赵登/周长兵：一种面向时空关联QoS变动的物联网服务形式化动态组合机制【IEEE TSC, 2023】

2023-05-16     发布：emc全站网页版    点击：459次

在面向服务的物联网体系架构下，通过把泛在化的物联网资源虚拟化为智能物联网服务，动态集成并组合适配这些异构互联、资源受限、动态演进的物联网服务，从而构建物联网应用，已成为一种被普遍认可且灵活有效的机制。然而，当前大多研究工作仅考虑在静态变量、特定状态或当前网络性能下的服务组合适配等，未充分考虑物联网服务所在边缘网络和运行环境的动态变化，以及时序性的连续变化特性。在这种资源处于持续动态变化的边缘网络中，当前时间点适配的物联网服务，在下一时间点可能由于设备上某些可用资源不足，使得某些服务处于“失配”的状态从而无法继续执行。因此，面对边缘设备资源稀缺且动态可变，及物联网应用复杂多变的情景，如何集成适配功能匹配且非功能最优的物联网服务，在服务执行过程中及时发现服务失配并实现自适应动态适配，已成为保障物联网应用鲁棒性和系统健壮性的关键。

针对上述科学问题，我校emc全站网页版周长兵教授团队、加拿大安大略理工大学Patrick C. K. Hung教授、浙江大学邓水光教授、天津大学薛霄教授，以及法国南巴黎电信学院Walid Gaaloul教授，提出了一种面向时空关联QoS变动的物联网服务形式化动态组合机制。该工作的主要贡献如下：

（1）首先，考虑物联网服务多种QoS属性，包括空间调用度、交互能耗、负载均衡因子和依赖关系，构建一种物联网服务QoS依赖图；并面向物联网服务QoS变动的时空关联性，实现物联网服务QoS依赖图的时空动态关联演化（图1）。

（2）其次，基于物联网服务间不同的组合结构和动态QoS依赖关系，将物联网服务组合规约为时序任务，并描述为一组计算树时序逻辑范式（图2）；再通过所提出的模型规范验证方法，实现物联网服务组合方案的形式化解释与自适应调整（图3）。

（3）最后，在公开可用的数据集（图4-5）上进行了大量的实验，并与当前不同基准技术进行了比较（图6-7），和探讨了多种影响因素的影响（图8）。实验结果表明，本研究方法可有效提升动态边缘场景下物联网服务组合方案的适配性，在不同场景不同指标下均优于基准方法。其中，物联网服务组合方案的QoS依赖度值较基准方法可提升0.3%-27.8%。

图1 基于真实日志的物联网服务部署及其QoS依赖图构建

图2 服务请求及其基于计算树时序逻辑的形式化表达

图3 物联网服务组合方案及其动态适配示例

图4 基于日志挖掘的交通罚款过程模型

图5 基于日志挖掘的医院收费过程模型

图6 不同服务日志（人工日志、交通罚款日志、医院收费日志）的不同性能指标（调用度、空间调用度、能耗、均衡性、服务QoS依赖度）下的对比实验结果

图7 基于不同服务日志（人工日志、交通罚款日志、医院收费日志）的连续多服务请求应答的对比实验结果

图8 不同影响因子（节点个数、偏斜度、服务个数）下的对比实验结果

本研究受到国家重点研发计划项目（2018YFB1402800）和国家自然科学基金项目（42050103）联合资助。发表在国际权威期刊《IEEE Transactions on Services Computing》：Deng Zhao, Zhangbing Zhou, Patrick. C. K. Hung, Shuiguang Deng, Xiao Xue and Walid Gaaloul. CTL-Based Adaptive Service Composition in Edge Networks [J]. IEEE Transactions on Services Computing, 2023, 16(2): 1051-1065.（中国计算机学会CCF A类期刊, 影响因子：11.019）

全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9799731