CN108174397A - 一种任务驱动的多网关协同方法 - Google Patents

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赵夙
殷攀
朱晓荣
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Abstract

本发明公开了一种任务驱动的多网关协同方法,该方案其中的网关控制器拥有全局的网络状态信息,能够实现基于业务请求和网络状态信息的任务调度和网关切换。在无线网络中存在多个网关,每个网关使用不同的频率作为数据通道,共同覆盖一片区域,多个网关扩展覆盖更大面积的区域。一旦传感器节点的数据被发送到任何网关节点,就可以在多个网关中协同地发送到相应的汇聚节点,这样可以有效地避免由于传感器节点之间多跳路由而导致的吞吐量降低。该方法不仅可以使网关根据网络状态的好坏自适应的在3G、LTE、Ethernet之间自由切换,而且保证了网络的服务质量(QoS),提高了资源利用率、服务质量和用户体验。

Description

一种任务驱动的多网关协同方法
技术领域
[0001] 本发明设计的一种任务驱动的多网关协同方法,属于无线通信技术领域。
背景技术
[0002] 随着用户需求及网络技术的跨越式发展,当前的信息化建设面临着许多瓶颈问 题,主要体现在:1)各类传感子网缺乏对感知数据的统一存储和处理,同时感知面和深度有 待加强;2)各种异构无线网络接入技术并存;3)各类管理服务系统缺乏有效的统一和集成, 信息孤岛现象突出,同时对象的业务流程协同不足。
[0003] 随着无线技术的进步,新出现的应用程序,如基础设施监控和卫生保健监测系统 需要更多的网关节点。多网关系统可以成功地避免单点故障,但也存在很多问题,第一个问 题是,如何建立一个有效网关访问模型。在异构无线环境中具有多个网关的网络,要发送数 据的节点将不可避免地决定应该选择哪个网关进行传输。不同的网关访问选择标准和方法 会影响网络的可访问性以及吞吐量。虽然在异构无线网络中,多个网关可以有效地平衡网 关节点之间的关系,但当数据流量或用户数不在时,网络接入效率有可能急剧下降。
[0004] 本发明从资源整合的角度,研发了一种任务驱动的多网关协同方法,该方案其中 的网关控制器拥有全局的网络状态信息,能够实现基于业务请求和网络状态信息的任务调 度和网关切换。在无线网络中存在多个网关,每个网关使用不同的频率作为数据通道,共同 覆盖一片区域,多个网关扩展覆盖更大面积的区域。本发明的网关系统集成了 z i gBee、 WIFI、RFID、LoRa、Bluetooth、3G、LTE、Ethernet等多种异构网络通信协议,能够同时与使用 不同协议的设备或子系统进行通信。该系统将Ethernet、3G移动网络、多种无线接入网等进 行融合和协同,使用户可以统一通过各种网络获得服务,提高了资源利用率、服务质量和用 户体验。
发明内容
[0005]技术问题:本发明的目的是提出一种基于业务驱动的网关系统体系结构,在异构 网络中,根据业务类型的不同,需要许多网关来收集数据。本发明提出的网关接入模型允许 多个网关节点与高速线路或宽带无线电无缝连接。一旦传感器节点的数据被发送到任何网 关节点,就可以在多个网关中协同地发送到相应的汇聚节点,这样可以有效地避免由于传 感器节点之间多跳路由而导致的吞吐量降低。
[0006] 技术方案如下:
[0007] 1 •—种任务驱动的多网关协同方法,包括:
[0008] (1)多网关协同通信的体系结构,将控制平面与数据平面分离,其中控制平面中的 网关控制器将获取到的全局网络状态信息分类为信息表存储在控制器的物理存储媒介中, 每次决策需要的信息从这些信息表中获取,将其作为决策的输入,同时输出的决策结果用 来更新相关的信息表;数据平面中的网关节点通过WIFI-INTERNET连接,实现网关控制器下 发的决策结果;
[0009] 网关控制器存储的信息表的说明以及每张表中关键属性包括:
[0010] 业务流信息表internet能够提供给用户的业务流信息,包含业务的类型、实时 性、传输速率、数据包大小属性;
[0011] 全局信息表:记录了网关的最大缓存容量以及网关的负载状态,如轻载网关与重 载网关;
[0012] 业务请求表:客户端发起的业务请求信息,包括客户端ID、业务ID、业务优先级、传 输速率;
[0013] 内容存储表:存储器存储本地历史数据,对数据进行备份,防止因系统故障造成数 据的丢失,一定程度上保障了系统的可靠性与可维护性;
[0014] 网关管理员模块:必须指定系统的性能特征以及硬件上的某些限制,以便为在网 关上运行的无关的其他任务预留资源;
[0015] 任务发布者模块:定义要在传感器数据上执行的进程。须提供处理功能和额外的 元数据,如资源消耗的估计和输入输出主题以及输出频率的估计;
[0016] 优化控制器模块:优化目标可以是对一个特定度量的优化,如最低的外部带宽消 耗、最低的内存消耗或最低的CPU使用率,或者更复杂的多目标决策问题(2)基于任务驱动 的网关调度与网关切换机制
[0017] 在无线异构网络环境中,需要许多网关来收集网络中传感器节点的数据,利用多 个网关之间的协作,根据网关的负载状况,合理的分流网络数据,在多个网关间直接实现负 载均衡,同时在多网关的情况下会发生网关的切换。
[0018]具体步骤为:
[0019]步骤2-1:在网关控制器节点上建立一个全局轻载网关节点信息表,负责存放轻载 网关的负载信息,并按优先队列排序;
[0020] 步骤2-2:当发现自身的负载已经超过某个阀值(nowTime-updateTime),即达到重 载状态时,就发送切换请求包到网关控制器,并同时向网关控制器反馈重载信息;
[0021]步骤2-3:当网关控制器确认其网关处于重载状态时,则同意其部分负载转移到其 他网关上;
[0022]步骤2-4:当网关节点检测到自身负载处于轻载状态时,则向网关控制器发送轻载 信息,告知网关控制器本节点还能继续增加负载;
[0023] 步骤2-5:网关控制器确认其为轻载状态后,该节点的负载如果没有什么大的变 动,则不再发送负载信息给网关控制器;
[0024] 步骤2-6:传感器节点与当前网关的距离大于某个阈值,这时通信中断的几率增 大,需要切换到新的网关,如果没有新网关可选则进彳丁网关发现。
[0025] 有益效果
[0026]本发明提出了一种任务驱动的多网关协同方法,该方案其中的网关控制器拥有全 局的网络状态彳g息,能够实现基于业务请求和网络状态丨目息的任务调度和网关切换。网关 节点可以无缝连接,传感器节点可以访问任何网关进行数据收集,就好像它们连接在目的 地集线器中。一旦传感器节点的数据被发送到任何网关节点,就可以在多个网关中协同地 发送到相应的汇聚节点,这样可以有效地避免由于传感器节点之间多跳路由而导致的吞吐 量降低。同时能够与使用不同协议的设备或子系统进行通信。不仅可以根据网络状态的好 坏自迠应的在3G、LTE、Ethernet之间自由切换,而且保证了网络的服务质量(QoS),提高了 资源利用率、服务质量和用户体验。
附图说明
[0027]图1本发明的整体系统框架图;
[0028]图2本发明的网关调度流程图;
[0029]图3本发明的网关任务管理框架图;
[0030]图4本发明的网关系统工作原理图; 具体实施方案
[0031]以下将结合附图和具体实施方式,对本发明做详细描述。
[0032] 1 •如图1所示,本发明的整体系统框架图,一种任务驱动的多网关协同方法,将控 制平面与数据平面分离,其中控制平面中的网关控制器将获取到的全局网络状态信息分类 为信息表存储在控制器的物理存储媒介中,每次决策需要的信息从这些信息表中获取,将 其作为决策的输入,同时输出的决策结果用来更新相关的信息表;数据平面中的网关节点 通过WIFI-INTERNET连接,实现网关控制器下发的决策结果,在无线异构网络环境中,需要 许多网关来收集网络中传感器节点的数据,利用多个网关之间的协作,根据网关的负载状 况,合理的分流网络数据,在多个网关间直接实现负载均衡,同时在多网关的情况下会发生 网关的切换。
[0033]网关控制器存储的信息表的说明以及每张表中关键属性包括:
[0034] 业务流信息表:Internet能够提供给用户的业务流信息,包含业务的类型、实时 性、传输速率、数据包大小属性;
[0035] 全局信息表:记录了网关的最大缓存容量以及网关的负载状态,如轻载网关与重 载网关;
[0036]业务请求表:客户端发起的业务请求信息,包括客户端ID、业务ID、业务优先级、传 输速率;
[0037]内容存储表:存储器存储本地历史数据,对数据进行备份,防止因系统故障造成数 据的丢失,一定程度上保障了系统的可靠性与可维护性;
[0038]网关管理员模块:必须指定系统的性能特征以及硬件上的某些限制,以便为在网 关上运行的无关的其他任务预留资源;
[0039]任务发布者模块:定义要在传感器数据上执行的进程。须提供处理功能和额外的 元数据,如资源消耗的估计和输入输出主题以及输出频率的估计;
[0040] 优化控制器模块:优化目标可以是对一个特定度量的优化,如最低的外部带宽消 耗、最低的内存消耗或最低的CPU使用率,或者更复杂的多目标决策问题;
[0041] 具体步骤为:
[0042] 步骤1:在网关控制器节点上建立一个全局轻载网关节点信息表,负责存放轻载网 关的负载信息,并按优先队列排序;
[0043] 步骤2:当发现自身的负载已经超过某个阀值,即达到重载状态时,就发送切换请 求包到网关控制器,并同时向网关控制器反馈重载信息;
[0044]步骤3:当网关控制器确认其网关处于重载状态时,则同意其部分负载转移到其他 网关上;
[0045]步骤4:当网关节点检测到自身负载处于轻载状态时,则向网关控制器发送轻载信 息,告知网关控制器本节点还能继续增加负载;
[0046]步骤5:网关控制器确认其为轻载状态后,该节点的负载如果没有什么大的变动, 则不再发送负载信息给网关控制器;
[0047]步骤6:传感器节点与当前网关的距离大于某个阈值,这时通信中断的几率增大, 需要切换到新的网关,如果没有新网关可选则进行网关发现。
[0048] 2.如图2所示,本发明的网关调度流程图。无线异构网络环境中,需要许多网关来 收集网络中传感器节点的数据,利用多个网关之间的协作,根据网关的负载状况,合理的分 流网络数据,在多个网关间直接实现负载均衡。
[0049]具体步骤为:
[0050]步骤1:网关控制器把轻载网关节点的负载信息记录到全局表,并对其进行任务调 度;
[0051] 步骤2:网关控制器对网关节点进行判断,如果是重载网关节点,则查找网关控制 器的全局信息表,选择适当的轻载节点对其进行任务调度,如没有合适的轻载网关节点则 不进行任何调度;
[0052]步骤3:根据全局信息表来判断周围是否存在合适的轻载节点,如果不存在不进行 任何调度,如果存在则进行队列排队;
[0053] 步骤2-4:判断轻载网关节点队列是否为空,如果为空拒绝切换,否则判断此时的 负载是否在设定的阈值内;
[0054] 步骤2-5:如果nowTime_updateTime<T,把负载信息发送给请求的节点,否则再次 进入队列排队;
[0055] 3.如图3所示,本发明的网关任务管理框架图。任务管理框架分为上下两部分。上 面的部分包含任务管理器和其他组件,这些组件有助于任务的管理。底部部分包含存储和 检索关于网络和其他资源的信息的组件。然后,这些信息被顶部的组件利用来管理任务。下 面给出了任务管理框架内的各种组件的详细信息。
[0056]各种组件的详细信息为:
[0057] 1)任务管理器:任务管理器是调节框架中其他组件的主要组件,以决定任务如何 分配给每个设备。多个任务通常相互依赖,因此,任务管理器不仅要决定任务分配的位置, 还要决定任务执行的时间。任务分配基于许多因素,包括资源可访问性、网络结构、任务目 标、应用程序的QoS需求、负载平衡等。任务分配可以基于许多目标,如最大化吞吐量、最小 化能耗、减少通信等。
[0058] 2)计算管理:计算管理组件对任务处理和计算共享做出决策。该组件决定了任务 的计算需求,并根据每个设备和任务目标的资源分配任务。计算管理的主要目标之一是在 不同的边缘设备之间共享负载。负载均衡不仅仅是一个目标,它也是一种优化其他目标的 技术,包括响应时间、完成时间和吞吐量。
[0059] 3)通信管理:通信是物联网中嵌入式设备资源消耗的主要贡献者。通信管理组件 处理边缘网格中的数据路由。该组件负责确定哪些设备可以彼此通信,以及在不同设备之 间共孚数据的最佳路径应该是什么。
[0060]^ 4)数据管理:任务管理决策受资源可达性的影响。数据管理组件决定哪些设备应 i亥共享数据,这取决于数据所在的位置和访问数据时消耗的资源。该组件与通信管理组件 一起工作,以确定共享数据的最佳路径。
[0061] 5)资源发现:资源发现意味着发现可以为任何任务提供所需信息或服务的设备。 在合理的时间内发现资源是很有挑战性的,因为网络是巨大的,并且可以断开连接。此组件 获得的信息用于确定哪些设备应该交互以共享数据和计算。任务管理器做出的决策依赖于 该组件所发现的信息。
[0062] 6)设备信息:该组件将所有与设备相关的信息存储在设备上,如设备上的传感器 类型、设备生成的元数据、当前在设备上运行的任务的元数据、现有资源的使用,包括电源、 内存、设备CRJ等。分配给每个网关设备的任务依赖于该组件提供的信息。这一信息被计算 管理组件和数据管理组件利用,以做出关于共享计算和数据的决策设备。
[0063] 7)网络信息:该组件存储有关路由器、相邻边缘设备、连接端设备、网络中的不同 传感器等信息,资源发现组件收集的信息被转移并存储在该组件中。由通信管理组件做出 的路由决策是基于存储在该组件中的信息完成的。
[0064] 4 •如图4所示,本发明的网关系统工作原理图。该系统集成了LoRa、WIFI、RFID、 3111的〇〇你、吡-101\36、^^3沾奸1161:等多种异构网络通信协议,能够同时与使用不同协议 的设备或子系统进行通信。同时,可以根据网络状态的好坏自适应的在3G、LTE、Ethernet之 间自由切换,不但保证了网络的服务质量(QoS),而且该系统还将Ethernet、3G移动网络、 LTE、多种无线接入网等进行融合和协同,使用户可以统一通过各种网络获得服务,提高了 资源利用率、服务质量和用户体验。
[0065]各层具体功能为:
[0066] 1)网络感知模块将环境中分立的传感器、1^10丄〇1^、811161〇〇认、他-101'、手机、摄 像头等各种感知节点和智能终端接入进来;
[0067] 2)通信适配模块对各种异构网络进行协议适配,转换以及对数据进行解析;数据 封包后分别发送到主控模块,存储模块以及管理模块;
[0068] 3)存储模块,主要存储本地历史数据,对数据进行备份,保障了系统的可靠性与可 维护性;同时与主控模块以及管理模块进行数据交互;
[0069] 4)主控模块主要包括用户访问控制以及输入控制,同时将用户操作的行为发送到 数据控制模块以及存储模块;
[0070] 5)管理模块主要包括节点管理,服务管理以及安全管理;同时与存储器以及数据 控制模块进行交互;
[0071] 6)数据和控制模块主要实现数据的传输以及控制,同时数据以2G/3G,或者以LTE 或以太网的形式传送到上层控制平台,显示网络终端设备的状态,方便用户查看。

Claims (5)

1. 一种任务驱动的多网关协同方法,其特征在于,包括: (1)多网关协同通信的体系结构,将控制平面与数据平面分离,其中控制平面中的网关 控制器将获取到的全局网络状态信息分类为信息表存储在控制器的物理存储媒介中,每次 决策需要的信息从这些信息表中获取,将其作为决策的输入,同时输出的决策结果用来更 新相关的信息表;数据平面中的网关节点通过WIFI-INTERNET连接,实现网关控制器下发的 决策结果; ⑵基于任务驱动的网关调度与网关切换机制 在无线异构网络环境中,需要许多网关来收集网络中传感器节点的数据,利用多个网 关之间的协作,根据网关的负载状况,合理的分流网络数据,在多个网关间直接实现负载均 衡,同时在多网关的情况下会发生网关的切换。
2. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述(1)中网关控制器存储的信息表的说明 以及每张表中关键属性包括: 业务流信息表:Internet能够提供给用户的业务流信息,包含业务的类型、实时性、传 输速率、数据包大小属性; 全局信息表:记录了网关的最大缓存容量以及网关的负载状态,如轻载网关与重载网 关; 业务请求表:客户端发起的业务请求信息,包括客户端ID、业务ID、业务优先级、传输速 率; 内容存储表:存储器存储本地历史数据,对数据进行备份,防止因系统故障造成数据的 丢失,一定程度上保障了系统的可靠性与可维护性; 网关管理员模块:必须指定系统的性能特征以及硬件上的某些限制,以便为在网关上 运行的无关的其他任务预留资源; 任务发布者模块:定义要在传感器数据上执行的进程;须提供处理功能和额外的元数 据,如资源消耗的估计和输入输出主题以及输出频率的估计; 优化控制器模块:优化目标可以是对一个特定度量的优化,如最低的外部带宽消耗、最 低的内存消耗或最低的(PU使用率,或者更复杂的多目标决策问题。
3. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在(1)中,部分多网关协同通信的体系结构 中,按照业务优先级的顺序从高到低为实时业务、非实时业务、尽力而为的业务。
4.在根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在⑵的具体步骤为: 步骤2-1:在网关控制器节点上建立一个全局轻载网关节点伯息表,负责存放轻载网关 的负载信息,并按优先队列排序; 步骤2-2:当发现自身的负载已经超过某个阀值,即达到重载状态时,就发送切换请求 包到网关控制器,并同时向网关控制器反馈重载信息; 步骤2-3:当网关控制器确认其网关处于重载状态时,则同意其部分负载转移到其他网 关上; 步骤2-4:当网关节点检测到自身负载处于轻载状态时,则向网关控制器发送轻载信 息,告知网关控制器本节点还能继续增加负载; 步骤2-5:网关控制器确认其为轻载状态后,该节点的负载如果没有什么大的变动,则 不再发送负载信息给网关控制器; 步骤2-6:传感器节点与当前网关的距离大于某个阈值,这时通彳目中断的几率增大,前 要切换到新的网关,如果没有新网关可选则进行网关发现。
5.在根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在(2)的部分基于任务驱动的网关调度 与网关切换机制中,网关自身的负载的阈值即为nowTime-updateTime。
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