CN113542371A - 基于边缘网关的资源调度方法及*** - Google Patents

基于边缘网关的资源调度方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘网关的资源调度方法，包括步骤：S1.获取终端设备发送的任务；其中，所述任务包括若干子任务；S2.确定处理所述任务的最短边缘节点路径；S3.按照设定的子任务执行顺序，依次从最短边缘节点路径中选择执行目标子任务消耗时间最小的边缘节点作为目标节点；S4.使用所述目标节点执行所述任务。所述基于边缘网关的资源调度***，包括边缘管理器、边缘服务器以及边缘网关；所述边缘管理器用于对网络资源和计算资源进行调度；所述边缘服务器用于提供计算资源；所述边缘网关用于接收终端设备发出的任务请求并转发至边缘管理器。本发明能够充分发挥边缘侧的计算能力，保证了对终端设备的及时响应，减少了网络负载。

Description

基于边缘网关的资源调度方法及***
技术领域
本发明涉及计算机边缘计算领域，具体涉及一种基于边缘网关的资源调度方法及***。
背景技术
随着计算机网络技术的发展，边缘计算作为新兴技术，通过人、机、物的全面互联，实现实体经济向数字经济转型，推动了传统产业加快转型升级、新兴产业加速发展壮大。
于此同时，带来的挑战也不可避免，具体表现在，1.海量的数据接入。为更好的保证生产安全，提高生产效率，会在传统的生产过程中增加更多的传感设备，以更好的监控相关设备的工作状态及生产质量。因此海量数据接入，会导致网络负载增大，造成网络延迟；2.多种协议转换。各类传感器由于采用协议不同，增加了数据互联互通的困难，而传统网关设备难以解决；3.边缘网关的资源管理。边缘网关设备部署于工业生产现场，需满足高温宽、低功耗、高稳定性的需求，现有边缘网关主要集中于协议转换，数据由边缘网关转发至边缘服务器进行处理，没有充分发挥边缘网关的计算功能，面对终端设备的海量数据与用户的个性化服务需求时，只能进一步扩大网络规模，增加了网络运营成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于边缘网关的资源调度方法及***，能够充分发挥边缘侧的计算能力，保证了对终端设备的及时响应，减少了网络负载。
本发明的基于边缘网关的资源调度方法，包括如下步骤：
S1.获取终端设备发送的任务；其中，所述任务包括若干子任务；
S2.确定处理所述任务的最短边缘节点路径；
S3.按照设定的子任务执行顺序，依次从最短边缘节点路径中选择执行目标子任务消耗时间最小的边缘节点作为目标节点；
S4.使用所述目标节点执行所述任务。
进一步，所述步骤S2，具体包括：
S21.确定满足任务等级要求的若干边缘节点；
S22.以边缘节点间最短路径为目标，计算得到最短边缘节点路径。
进一步，所述步骤S3，具体包括：
S31.确定子任务执行顺序：t1,t2,...,tj,...,tn；其中，tj为第j个子任务，j为子任务编号；
S32.构建执行子任务的时间消耗模型：
L＝min(Fj)；
其中，L为执行子任务tj消耗时间的最小值；Fj为执行子任务tj的消耗时间；所述
Figure BDA0003139095240000021
其中，Sj为子任务tj的开始时间；|T|为任务T中子任务的个数；Edge为边缘节点集合；edge为边缘节点；若子任务ti是子任务tj的前驱任务，则eij为1，若子任务ti不是子任务tj的前驱任务，则eij为0；若子任务ti获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000022
为1，若子任务ti没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000023
为0；若子任务tj获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000024
为1，若子任务tj没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000025
为0；
Figure BDA0003139095240000026
为执行子任务tj时虚拟机的建立时间；
Figure BDA0003139095240000027
为执行子任务tj时在边缘节点edge中的计算时间；
S33.按照子任务执行顺序，依次调整目标子任务对应的时间消耗模型中各参数值，使得所述时间消耗模型取得最小值，将取得最小值时确定的边缘节点作为目标节点。
进一步，根据如下公式确定子任务tj的开始时间Sj：
Figure BDA0003139095240000031
其中，Fk为子任务tk的结束时间；Tjk为子任务tk将数据传输给子任务tj所需要的时间；Pj为子任务tj的前驱集合。
进一步，根据如下公式确定子任务tj的前驱集合Pj：
Figure BDA0003139095240000032
其中，Task为子任务集合；δi为网络***期望子任务ti结束的时间；δj为网络***期望子任务tj结束的时间。
进一步，根据如下公式确定执行子任务tj时虚拟机的建立时间
Figure BDA0003139095240000033
Figure BDA0003139095240000034
其中，若存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure BDA0003139095240000035
为0，若不存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure BDA0003139095240000036
为1；
Figure BDA0003139095240000037
为对应于子任务tj的镜像传输时间；
Figure BDA0003139095240000038
为虚拟机实例的建立时间。
一种基于边缘网关的资源调度***，包括边缘管理器、边缘服务器以及边缘网关；
所述边缘管理器，分别与边缘服务器以及边缘网关通信连接；用于接收边缘网关的任务请求，并根据任务请求对网络资源和计算资源进行调度，得到调度策略，以响应任务请求；
所述边缘服务器，与边缘网关通信连接；用于提供计算资源；
所述边缘网关，用于接收终端设备发出的任务请求并转发至边缘管理器，同时提供计算资源。
进一步，所述边缘管理器通过管理网络分别与边缘服务器以及边缘网关连接。
进一步，所述边缘服务器通过物理网络与边缘网关连接。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于边缘网关的资源调度方法及***，通过在边缘网关与边缘服务器间组建边缘侧资源池，根据边缘网关与边缘服务器的计算资源状态和网络资源状态，以终端设备发出的请求任务所消耗的时间最小为目标，选择合适的边缘节点，进而在合适的边缘节点中建立虚拟机，并利用SDN构建虚拟网络，使得终端设备得到虚拟机的服务。有效地保证了对终端设备的及时响应，降低了网络传输负载。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的资源调度***结构示意图；
图3为本发明的资源调度流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图1所示：
本发明的基于边缘网关的资源调度方法，包括如下步骤：
S1.获取终端设备发送的任务；其中，所述任务包括若干子任务；所述任务包括一个或多个子任务；
S2.确定处理所述任务的最短边缘节点路径；
S3.按照设定的子任务执行顺序，依次从最短边缘节点路径中选择执行目标子任务消耗时间最小的边缘节点作为目标节点；
S4.使用所述目标节点执行所述任务。
本实施例中，所述步骤S2，具体包括：
S21.确定满足任务等级要求的若干边缘节点；其中，所述任务TASK可以表示为：TASK＝{Pri,Graph}；Pri为任务的等级，Pri包含了任务对资源的需求，也即是，当收到任务TASK后，通过查询当前计算资源状态ComputeState和网络资源状态NetState，选取满足任务TASK资源需求的边缘节点即可。其中，Graph为任务中各个子任务之间的关系图，所述关系图Graph可以表示为：Graph＝(Task,E)；其中，Task为子任务的集合，Task＝{t1,t2,...,tn}；E为子任务之间的数据依赖关系，E为n×n的0-1矩阵，
Figure BDA0003139095240000051
特别的，在有向无环图DAG中不存在循环，也即是，不存在相互依赖的数据关系，即
Figure BDA0003139095240000052
其中，eij＝1表示子任务ti是子任务tj的前驱任务，即ti的结果为tj的输入，输入数据的大小为εij。
S22.以边缘节点间最短路径为目标，计算得到最短边缘节点路径。其中，利用SDN全局视野，使用Dijkstra算法，计算最短边缘节点路径。
本实施例中，所述步骤S3，具体包括：
S31.确定子任务执行顺序：t1,t2,...,tj,...,tn；其中，tj为第j个子任务，j为子任务编号；其中，将未被分配任何平台或资源的子任务按照时间的先后顺序进行排列，得到子任务的执行顺序；
S32.构建执行子任务的时间消耗模型：
L＝min(Fj)；
其中，L为执行子任务tj消耗时间的最小值；Fj为执行子任务tj的消耗时间；所述
Figure BDA0003139095240000053
其中，Sj为子任务tj的开始时间；|T|为任务T中子任务的个数；Edge为边缘节点集合，Edge＝{G1,G2...Gk,S1,S2...Sm}，Gk表示第k个边缘网关，Sm表示第m个边缘服务器；edge为边缘节点；若子任务ti是子任务tj的前驱任务，则eij为1，若子任务ti不是子任务tj的前驱任务，则eij为0；若子任务ti获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000061
为1，若子任务ti没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000062
为0；若子任务tj获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000063
为1，若子任务tj没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure BDA0003139095240000064
为0；
Figure BDA0003139095240000069
为执行子任务tj时虚拟机的建立时间；
Figure BDA0003139095240000065
为执行子任务tj时在边缘节点edge中的计算时间，所述计算时间
Figure BDA0003139095240000066
由配置的硬件平台决定；
S33.按照子任务执行顺序，依次调整目标子任务对应的时间消耗模型中各参数值，使得所述时间消耗模型取得最小值，将取得最小值时确定的边缘节点作为目标节点。其中，每个子任务对应一个该子任务的时间消耗模型，这里将该子任务作为目标子任务。通过统计并更新当前计算资源状态与网络资源状态以及目标子任务所需的计算资源与网络资源，将目标子任务的时间消耗模型取得最小值时确定的边缘节点作为执行目标子任务的目标节点；这样，若干子任务就有若干目标节点。
本实施例中，根据如下公式确定子任务tj的开始时间Sj：
Figure BDA0003139095240000067
其中，Fk为子任务tk的结束时间；Tjk为子任务tk将数据传输给子任务tj所需要的时间，所述时间Tjk由SDN通过计算单位时间流量估计而得；Pj为子任务tj的前驱集合。
本实施例中，根据如下公式确定子任务tj的前驱集合Pj：
Figure BDA0003139095240000068
其中，Task为子任务集合；δi为网络***期望子任务ti结束的时间；δj为网络***期望子任务tj结束的时间。所述前驱集合包括直接前驱以及间接前驱；所述直接前驱表示子任务ti、tj之间具有继承关系，其可用公式{ti|ti∈Task,eij＝1}进行表示；所述间接前驱表示子任务ti、tj处于同一处理平台，且网络***期望子任务ti结束的时间δi在网络***期望子任务tj结束的时间δj之前，其可用公式
Figure BDA0003139095240000071
进行表示，其中，
Figure BDA0003139095240000072
表示子任务ti以及tj均获得了边缘节点edge的资源。
本实施例中，根据如下公式确定执行子任务tj时虚拟机的建立时间
Figure BDA0003139095240000073
Figure BDA0003139095240000074
其中，若存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure BDA0003139095240000075
为0，若不存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure BDA0003139095240000076
为1；
Figure BDA0003139095240000077
为对应于子任务tj的镜像传输时间；
Figure BDA0003139095240000078
为虚拟机实例的建立时间。
一种基于边缘网关的资源调度***，如图2所示，包括边缘管理器、边缘服务器以及边缘网关；所述边缘服务器为多个，所述边缘网关为多个；
所述边缘管理器，分别与边缘服务器以及边缘网关通信连接；用于接收边缘网关的任务请求，并根据任务请求对网络资源和计算资源进行调度，得到调度策略，以响应任务请求；其中，所述边缘管理器对边缘节点资源进行管理，同时为***提供支撑服务。边缘管理器主要由分布式控制器与SDN控制器构成，其中，分布式控制器管理边缘节点的计算资源；SDN控制器管理***的网络拓扑。边缘管理器得到调度策略后在对应的边缘服务器或边缘网关中建立虚拟机，以响应TASK。
所述边缘服务器，与边缘网关通信连接；用于提供计算资源；其中，边缘服务器与边缘网关构建边缘侧资源池，而边缘管理器可在边缘服务器和边缘网关中建立虚拟机并构建Overlay虚拟网络，组成对终端设备的服务链，实现在边缘侧对终端设备的快速响应。
所述边缘网关，用于接收终端设备发出的任务请求并转发至边缘管理器，同时提供计算资源。其中，所述边缘网关与终端设备直接相连。
所述资源调度***通过由边缘管理器部署虚拟机，实现对终端设备的服务；并且可依据边缘管理器中的SDN控制器指令更改转发流表，实现网络可编程。
本实施例中，所述边缘管理器通过管理网络分别与边缘服务器以及边缘网关连接。其中，所述管理网络，即边缘控管理器分别与边缘服务器和边缘网关连接的网络，负责传输管理信息，边缘管理器部署于管理网络，通过管理网络实现对各个边缘节点的管理，并在物理网络中通过SDN控制器构建不同的虚拟网络，而虚拟网络间相互隔绝，进而实现了“转控分离”。
本实施例中，所述边缘服务器通过物理网络与边缘网关连接。其中，所述物理网络是边缘服务器和边缘网关连接的网络，是构建虚拟网络的基础，负责将终端设备相关信息继续转发处理。
对本发明的基于边缘网关的资源调度***的调度流程进行阐述，如图3所示：
终端设备有任务需要资源调度***进行处理时，会将该任务处理的请求信息发送给边缘网关，此请求信息为REST请求，包含边缘管理器的IP地址、端口以及请求任务中的任务集。该请求信息经由边缘网关转发，通过管理网络，发送给边缘管理器后，由边缘管理器进行后续的统一调度。边缘管理器根据任务请求，分析出任务对资源的需求；从任务时间敏感性出发，以虚拟机建立时间模型、计算时间模型以及网络传输时间模型来构建资源调度目标，通过调度方法实现资源调度目标，进而得到调度结果并执行。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.获取终端设备发送的任务；其中，所述任务包括若干子任务；
S2.确定处理所述任务的最短边缘节点路径；
S3.按照设定的子任务执行顺序，依次从最短边缘节点路径中选择执行目标子任务消耗时间最小的边缘节点作为目标节点；
S4.使用所述目标节点执行所述任务。
2.根据权利要求1所述的基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：所述步骤S2，具体包括：
S21.确定满足任务等级要求的若干边缘节点；
S22.以边缘节点间最短路径为目标，计算得到最短边缘节点路径。
3.根据权利要求1所述的基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：所述步骤S3，具体包括：
S31.确定子任务执行顺序：t1,t2,...,tj,...,tn；其中，tj为第j个子任务，j为子任务编号；
S32.构建执行子任务的时间消耗模型：
L＝min(Fj)；
其中，L为执行子任务tj消耗时间的最小值；Fj为执行子任务tj的消耗时间；所述
Figure FDA0003139095230000011
其中，Sj为子任务tj的开始时间；|T|为任务T中子任务的个数；Edge为边缘节点集合；edge为边缘节点；若子任务ti是子任务tj的前驱任务，则eij为1，若子任务ti不是子任务tj的前驱任务，则eij为0；若子任务ti获得边缘节点edge的资源，则
Figure FDA0003139095230000012
为1，若子任务ti没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure FDA0003139095230000013
为0；若子任务tj获得边缘节点edge的资源，则
Figure FDA0003139095230000014
为1，若子任务tj没有获得边缘节点edge的资源，则
Figure FDA0003139095230000021
为0；
Figure FDA0003139095230000022
为执行子任务tj时虚拟机的建立时间；
Figure FDA0003139095230000023
为执行子任务tj时在边缘节点edge中的计算时间；
S33.按照子任务执行顺序，依次调整目标子任务对应的时间消耗模型中各参数值，使得所述时间消耗模型取得最小值，将取得最小值时确定的边缘节点作为目标节点。
4.根据权利要求3所述的基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：根据如下公式确定子任务tj的开始时间Sj：
Figure FDA0003139095230000024
其中，Fk为子任务tk的结束时间；Tjk为子任务tk将数据传输给子任务tj所需要的时间；Pj为子任务tj的前驱集合。
5.根据权利要求4所述的基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：根据如下公式确定子任务tj的前驱集合Pj：
Figure FDA0003139095230000025
其中，Task为子任务集合；δi为网络***期望子任务ti结束的时间；δj为网络***期望子任务tj结束的时间。
6.根据权利要求3所述的基于边缘网关的资源调度方法，其特征在于：根据如下公式确定执行子任务tj时虚拟机的建立时间
Figure FDA0003139095230000026
Figure FDA0003139095230000027
其中，若存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure FDA0003139095230000028
为0，若不存在对应于子任务tj的镜像，则
Figure FDA0003139095230000029
为1；
Figure FDA00031390952300000210
为对应于子任务tj的镜像传输时间；
Figure FDA00031390952300000211
为虚拟机实例的建立时间。
7.一种基于边缘网关的资源调度***，其特征在于：包括边缘管理器、边缘服务器以及边缘网关；
所述边缘管理器，分别与边缘服务器以及边缘网关通信连接；用于接收边缘网关的任务请求，并根据任务请求对网络资源和计算资源进行调度，得到调度策略，以响应任务请求；
所述边缘服务器，与边缘网关通信连接；用于提供计算资源；
所述边缘网关，用于接收终端设备发出的任务请求并转发至边缘管理器，同时提供计算资源。
8.根据权利要求7所述的基于边缘网关的资源调度***，其特征在于：所述边缘管理器通过管理网络分别与边缘服务器以及边缘网关连接。
9.根据权利要求7所述的基于边缘网关的资源调度***，其特征在于：所述边缘服务器通过物理网络与边缘网关连接。
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