CN109067859B - 一种面向跨域协同服务的双层云架构系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向跨域协同服务的双层云架构系统及实现方法，双层云架构系统包括云端中心节点组成的第一层云以及边缘节点组成的第二层云；第一层云可接受数据管理人员向其注册系统包含的数据以及接受开发人员向其注册具有不同功能的原子计算服务。所述原子计算服务分布在不同的边缘节点之上；第一层云与客户端建立链接，客户端向第一层云提出服务请求，接受请求后，第一层云将请求转化为原子计算服务组合。之后，第一层云通过调度第二层云得到原子计算服务执行结果，将结果进行汇总并返回给客户端。所述第二层云除接受第一层云调度之外，还与感知层建立链接，可以对连接在其上的物联网设备提供数据的整合、存储及预处理服务。

Description

一种面向跨域协同服务的双层云架构系统及实现方法

技术领域

本发明涉及边缘计算技术领域，特别涉及一种面向跨域协同服务的云端与边缘节点构成的双层云架构系统及实现方法。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，越来越多的物联网设备被广泛应用到社会生活的各个领域，例如智能穿戴设备、智能车辆环境感知设备以及视频监控设备。对这些设备进行管理和数据存储及运算能力的支持是保障设备发挥最大功效的重要因素。在现阶段的产业事件中，云服务器依旧是对物联网设备提供数据存储及运算能力支持的重要手段，当面临大规模的物联网数据传输任务时，设备端与云端的通信将占用大量的带宽。此外，如果设备端需要从云端请求数据，数据在互联网中的传输会产生没必要的服务延时。

边缘计算是云计算的重要补充，其技术的核心思想是通过在互联网的边缘部署服务器，使得物联网设备可以从边缘计算服务器得到数据存储和计算能力的支持，从而没必要通过互联网与云端进行通讯。这样一来，数据传输将不再占用互联网的网络带宽，边缘计算服务器端也能更加及时地对物联网设备的请求进行响应，同时数据的安全性也得到了提升。

然而，学界及工业界对边缘计算的研究仍处于起步阶段，现有对边缘计算的研究都集中在边缘计算的装置研究以及边缘节点与物联网的通讯设计上。目前尚无在此基础上的服务提供模型的研究。此外，目前的结构要么是“云端-物联网设备”，要么是“边缘节点-物联网设备”，对于“云端-边缘节点”组成的双层云架构，以及更进一步的对于云端与边缘节点的协同机制，目前尚无研究。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术对“云端-边缘节点”组成的双层云架构下，对于云端与边缘节点的协同机制的研究的空缺，提供一种面向跨域协同服务的双层云架构系统及实现方法，利用双层云结构实现跨域的分布式的计算及服务支持架构，使得云计算服务与边缘计算服务得以优势互补，满足客户端的多样化服务需求。

本发明的技术解决方案：一种面向跨域协同服务的双层云架构系统，包括：位于云端服务器的中心节点组成的第一层云、多个边缘节点组成的第二层云；中心节点对客户端发送的请求进行解析；多个边缘节点与位于感知层的各类物联网设备连接；

所述第一层云，服务功能包括数据集注册，原子计算服务注册、客户端请求解析、边缘节点任务调度及服务结果返回；所述数据集注册将数据集所有者将分布在第二层云的数据集的信息注册到第一层云；所述原子计算服务注册将原子计算服务的开发者将分布在第二层云的原子计算服务的基本信息注册到第一层云上；所述客户端请求解析将第一层云接受客户端提出的服务请求，并通过解析所述服务请求，将其转化为原子计算服务组合；所述边缘节点任务调度将分解出来的原子计算服务分配给第二层云的多个边缘计算节点；所述服务结果返回模块将第二层云的原子计算服务计算出的结果进行汇总，并返回给客户端；

所述第二层云，将多个边缘节点分布在不同位置区域；每个边缘节点的功能包括，从感知层获取数据，并转化为数据集进行存储；提供原子计算服务执行所需的计算环境，并提前对原子计算服务的程序代码进行部署。在收到第一层云发出的执行原子服务的指令后，按照指令的要求执行相应的原子服务。第二层云与第一层云的关系为：第二层云在第一层云的调度下执行所部署的原子计算服务；第二层云与感知层的关系为：各类物联网感知设备向第二层云上的边缘节点发送采集的数据，并从边缘节点获取计算资源。

所述服务请求采用抽象过程模型来描述计算任务的处理逻辑与处理过程，所述抽象过程模型描述一个总的计算任务中的多个子数据处理步骤之间的关系；中心节点对所述抽象过程模型进行解析，得到由多个原子计算服务组成的服务组合；第一层云根据原子计算服务的注册信息，将服务组合中的各个原子计算服务分配给不同的边缘节点，并将边缘节点返回的结果进行汇总，之后将汇总后的结果返回给客户端。

所述边缘节点与物联网设备通过局域网进行通信，物联设备采集的数据会不断发送给边缘计算节点，边缘计算节点对这些数据进行数据清洗等数据初步加工，形成数据集并进行存储。物联网设备自身计算资源不足时，会从边缘节点请求计算资源，从而使边缘节点协助物联网设备完成计算任务。

所述原子计算服务为部署在边缘节点的不可拆分的最小服务模块，用以完成一部分的数据处理任务；为了能掌握所有边缘节点上所部署的原子计算服务，所述原子计算服务需要在第一层云上进行注册；在进行注册时，需要提供的信息包括：一系列原子计算服务及事先定义的执行顺序组成了复合服务，用于解决通过一系列原子计算服务的组合来完成更加复杂的计算任务。

本发明的一种面向跨域协同服务的双层云架构实现方法，实现步骤如下：

(1)在云端服务器，部署权所述数据集注册，原子计算服务注册，客户端请求解析，边缘节点任务调度服务功能，形成第一层云；

(2)在不同区域部署多个边缘节点，并让物联网设备与就近的边缘节点进行连接，在边缘节点上部署原子计算服务；

(3)将边缘节点上的数据集及原子计算服务注册到第一层云上；

(4)第一层云接受客户端的服务请求，将请求解析成一系列原子计算服务并分配给第二层云，汇总第二层云的结果，并返回给客户端；

(5)在运行的过程中，通过部署不同功能的物联网设备，采集更加多样的数据，实现不断丰富的数据集；通过开发新的原子计算服务作为原子计算服模块在第二层云部署，且在第一层云注册，实现不断丰富的原子计算服务的功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)目前的结构要么是“云端-物联网设备”，要么是“边缘节点-物联网设备”，对于“云端-边缘节点”组成的双层云架构，以及更进一步的对于云端与边缘节点的协同机制，目前尚无研究。本发明率先实现了这方面的研究。

(2)目前尚无对于双层云结构环境下的跨域分布式计算机制的研究。本发明率先实现了这方面的研究。

(3)基于本发明，利用双层云结构实现跨域的分布式的计算及服务支持架构，使得云计算服务与边缘计算服务得以优势互补，满足客户端的多样化服务需求。

附图说明

图1是本发明的一种面向跨域协同服务的双层云架构系统结构示意图；

图2是本发明中面向跨域协同服务的双层云架构所包含的中心节点架构图；

图3是本发明中双层云架构处理跨域协同服务的时序图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化、变型和优点都被包括在本发明中。

本发明的一种面向跨域协同服务的双层云架构系统包含的双层云结构分别为云端中心节点组成的第一层云以及多个边缘节点组成的第二层云。

其中，第一层云包括位于云端服务器上的中心节点，可被整个互联网进行访问。第一层云与客户端建立链接，客户端向第一层云提出服务请求，接受请求后，第一层云对请求进行解析，将其转化为原子服务组合，之后通过调度第二层云，让第二层云执行相应的原子服务并将计算结果返回给第一层云。第一层云对得到的结果进行汇总，并将最终结果返回给客户端。第一层云所包含的具体功能模块包括请求解析，计算任务提交，边缘节点任务调度功能以及服务结果返回。

第二层云由多个边缘节点组成。不同边缘节点分别与感知层建立链接，从感知层获取数据，并接受第一层云的调度。接受第一层云分配的计算任务之后，多个边缘节点协同处理计算任务并将结果向第一层进行返回。

进一步地，所述客户端发送的请求采用抽象过程模型来描述计算任务的逻辑。抽象过程模型类似于工作流模型，描述了一个计算任务中的多个数据处理步骤及步骤之间的关系。中心节点对所述抽象过程模型进行解析，得到服务组合。所述服务组合由多个原子计算服务组成。所述原子计算服务为不可拆分的最小服务模块，可接受特定类型的参数，并返回指定类型的结果。所述原子计算服务分布在各个边缘节点上，并在中心节点进行注册。

中心节点接受到客户端发送的请求之后，将请求解析成一系列的抽象过程，并根据自身所存储的每个过程对应的原子计算服务及原子计算服务所位于的边缘节点。之后中心节点向边缘节点分发任务，并等待边缘节点返回计算结果。

进一步地，所述第二层云由多个边缘节点组成。所述边缘节点分布于不同位置，通过互联网与中心节点进行通信。位于不同位置的边缘节点分别与附件感知层设备不通过互联网而直接建立连接，为感知层设备提供低延时的数据存储及计算资源服务。

进一步地，第二层云接受第一层云的调度。多个边缘节点按照调度依次完成相应原子计算服务，并将结果返回给中心节点。所述第二层云会将任务运行状态存储在数据库中。收到边缘节点发挥的计算结果之后，中心节点会对结果进行的汇总，并将最终的结果以数据的形式通过互联网返回给客户端。

下面结合附图进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向跨域协同服务的双层云架构，所包含的双层云结构分别为云端中心节点组成的第一层云以及多个边缘节点组成的第二层云。整个架构除了双层云结构之间通过互联网进行交互之外，第二层云还通过局域网与附近的物联网感知设备相连，而第一层云则与客户端进行连接。所述物联网感知设备集合，构成架构的感知层，感知层与第二层云之间的交互主要包括感知层向第二层云的采集数据的上传，以及第二层云对感知层的计算资源支持。所述客户端向第一层云提出请求，第一层云向客户端返回结果。

如图2所示，所述第一层云的功能模块包括数据集注册，原子计算服务注册，客户端请求解析，边缘节点任务调度以及服务结果返回。所述数据集注册是指，数据集所有者可将分布在第二层云的数据集的信息注册到第一层云。所述原子计算服务注册是指，原子计算服务的开发者可将分布在第二层云的原子计算服务的基本信息注册到第一层云上。所述客户端请求解析是指第一层云接受客户端提出的服务请求，并通过解析这些请求将其转化为原子计算服务组合。所述边缘节点任务调度是指将分解出来的原子计算服务分配给第二层云的多个边缘计算节点。所述服务结果返回是指将第二层云的原子计算服务计算出的结果进行汇总，并返回给客户端。

第二层云由多个边缘节点组成。不同边缘节点分别与感知层建立链接，从感知层获取数据，并接受第一层云的调度。接受第一层云分配的计算任务之后，多个边缘节点协同处理计算任务并将结果向第一层进行返回。

客户端发送的请求采用抽象过程模型来描述计算任务的逻辑。抽象过程模型类似于工作流模型，描述了一个计算任务中的多个数据处理步骤及步骤之间的关系。中心节点对所述抽象过程模型进行解析，得到服务组合。如图3所示，所述服务组合由多个原子计算服务组成。所述原子计算服务为不可拆分的最小服务模块，可接受特定类型的参数，并返回指定类型的结果。所述原子计算服务分布在各个边缘节点上，并在中心节点进行注册。

中心节点接受到客户端发送的请求之后，将请求解析成一系列的抽象过程，并根据自身所存储的每个过程对应的原子计算服务及原子计算服务所位于的边缘节点。之后中心节点向边缘节点分发任务，并等待边缘节点返回计算结果。

第二层云由多个边缘节点组成。所述边缘节点分布于不同位置，通过互联网与中心节点进行通信。位于不同位置的边缘节点分别与附件感知层设备不通过互联网而直接建立连接，为感知层设备提供低延时的数据存储及计算资源服务。

第二层云接受第一层云的调度。多个边缘节点按照调度依次完成相应原子计算服务，并将结果返回给中心节点。所述第二层云会将任务运行状态存储在数据库中。收到边缘节点发挥的计算结果之后，中心节点会对结果进行的汇总，并将最终的结果以数据的形式通过互联网返回给客户端。

通过上述的步骤，就可以实现中心节点与边缘节点之间相互配合，实现基于分布式边缘计算的跨域协同服务。

如图3所示，客户端发送的请求采用抽象过程模型来描述计算任务的逻辑。抽象过程模型类似于工作流模型，描述了一个计算任务中的多个数据处理步骤及步骤之间的关系。中心节点对所述抽象过程模型进行解析，得到服务组合。如图3所示，所述服务组合由多个原子计算服务组成。所述原子计算服务为不可拆分的最小服务模块，可接受特定类型的参数，并返回指定类型的结果。所述原子计算服务分布在各个边缘节点上，并在中心节点进行注册。

中心节点接受到客户端发送的请求之后，将请求解析成一系列的抽象过程，并根据自身所存储的每个过程对应的原子计算服务及原子计算服务所位于的边缘节点。之后中心节点向边缘节点分发任务，并等待边缘节点返回计算结果。原子计算服务为部署在边缘节点的不可拆分的最小服务模块，用以完成一部分的数据处理任务。为了能掌握所有边缘节点上所部署的原子计算服务，所述原子计算服务需要在第一层云上进行注册。在进行注册时，需要提供的信息包括。一系列原子计算服务及事先定义的执行顺序组成了复合服务，用于解决通过一系列原子计算服务的组合来完成更加复杂的计算任务。

第二层云由多个边缘节点组成。不同边缘节点分别与感知层建立链接，从感知层获取数据。边缘节点与物联网设备通过局域网进行通信，物联设备采集的数据会不断发送给边缘计算节点，边缘计算节点对这些数据进行数据清洗等数据初步加工，形成数据集并进行存储。物联网设备自身计算资源不足时，会从边缘节点请求计算资源，从而使边缘节点协助物联网设备完成计算任务。

第二层云接受第一层云的调度。多个边缘节点按照调度依次完成相应原子计算服务，并将结果返回给中心节点。所述第二层云会将任务运行状态存储在数据库中。收到边缘节点发挥的计算结果之后，中心节点会对结果进行的汇总，并将最终的结果以数据的形式通过互联网返回给客户端。

客户端，中心节点及多个边缘节点之间的整个交互关系如图3所示。首先，客户端以提交任务的形式向中心节点提出请求，中心节点将任务分解为多个原子计算任务，并把相应的原子计算任务分配给不同的边缘节点。随后，边缘节点分别返回原子计算任务的结果，中心节点在接收到结果后，对结果进行汇总，并把最终结果返回给客户端。

通过上述的步骤，就可以实现中心节点与边缘节点之间相互配合，实现基于分布式边缘计算的跨域协同服务。

Claims (5)

1.一种面向跨域协同服务的双层云架构系统，其特征在于：包括位于云端服务器的中心节点组成的第一层云、多个边缘节点组成的第二层云；中心节点对客户端发送的请求进行解析；多个边缘节点与位于感知层的各类物联网设备连接；

所述第一层云，服务功能包括数据集注册，原子计算服务注册、客户端请求解析、边缘节点任务调度及服务结果返回；所述数据集注册将数据集所有者将分布在第二层云的数据集的信息注册到第一层云；所述原子计算服务注册将原子计算服务的开发者将分布在第二层云的原子计算服务的基本信息注册到第一层云上；所述客户端请求解析将第一层云接受客户端提出的服务请求，并通过解析所述服务请求，将服务请求转化为原子计算服务组合；所述边缘节点任务调度将分解出来的原子计算服务分配给第二层云的多个边缘计算节点；所述服务结果返回模块将第二层云的原子计算服务计算出的结果进行汇总，并返回给客户端；

所述第二层云，将多个边缘节点分布在不同位置区域；每个边缘节点的功能包括，从感知层获取数据，并转化为数据集进行存储；提供原子计算服务执行所需的计算环境，并提前对原子计算服务的程序代码进行部署，在收到第一层云发出的执行原子服务的指令后，按照指令的要求执行相应的原子服务，第二层云与第一层云的关系为：第二层云在第一层云的调度下执行所部署的原子计算服务；第二层云与感知层的关系为：各类物联网感知设备向第二层云上的边缘节点发送采集的数据，并从边缘节点获取计算资源。

2.根据权利要求1所述的面向跨域协同服务的双层云架构系统，其特征在于：所述服务请求采用抽象过程模型来描述计算任务的处理逻辑与处理过程，所述抽象过程模型描述一个总的计算任务中的多个子数据处理步骤之间的关系；中心节点对所述抽象过程模型进行解析，得到由多个原子计算服务组成的服务组合；第一层云根据原子计算服务的注册信息，将服务组合中的各个原子计算服务分配给不同的边缘节点，并将边缘节点返回的结果进行汇总，之后将汇总后的结果返回给客户端。

3.根据权利要求1所述的面向跨域协同服务的双层云架构系统，其特征在于：所述边缘节点与物联网设备通过局域网进行通信，物联设备采集的数据会不断发送给边缘计算节点，边缘计算节点对这些数据进行数据清洗等数据初步加工，形成数据集并进行存储；物联网设备自身计算资源不足时，会从边缘节点请求计算资源，从而使边缘节点协助物联网设备完成计算任务。

4.根据权利要求2所述的面向跨域协同服务的双层云架构系统，其特征在于：原子计算服务为部署在边缘节点的不可拆分的最小服务模块，用以完成一部分的数据处理任务；为了能掌握所有边缘节点上所部署的原子计算服务，所述原子计算服务需要在第一层云上进行注册；在进行注册时，需要提供的信息包括：一系列原子计算服务及事先定义的执行顺序组成了复合服务，用于解决通过一系列原子计算服务的组合来完成更加复杂的计算任务。

5.一种如权利要求1-4任一所述的面向跨域协同服务的双层云架构系统的实现方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)在云端服务器，部署权所述数据集注册，原子计算服务注册，客户端请求解析，边缘节点任务调度服务功能，形成第一层云；

(2)在不同区域部署多个边缘节点，并让物联网设备与就近的边缘节点进行连接，在边缘节点上部署原子计算服务；

(3)将边缘节点上的数据集及原子计算服务注册到第一层云上；

(4)第一层云接受客户端的服务请求，将请求解析成一系列原子计算服务并分配给第二层云，汇总第二层云的结果，并返回给客户端；

(5)在运行的过程中，通过部署不同功能的物联网设备，采集更加多样的数据，实现不断丰富的数据集；通过开发新的原子计算服务作为原子计算服模块在第二层云部署，且在第一层云注册，实现不断丰富的原子计算服务的功能。

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