CN110891093B - 一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法及系统 - Google Patents

一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明中提供了一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法及系统，其中，方法步骤为：首先，基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；其次，在初始边缘计算节点选择阶段，按照优先级顺序，软件定义网络控制器基于采集得到的控制类业务服务质量要求、网络拓扑以及边缘计算节点的空闲资源情况，在保障每个业务QoC的基础上按照时延优先的原则进行边缘计算节点的选择；最后，在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于实时感知的当前网络拓扑信息以及边缘节点的空闲资源状态，对当前的控制类业务QoC进行预估，一旦发现某些业务的QoC低于预期门限值，则立即进行新的边缘计算节点选择，并通过路由重配置将该业务引导至新的边缘计算节点，从而切实保障控制类业务的QoC。

Description

一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法及系统
技术领域
本发明涉及工业互联网中的边缘计算节点选择方法，尤其涉及时延敏感网络中具备控制质量保障的边缘计算节点选择方法及系统。
背景技术
时延敏感网络(TSN，time sensitive network)技术以其极高的传输时延保证性成为工业互联网中关键的网络传输技术。此外，边缘计算技术通过在靠近工业现场的地方处理数据从而能够大大减少端到端的闭环控制时延。因此，融合边缘计算的时延敏感网络近些年成为工业互联网领域的研究热点。
部署在时延敏感网络中的边缘计算节点主要包含可编程逻辑控制器(PLC)、时延敏感网关(TSN bridge)以及专门部署的边缘计算平台等节点，而某个边缘计算节点的计算能力必然无法满足所有的信息处理任务，因此需要根据不同的任务需求选择合适的边缘计算节点。另一方面，在时延敏感网络中，主要传输和处理的是终端设备的信息采集、交互及控制命令等数据，其中与生产控制直接相关的数据对闭环控制时延及控制命令传输的准确性要求极高。因此，有必要研究具有控制质量(QoC，quality of control)保障的边缘计算节点选择方法。
现有工业互联网中的边缘计算节点选择方案主要分为两大类：1)时延优先的边缘计算节点选择方案，通过选择离数据源最近的边缘计算节点降低传输时延；2)空闲计算资源优先的边缘计算节点选择方案，通过选择具有最空闲的边缘计算节点来保障计算任务得到处理。然而，当终端节点在某一时间聚集到某个边缘计算节点并且出现更高服务优先级的新业务时，时延优先的节点选择方案很可能会使得某个边缘计算节点任务过载从而带来非常高的计算卸载失败率，从而导致QoC无法得到保障；空闲计算资源优先的节点选择方案由于没有考虑到控制类业务对时延的苛刻要求，很可能会导致时延超过QoC的要求。因此，有必要针对时延敏感网络中拓扑的动态变化，提出边缘计算节点动态选择方法以切实保障工业控制类业务的QoC。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有工业互联网中的边缘计算节点选择方案存在的上述缺陷。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：软件定义网络控制器通过北向接口采集控制类业务的QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
步骤2：软件定义网络控制器通过南向接口采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
步骤3：基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
步骤4：在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载。
另一方面，本发明提供了一种时延敏感网络中边缘计算节点选择系统，该系统包括软件定义网络控制器，所述软件定义网络控制器包括：
第一计算模块，用于通过北向接口采集控制类业务的QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
第二计算模块，用于通过南向接口采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
第三计算模块，用于基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
第四计算模块，用于在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载。
本发明与现有工业互联网中的边缘计算节点选择方法相比，具有以下优势：
基于软件定义网络控制器，无需改变边缘计算节点及TSN本身的资源分配及调度算法，且能够保障工业控制类业务的控制质量要求；
首先延时优先的基础上，加入了对实际控制质量的监测，避免由于终端节点在某一时间聚集到某个边缘计算节点并且出现更高服务优先级的新业务时，导致现有的控制类业务控制质量无法保障的情况。
附图说明
图1为本发明实施例应用的一种时延敏感网络中融合边缘计算的网络架构图；
图2为本发明实施例提供的一种时延敏感网络中具有控制质量保障的边缘计算节点动态选择方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种时延敏感网络中具有控制质量保障的边缘计算节点动态选择系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的说明。
本发明实施例提供了一种时延敏感网络中具有控制质量保障的边缘计算节点选择方法及系统。
图1为本发明实施例应用的一种时延敏感网络中融合边缘计算的网络架构图。如图1所示，假设网络中控制类业务个数为N个节点，第n个业务所需要处理的信息量为Cn，控制时延要求阈值为Tn，其中n＝1,2,…,N。边缘计算节点总数为M个，第m个边缘节点的计算能力可以用其CPU处理频率fm，m＝1,2,…,M来表示。其具体实施步骤1-步骤4：
步骤1：软件定义网络控制器通过北向接口(North interface)采集控制类业务的QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
具体地，步骤1包括以下步骤：
步骤S10：获取N个时延敏感类业务的时延要求，并标定服务优先级Flag，Tn越小则Flag(n)(n＝1,2,3…,N)的值越小，表示其优先级越高。
步骤2：软件定义网络控制器通过南向接口(South interface)采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
步骤3：基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
具体地，步骤3包括以下步骤：
步骤S30：查找步骤S10中Flag的最小值以及其对应的业务；
步骤S31：对于当前待选定边缘计算节点的业务n，软件定义网络控制器基于跳数信息将所有的边缘计算节点进行排序
Figure GDA0003362637990000051
距离当前业务数据源跳数越少的边缘计算节点越靠前，并基于网络拓扑估计传输时延
Figure GDA0003362637990000052
步骤S32：软件定义网络控制器选择当前排在第一位的边缘计算节点
Figure GDA0003362637990000053
并基于该节点的计算处理频率
Figure GDA0003362637990000054
业务n所需要处理的信息量Cn，预估边缘计算时延
Figure GDA0003362637990000055
步骤S33：软件定义网络控制器基于步骤S32、步骤S33中计算的传输时延
Figure GDA0003362637990000056
以及预估边缘计算时延TEn，预估总的时延
Figure GDA0003362637990000057
并判断TPn是否超过给定的时延要求阈值Tn,若超过，将当前边缘计算节点
Figure GDA0003362637990000058
剔除，并跳转至步骤S31；若不超过，则选定
Figure GDA0003362637990000059
作为业务n的计算卸载节点。
步骤4：在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，则重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载。
具体地，步骤4包括以下步骤：
步骤S40：对于业务n，根据TSN的时隙与路由配置信息，计算其实际传输时延
Figure GDA00033626379900000510
其中
Figure GDA00033626379900000511
为从业务源到边缘计算节点的第h跳传输时延，且H为总的跳数；
步骤S41：对于业务n，根据边缘计算节点的任务处理情况，计算其实际计算处理时延
Figure GDA00033626379900000512
其中
Figure GDA00033626379900000513
为业务n在边缘计算节点m的排队等待时延；
步骤S42：对于业务n，计算其实际计算控制时延Tr＝Trc+Tre，若Tr≥Tn，则跳转至步骤S31。
相应地，本发明实施例提供了一种时延敏感网络中边缘计算节点选择系统(如图3所示)，该系统包括软件定义网络控制器，所述软件定义网络控制器包括：
第一计算模块，用于通过北向接口采集控制类业务的QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
第二计算模块，用于通过南向接口采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
第三计算模块，用于基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
第四计算模块，用于在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，则重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载。
本发明实施例与现有工业互联网中的边缘计算节点选择方法相比，具有以下优势：
基于软件定义网络控制器，无需改变边缘计算节点及TSN本身的资源分配及调度算法，且能够保障工业控制类业务的控制质量要求；
首先延时优先的基础上，加入了对实际控制质量的监测，避免由于终端节点在某一时间聚集到某个边缘计算节点并且出现更高服务优先级的新业务时，导致现有的控制类业务控制质量无法保障的情况。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种时延敏感网络中边缘计算节点选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：软件定义网络控制器通过北向接口采集控制类业务的控制质量QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
步骤2：软件定义网络控制器通过南向接口采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
步骤3：基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
步骤4：在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，则重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载；
所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤S10：获取N个时延敏感类业务的时延要求，并标定服务优先级Flag，控制时延要求阈值为Tn，Tn越小则Flag(n)(n＝1,2,3…,N)的值越小，表示其优先级越高；
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤S30：查找步骤S10中Flag的最小值以及其对应的业务；
步骤S31：对于当前待选定边缘计算节点的业务n，软件定义网络控制器基于跳数信息将所有的边缘计算节点进行排序
Figure FDA0003362637980000011
距离当前业务数据源跳数越少的边缘计算节点越靠前，并基于网络拓扑估计传输时延
Figure FDA0003362637980000021
步骤S32：软件定义网络控制器选择当前排在第一位的边缘计算节点
Figure FDA0003362637980000022
并基于该节点的计算处理频率
Figure FDA0003362637980000023
业务n所需要处理的信息量Cn，预估边缘计算时延
Figure FDA0003362637980000024
步骤S33：软件定义网络控制器基于传输时延
Figure FDA0003362637980000025
以及预估边缘计算时延TEn，预估总的时延
Figure FDA0003362637980000026
并判断TPn是否超过给定的时延要求阈值Tn,若超过，将当前边缘计算节点
Figure FDA0003362637980000027
剔除，并跳转至步骤S31；若不超过，则选定
Figure FDA0003362637980000028
作为业务n的计算卸载节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤S40：对于业务n，根据TSN的时隙与路由配置信息，计算其实际传输时延
Figure FDA0003362637980000029
其中
Figure FDA00033626379800000210
为从业务源到边缘计算节点的第h跳传输时延，且H为总的跳数；
步骤S41：对于业务n，根据边缘计算节点的任务处理情况，计算其实际计算处理时延
Figure FDA00033626379800000211
其中
Figure FDA00033626379800000212
为业务n在边缘计算节点m的排队等待时延；
步骤S42：对于业务n，计算其实际计算控制时延Tr＝Trc+Tre，若Tr≥Tn，则跳转至步骤S31。
3.一种时延敏感网络中边缘计算节点选择系统，其特征在于，该系统包括软件定义网络控制器，所述软件定义网络控制器包括：
第一计算模块，用于通过北向接口采集控制类业务的控制质量QoC参数，并基于QoC中的时延要求对控制类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
第二计算模块，用于通过南向接口采集网络拓扑信息以及边缘节点空闲资源信息；
第三计算模块，用于基于服务优先级顺序、每个业务的QoC要求、当前网络拓扑信息及边缘计算节点空闲资源信息，软件定义网络控制器根据时延优先原则采用贪婪算法为每个业务选择合适的边缘计算节点，并进行路由配置，完成初始边缘计算节点选择；
第四计算模块，用于在计算任务卸载过程中，软件定义网络控制器基于采集到的实时网络拓扑及边缘计算节点对每个业务的实际处理时延，重新对每个业务所获得的QoC进行评估，一旦发现有低于QoC阈值的业务，则重新选择新的边缘计算节点，并进行路由重配置，完成计算任务重卸载；
所述第一计算模块具体用于：
步骤S10：获取N个时延敏感类业务的时延要求，并标定服务优先级Flag，控制时延要求阈值为Tn，Tn越小则Flag(n)(n＝1,2,3…,N)的值越小，表示其优先级越高；
所述第三计算模块具体用于：
步骤S30：查找步骤S10中Flag的最小值以及其对应的业务；
步骤S31：对于当前待选定边缘计算节点的业务n，软件定义网络控制器基于跳数信息将所有的边缘计算节点进行排序
Figure FDA0003362637980000031
距离当前业务数据源跳数越少的边缘计算节点越靠前，并基于网络拓扑估计传输时延
Figure FDA0003362637980000032
步骤S32：软件定义网络控制器选择当前排在第一位的边缘计算节点
Figure FDA0003362637980000033
并基于该节点的计算处理频率
Figure FDA0003362637980000034
业务n所需要处理的信息量Cn，预估边缘计算时延
Figure FDA0003362637980000035
步骤S33：软件定义网络控制器基于传输时延
Figure FDA0003362637980000036
以及预估边缘计算时延TEn，预估总的时延
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并判断TPn是否超过给定的时延要求阈值Tn,若超过，将当前边缘计算节点
Figure FDA0003362637980000038
剔除，并跳转至步骤S31；若不超过，则选定
Figure FDA0003362637980000039
作为业务n的计算卸载节点。
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