CN111556457A - 基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法及系统，其技术方案为：包括选择用于进行任务迁移管理的边缘网关；向边缘网关的资源管理器中添加传感器节点信息；边缘网关对传感器节点信息进行排列，形成节点在资源队列的优先级排序；边缘网关对原始传感器节点的任务信息按任务优先级降序排列放入任务管理器的任务队列，选择最优的任务协作节点；所述任务通过边缘网关迁移至任务协作节点进行任务计算,并将计算结果发送至原始传感器节点。本发明水下自组织网络节点将采集的海底异构数据发送给最近的边缘网关，同时由边缘网关将资源受限节点的任务迁移给资源丰富的节点协作完成，平衡网络负载、降低节点能耗，提高海洋数据观测效率。

Description

基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法及系统

技术领域

本发明涉及水下自组织网络技术领域，特别是涉及一种基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

水下自组织网络是智慧海洋工程建设中的一个研究热点。它在海洋环境数据观测、海洋灾害预警、海上交通航行辅助等应用中发挥很大作用。水下自组织网络的传感器节点搭载在海底的锚定潜标或海底观测接驳盒中，通过水声通信或光缆通信方式来形成自组织的多跳接力网络，传输感知数据，能在未开发海域快速布置监控和响应体系，进行集群感知，并协作完成任务。该网络可以通过各种异构传感器节点采集水下的海水温度、气压、湿度、叶绿素、营养盐、总磷、总氮、浊度、溶解氧、石油污染物、PH值、水下视频图像的实时数据，并将数据通过无线多跳通信方式传输到搭载在海底观测接驳盒上的网关来进行汇集，最后网关通过光缆的有线通信方式发送到岸基数据中心。

由于对海量的海洋异构数据的采集及对数据处理实时性的需求，网关迫切需要采用边缘计算机制(称作边缘网关)，以便岸基数据中心的部分计算任务迁移到数据源附近的边缘网关处执行。这样可以降低数据的传输时延和提高数据的传输性能，保证数据处理的实时性，降低网络的带宽负载压力。同时网关也需要连接互联网，以方便用户通过网络进行远程访问。

此外，发明人发现，海洋环境复杂，当水下自组织网络面临海量待传输的数据，由于节点的带宽和计算资源有限，大量任务聚集造成访问拥塞，数据链路过载形成路由热区，一旦某个边缘网关和节点负载超过临界值，则其服务能力将急剧下降，甚至导致网络系统瘫痪。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法及系统，应用RESTful结构的网络协议，实现对海底的海量异构数据的高效率实时观测；通过有效的计算任务迁移协作机制，能够针对传感器节点的异构多样性、根据任务大小和节点的计算能力，迁移任务给其它节点来分担负载压力，从而缓解任务聚集和路由热度，提高网络的服务质量。

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，包括：

选择用于进行任务迁移管理的边缘网关；

向边缘网关的资源管理器中添加各个可以参与任务协作的传感器节点的信息；

边缘网关根据节点协作能力评价机制对各个传感器节点进行排列，形成节点在资源队列的优先级排序；

对于待迁移任务的原始传感器节点，边缘网关对其任务信息按照任务优先级降序排列放入任务管理器的任务队列；

边缘网关根据任务信息从资源队列中选择出最优的任务协作节点；

原始传感器节点的任务信息通过边缘网关迁移至任务协作节点，任务协作节点进行任务计算；

任务协作节点完成任务后，将计算结果发送至原始传感器节点。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移系统，包括：

传感器节点，搭载在锚定潜标中，用于获取潜标观测的异构数据，并将异构数据发送至最近的边缘网关；

边缘网关，搭载在海底观测接驳盒中，用于对传感器节点发送的各类异构数据进行预处理、融合和预存储，并将处理后的有效数据上传至岸基数据中心；且边缘网关通过选择与传感器节点发送过来的待迁移任务信息最匹配的协作节点，实现不同传感器节点间的任务迁移；

岸基数据中心，用于对边缘网关上传的有效数据进行处理、存储和应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的一个或多个实施例当任务需要迁移时，所属节点将任务信息发送给最近的边缘网关，由边缘网关选择最适合的任务协作节点，然后将任务从所属节点迁移到协作节点，待协作节点完成任务计算后，再将结果返回给所属节点；通过根据资源类型和节点的计算能力对任务进行动态迁移，从而为不同的应用程序调度节点中的任务，以降低数据传输开销和提升任务执行性能；

(2)本发明的一个或多个实施例的边缘网关通过协作能力函数来选择与任务最匹配的协作节点，实现不同传感器节点间高效的任务迁移协作，从而满足水下自组织网络中任务迁移的能耗和时延最小化的需求；

(3)本发明的一个或多个实施例的边缘网关对传感器节点采集上来的海底的海量数据进行就近的预存储和预处理，仅传递有效观测数据给岸基数据中心的方式，可以降低数据的传输时延和减少观测数据的传输量，保证数据处理的实时性，降低数据中心网络的带宽负载；

(4)本发明的一个或多个实施例通过RESTful结构，水下自组织网络可以兼容互联网，方便用户远程访问；边缘网关可以实现对资源和任务负载的统一管理和调度，完成任务在不同传感器节点间的迁移和协作，从而减轻资源开销较大的节点负载，实现各节点负载平衡。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例的水下自组织网络结构示意图；

图2(a)为本发明一个或多个实施例的水下自组织网络任务迁移过程中的传感器节点的流程示意图；

图2(b)为本发明一个或多个实施例的水下自组织网络任务迁移过程中的节点任务的流程示意图；

图2(c)为本发明一个或多个实施例的水下自组织网络任务迁移过程中的边缘网关的流程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：

GET代表获取资源或任务；

PUT代表更新或创建资源或任务；

POST代表添加资源或任务；

DELETE代表删除资源或任务；

RESTful是一种互联网应用程序的设计风格和开发方式，基于HTTP协议。

实施例一：

本实施例提供了一种基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，当某个传感器节点的实时任务需要进行迁移时，将待迁移的任务信息发送给边缘网关，边缘网关负责管理任务在不同节点之间迁移。边缘网关对待迁移任务的分配，满足如下约束要求：

1)迁移V_j的任务T_j所占用的带宽

不得超过V_i提供的共享传输带宽

待迁移任务T_j单位时间的计算量

不能超过V_i的计算能力

2)任务迁移耗时和传感器节点处理任务的执行时间不得超过最终截止时间：

其中，

表示V_i处理任务的执行时间，

表示V_i迁移任务的占用时间，

表示V_i发起迁移计算任务时定义的任务T_j截止完成时间。

3)传感器节点完成迁移任务后，剩余能量不得低于规定的能量阈值：

其中，

表示V_i迁移任务消耗的传输能量，

表示V_i计算任务所消耗能量，

表示V_i在任务迁移前剩余的能量，E₀表示规定的能量阈值。

具体的，如图2(a)-图2(c)所示，水下自组织网络的任务迁移步骤为：

1)各个可以参与任务协作的传感器节点V_i首先加入某个边缘网关G_k的资源管理器。基于就近原则的思想，节点V_j选择边缘网关G_k来为其任务迁移进行管理的概率为：

其中，

是G_k到V_j之间的任务迁移时延。概率最高的边缘网关G_k将被选为节点V_j的任务迁移管理网关。

2)在G_k中各个节点V_i的信息进入资源队列，并进行优先级排序。由于参与任务协作的传感器节点具有异构性且独立自主，边缘网关在选择协作的传感器节点时，会建立公平、可靠的传感器节点协作能力评价机制。

节点V_i在资源管理器中初始的任务协作完成能力函数

公式如下：

越大，表示V_i提供任务协作的能力越大。边缘网关按照函数值

降序排列，形成节点在资源队列中的优先级排序V’{V₁’,V₂’,…,V_i’,…,V_n’}。

其中，

是节点V_i的有效性，

是节点V_i提供的共享传输带宽，

是节点V_i迁移任务的预期完成时间，

是节点V_i的单位时间计算能力，

是V_i的信誉分。节点的信誉分由节点近期保持良好的任务协作次数所积累，以规定时间窗口采样所得的协作任务集对节点信誉分进行评价。V_i必须在近期能够稳定、可靠地完成大量任务的协作计算，才能有高信誉分。信誉评价函数如下：

其中，

表示V_i的初始信誉分，

表示V_i保持良好行为的增益信誉分，

表示V_i未成功完成协作任务时的减益信誉分，各自表达式如下：

其中，

表示节点V_i在近期完成协作任务的最大价值，

表示节点V_i近期第j次成功完成的协作任务价值，a为信誉增益因子，n为时间窗口内完成任务数量，

表示节点V_i近期第l次未成功完成的协作任务价值，ε为信誉减益因子，x为近期失败次数。

3)某个节点V_j准备将任务T_j迁移给其它节点时，任务信息{T_j}放置在迁移请求分组消息中，发送至概率

最高且

的边缘网关G_k。

4)G_k向V_j的URI地址发送GET获取T_i的任务信息{T_j}，将其按照任务优先级

的降序放入任务管理器的任务队列T’{T₁’,T₂’,…,T_j’,…,T_k’}，再逐个完成T’的任务迁移。

5)G_k根据任务T_j的信息从资源管理器的资源队列V’{V₁’,V₂’,…,V_i’,…,V_n’}中决策选择出最适合该任务迁移请求的协作对象V_i。V_i能够协作完成V_j的任务T_j的能力函数为：

其中，

是V_i和V_j之间迁移任务T_j的时延，

为V_i完成任务迁移所消耗的传输能量，

为V_i完成任务计算所消耗能量。边缘网关G_k按照队列V’中的优先级顺序，依次计算各候选传感器节点V_i完成协作任务T_j的能力函数

获得最大值max

的传感器节点V_x将被选为最优的任务协作节点，来完成该任务协作。

每个任务间的计算是相互独立的，每个独立计算事件在资源约束的条件下，需要实现节点V_x的协作能力函数

最大，即要求时延

和能耗

两个可变量的最小化。将资源队列中的每个节点V_x的实际迁移时延和能耗值依次带入到该公式中，求解出满足约束前提下的最大值

对应的V_x，即V_x可作为满足时延和能耗最小化的最优匹配节点。

6)G_k向V_x的URI地址发送PUT更新命令，将T_j任务信息{T_j}发送给V_x，通知V_x准备进行任务迁移。

7)G_k向T_j发送PUT更新T_j的当前URI地址

其中包括了最匹配的节点V_x的URI，则T_j将从V_j迁移到V_x进行任务协作。然后跳到步骤5)，G_k开始对T’中下一优先级的任务T_j+1进行迁移操作。

8)V_x完成T_j任务计算后，将计算结果根据T_j的初始URI地址

发送给T_j原先所属的传感器节点V_j。计算资源迁移过程完成，V_x重新进入资源管理器的资源队列。

9)若任务T_j与所有边缘网关匹配后都不能满足其截止处理时间的需求，则放弃该任务的计算，将其从任务队列中删除，跳到步骤5)，开始对T’中下一优先级的任务T_j+1进行相关操作。重复上述操作直至任务队列T’为空，完成所有任务的计算。

实施例二：

如图1所示，本实施例提供了基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移系统，包括传感器节点、边缘网关和岸基数据中心，传感器节点用于获取潜标观测的异构数据，并将异构数据发送至最近的边缘网关。边缘网关采用边缘计算机制，用于对传感器节点发送的各类异构数据进行预处理、融合和预存储，并将处理后的有效数据上传至岸基数据中心，以便降低数据的传输时延和减少观测数据的传输量，保证数据处理的实时性，降低网络的带宽负载和对岸基数据中心核心网的压力。岸基数据中心用于对边缘网关上传的有效数据进行处理、存储和应用。

本实施例的水下自组织网络采用基于RESTful结构的网络协议，用户在互联网中可以远程通过GET、PUT、POST和DELETE四种请求方式对传感器节点的硬件资源和软件任务进行访问或控制迁移，让资源受限的节点以兼容HTTP的方式，通过边缘网关连接到现有的互联网系统中。

该RESTful结构可以向下为异构传感器节点提供适配接口，向上为各种应用开发部署提供数据资源共享接口。该协议将节点和感知数据看作资源，每个传感器节点和任务采用URI来描述资源或任务的地址，传感器上的每一个硬件资源和任务均有一个URI。

具体的，边缘网关搭载在海底观测接驳盒中，包括数据预存储模块、数据预处理模块、资源管理器、任务管理器、数据发送模块和数据接收模块。数据预存储模块用于预存储传感器节点发送过来的数据；数据预处理模块用于对数据进行融合、统一数据格式和预处理。资源管理器中的资源队列，用于存储按优先级排列的节点信息。任务管理器中的任务队列，用于存储按优先级排列的待迁移的任务信息。数据接收模块用于接收水下传感器节点无线发送过来的数据；数据发送模块用来将预处理后的有效数据通过光缆发送给岸基数据中心。

边缘网关通过RESTful结构将水下自组织网络与互联网相连，实现自组织网络的数据包和IP数据包之间的相互转换、分配和存储节点和任务地址、轮询更新节点状态，随时从网络中添加删除节点和任务，以方便对节点和任务进行管理。同时边缘网关可以使远程用户通过URI地址对指定的节点和任务进行访问和控制，并对受限节点的任务负载进行迁移管理。边缘网关根据任务计算量的大小和预期完成时间及权重系数，将任务优先迁移给资源丰富、能力强、闲置状态的节点来协作完成。

边缘网关有l台，G＝{G₁,G₂,G₃,…,G_k,…,G_l}用来区分各边缘网关。

表示该网关信息，包含具体的参数配置，其中，

表示边缘网关的地址URI编号,

表示边缘网关计算能力(以比特/秒为单位)；

表示边缘网关的可用性，

时代表边缘网关处于空闲状态可以进行迁移，

时边缘网关正忙于任务迁移。

传感器节点搭载在锚定潜标中，将潜标观测的各种异构数据通过自组织的水声多跳通信方式发送给离其最近的边缘网关。异构数据包括海水温度、水压、叶绿素、营养盐、总磷、总氮、浊度、溶解氧、石油污染物、PH值、水下视频图像数据。传感器节点包括数据处理模块、任务管理器、数据发送模块和数据接收模块。任务管理器中的任务队列用于存储按优先级排列的待处理任务，同时也用来迁移任务。

传感器节点由于资源和带宽受限，且海洋环境变化频繁，任务负载也将动态变化，会出现超出负载承载量的异常事件。为了均衡负载，节点的某些大计算量的任务将从资源受限的节点迁移到其余资源丰富或闲置的节点上，由该节点协作完成迁移过来的任务负载。由于传感器节点的异构多样性，将根据资源类型和节点的计算能力对任务进行动态迁移，从而为不同的应用程序调度节点中的任务，以实现数据传输开销最小化和任务执行性能的最大化。

传感器节点有n个，用V＝{V₁,V₂,V₃,…,V_i,…,V_n}表示i个待执行协作任务的传感器节点，其中0<i≤n,n∈N⁺。

表示该节点信息，包含具体的参数配置。

表示V_i的可用性，当V_i处于可接受任务协作的状态时，

否则

是V_i的共享传输带宽。

是V_i的单位时间计算能力。

负载评价：

其中，

是V_i的信誉分，V_i在近期能够稳定、可靠地完成大量任务的协作，就会有高信誉分。

是V_i的当前剩余能量。

越大，则V_i的负载越低，任务协作能力越强。

传感器节点在边缘网关的资源管理器中将按照协作完成任务的能力

来按降序排列，形成资源迁移队列V’{V₁’,V₂’,…,V_i’,…,V_n’}，便于后续边缘网关对任务和传感器节点进行匹配。

节点的任务保存在各个传感器节点的任务管理器内。当任务需要迁移时，所属节点将任务信息发送给最近的边缘网关，由网关选择最适合的任务协作节点，然后将任务从所属节点迁移到协作节点，待协作节点完成任务计算后，再将结果返回给所属节点。

待迁移的任务共有m个，用T＝{T₁,T₂,T₃,…,T_j,…,T_m}表示j个待执行协作迁移的任务，其中0<j≤m,m∈N⁺。对于存储在边缘网关中的第i个传感器节点V_i的任务T_j，其包含具体参数配置的任务信息用集合

来进行详细的阐述。

其中，

为任务T_j的初始URI地址，

为任务T_j当前的URI地址，

为任务T_j的数据量(以比特为单位)。

为任务的最迟处理截止时间。

为任务进行迁移时需要请求的通信链路传输带宽(以比特/秒为单位)。

为任务的计算价值。

为任务传输至边缘网关后处于任务迁移队列中的等待时间。因此任务的优先级

可以表示为

表示任务在单位时间内需要处理的平均计算价值量越大，任务的优先级越高。同一时刻传输的数据所请求的传输带宽不得超过通信链路的最大带宽，

待迁移任务的信息存储在边缘网关的任务管理器中，任务管理器对由节点发送来的任务按照优先级

递减的顺序进行排列，形成待迁移的任务队列T’{T₁’,T₂’,…,T_j’,…,T_k’}。T_k’代表优先级最低的任务。迁移任务的计算完成后，根据任务的初始地址

可将任务计算结果传回任务原先所属的节点。

岸基数据中心包括数据处理模块、数据存储模块、应用交互模块。数据处理模块用于处理边缘网关上传的有效数据，并将处理后的数据发送给数据存储模块来存储，同时发送给应用交互模块。应用交互模块与互联网相互联通，用于与远程用户进行数据交互应用。当远程用户需要查询指定节点数据时，将通过TCP协议从岸基数据中心连接到边缘网关，并向传感器节点发送指令字符串，通过水下自组织网络向用户需要访问的节点发送GET请求，节点生成相应的响应并无线发送至边缘网关，然后通过互联网传输至用户。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，包括：

选择用于进行任务迁移管理的边缘网关；

向边缘网关的资源管理器中添加各个可以参与任务协作的传感器节点信息；

边缘网关根据节点协作能力评价机制对各个传感器节点进行排列，形成节点在资源队列的优先级排序；

对于待迁移任务的原始传感器节点，边缘网关对其任务信息按照任务优先级降序排列放入任务管理器的任务队列；

边缘网关根据任务信息从资源队列中选择出最优的任务协作节点；

原始传感器节点的任务信息通过边缘网关迁移至任务协作节点，任务协作节点进行任务计算；

任务协作节点完成任务后，将计算结果发送至原始传感器节点。

2.根据权利要求1所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，选择概率最高且处于空闲状态的边缘网关进行任务迁移管理。

3.根据权利要求1所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，边缘网关根据各个传感器节点在资源管理器中初始的任务协作完成能力函数进行降序排列，形成传感器节点在资源队列中的优先级排序。

4.根据权利要求1所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，边缘网关按照资源队列中的优先级顺序依次计算候选传感器节点完成协作任务的能力函数，获得最大值的传感器节点作为最优的任务协作节点。

5.根据权利要求1所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，边缘网关向任务协作节点发送PUT更新命令，将原始传感器节点的任务信息发送给任务协作节点；边缘网关向原始传感器节点发送PUT更新其当前URI地址，其中包括任务协作节点的URI，则任务信息从原始传感器节点迁移到任务协作节点进行任务协作。

6.根据权利要求5所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，边缘网关对任务队列中下一优先级的任务进行迁移操作。

7.根据权利要求1所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，任务协作节点完成任务计算后，将计算结果根据任务信息的初始URI地址发送给原始传感器节点；计算资源迁移过程完成，任务协作节点的信息重新进入资源管理器的资源队列。

8.根据权利要求2所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移方法，其特征在于，若任务信息与所有边缘网关匹配后都不能满足其截止处理时间的需求，则放弃该任务的计算，将其从任务队列中删除。

9.基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移系统，其特征在于，包括：

传感器节点，搭载在锚定潜标中，用于获取潜标观测的异构数据，并将异构数据发送至最近的边缘网关；

边缘网关，搭载在海底观测接驳盒中，用于对传感器节点发送的各类异构数据进行预处理、融合和预存储，并将处理后的有效数据上传至岸基数据中心；且边缘网关通过选择与传感器节点发送过来的待迁移任务信息最匹配的协作节点，实现不同传感器节点间的任务迁移；

岸基数据中心，用于对边缘网关上传的有效数据进行处理、存储和应用。

10.根据权利要求9所述的基于边缘网关的水下自组织网络的任务迁移系统，其特征在于，所述边缘网关通过RESTful结构将水下自组织网络与互联网相连；边缘网关使远程用户通过URI地址对指定的节点和任务进行访问和控制，并对受限节点的任务负载进行迁移管理。

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