CN114500296A - 基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法 - Google Patents

基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法 Download PDF

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CN114500296A CN202210087697.5A CN202210087697A CN114500296A CN 114500296 A CN114500296 A CN 114500296A CN 202210087697 A CN202210087697 A CN 202210087697A CN 114500296 A CN114500296 A CN 114500296A
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Abstract

本发明公开了一种基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法，主要解决传统时间扩展图无法表征计算资源的问题，其实现方案为：初始化表征网络参数，划分网络节点，并根据网络节点功能对其进行分解；将规划周期划分为T个不均等的时间间隔；初始化一张空白的T层有向图，添加非功能节点、虚拟子节点和虚拟计算节点；再在有向图中添加传输链路、存储链路和虚拟传输链路，构成功能扩展图；设置通信容量约束、存储容量约束、计算容量约束和流量守恒约束，将通信、存储和计算资源联合管理问题转化为功能扩展图中的数据流问题。本发明能用功能扩展图，表征网络中的资源的时变性和相关性，可用于时变网络中的通信、存储和计算资源的统一分析与管理。

Description

基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法
技术领域
本发明属于信息技术领域，特别涉及一种基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法，可以用于公共交通、通信、供应链这些时变网络的通信、存储和计算资源分析与管理。
背景技术
为了建模网络拓扑对数据传输的影响，Fulkerson等人提出了时间扩展图，通过引入存储链路将离散的时间快照连接起来，从而实现网络节点的通信资源和存储资源的联合表征。时间扩展图被广泛应用于表征随时间变化的动态网络，比如，多商品问题，疏散计划问题，空间信息网络以及通信网络等。然而，网络节点除了拥有通信功能和存储功能外，还拥有其他的计算处理功能。比如，对于通信网络，其网络节点可能拥有图像处理功能，则流入该节点的原始图像可能被压缩处理成压缩图像从该节点流出；对于数据流问题，网络节点可能拥有处理功能，其将流入的原始材料处理后转化成产品，如将苹果处理成苹果汁，从该节点流出。然而，这种时间扩展图却无法表征在动态网络中节点的计算处理功能。
例如，Huiting Yang的文章“Maximum flow routing strategy for spaceinformation network with service function constraints”中，提出采用时间扩展图表征时变的空间信息网络网络，其通过引入存储链路将离散的时间快照连接起来，从而实现网络节点的通信资源和存储资源的联合表征。但是，在空间信息网络中的节点，如卫星除了拥有通信功能和存储功能外，还拥有其他的计算处理功能，如图像压缩。而时间扩展图未能将空间信息网络节点相应的计算资源考虑在内，因而导致无法用于空间信息网络中的通信、存储和计算的联合规划。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术无法对通信、存储和计算资源联合表征的不足，提出一种基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法，以构成统一功能图模型，刻画不同资源间的承接转化关系，实现对时变网络中的通信、存储和计算资源的分析和管理。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)初始化网络节点集合为
Figure BDA0003487692200000011
网络节点的个数为N；
(2)对网络节点进行划分，即将把网络中不能提供任务计算功能只起到通信和存储作用的节点分为非功能节点，将络中不仅能提供通信和存储功能还能提供计算功能的分为功能节点；根据此划分将网络节点集合
Figure BDA0003487692200000021
表示为：
Figure BDA0003487692200000022
其中
Figure BDA0003487692200000023
为非功能节点的集合，
Figure BDA0003487692200000024
为功能节点的集合，
Figure BDA0003487692200000025
表示第j个非功能节点，N1为非功能节点的个数，
Figure BDA0003487692200000026
表示第i个功能节点，N2为功能节点的个数，N＝N1+N2；
(3)根据网络节点的功能对其进行分解：
若功能节点
Figure BDA0003487692200000027
能够提供Mi个计算功能，则将节点其分解为一个虚拟子节点vi和Mi个虚拟计算节点
Figure BDA0003487692200000028
以及两条虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000029
和
Figure BDA00034876922000000210
其中，Mi为功能节点
Figure BDA00034876922000000211
能够提供计算功能的总数，
Figure BDA00034876922000000212
表示的功能节点
Figure BDA00034876922000000213
分解的第m个虚拟计算节点，
Figure BDA00034876922000000214
表示的是从虚拟子节点vi到虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000215
的有向线段，
Figure BDA00034876922000000216
表示的是从虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000217
到虚拟子节点vi的有向线段，m∈[1,Mi]；
(4)根据网络节点的连通性，将网络规划周期
Figure BDA00034876922000000218
划分为T个时间间隔
Figure BDA00034876922000000219
其中
Figure BDA00034876922000000220
且在时间间隔τq内网络拓扑保持不变，q∈[1,T]；
(5)构建功能扩展图：
(5a)初始化一张空白的T层有向图，其中第q层有向图的时间间隔为τq；
(5b)在有向图的每个时间间隔τq内分别添加网络中所有非功能节点、所有功能节点分解的虚拟子节点、所有功能节点分解的虚拟计算节点，构成功能节点图，并得到该功能节点图的三类节点集合：
Figure BDA00034876922000000221
Figure BDA00034876922000000222
Figure BDA00034876922000000223
其中，
Figure BDA00034876922000000224
为功能节点图的非功能节点集合，
Figure BDA00034876922000000225
为功能节点图的虚拟子节点集合，
Figure BDA00034876922000000226
为功能节点图的虚拟计算节点集合，
Figure BDA00034876922000000227
表示在时间间隔τq内网络非功能节点
Figure BDA00034876922000000228
的副本，
Figure BDA00034876922000000229
为虚拟子节点vi的副本，
Figure BDA00034876922000000230
表示在时间间隔τq内网络虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000231
的副本；
(5c)在功能节点图中添加链路：
(5c1)根据节点的连通性添加传输链路：
若在时间间隔τq内，网络中第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000031
能够给第k个非功能节点
Figure BDA0003487692200000032
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000033
与第k个非功能节点
Figure BDA0003487692200000034
之间添加一条有向线段
Figure BDA0003487692200000035
若在时间间隔τq内，第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000036
能够给第i个功能节点
Figure BDA0003487692200000037
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000038
与第i个虚拟子节点
Figure BDA0003487692200000039
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000310
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure BDA00034876922000000311
能够给第k个功能节点
Figure BDA00034876922000000312
传输数据，则在功能节点图中的第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000313
与第k个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000314
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000315
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure BDA00034876922000000316
能够给第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000317
传输数据，则在功能节点图中第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000318
与第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000319
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000320
(5c2)添加存储链路：
在功能节点图每个非功能节点的相邻时间间隔之间添加一条从节点
Figure BDA00034876922000000321
到节点
Figure BDA00034876922000000322
的有向线段
Figure BDA00034876922000000323
在功能节点图每个虚拟子节点的相邻时间间隔之间添加一条从节点
Figure BDA00034876922000000324
到节点
Figure BDA00034876922000000325
的有向线段
Figure BDA00034876922000000326
(5c3)添加虚拟传输链路：在功能节点图每个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000327
与其对应的虚拟子计算节点
Figure BDA00034876922000000328
之间添加两条有向线段
Figure BDA00034876922000000329
和
Figure BDA00034876922000000330
至此得到功能扩展图；
(6)设置通信容量约束、存储容量约束、计算容量约束和流量守恒约束：
所述通信容量约束，是限定所有数据流在传输链路或虚拟传输链路上传输的数据量总和不能超过其传输链路或虚拟传输链路的通信容量；
所述存储容量约束，是限定所有数据流在存储链路上存储的数据量总和不能超过其存储链路的存储容量；
所述计算容量约束，是限定数据流
Figure BDA00034876922000000331
流入虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000332
所消耗的计算容量不能超过虚拟计算节点
Figure BDA0003487692200000041
所提供的计算能力，其中
Figure BDA0003487692200000042
为即将接收计算功能
Figure BDA0003487692200000043
的数据流，
Figure BDA0003487692200000044
m∈[1,Mi]，
Figure BDA0003487692200000045
表示的是通过传输链路和存储链路流入功能扩展图中的虚拟子节点
Figure BDA0003487692200000046
的不同数据流的种类数；
所述流量守恒约束，包括：限定每一种数据流流入非功能节点的数据量等于其流出非功能节点的数据量；限定每一种数据流流入虚拟子节点的数据量等于其流出虚拟子节点的数据量；限定即数据流
Figure BDA0003487692200000047
流入虚拟计算节点
Figure BDA0003487692200000048
的数据量乘于
Figure BDA0003487692200000049
等于数据流
Figure BDA00034876922000000410
流出虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000411
的数据量，其中，
Figure BDA00034876922000000412
为已接收计算功能
Figure BDA00034876922000000413
的数据流；
(7)在上述设定的四个约束下，将通信、存储和计算资源联合管理问题转化为功能扩展图中的数据流问题，即用功能扩展图，统一表征随时间变化的动态网络通信、存储和计算资源。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明由于通过功能扩展图框架来统一表征通信、存储和计算能力，解决了传统的时间扩展图中无法表征一个节点内的多种计算功能的问题。具体而言，基于传统时间扩展图，对每个具有计算功能的节点进行虚拟分解为三个虚拟组件：子虚拟节点，虚拟计算节点和虚拟传输链路，其中子虚拟节点保持原始节点的通信和存储能力，而虚拟计算节点提供原始节点的计算能力，虚拟传输链路连接子虚拟节点和虚拟计算节点。同时本发明的功能扩展图能够表征在一个节点内的多个并行或多个连续的计算功能。
2)本发明由于在构造功能扩展图中，通过引入虚拟传输链路的方法解决传统时间扩展图中无法表征节点的计算功能单元处理数据过程的问题。本发明用功能扩展图中的传输链路、存储链路和虚拟传输链路表征时变网络中的通信、存储和计算资源，为联合通信、存储和计算资源提供了统一的表示，且功能扩展图中的不同链路之间的位置关系表征了不同资源间的承接转化关系。
3)本发明由于在功能扩展图中设定了对数据流的通信容量约束、存储容量约束、计算容量约束和流量守恒约束，克服了对于一个具有多个并行计算功能或多个连续功能的节点，因数据流的类型和输入的数据流量与输出的数据流量的比例可能发生改变所造成难于量化流量守恒约束的问题，可通过功能扩展图，统一表征随时间变化的动态网络通信、存储和计算资源。
附图说明
图1是本发明使用的场景示意图；
图2是本发明的实现总流程图；
图3是本发明中在规划周期内网络的节点与节点之间的连通关系示意图；
图4是本发明中功能节点分解得到的不同节点和虚拟传输链路示意图；
图5是本发明中初始化的空白有向图；
图6是本发明中构建的功能节点图。
图7是本发明中构建的功能扩展图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明进行详细说明，实例仅用于说明本发明，并不构成对本发明的任何限制。
参照图1，本实例的网络场景由6个网络节点
Figure BDA0003487692200000051
组成，其中网络节点
Figure BDA0003487692200000052
和
Figure BDA0003487692200000053
这三个节点不能提供任务计算功能只起到通信和存储作用，而
Figure BDA0003487692200000054
和
Figure BDA0003487692200000055
这三个网络节点不仅能提供通信和存储功能还分别能够提供M1,M2和M3个计算功能。网络的规划周期为
Figure BDA0003487692200000056
在规划周期内节点与节点之间的连通性如图3所示，图3中每一个横纵坐标对应一对节点的连通关系，其中横坐标表示时间，纵坐标表示连通性，状态1表示连通，状态0表示断开。
参照图2，本实例在上述场景条件下的具体实现步骤如下：
步骤1，初始化网络参数并对网络节点进行划分。
初始化网络节点的个数为N,N＝6，初始化网络节点集合为
Figure BDA0003487692200000057
即该集合由
Figure BDA0003487692200000058
六个网络节点组成，其中网络节点
Figure BDA0003487692200000059
和
Figure BDA00034876922000000510
这三个节点不能提供任务计算功能只起到通信和存储作用，而
Figure BDA00034876922000000511
和
Figure BDA00034876922000000512
这三个网络节点不仅能提供通信和存储功能还分别能够提供M1,M2和M3个计算功能。
将把网络中不能提供任务计算功能只起到通信和存储作用的节点分为非功能节点，将络中不仅能提供通信和存储功能还能提供计算功能的分为功能节点；
根据此划分将网络节点集合
Figure BDA00034876922000000513
表示为：
Figure BDA00034876922000000514
其中
Figure BDA00034876922000000515
为非功能节点的集合，
Figure BDA0003487692200000061
为功能节点的集合，
Figure BDA0003487692200000062
表示第j个非功能节点，j∈[1,N1]，N1＝3为非功能节点的个数，
Figure BDA0003487692200000063
表示第i个功能节点，i∈[1,N2]，N2＝3为功能节点的个数，N＝N1+N2。
步骤2，根据网络节点的功能对其进行分解。
若功能节点
Figure BDA00034876922000000640
能够提供Mi个计算功能，则将节点其分解为一个虚拟子节点vi和Mi个虚拟计算节点
Figure BDA0003487692200000064
以及两条虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000065
和
Figure BDA0003487692200000066
如图4所示，其中，Mi为功能节点
Figure BDA0003487692200000067
能够提供计算功能的总数，
Figure BDA0003487692200000068
表示的功能节点
Figure BDA0003487692200000069
分解的第m个虚拟计算节点，
Figure BDA00034876922000000610
表示的是从虚拟子节点vi到虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000611
的有向线段，
Figure BDA00034876922000000612
表示的是从虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000613
到虚拟子节点vi的有向线段，m∈[1,Mi]，虚拟子节点vi实现通信和存储功能，虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000614
实现计算功能
Figure BDA00034876922000000615
且数据流
Figure BDA00034876922000000616
流入虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000617
将被处理并被转化为新类型的数据流
Figure BDA00034876922000000618
从该虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000000619
流出，其中，
Figure BDA00034876922000000620
为即将接收计算功能
Figure BDA00034876922000000621
的数据流，
Figure BDA00034876922000000622
为已接收计算功能
Figure BDA00034876922000000623
的数据流。
步骤3，根据网络节点的连通性，将网络规划周期划分为T个连续不均等的时间间隔。
如图3所示，其包括三个时间间隔，即第一时间间隔τ1，第二时间间隔τ2，第三个时间间隔τ3，其中：
第一时间间隔τ1内，第1个非功能节点
Figure BDA00034876922000000624
可以给第1个功能节点
Figure BDA00034876922000000625
传输数据，第1个功能节点
Figure BDA00034876922000000626
可以给第2个功能节点
Figure BDA00034876922000000627
传输数据，第2个非功能节点
Figure BDA00034876922000000628
可以给第3个非功能节点
Figure BDA00034876922000000629
传输数据；
第二个时间间隔τ2内，第1个非功能节点
Figure BDA00034876922000000630
可以给第1个功能节点
Figure BDA00034876922000000631
传输数据，第2个功能节点
Figure BDA00034876922000000632
可以给第3个功能节点
Figure BDA00034876922000000633
传输数据，第3个功能节点
Figure BDA00034876922000000634
可以给第2个非功能节点
Figure BDA00034876922000000635
传输数据；
第三个时间间隔τ3内，第1个功能节点
Figure BDA00034876922000000641
可以给第2个功能节点
Figure BDA00034876922000000636
传输数据，第2个功能节点
Figure BDA00034876922000000637
可以给第3个功能节点
Figure BDA00034876922000000638
传输数据，第3个功能节点
Figure BDA00034876922000000642
可以给第2个非功能节点
Figure BDA00034876922000000639
传输数据，第2个非功能节点
Figure BDA0003487692200000071
可以给第3个非功能节点
Figure BDA0003487692200000072
传输数据。
根据上述6个网络节点的连通性，将网络规划周期
Figure BDA0003487692200000073
划分为3个时间间隔{τ1,τ2,τ3}，其中T＝3，τq＝[tq-1,tq)且在时间间隔τq内网络拓扑保持不变，q∈[1,T]。
步骤4，构建功能扩展图。
4.1)初始化一张空白的T＝3层有向图，其中第q层有向图的时间间隔为τq，1≤q≤3，如图5所示；
4.2)在有向图的每个时间间隔τq内分别添加网络中所有非功能节点、所有功能节点分解的虚拟子节点、所有功能节点分解的虚拟计算节点，构成功能节点图，如图6所示，其中：
功能节点图的非功能节点集合为
Figure BDA0003487692200000074
即该集合由
Figure BDA0003487692200000075
九个非功能节点组成，如图6五边形节点所示，其中，
Figure BDA0003487692200000076
表示第j个网络非功能节点
Figure BDA0003487692200000077
在第q个时间间隔τq内的副本，1≤j≤N1，1≤q≤T，N1＝3，T＝3；
功能节点图的虚拟子节点集合为
Figure BDA0003487692200000078
即该集合由
Figure BDA0003487692200000079
九个虚拟子节点组成，如图6圆节点所示，其中，
Figure BDA00034876922000000710
表示第i个网络虚拟子节点vi在第q个时间间隔τq内的副本，1≤i≤N2，1≤q≤T，N2＝3，T＝3；
功能节点图的虚拟计算节点集合为
Figure BDA00034876922000000711
该集合由三个时间间隔内的虚拟计算节点组成，如图6长方型节点所示，即，
在第一个时间间隔τ1内有
Figure BDA00034876922000000712
Figure BDA00034876922000000713
共M1+M2+M3个虚拟计算节点；
在第二个时间间隔τ2内有
Figure BDA00034876922000000714
Figure BDA00034876922000000715
共M1+M2+M3个虚拟计算节点；
在第三个时间间隔τ3内有
Figure BDA00034876922000000716
Figure BDA0003487692200000081
共M1+M2+M3个虚拟计算节点；其中，
Figure BDA0003487692200000082
表示第i个网络虚拟计算节点
Figure BDA0003487692200000083
在第q个时间间隔τq内的副本，1≤i≤N2，1≤m≤Mi，1≤q≤T，N2＝3，T＝3；
4.3)在功能节点图中添加链路，如图7所示：
4.3.1)根据节点的连通性添加传输链路，如图7的实线所示：
若在时间间隔τq内，网络中第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000084
能够给第k个非功能节点
Figure BDA0003487692200000085
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000086
与第k个非功能节点
Figure BDA0003487692200000087
之间添加一条有向线段
Figure BDA0003487692200000088
若在时间间隔τq内，第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000089
能够给第i个功能节点
Figure BDA00034876922000000810
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000811
与第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000833
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000812
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure BDA00034876922000000813
能够给第k个功能节点
Figure BDA00034876922000000814
传输数据，则在功能节点图中的第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000815
与第k个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000816
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000817
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure BDA00034876922000000818
能够给第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000819
传输数据，则在功能节点图中第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000820
与第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000821
之间添加一条有向线段
Figure BDA00034876922000000822
4.3.2)添加存储链路如，图7的虚线所示：
在功能节点图每个非功能节点的相邻时间间隔之间添加一条从第q个时间间隔的节点
Figure BDA00034876922000000823
到第q+1个时间间隔的节点
Figure BDA00034876922000000824
的有向线段
Figure BDA00034876922000000825
在功能节点图每个虚拟子节点的相邻时间间隔之间添加一条从第q个时间间隔的节点
Figure BDA00034876922000000826
到第q个时间间隔的节点
Figure BDA00034876922000000827
的有向线段
Figure BDA00034876922000000828
4.3.3)添加虚拟传输链路：在功能节点图每个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000829
与其对应的虚拟子计算节点
Figure BDA00034876922000000830
之间添加两条有向线段
Figure BDA00034876922000000831
和
Figure BDA00034876922000000832
如图7的点虚线所示，至此得到如图7所示的功能扩展图。
步骤5，设置通信容量约束、存储容量约束、计算容量约束和流量守恒约束。
5.1)设置通信容量约束，即限定所有数据流在传输链路或虚拟传输链路上传输的数据量总和不能超过其传输链路或虚拟传输链路的通信容量：
5.1.1)对于传输链路，其通信容量约束所限定的所有数据流在传输链路上传输的数据量总和不能超过其传输链路的通信容量，公式表示如下：
Figure BDA0003487692200000091
Figure BDA0003487692200000092
Figure BDA0003487692200000093
Figure BDA0003487692200000094
其中，
Figure BDA0003487692200000095
表示从第j个非功能节点
Figure BDA0003487692200000096
到第k个非功能节点
Figure BDA0003487692200000097
的传输链路
Figure BDA0003487692200000098
上的数据流的种类数，
Figure BDA0003487692200000099
表示从第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000910
到第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000911
的传输链路
Figure BDA00034876922000000912
上的数据流的种类数，
Figure BDA00034876922000000913
表示从第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000914
到第k个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000915
的传输链路
Figure BDA00034876922000000916
上的数据流的种类数，
Figure BDA00034876922000000917
表示从第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000000918
到第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000000919
的传输链路
Figure BDA00034876922000000920
上的数据流的种类数，
Figure BDA00034876922000000921
Figure BDA00034876922000000922
和
Figure BDA00034876922000000923
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure BDA00034876922000000924
Figure BDA00034876922000000925
和
Figure BDA00034876922000000926
上传输的数据量，
Figure BDA00034876922000000927
和
Figure BDA00034876922000000928
分别为传输链路
Figure BDA00034876922000000929
和
Figure BDA00034876922000000930
的通信容量，
Figure BDA00034876922000000931
为功能扩展图中传输链路的集合；
5.1.2)对于虚拟传输链路，其通信容量约束中所限定的数据流在虚拟传输链路上传输的数据量总和不能超过其虚拟传输链路的通信容量，公式表示如下：
Figure BDA00034876922000000932
Figure BDA00034876922000000933
其中,
Figure BDA00034876922000000934
为数据流ξn在虚拟传输链路
Figure BDA00034876922000000935
上传输的数据量；
Figure BDA00034876922000000936
为已接收计算功能转化而成的新类型的数据流ξn'在虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000101
上传输的数据量；
Figure BDA0003487692200000102
为数据流ξn在虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000103
的传输容量，其表示能够传输的最大数据量；
Figure BDA0003487692200000104
为已接收计算功能转化而成的新类型的数据流ξn'在虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000105
的传输容量；
Figure BDA0003487692200000106
为功能扩展图中从虚拟子节点到虚拟计算节点的虚拟传输链路的集合；
Figure BDA0003487692200000107
为功能扩展图中从虚拟子计算节点到虚拟子节点的虚拟传输链路的集合。
5.2)设置存储容量约束，即限定所有数据流在存储链路上存储的数据量总和不能超过其存储链路的存储容量，其公式表示如下：
Figure BDA0003487692200000108
Figure BDA0003487692200000109
其中，
Figure BDA00034876922000001010
和
Figure BDA00034876922000001011
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure BDA00034876922000001012
和
Figure BDA00034876922000001013
上存储的数据量，
Figure BDA00034876922000001014
和
Figure BDA00034876922000001015
分别表示存储链路
Figure BDA00034876922000001016
和
Figure BDA00034876922000001017
的存储容量，
Figure BDA00034876922000001018
表示通过传输链路和存储链路流入功能扩展图中的第j个非功能节点
Figure BDA00034876922000001019
的不同数据流的种类数，
Figure BDA00034876922000001020
表示通过传输链路、存储链路和虚拟传输链路流入功能扩展图中的第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000001021
的不同数据流的种类数，
Figure BDA00034876922000001022
为功能扩展图中存储链路的集合。
5.3)设置计算容量约束，即限定的即将接收计算功能
Figure BDA00034876922000001023
的数据流
Figure BDA00034876922000001024
流入虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000001025
所消耗的计算容量不能超过虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000001026
所提供的计算能力，其公式表示如下：
Figure BDA0003487692200000111
其中，
Figure BDA0003487692200000112
为即将接收计算功能
Figure BDA0003487692200000113
的数据流，
Figure BDA0003487692200000114
为已接收计算功能
Figure BDA0003487692200000115
的数据流，
Figure BDA0003487692200000116
为数据流
Figure BDA0003487692200000117
在虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000118
上传输的数据量，
Figure BDA0003487692200000119
为计算因子，表示的是处理每单元的数据流
Figure BDA00034876922000001110
并转化为数据流
Figure BDA00034876922000001111
所需要消耗的计算能力，
Figure BDA00034876922000001112
表示的是虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000001113
具有的计算能力。
5.4)设置流量守恒约束：
此约束包括对非功能节点、虚拟子节点和虚拟计算节点这三个方面，具体实现如下：
5.4.1)对于非功能节点，限定数据流ξn流入非功能节点的数据量等于其流出非功能节点的数据量，公式表示如下：
Figure BDA00034876922000001114
其中，
Figure BDA00034876922000001115
和
Figure BDA00034876922000001116
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure BDA00034876922000001117
和
Figure BDA00034876922000001118
上传输的数据量，
Figure BDA00034876922000001119
和
Figure BDA00034876922000001120
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure BDA00034876922000001121
和
Figure BDA00034876922000001122
上存储的数据量，
Figure BDA00034876922000001123
为通过传输链路和存储链路流入非功能节点
Figure BDA00034876922000001124
的不同数据流的集合，
Figure BDA00034876922000001125
为功能扩展图中传输链路的集合。
5.4.2)对于虚拟子节点，限定数据流ξn流入虚拟子节点的数据量等于其流出虚拟子节点的数据量，公式表示如下：
Figure BDA00034876922000001126
其中，
Figure BDA0003487692200000121
和
Figure BDA0003487692200000122
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure BDA0003487692200000123
和
Figure BDA0003487692200000124
上传输的数据量，
Figure BDA0003487692200000125
和
Figure BDA0003487692200000126
分别表示数据流ξn在虚拟传输链路
Figure BDA0003487692200000127
和
Figure BDA0003487692200000128
上传输的数据量，
Figure BDA0003487692200000129
和
Figure BDA00034876922000001210
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure BDA00034876922000001211
和
Figure BDA00034876922000001212
上存储的数据量，
Figure BDA00034876922000001213
为通过传输链路、存储链路和虚拟传输链路流入第i个虚拟子节点
Figure BDA00034876922000001214
的不同数据流的集合，
Figure BDA00034876922000001215
为功能扩展图中传输链路的集合；
Figure BDA00034876922000001216
为功能扩展图中从虚拟子节点到虚拟计算节点的虚拟传输链路的集合；
Figure BDA00034876922000001217
为功能扩展图中从虚拟子计算节点到虚拟子节点的虚拟传输链路的集合。
5.4.3)对于虚拟计算节点，限定数据流
Figure BDA00034876922000001218
流入虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000001219
的数据量乘于
Figure BDA00034876922000001220
等于另一种类型的数据流
Figure BDA00034876922000001221
流出虚拟计算节点
Figure BDA00034876922000001222
的数据量，公式表示如下：
Figure BDA00034876922000001223
其中，
Figure BDA00034876922000001224
为即将接收计算功能
Figure BDA00034876922000001225
的数据流，
Figure BDA00034876922000001226
为已接收计算功能
Figure BDA00034876922000001227
的数据流；
Figure BDA00034876922000001228
为即将接收计算功能
Figure BDA00034876922000001229
的数据流
Figure BDA00034876922000001230
在虚拟传输链路
Figure BDA00034876922000001231
上传输的数据量；
Figure BDA00034876922000001232
为已接收计算功能
Figure BDA00034876922000001233
的数据流
Figure BDA00034876922000001234
在虚拟传输链路
Figure BDA00034876922000001235
上传输的数据量；
Figure BDA00034876922000001236
表示的是即将接收计算功能
Figure BDA00034876922000001237
的数据流
Figure BDA00034876922000001238
与已接收计算功能
Figure BDA00034876922000001239
的数据流
Figure BDA00034876922000001240
之间的比例因子。
步骤6，用功能扩展图统一表征通信、存储和计算资源。
由于功能扩展图中的传输链路、存储链路和虚拟传输链路分别表征了时变网络中的通信、存储和计算资源，且功能扩展图中的不同链路之间的位置关系表征了不同资源间的承接转化关系，同时由于在步骤5设定的四个约束下，可使功能扩展图中的数据流满足网络中的通信资源约束、存储资源约束、计算约束以及各种数据流之间的转化关系，因而能将通信、存储和计算资源联合管理问题转化为功能扩展图中的数据流问题，即用功能扩展图，统一表征随时间变化的动态网络通信、存储和计算资源。用该功能扩展图可以对时变网络的通信、存储和计算资源进行统一分析与管理。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于功能扩展图的通信、存储和计算资源统一表征方法，其特征在于，包括：
(1)初始化网络节点集合为
Figure FDA0003487692190000011
网络节点的个数为N；
(2)对网络节点进行划分，即将把网络中不能提供任务计算功能只起到通信和存储作用的节点分为非功能节点，将络中不仅能提供通信和存储功能还能提供计算功能的分为功能节点；根据此划分将网络节点集合
Figure FDA0003487692190000012
表示为：
Figure FDA0003487692190000013
其中
Figure FDA0003487692190000014
为非功能节点的集合，
Figure FDA0003487692190000015
为功能节点的集合，
Figure FDA0003487692190000016
表示第j个非功能节点，N1为非功能节点的个数，
Figure FDA0003487692190000017
表示第i个功能节点，N2为功能节点的个数，N＝N1+N2；
(3)根据网络节点的功能对其进行分解：
若功能节点
Figure FDA0003487692190000018
能够提供Mi个计算功能，则将节点其分解为一个虚拟子节点vi和Mi个虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000019
以及两条虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000110
和
Figure FDA00034876921900000111
其中，Mi为功能节点
Figure FDA00034876921900000112
能够提供计算功能的总数，
Figure FDA00034876921900000113
表示的功能节点
Figure FDA00034876921900000114
分解的第m个虚拟计算节点，
Figure FDA00034876921900000115
表示的是从虚拟子节点vi到虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000116
的有向线段，
Figure FDA00034876921900000117
表示的是从虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000118
到虚拟子节点vi的有向线段，m∈[1,Mi]；
(4)根据网络节点的连通性，将网络规划周期
Figure FDA00034876921900000119
划分为T个时间间隔
Figure FDA00034876921900000120
其中τq＝[tq-1,tq)且在时间间隔τq内网络拓扑保持不变，q∈[1,T]；
(5)构建功能扩展图：
(5a)初始化一张空白的T层有向图，其中第q层有向图的时间间隔为τq；
(5b)在有向图的每个时间间隔τq内分别添加网络中所有非功能节点、所有功能节点分解的虚拟子节点、所有功能节点分解的虚拟计算节点，构成功能节点图，并得到该功能节点图的三类节点集合：
Figure FDA00034876921900000121
Figure FDA00034876921900000122
Figure FDA0003487692190000021
其中，
Figure FDA0003487692190000022
为功能节点图的非功能节点集合，
Figure FDA0003487692190000023
为功能节点图的虚拟子节点集合，
Figure FDA0003487692190000024
为功能节点图的虚拟计算节点集合，
Figure FDA0003487692190000025
表示在时间间隔τq内网络非功能节点
Figure FDA0003487692190000026
的副本，
Figure FDA0003487692190000027
为虚拟子节点vi的副本，
Figure FDA0003487692190000028
表示在时间间隔τq内网络虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000029
的副本；
(5c)在功能节点图中添加链路：
(5c1)根据节点的连通性添加传输链路：
若在时间间隔τq内，网络中第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000210
能够给第k个非功能节点
Figure FDA00034876921900000211
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000212
与第k个非功能节点
Figure FDA00034876921900000213
之间添加一条有向线段
Figure FDA00034876921900000214
若在时间间隔τq内，第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000215
能够给第i个功能节点
Figure FDA00034876921900000216
传输数据，则在功能节点图中的第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000217
与第i个虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000218
之间添加一条有向线段
Figure FDA00034876921900000219
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure FDA00034876921900000220
能够给第k个功能节点
Figure FDA00034876921900000221
传输数据，则在功能节点图中的第i个虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000222
与第k个虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000223
之间添加一条有向线段
Figure FDA00034876921900000224
若在时间间隔τq内，第i个功能节点
Figure FDA00034876921900000225
能够给第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000226
传输数据，则在功能节点图中第i个虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000227
与第j个非功能节点
Figure FDA00034876921900000228
之间添加一条有向线段
Figure FDA00034876921900000229
(5c2)添加存储链路：
在功能节点图每个非功能节点的相邻时间间隔之间添加一条从节点
Figure FDA00034876921900000230
到节点
Figure FDA00034876921900000231
的有向线段
Figure FDA00034876921900000232
在功能节点图每个虚拟子节点的相邻时间间隔之间添加一条从节点
Figure FDA00034876921900000233
到节点
Figure FDA00034876921900000234
的有向线段
Figure FDA00034876921900000235
(5c3)添加虚拟传输链路：在功能节点图每个虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000236
与其对应的虚拟子计算节点
Figure FDA00034876921900000237
之间添加两条有向线段
Figure FDA00034876921900000238
和
Figure FDA00034876921900000239
至此得到功能扩展图；
(6)设置通信容量约束、存储容量约束、计算容量约束和流量守恒约束：
所述通信容量约束，是限定所有数据流在传输链路或虚拟传输链路上传输的数据量总和不能超过其传输链路或虚拟传输链路的通信容量；
所述存储容量约束，是限定所有数据流在存储链路上存储的数据量总和不能超过其存储链路的存储容量；
所述计算容量约束，是限定数据流
Figure FDA0003487692190000031
流入虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000032
所消耗的计算容量不能超过虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000033
所提供的计算能力，其中
Figure FDA0003487692190000034
为即将接收计算功能
Figure FDA0003487692190000035
的数据流，
Figure FDA0003487692190000036
m∈[1,Mi]，
Figure FDA0003487692190000037
表示的是通过传输链路和存储链路流入功能扩展图中的虚拟子节点
Figure FDA0003487692190000038
的不同数据流的种类数；
所述流量守恒约束，包括：限定每一种数据流流入非功能节点的数据量等于其流出非功能节点的数据量；限定每一种数据流流入虚拟子节点的数据量等于其流出虚拟子节点的数据量；限定即数据流
Figure FDA0003487692190000039
流入虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000310
的数据量乘于
Figure FDA00034876921900000311
等于数据流
Figure FDA00034876921900000312
流出虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000313
的数据量，其中，
Figure FDA00034876921900000314
为已接收计算功能
Figure FDA00034876921900000315
的数据流；
(7)在上述设定的四个约束下，将通信、存储和计算资源联合管理问题转化为功能扩展图中的数据流问题，即用功能扩展图，统一表征随时间变化的动态网络通信、存储和计算资源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中的虚拟子节点和虚拟计算节点，各自实现不同的功能，即：
虚拟子节点vi实现通信和存储功能；
虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000316
实现计算功能
Figure FDA00034876921900000317
且数据流
Figure FDA00034876921900000318
流入虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000319
将被处理并被转化为新类型的数据流
Figure FDA00034876921900000320
从该虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000321
流出，其中，
Figure FDA00034876921900000322
为即将接收计算功能
Figure FDA00034876921900000323
的数据流，
Figure FDA00034876921900000324
为为已接收计算功能
Figure FDA00034876921900000325
的数据流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对通信容量约束所限定的所有数据流在传输链路上传输的数据量总和不能超过其传输链路的通信容量，公式表示如下：
Figure FDA00034876921900000326
Figure FDA00034876921900000327
Figure FDA0003487692190000041
Figure FDA0003487692190000042
其中，
Figure FDA0003487692190000043
表示从非功能节点
Figure FDA0003487692190000044
到非功能节点
Figure FDA0003487692190000045
的传输链路
Figure FDA0003487692190000046
上的数据流的种类数，
Figure FDA0003487692190000047
表示从非功能节点
Figure FDA0003487692190000048
到虚拟子节点
Figure FDA0003487692190000049
的传输链路
Figure FDA00034876921900000410
上的数据流的种类数，
Figure FDA00034876921900000411
表示从虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000412
到虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000413
的传输链路
Figure FDA00034876921900000414
上的数据流的种类数，
Figure FDA00034876921900000415
表示从虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000416
到非功能节点
Figure FDA00034876921900000417
的传输链路
Figure FDA00034876921900000418
上的数据流的种类数，
Figure FDA00034876921900000419
和
Figure FDA00034876921900000420
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure FDA00034876921900000421
Figure FDA00034876921900000422
和
Figure FDA00034876921900000423
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000424
和
Figure FDA00034876921900000425
分别为传输链路
Figure FDA00034876921900000426
和
Figure FDA00034876921900000427
的通信容量，
Figure FDA00034876921900000428
为功能扩展图中传输链路的集合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对通信容量约束中所限定的数据流在虚拟传输链路上传输的数据量总和不能超过其虚拟传输链路的通信容量，公式表示如下：
Figure FDA00034876921900000429
Figure FDA00034876921900000430
其中,
Figure FDA00034876921900000431
为数据流ξn在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000432
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000433
为已接收计算功能转化而成的新类型的数据流ξn'在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000434
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000435
为数据流ξn在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000436
的传输容量，其表示能够传输的最大数据量；
Figure FDA00034876921900000437
为已接收计算功能转化而成的新类型的数据流ξn'在虚拟传输链路
Figure FDA0003487692190000051
的传输容量；
Figure FDA0003487692190000052
为功能扩展图中从虚拟子节点到虚拟计算节点的虚拟传输链路的集合；
Figure FDA0003487692190000053
为功能扩展图中从虚拟子计算节点到虚拟子节点的虚拟传输链路的集合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对存储容量约束中所限定的所有数据流在存储链路上存储的数据量总和不能超过其存储链路的存储容量，公式表示如下：
Figure FDA0003487692190000054
Figure FDA0003487692190000055
其中，
Figure FDA0003487692190000056
和
Figure FDA0003487692190000057
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure FDA0003487692190000058
和
Figure FDA0003487692190000059
上存储的数据量，
Figure FDA00034876921900000510
和
Figure FDA00034876921900000511
分别表示存储链路
Figure FDA00034876921900000512
和
Figure FDA00034876921900000513
的存储容量，
Figure FDA00034876921900000514
表示通过传输链路和存储链路流入功能扩展图中的非功能节点
Figure FDA00034876921900000515
的不同数据流的种类数，
Figure FDA00034876921900000516
表示通过传输链路、存储链路和虚拟传输链路流入功能扩展图中的虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000517
的不同数据流的种类数，
Figure FDA00034876921900000518
为功能扩展图中存储链路的集合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对计算容量约束中所限定的即将接收计算功能
Figure FDA00034876921900000519
的数据流
Figure FDA00034876921900000520
流入虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000521
所消耗的计算容量不能超过虚拟计算节点
Figure FDA00034876921900000522
所提供的计算能力，公式表示如下：
Figure FDA00034876921900000523
其中，
Figure FDA00034876921900000524
为即将接收计算功能
Figure FDA00034876921900000525
的数据流，
Figure FDA00034876921900000526
为已接收计算功能
Figure FDA00034876921900000527
的数据流，
Figure FDA00034876921900000528
为数据流
Figure FDA00034876921900000529
在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000530
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000531
为计算因子，表示的是处理每单元的数据流
Figure FDA00034876921900000532
并转化为数据流
Figure FDA00034876921900000533
所需要消耗的计算能力，
Figure FDA00034876921900000534
表示的是虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000061
具有的计算能力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对流量守恒约束中所限定的数据流ξn流入非功能节点的数据量等于其流出非功能节点的数据量，公式表示如下：
Figure FDA0003487692190000062
其中，
Figure FDA0003487692190000063
和
Figure FDA0003487692190000064
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure FDA0003487692190000065
和
Figure FDA0003487692190000066
上传输的数据量，
Figure FDA0003487692190000067
和
Figure FDA0003487692190000068
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure FDA0003487692190000069
和
Figure FDA00034876921900000610
上存储的数据量，
Figure FDA00034876921900000611
为通过传输链路和存储链路流入非功能节点
Figure FDA00034876921900000612
的不同数据流的集合，
Figure FDA00034876921900000613
为功能扩展图中传输链路的集合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对流量守恒约束中所限定的数据流ξn流入虚拟子节点的数据量等于其流出虚拟子节点的数据量，公式表示如下：
Figure FDA00034876921900000614
Figure FDA00034876921900000615
其中，
Figure FDA00034876921900000616
和
Figure FDA00034876921900000617
分别表示数据流ξn在传输链路
Figure FDA00034876921900000618
和
Figure FDA00034876921900000619
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000620
和
Figure FDA00034876921900000621
分别表示数据流ξn在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000622
和
Figure FDA00034876921900000623
上传输的数据量，
Figure FDA00034876921900000624
和
Figure FDA00034876921900000625
分别表示数据流ξn在存储链路
Figure FDA00034876921900000626
和
Figure FDA00034876921900000627
上存储的数据量，
Figure FDA00034876921900000628
为通过传输链路、存储链路和虚拟传输链路流入虚拟子节点
Figure FDA00034876921900000629
的不同数据流的集合，
Figure FDA00034876921900000630
为功能扩展图中传输链路的集合；
Figure FDA00034876921900000631
为功能扩展图中从虚拟子节点到虚拟计算节点的虚拟传输链路的集合；
Figure FDA0003487692190000071
为功能扩展图中从虚拟子计算节点到虚拟子节点的虚拟传输链路的集合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中(6)中对流量守恒约束中所限定的数据流
Figure FDA0003487692190000072
流入虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000073
的数据量乘于
Figure FDA0003487692190000074
等于另一种类型的数据流
Figure FDA0003487692190000075
流出虚拟计算节点
Figure FDA0003487692190000076
的数据量，公式表示如下：
Figure FDA0003487692190000077
其中，
Figure FDA0003487692190000078
为即将接收计算功能
Figure FDA0003487692190000079
的数据流
Figure FDA00034876921900000710
在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000711
上传输的数据量；
Figure FDA00034876921900000712
为已接收计算功能
Figure FDA00034876921900000713
的数据流
Figure FDA00034876921900000714
在虚拟传输链路
Figure FDA00034876921900000715
上传输的数据量；
Figure FDA00034876921900000716
表示的是即将接收计算功能
Figure FDA00034876921900000717
的数据流
Figure FDA00034876921900000718
与已接收计算功能
Figure FDA00034876921900000719
的数据流
Figure FDA00034876921900000720
之间的比例因子。
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