控器监控基站与移动管理之间交换的控制平面消息，提取必要的数据和控制平面参数，以用于卸载。控制器使用这些信息为软件定义网络1构建流规则，为属于卸载应用程序的上行链路数据包(即从无线基站1到网关的数据包)进行解封，并将其路由到私有的虚拟机实例。私有的虚拟机实例的下行数据包在返回无线基站1之前会被封装为具有相关隧道标识符的数据包。封装/解封的操作使卸载对基站透明，并且不需要更改基站和核心网络[5]之间的标准交互。当用户向无线基站2移动时，通过移动管理在无线基站1和无线基站2之间交换信令消息。监控器监视控制平面消息交换中的切换事件，控制器2检测到切换到无限基站2的情况，并触发虚拟机迁移的操作。控制器2从网关提取隧道的标识符，然后在软件定义网络2中添加流规则以启用路径切换，并向控制器1发送修改请求。接下来，控制器1在软件定义网络1中执行必要的流规则修改，以确保在切换完成后，从目标无线基站卸载的流量仍然可以到达位于云1上的私有虚拟机。此时，控制器1也会主动启动实时虚拟机迁移，以便将个人用户虚拟机从云1迁移到云2。

4 性能评估

对平台的性能进行评估，对比了基于边缘计算和基于MVC(Model-View-Controller)模式[6]的数据包往返时延，结果如图6所示。在图6的图例中，“基于边缘计算的系统”是文中提出的基于边缘计算的高校创客智能化平台，“基于MVC的系统”是指基于MVC模式的系统。由图6可知，基于MVC模式系统的平均时延为86ms，而基于边缘计算系统的平均时延为19ms。由于系统的用户会在校园内移动，因此会频繁地从一个无线基站移动到另一个移动基站。文中提出的系统考虑了用户的移动性，并进行了相应的虚拟机迁移操作，因此能获得更低的时延。

5 结 语

首先对高校创客智能化平台进行需求分析，然后介绍了系统的设计，并将平台部署到基于边缘计算的结构中。实验评估结果验证了文中设计的有效性。未来的工作在于采用真实的数据集，进一步验证系统的有效性。