CN114024894A - 软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及*** - Google Patents

软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及***，包括：拆分待处理的初始任务，生成多个子任务；根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销和任务执行时间；上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面；控制平面根据网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，并根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。本发明将数据处理分布在传输路径上，充分利用节点计算资源，实现边传边算，显著降低了传输开销，节约了天地一体化网络中有限的传输资源。

Description

软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及***
技术领域
本发明涉及数据处理领域，具体地，涉及一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及***。
背景技术
天地一体化信息网络是指由位于高轨、中轨、低轨的多种卫星***(通信、遥感、导航***等)、平流层网络(由飞机、高空气球、无人机等组成)和地面网络(互联网、移动通信网络：2G/3G/4G、移动自组织网络、WiFi等)组成的跨时空综合网络，目标是实现空、天、地、海(移动)实体的全球随遇接入、自由互联通信和跨网无缝切换，满足人类随时随地的及时通信与信息服务需求。
软件定义的天地一体化网络指的是在天地一体化网络的基础上，使用逻辑上集中的控制平面管理天地一体化网络。即通过控制器维护天地一体化网络的状态，并根据该状态动态管理网络。
现有软件定义的天地一体化网络缺少一套基于动态传算的数据处理框架。具体来说，现有数据处理首先将原始数据传输至指定数据分析中心然后再进行处理。这引入了较高的传输代价并导致了较严重的传输资源浪费。
在公告号为CN107872348B的中国专利文献中，公开了一种面向天地一体化网络的分域层次化控制方法、装置和***，该方法在天地一体化网络中，通过将各网络传输设备节点信息进行上报到下层控制器，再由下层控制器进行汇总上报到上层控制器，各层控制器得到自己管辖范围内的网络详细信息，在进行网络管理时，每个控制器负责自己域内的所有业务，业务跨域时由业务节点最初覆盖完整的控制器进行管理，利用从管理者或上层控制器得到的相关控制策略进行计算，得到结果并下发，满足了天地一体化信息***需要混合化的管理模式，即在终端统一管理的基础上，各终端组、自治域中仍然具有一定程度的单独管理能力。
文献(Wenrui Ma,Oscar Sandoval,Jonathan Beltran,Deng Pan and NikiPissinou.Traffic aware placement of interdependent NFV middleboxes.IEEEINFOCOM 2017)中，提出了一种面向静态网络的基于任务依赖关系图的任务部署策略。该策略假设每个子任务具有相同的任务开销，并将所有子任务按照输入输出比从小到大进行排序然后结合任务依赖关系采用贪心的方式进行任务部署。该方法对于所有子任务具有相同任务开销的假设不适用于真实网络环境，同时该方法没有结合考虑传输路径的规划导致最终只能得到次优的策略。
文献(Sevil Mehraghdam,Matthias Keller,Holger Karl.Specifying andplacing chains of virtual network functions.IEEE CloudNet 2014)，提出了一种基于贪心策略的联合路由和任务规划策略，该策略同样将子任务按照任务输入输出比进行优先级排序，然后通过组合优化的方式遍历所有方案，最后计算出该序列的最优传输路径及最优任务部署策略。该策略同样假设子任务开销相同且没有考虑拓扑的动态性，因此也不适用于动态的天地一体化网络。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法及***。
根据本发明提供的一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，包括以下步骤：
步骤S1：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务；
步骤S2：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销、子任务输入输出比和任务执行时间；
步骤S3：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，所述子任务描述为子任务的计算资源开销和子任务能够降低的传输数据量；
步骤S4：控制平面根据网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；
步骤S5：根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
优选的，所述步骤S1中的拆分待处理的初始任务包括：按照代码逻辑拆分初始任务的原始代码，生成多个代码段，在每个代码段的前后增加输入或输出所需的代码，使每个代码段能够独立部署，每个能够独立部署的代码段即为子任务。
优选的，所述步骤S2中的子任务之间的执行依赖关系为：子任务之间存在的数据依赖关系。
优选的，所述步骤S2中的子任务依赖关系图为：按照子任务的执行依赖关系构建的有向无环图；其中，所述有向无环图中的节点代表子任务，有向边代表子任务之间的依赖关系。
优选的，所述步骤S4中的网络状态为：网络中每个节点在各时刻的可用计算资源，网络中每条链路在各时刻的剩余带宽。
优选的，所述步骤S4中的传算规则算法包括以下步骤：
步骤S4.1：计算天地一体化网络在任务执行过程中的瓶颈资源；
步骤S4.2：计算天地一体化网络在任务执行过程中每对节点间的平均传输跳数；
步骤S4.3：将子任务按照执行依赖关系及任务执行收益进行排序，得到任务执行顺序；
步骤S4.4：将网络拓扑图和子任务依赖关系图结合，构建任务-拓扑图；
步骤S4.5：在任务-拓扑图上计算由虚拟源节点到虚拟目的节点的最短路径；
步骤S4.6：将步骤S4.5所述最短路径转化为最终数据的传输路径及子任务部署策略。
优选的，所述步骤S4.3包括以下子步骤：
步骤S4.3.1：通过迭代的方式将原始子任务依赖关系图分割成多个不相交任务组；
步骤S4.3.2：基于组号、任务依赖关系或任务执行收益对任务进行排序。
优选的，所述步骤S4.3.1中所述任务执行收益最大组是指，某一子任务与其所有依赖的前序任务组成的一个任务组，任务组的执行收益是组内所有子任务总体可降低数据量与整体计算资源需求的比值，执行收益最大的任务组即为任务执行收益最大组。
优选的，所述步骤S4.4包括以下子步骤：
步骤S4.4.1：构建虚拟源节点和虚拟目的节点；
步骤S4.4.2：将天地一体化网络拓扑中节点与子任务交叉映射，并根据资源约束及传输开销构建任务-拓扑图的链路。
根据本发明提供的一种软件定义天地一体化网络中的动态传算***，包括以下模块：
任务切分模块：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务；
任务分析模块：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销、子任务输入输出比和任务执行时间；
任务上传模块：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，所述子任务描述为子任务的计算资源开销和子任务能够降低的传输数据量；
传算规划模块：根据控制平面的网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；
任务部署模块：根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将数据处理分布在传输路径上，充分利用节点计算资源，降低传输开销，节约了网络中有限的传输资源；
2、由于仅需要传输数据处理结果，本发明可以降低网络负载，提升网络容量；
3、在满足资源约束以及任务依赖关系的情况下，本发明寻找最优的传输路径及子任务的部署位置，从而实现传输开销最小化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中软件定义天地一体化网络中的动态传算方法流程框图；
图2为本发明实施例中天地一体化网络平均跳数计算方法示意图；
图3为本发明实施例中基于任务执行收益最大组的子任务划分方法示意图；
图4为本发明实施例中子任务排序方法示意图；
图5为本发明实施例中软件定义天地一体化网络的动态传算***组成框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明介绍了一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，参照图1，包括以下步骤：
步骤S1：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务。用户在软件定义的天地一体化网络中部署一个复杂的初始任务时，首先将该初始任务在本地编译成中间语言，然后在源码、中间语言或二进制机器码级别按照代码逻辑将初始任务的原始代码拆分成多个代码段，并在切分后的代码段前后增加输入及输出所需的代码，使每个代码段能够独立部署，这些可以独立部署的代码段即为子任务。
步骤S2：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，通过本地侧写的方式量化子任务资源开销，子任务输入输出比以及任务执行时间。其中执行依赖关系是指子任务之间存在的数据依赖关系，即某一子任务的输入为另一子任务的输出。构建子任务依赖关系图的具体操作为：按照子任务的执行依赖关系构建的有向无环图，图中每个节点tm代表一个子任务，有向边e(tm,tn)代表子任务tn依赖子任务tm。子任务依赖关系图表示为R(T,E)，其中T、E分别为子任务集合和边集合，tm∈T表示一个子任务，有向边e(tm,tn)∈E指子任务tn依赖子任务tm。所述本地侧写方式即按照固定数据分布生成测试数据，在本地执行子任务并记录执行子任务的平均任务开销、平均输入输出比、以及平均任务执行时间。
步骤S3：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，其中子任务描述是指，每个子任务的计算资源开销和每个子任务的可降低的传输数据量，子任务能够降低的传输数据量等于子任务的输入数据量乘以(1-子任务的输入输出比)。
步骤S4：控制平面根据网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；其中，控制平面的网络状态是指网络中每个节点在各时刻的可用计算资源，以及网络中每条链路在各时刻的剩余带宽。
传算规划算法的执行包括以下步骤：
步骤S4.1：计算天地一体化网络在任务执行过程中的瓶颈资源。具体为：网络中节点vi的瓶颈计算资源为
Figure BDA0003336374700000051
其中T为任务执行时常，i表示节点的编号，t为时刻，
Figure BDA0003336374700000052
为时刻t下节点vi的剩余计算资源。网络中节点vi到节点vj的瓶颈传输资源为
Figure BDA0003336374700000053
Figure BDA0003336374700000054
其中
Figure BDA0003336374700000055
为时刻t下节点vi到节点vj的剩余传输资源。
步骤S4.2：计算天地一体化网络在任务执行过程中每对节点间的平均传输跳数。具体方法为：，根据卫星运动规律计算各个时刻下的天地一体化网络拓扑，网络中节点vi到节点vj的平均跳数为
Figure BDA0003336374700000056
其中
Figure BDA0003336374700000057
为时刻t下节点vi到节点vj的跳数。如图2所示，天地一体化网络在任务执行过程中拓扑发生了两次变化，链路e(vd,v1)和链路e(v1,vdes)在第2和第3个时间窗口跳数为3，因此这两个链路的平均跳数为(1+1+3)/3＝1.67跳。
步骤S4.3：将子任务按照执行依赖关系及任务执行收益进行排序，得到任务执行顺序；其中任务执行收益是指子任务可降低的数据量与子任务计算资源开销的比值。具体步骤如下：
步骤S4.3.1：通过迭代的方式将原始子任务依赖关系图分割成若干不相交任务组。具体过程为：首先定义某一子任务与其所有依赖的前序任务为一个任务组，并定义任务组的执行收益是组内所有子任务总体可降低数据量与整体计算资源需求的比值，同时定义任务执行收益最大组为执行收益最大的任务组。
每次迭代时，从子任务依赖关系图中迭代找出执行收益最大组，并将该组子任务从子任务依赖图中移除，直至子任务依赖图为空，第i次迭代中找到的执行收益最大组为Groupi，该最大组的组号为i。
如图3所示，子任务依赖关系图被分割成三个不相交任务组，其中在第一次迭代中，子任务t1到t3组成的任务组执行效益最大；在第二次迭代中，子任务t4和t5组成任务执行最大组，而在第三次迭代中，子任务t6到t8组成执行收益最大组。
步骤S4.3.2：基于组号、任务依赖关系或任务执行收益对任务进行排序，排序规则为：子任务tm排在子任务tn之前当且仅当子任务tm所在组的组号小于子任务所在组的组号；或子任务依赖图中存在由tn到tm的路径；或tm的任务执行收益小于tn的任务执行收益。
如图4所示，Group1中的子任务均排在Group2和Group3的子任务前面，由于子任务t3依赖于t1和t2，t3排在t1和t2后面，同时子任务t1执行收益比t2高，因此t1排在t2前面。
步骤S4.4：将网络拓扑图和子任务依赖关系图结合，构建任务-拓扑图。具体步骤如下：
步骤S4.4.1：构建虚拟源节点
Figure BDA0003336374700000061
和虚拟目的节点
Figure BDA0003336374700000062
其中M为子任务数量；
步骤S4.4.2：将天地一体化网络拓扑中节点与子任务交叉映射，并根据资源约束及传输开销构建任务-拓扑图的链路。对于天地一体化网络拓扑中的每一条链路e(vi,vj)，在任务-拓扑图中创建一组链路
Figure BDA0003336374700000063
当任务执行顺序中，子任务tm到子任务tn的总资源开销大于节点vi的瓶颈计算资源时，或子任务t1到子任务tn在执行后的剩余数据超过链路e(vi,vj)的瓶颈传输资源时，将任务-拓扑图中链路
Figure BDA0003336374700000064
的权重设置为+∞。否则，将任务-拓扑图中链路
Figure BDA0003336374700000065
的权重设置为子任务t1到子任务tn在执行后的剩余数据乘以e(vi,vj)的平均跳数。
步骤S4.5：在任务-拓扑图上计算由虚拟源节点
Figure BDA0003336374700000066
到虚拟目的节点
Figure BDA0003336374700000067
的最短路径；
步骤S4.6：将步骤S4.5所述最短路径转化为最终数据的传输路径及子任务部署策略。具体方法为：若
Figure BDA0003336374700000071
为步骤3.4中所述最短路径中的一条链路，则链路e9vi,vj)为数据传输路径上的一条链路，且子任务tm到子任务tn被部署在节点vi上。
步骤S5：根据传输路径规划结果，由控制平面向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
参照图5，本发明介绍的一种软件定义天地一体化网络中的动态传算***，包括以下模块：
任务切分模块：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务；
任务分析模块：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销、子任务输入输出比和任务执行时间；
任务上传模块：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，所述子任务描述为子任务的计算资源开销和子任务能够降低的传输数据量；
传算规划模块：根据控制平面的网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；
任务部署模块：根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务；
步骤S2：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销、子任务输入输出比和任务执行时间；
步骤S3：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，所述子任务描述为子任务的计算资源开销和子任务能够降低的传输数据量；
步骤S4：控制平面根据网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；
步骤S5：根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
2.根据权利要求1所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S1中的拆分待处理的初始任务包括：按照代码逻辑拆分初始任务的原始代码，生成多个代码段，在每个代码段的前后增加输入或输出所需的代码，使每个代码段能够独立部署，每个能够独立部署的代码段即为子任务。
3.根据权利要求1所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S2中的子任务之间的执行依赖关系为：子任务之间存在的数据依赖关系。
4.根据权利要求1所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S2中的子任务依赖关系图为：按照子任务的执行依赖关系构建的有向无环图；其中，所述有向无环图中的节点代表子任务，有向边代表子任务之间的依赖关系。
5.根据权利要求1所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S4中的网络状态为：网络中每个节点在各时刻的可用计算资源，网络中每条链路在各时刻的剩余带宽。
6.根据权利要求1所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S4中的传算规则算法包括以下步骤：
步骤S4.1：计算天地一体化网络在任务执行过程中的瓶颈资源；
步骤S4.2：计算天地一体化网络在任务执行过程中每对节点间的平均传输跳数；
步骤S4.3：将子任务按照执行依赖关系及任务执行收益进行排序，得到任务执行顺序；
步骤S4.4：将网络拓扑图和子任务依赖关系图相结合，构建任务-拓扑图；
步骤S4.5：在任务-拓扑图上计算由虚拟源节点到虚拟目的节点的最短路径；
步骤S4.6：将步骤S4.5所述最短路径转化为最终数据的传输路径及子任务部署策略。
7.根据权利要求6所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S4.3包括以下子步骤：
步骤S4.3.1：通过迭代的方式将原始子任务依赖关系图分割成多个不相交任务组；
步骤S4.3.2：基于组号、任务依赖关系或任务执行收益对任务进行排序。
8.根据权利要求6所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S4.3.1中所述任务执行收益最大组是指，某一子任务与其所有依赖的前序任务组成的一个任务组，任务组的执行收益是组内所有子任务总体可降低数据量与整体计算资源需求的比值，执行收益最大的任务组即为任务执行收益最大组。
9.根据权利要求6所述的软件定义天地一体化网络中的动态传算方法，其特征在于：所述步骤S4.4包括以下子步骤：
步骤S4.4.1：构建虚拟源节点和虚拟目的节点；
步骤S4.4.2：将天地一体化网络拓扑中节点与子任务交叉映射，并根据资源约束及传输开销构建任务-拓扑图的链路。
10.一种软件定义天地一体化网络中的动态传算***，其特征在于，包括以下模块：
任务切分模块：拆分待处理的初始任务，生成多个能够独立部署的子任务；
任务分析模块：根据子任务之间的执行依赖关系，构建子任务依赖关系图，量化子任务资源开销、子任务输入输出比和任务执行时间；
任务上传模块：上传子任务描述和子任务依赖关系图至控制平面，所述子任务描述为子任务的计算资源开销和子任务能够降低的传输数据量；
传算规划模块：根据控制平面的网络状态、子任务描述以及子任务依赖关系图，采用传算规划算法规划数据的传输路径以及每个子任务的部署位置；
任务部署模块：根据传输路径规划结果，向数据平面下发路由表，根据子任务的部署策略，将多个子任务上传至对应的节点。
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