CN112040353A - 一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统，属于边缘计算领域，包括设备层、边缘计算层、传送层及应用层，传送层采用分布式管理架构，边缘计算节点之间通过AOPS技术实现通信，减小了电信号对高速数据的传输瓶颈，能够减轻边缘计算节点的存储和计算压力，提高系统的可扩展性，实现大批量、分布式数据的实时交互与共享需求；边缘计算节点内采用了基于半导体光放大器的反射式全光分组头提取方案，增加了系统进行分组头提取的比特率及分组长度的透明性，更适于异步、变长OPS系统的应用需求；边缘计算节点内还采用了循环光纤延时线全光分组冲突解决机制，根据优先级别实现分组冲突的本地解决，使得节点具有高吞吐量、低时延性能。

Description

一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统

技术领域

本发明属于边缘计算领域，尤其涉及一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统。

背景技术

5G移动通信技术开启了万物互联、深度融合的发展新阶段，受5G的推动，全球数据流量暴增，根据数据公司的预测，到2025年，全球数据将会达到163ZB，相较于前几年增加了10倍，大数据以及人工智能的不断发展激发了人们对边缘计算的研究，越来越多的智能应用遍布在网络边缘。

网络边缘设备数量的迅速增加，以云计算模型为核心的集中式大数据处理时代，其关键技术已经不能高效处理边缘设备所产生的数据，主要表现在：1)线性增长的集中式云计算能力无法匹配爆炸式增长的海量边缘数据；2)从网络边缘设备传输海量数据到云中心致使网络传输带宽的负载量急剧增加，造成较长的网络延迟；3)网络边缘数据涉及个人隐私，使得隐私安全问题变得尤为突出；4)有限电能的网络边缘设备传输数据到云中心消耗较大电能。为此，以边缘计算模型为核心的面向网络边缘设备所产生海量数据计算的边缘式大数据处理应运而生，其与现有以云计算模型为核心的集中式大数据处理相结合，即二者相辅相成，应用于云中心和网络边缘端的大数据处理，较好地解决了万物互联时代大数据处理中所存在的诸多问题。

客观来看，目前边缘计算产业缺乏的东西还有很多，客户和第三方以及软件提供商还未形成良性合作关系，且还缺乏一个相对完善的标准，技术的成功实现也要经过行业应用落地的检验。如何构建物联网场景下，适于边缘计算海量、突发、易构、分布式业务特性，以及具备实时数据采集、传输、存储、分析能力的边缘计算系统及网络架构，成为需要解决的重中之重。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于光分组交换(OPS)的分布式边缘计算系统，在光域实现网络功能，保证数据以异步、变长分组的形式在边缘计算节点之间交换，边缘计算节点之间通过异步光分组交换(AOPS)实现有线通信。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统，包括依次信号连接的设备层、边缘计算层、传送层及应用层；设备层获取数据并通过多协议接口将数据传输至边缘计算层中的边缘计算网关处理，边缘计算网关将处理后的数据传输至传送层，由传送层将数据传输至应用层的云计算平台处理，再由云计算平台下发各类指令，设备层执行指令；边缘计算节点之间采用AOPS光通信架构实现通信。

进一步地，所述边缘计算网关包括多协议接口模块，数据经多协议接口模块对接后进入存储模块，一部分数据根据需求送入计算分析模块进行分析、处理后送入数据组装模块打包，另一部分数据直接进入数据组装模块打包，打包后的数据一部分由光收发模块传输至传送层，另一部分由无线收发模块传输至传送层。

进一步地，所述边缘计算节点包括光收发模块中的控制单元和传送层中的光交换单元。

进一步地，光信号进入所述光交换单元时，首先被分成两束强度不同的光信号，接着提取强度较弱的光信号的分组头信息并送入控制单元进行分析，确定输入光信号的输出端口；另一束光信号被均分后分别送至相应的可调谐滤波器，可调谐滤波器在控制信号的作用下，将该光信号交换到对应的输出端口。

进一步地，所述分组头信息采用基于半导体光放大器的反射式全光分组头提取方案进行提取。

进一步地，所述AOPS光通信架构中，最底层的边缘计算节点为从节点，其他边缘计算节点均作为主节点管理下一级从节点。

进一步地，每个所述主节点有n条输入光纤和输出光纤，n为正整数，其管理的每个从节点有m条输入光纤和输出光纤，m为正整数；从节点的每条输入光纤对应有m+1个传输波长，包含有m+1个传输波长的光信号经过多路复用器后，采用密集型光波复用技术传输至光交换单元；其中，前m个传输波长用于从节点内部的分组传送，第m+1个传输波长为预留波长，用于承载主节点与从节点进行数据传输时的下行分组信息。

进一步地，所述边缘计算节点采用基于循环光纤延时线的全光分组冲突解决机制。

进一步地，所述设备层包括感知设备和控制设备，感知设备实时获取外部数据，控制设备执行上层下达的各类指令。

本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明提供的基于光分组交换的分布式边缘计算系统能够在光域实现网络功能，形成扁平化网络架构，具有交换灵活、容量大、速率和格式透明等优点，可以支持边缘计算不同类型的数据业务；传送层采用分布式管理架构，边缘计算节点之间通过AOPS技术实现通信，减小了电信号对高速数据的传输瓶颈，能够减轻边缘计算节点的存储和计算压力，提高系统的可扩展性，实现大批量、分布式数据的实时交互与共享需求。

在分组信息的提取过程中，采用基于半导体光放大器的反射式全光分组头提取方案，避免了使用光纤延时线等定时器件，减小了提取过程的复杂性，因而也相应地增加了系统进行分组头提取的比特率及分组长度的透明性，更适于异步、变长OPS系统的应用需求；本发明还提出了一种循环光纤延时线的全光分组冲突解决机制，分组头信息设立优先级别，从而避免了当多个分组同时请求同一个输出端口时发生冲突，实现分组冲突的本地解决，使得节点具有高吞吐量、低时延等优点；另外，本发明通过将多个IP包组装成一个较大的光分组进行传送，不仅能够有效地减轻控制单元的处理负担，提高节点吞吐量，还能十分有效地实现输入IP包流的流量整形，从而消除自相似IP包流对光分组交换网络的负面影响。

附图说明

图1为本发明所述分布式边缘计算系统架构图；

图2为本发明所述边缘计算节点之间AOPS光通信架构图；

图3为本发明所述反射式全光分组头提取方案示意图。

图中：1-设备层；2-感知设备；3-控制设备；4-边缘计算层；5-边缘计算网关；6-多协议接口模块；7-存储模块；8-数据组装模块；9-计算分析模块；10-无线收发模块；11-光收发模块；12-传送层；13-光交换单元；14-应用层；15-云计算平台；16-多路复用器；17-可调谐波长转换器；18-多路解复用器；19-控制单元；20-分组脉冲；21-第一环形器；22-半导体光放大器；23-第二环形器；24-光分路器；25-压电陶瓷；26-耦合器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的基于光分组交换的分布式边缘计算系统架构图如图1所示，包括依次信号连接的设备层1、边缘计算层4、传送层12及应用层14。设备层1包括感知设备2和控制设备3，感知设备2具有感知、通信、识别能力，能够实时获取外部数据，控制设备3负责执行上层下达的各类指令，设备层1获取数据后通过多协议接口将数据传输至边缘计算层4中的边缘计算网关5；边缘计算网关5包括多协议接口模块6、存储模块7、数据组装模块8、计算分析模块9、无线收发模块10及光收发模块11；数据经过多协议接口模块6对接后进入存储模块7，一部分数据根据需求送入计算分析模块9进行分析、处理后送入数据组装模块8打包，另一部分不需要进行处理的数据直接由存储模块7进入数据组装模块8打包，打包后的数据一部分由光收发模块11通过光通信方式传输至传送层12，另一部分由无线收发模块10通过无线通信方式传输至传送层12；最终由传送层12将数据传输至应用层14的云计算平台15进行处理并下发各类指令。

传送层12采用分布式管理架构，能够减轻边缘计算节点的存储和计算压力，提高系统的可扩展性；边缘计算节点包括光收发模块11中的控制单元19和传送层12中的光交换单元13；边缘计算节点之间利用如图2所示的AOPS光通信架构进行通信，控制单元19控制光交换单元13进行数据的收发，保证数据以异步、变长分组的形式在边缘计算节点之间交换；最底层的边缘计算节点为从节点，其他所有边缘计算节点均作为主节点管理n(n为正整数)个下一级边缘计算从节点，每个主节点有n条输入光纤和输出光纤，其管理的每个从节点有m(m为正整数)条输入光纤和输出光纤；从节点的每条输入光纤对应有m+1个传输波长：λ₁～λ_m+1，包含有传输波长λ₁～λ_m+1的光信号经过多路复用器16后，采用密集型光波复用技术传输至光交换单元13，其中，传输波长λ₁～λ_m为从节点的输入和输出波长，用于从节点内部的分组传送；传输波长λ_m+1为预留波长，包含有传输波长λ_m+1的光信号依次通过多路解复用器18、可调谐波长转换器17与上一级主节点连接，用于承载主节点与从节点进行数据传输时的下行分组信息，避免下行分组与从节点分组的波长冲突。

每条输入光纤上的光信号在进入光交换单元13时首先被光分束器分成两束强度不同的光信号，接着提取强度较弱的光信号的分组头信息并送入控制单元19进行分析，确定输入光信号的输出端口；另一束光信号被光分束器均分后分别送至相应的可调谐滤波器，可调谐滤波器在控制信号的作用下，将该光信号交换到对应的输出端口，输出分组信号。

本发明采用如图3所示基于半导体光放大器22的反射式全光分组头提取方案对分组头信息进行提取，其中，所选取的半导体光放大器22载流子寿命大于净荷脉冲周期且小于分组头脉冲周期，具体提取方案如下：当分组脉冲20经过第一环形器21进入半导体光放大器22时，由于分组头脉冲周期大于半导体光放大器22载流子寿命，因此分组头脉冲获得较大的非饱和增益和相移，由于净荷脉冲周期小于半导体光放大器22载流子寿命，因此净荷脉冲只能获得较小的饱和增益和相移，净荷脉冲相对于分组头脉冲被压缩；当分组脉冲20通过半导体光放大器22以后，经过第二环形器23和光分路器24，被分为透射脉冲和反射脉冲，反射脉冲被反射回来，其分组头脉冲又一次获得了比净荷脉冲大的增益和相移；反射脉冲和透射脉冲在耦合器26处发生干涉，满足相应的干涉条件时，从端口A、端口B输出；压电陶瓷25用于保证反射脉冲和透射脉冲同时到达耦合器26处；该方案中分组头脉冲两次都获得了比净荷脉冲大的增益和相移，所提取分组头的开关比大，比特率透明，更适用于异步、变长OPS系统的应用需求。

为了解决多个分组同时请求同一输出端口而发生的波长冲突问题，本发明采用基于循环光纤延时线的全光分组冲突解决机制：控制单元19分析分组头信息后获取到各个分组的优先级和到达时间信息，当发生波长冲突时，控制单元19根据各个分组的优先级产生控制信号控制可调谐滤波器的工作，使得可调谐滤波器挑选出冲突分组中优先级最高的光分组直接输出，冲突分组中其他低优先级分组被另一通道上的可调谐滤波器挑选，进入循环光纤延时线循环，直至在循环光纤延时线中等待的冲突分组可以被送出时，再从原有通道送出。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统，其特征在于，包括依次信号连接的设备层(1)、边缘计算层(4)、传送层(12)及应用层(14)；设备层(1)获取数据并通过多协议接口将数据传输至边缘计算层(4)中的边缘计算网关(5)处理，边缘计算网关(5)将处理后的数据传输至传送层(12)，由传送层(12)将数据传输至应用层(14)的云计算平台(15)处理，再由云计算平台(15)下发各类指令，设备层(1)执行指令；边缘计算节点之间采用AOPS光通信架构实现通信。

2.根据权利要求1所述的边缘计算系统，其特征在于，所述边缘计算网关(5)包括多协议接口模块(6)，数据经多协议接口模块(6)对接后进入存储模块(7)，一部分数据根据需求送入计算分析模块(9)进行分析、处理后送入数据组装模块(8)打包，另一部分数据直接进入数据组装模块(8)打包，打包后的数据一部分由光收发模块(11)传输至传送层(12)，另一部分由无线收发模块(10)传输至传送层(12)。

3.根据权利要求2所述的边缘计算系统，其特征在于，所述边缘计算节点包括光收发模块(11)中的控制单元(19)和传送层(12)中的光交换单元(13)。

4.根据权利要求3所述的边缘计算系统，其特征在于，光信号进入所述光交换单元(13)时，首先被分成两束强度不同的光信号，接着提取强度较弱光信号的分组头信息并送入控制单元(19)进行分析，确定输入光信号的输出端口；另一束光信号被均分后分别送至相应的可调谐滤波器，可调谐滤波器在控制信号的作用下，将该光信号交换到对应的输出端口。

5.根据权利要求4所述的边缘计算系统，其特征在于，所述分组头信息采用基于半导体光放大器(22)的反射式全光分组头提取方案进行提取。

6.根据权利要求3所述的边缘计算系统，其特征在于，所述AOPS光通信架构中，最底层的边缘计算节点为从节点，其他边缘计算节点均作为主节点管理下一级从节点。

7.根据权利要求6所述的边缘计算系统，其特征在于，每个所述主节点有n条输入光纤和输出光纤，n为正整数，主节点管理的每个从节点有m条输入光纤和输出光纤，m为正整数；从节点的每条输入光纤对应有m+1个传输波长，包含有m+1个传输波长的光信号经过多路复用器(16)后，采用密集型光波复用技术传输至光交换单元(13)；其中，前m个传输波长用于从节点内部的分组传送，第m+1个传输波长为预留波长，用于承载主节点与从节点进行数据传输时的下行分组信息。

8.根据权利要求1所述的边缘计算系统，其特征在于，所述边缘计算节点采用基于循环光纤延时线的全光分组冲突解决机制。

9.根据权利要求1所述的边缘计算系统，其特征在于，所述设备层(1)包括感知设备(2)和控制设备(3)，感知设备(2)实时获取外部数据，控制设备(3)执行上层下达的各类指令。

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