CN112888005B - 一种面向mec的分布式业务调度方法 - Google Patents

一种面向mec的分布式业务调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向MEC的分布式业务调度方法，对一个业务集合中的任意一个业务，根据最短路由算法确定与该业务最近的M个MEC服务器并加入到可用MEC服务器集合中，对可用MEC服务器集合中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个服务器上第j个计算资源是否空闲，如空闲，则将该计算资源分配给改业务，并以此类推第j+1个计算资源直到第J计算资源，统计每个MEC服务器上为业务分配的资源，即为任务切分的大小，确定业务开始时间与结束时间，计算所有业务的完成时间。本发明将业务切分问题和MEC资源分配问题融合在一起进行联合优化，充分利用了服务器的计算资源，均衡服务器之间负载，减少了终端的排队等待时间。

Description

一种面向MEC的分布式业务调度方法
技术领域
本发明涉及一种业务调度方法，特别是一种MEC的分布式业务调度方法，属于网络资源分配技术领域。
背景技术
伴随着移动互联网的急速发展，智能移动设备的数量在急剧增加，云数据中心的占比不断增加。到2021年，所有工作负载中将有94％的比例在云数据中心内处理，且2021年数据中心承载的业务量与 2016年相比已经翻倍。这意味着移动通信网络要承载的数据量将是现在的几十倍、几百倍、甚至几千倍，如果还采用单一的云计算的模式，根本无法保证速度和延迟。在此背景下，专家提出了MEC(Mobile Edge Computing，移动边缘计算)的概念，即一种在无线侧提供用户所需服务和云端计算功能的网络架构，用于加速网络中各项应用的快速下载，让用户享有不间断的高质量网络体验，具备超低时延、超高带宽、实时性强等特性。
现有技术对分布式业务进行了研究，且分布式业务理论已经被成功地应用于许多科学问题中，如:图像处理、信号处理以及文本搜索等应用领域。然而针对分布式MEC业务的研究仍非常少，尤其是针对业务切分与MEC资源分配的联合优化研究仍为空白。现有技术要么只考虑了分布式业务切分，要么只考虑了MEC资源分配，并没有将两个问题进行联合优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MEC的分布式业务调度方法，联合优化业务切分与MEC资源分配，最终实现最小化业务总时延的目标。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：对一个业务集合中的任意一个业务，根据最短路由算法，确定与该业务最近的M个MEC服务器；
步骤二：将确定的M个MEC服务器加入到可用MEC服务器集合中；
步骤三：生成一个三维矩阵；
步骤四：对可用MEC服务器集合中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源,直到第J计算资源，J为每个服务器上最大计算资源索引；
步骤五：如果已经达到业务所需的总资源，则终止分配；
步骤六：统计可用MEC服务器集合中每个MEC服务器上为业务分配的资源，即为任务切分的大小；
步骤七：确定业务开始时间与结束时间；
步骤八：计算所有业务的完成时间。
进一步地，所述步骤一具体为
定义一个业务集合U，对业务集合U中的任意一个业务u，根据最短路由算法确定与该业务u最近的M个MEC服务器。
进一步地，所述步骤二具体为
定义Eu为可用MEC服务器集合，将步骤一中确定的M个与业务u 最近的MEC服务器加入到可用MEC服务器集合Eu中。
进一步地，所述步骤三具体为
生成一个三维矩阵，三维矩阵按照直角坐标系排列，直角坐标系的三个坐标轴分别为可用的MEC服务器、时刻t和每个MEC服务器的可用的MEC计算资源；
业务u所需的总资源为H，每个MEC服务器按照当前时刻来分配计算资源，所有MEC服务器需要给业务u提供总资源H，按照顺序每个可用MEC服务器给业务u分配计算资源，每个可用MEC服务器给业务u分配的计算资源即为切分后的每个子业务所需的计算资源；
在负载均衡的情况下，最小化业务总时延的目标，也就是尽可能减少时隙数；对于m个MEC服务器和k个不同的分布式业务，用一个m*k的矩阵P来表示：
Figure BDA0002953201580000031
其中，pmk∈{0，1}，0表示没有给业务分配计算资源，1表示服务器给业务分配了计算资源。
进一步地，若一个业务u所需的总资源H大于当前时刻所有MEC 服务器的可用的MEC计算资源的总和，则开始在下一个时刻进行第二轮轮询，进行计算资源的分配。
进一步地，所述步骤四具体为
对可用MEC服务器集合Eu中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器e上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源；其中，t≤i≤m，m表示服务器数量，t表示业务最小切分数量，1≤j≤N，N为每个MEC服务器上最大计算单元。
进一步地，所述步骤五具体为
如果i时刻下，所有可用服务器上所有的计算资源全部遍历以后，仍需要资源，则遍历第i+1时刻，反之，则完成该业务的分配。
进一步地，所述步骤六具体为
统计可用MEC服务器集合Eu中每个MEC服务器e上为业务分配的资源re，即为任务切分的大小。
进一步地，所述步骤七具体为
确定业务u的开始时间Su与结束时间Tu。
进一步地，所述步骤八具体为
计算所有业务的总完成时间T：
T＝maxu∈UTu。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的面向 MEC的分布式业务调度方法将业务切分问题和MEC资源分配问题融合在一起进行联合优化，不仅达到了最小化业务总时延的目标，还考虑了服务器的负载均衡，从而充分利用了服务器的计算资源，均衡服务器之间负载，减少了终端的排队等待时间。
附图说明
图1是本发明的面向MEC的分布式业务调度方法的三维矩阵的示意图。
图2是本发明的实施例的可用MEC服务器上计算资源的占用情况示意图。
图3是本发明的实施例的N6S8网络示意图。
图4是本发明的实施例的基于平均分配原则的资源分配策略的示意图。
图5是本发明的实施例的基于轮循原理的分配策略的示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的一种面向MEC的分布式业务调度方法，包含以下步骤：
步骤一：对一个业务集合中的任意一个业务，根据最短路由算法，确定与该业务最近的M个MEC服务器。
定义一个业务集合U，对业务集合U中的任意一个业务u，根据最短路由算法(以物理距离)确定与该业务u最近的M个MEC服务器。
步骤二：将确定的M个MEC服务器加入到可用MEC服务器集合中。
定义Eu为可用MEC服务器集合，将步骤一中确定的M个与业务u 最近的MEC服务器加入到可用MEC服务器集合Eu中。
步骤三：生成一个三维矩阵。
生成一个三维矩阵，三维矩阵按照直角坐标系排列，直角坐标系的三个坐标轴分别为可用的MEC服务器、时刻t和每个MEC服务器的可用的MEC计算资源；
业务u所需的总资源为H，每个MEC服务器按照当前时刻来分配计算资源，所有MEC服务器需要给业务u提供总资源H，按照顺序每个可用MEC服务器给业务u分配计算资源，每个可用MEC服务器给业务u分配的计算资源即为切分后的每个子业务所需的计算资源。
举例来说，如图1所示，三维矩阵中的A、B、C、D是集合Eu中四个可用MEC服务器，各自可用的MEC计算资源分别是3units、5units、 4units、8units。假设业务u所需的总资源H＝10units，每个MEC都是按照1unit/s来分配计算资源的且每个MEC上的计算资源占用情况如图2所示。现已知四个服务器需要给业务u提供10个uint，我们按照D→C→B→A的顺序给业务u分配计算资源。由图2可知，A、B、 C、D分别给业务u提供的计算资源为3units、3units、2units、2units。也就是说切分后的每个子业务所需的计算资源为3units、3units、2units、2units。如果一个业务需要20units，我们在一个时隙t1内遍历完所有的可用服务器发现只有15个units，那么就要在时隙t2内开始第二轮轮循。
在负载均衡的情况下，最小化业务总时延的目标，也就是尽可能减少时隙数；对于m个MEC服务器和k个不同的分布式业务，用一个m*k的矩阵P来表示：
Figure BDA0002953201580000071
其中，pmk∈{0，1}，0表示没有给业务分配计算资源，1表示服务器给业务分配了计算资源。
若一个业务u所需的总资源H大于当前时刻所有MEC服务器的可用的MEC计算资源的总和，则开始在下一个时刻进行第二轮轮询，进行计算资源的分配。
步骤四：对可用MEC服务器集合中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源,直到第J计算资源,J为每个服务器上最大计算资源索引。
对可用MEC服务器集合Eu中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器e上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源；其中，t≤i≤m，m表示服务器数量，t表示业务最小切分数量，1≤j≤N，N为每个MEC服务器上最大计算单元。
步骤五：如果已经达到业务u所需的总资源H，则终止分配。
如果i时刻下，所有可用服务器上所有的计算资源全部遍历以后，仍需要资源，则遍历第i+1时刻，反之，则完成该业务的分配。
步骤六：统计可用MEC服务器集合Eu中每个MEC服务器e上为业务分配的资源re，即为任务切分的大小。
步骤七：确定业务u的开始时间Su与结束时间Tu。
步骤八：计算所有业务的总完成时间T：
T＝maxu∈UTu，
其中开始时间默认为0时刻。
为了评估所提出的基于MEC的分布式业务调度策略的性能，我们将平均分配计算资源策略与之对比，并在图3所示的6节点，8链路的N6S8网络中进行测试。
(1)基于平均分配原则的资源分配策略
现假设有一个业务k需要的MEC计算资源是H＝16units，选择A、 B、C、D作为业务k的工作服务器，并分别为业务提供4个unit。该方案操作简单，但是从图4中可以看出，并没有考虑每个工作服务器的实际负载，当轮循到A的第三个unit时，我们就要重新在时隙t2内开始第二次轮循。不仅增加了业务时延，也使得服务器D处于空闲状态,浪费资源。
(2)基于轮循原理的分配策略
接下来，也通过一个例子来描述基于轮循原理的分配方案。如图 5所示，同样的假设业务k需要的MEC计算资源是H＝16units，选择A、 B、C、D作为业务k的工作服务器，刚好轮循一遍就可以达到业务k所需的总资源H，只用了一个时隙(t1)的时间。A、B、C、D分别给业务k提供的计算资源为3units、4units、3units、6units。从图5 中可以看出，相比于平均分配原则的资源分配策略，基于轮循原理的分配策略不仅最小化了整个网络业务总时延，而且还考虑了负载均衡的问题。
综上所述，基于平均分配原则的资源分配策略优点是简单操作，缺点是未考虑服务器的实际负载，不仅会使得有的服务器上占用的计算资源高于其可用阈值，而且具有大量可用资源的服务器且处于空闲，最终增加了业务的等待时延，导致业务总时延延长。此方案适用于业务对MEC服务器计算资源需求较少或者MEC服务器的计算资源充足的情况。为了充分利用计算资源、均衡服务器之间的负载以及减少排队等待时间，最小化业务总时延的目标，我们需要利用基于轮循原理的分配策略解决业务切分与资源部署的联合优化问题。
本发明的面向MEC的分布式业务调度方法将业务切分问题和MEC 资源分配问题融合在一起进行联合优化，不仅达到了最小化业务总时延的目标，还考虑了服务器的负载均衡，从而充分利用了服务器的计算资源，均衡服务器之间负载，减少了终端的排队等待时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：对一个业务集合中的任意一个业务，根据最短路由算法，确定与该业务最近的M个MEC服务器；
步骤二：将确定的M个MEC服务器加入到可用MEC服务器集合中；
步骤三：生成一个三维矩阵；
所述步骤三具体为
生成一个三维矩阵，三维矩阵按照直角坐标系排列，直角坐标系的三个坐标轴分别为可用的MEC服务器、时刻t和每个MEC服务器的可用的MEC计算资源；
业务u所需的总资源为H，每个MEC服务器按照当前时刻来分配计算资源，所有MEC服务器需要给业务u提供总资源H，按照顺序每个可用MEC服务器给业务u分配计算资源，每个可用MEC服务器给业务u分配的计算资源即为切分后的每个子业务所需的计算资源；
在负载均衡的情况下，最小化业务总时延的目标，也就是尽可能减少时隙数；对于m个MEC服务器和k个不同的分布式业务，用一个m*k的矩阵P来表示：
Figure FDA0003746082210000011
其中，pmk∈{0，1}，0表示没有给业务分配计算资源，1表示服务器给业务分配了计算资源；
步骤四：对可用MEC服务器集合中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源,直到第J计算资源，J为每个服务器上最大计算资源索引；
步骤五：如果已经达到业务所需的总资源，则终止分配；
步骤六：统计可用MEC服务器集合中每个MEC服务器上为业务分配的资源，即为任务切分的大小；
步骤七：确定业务开始时间与结束时间；
步骤八：计算所有业务的完成时间。
2.按照权利要求1所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤一具体为
定义一个业务集合U，对业务集合U中的任意一个业务u，根据最短路由算法确定与该业务u最近的M个MEC服务器。
3.按照权利要求2所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤二具体为
定义Eu为可用MEC服务器集合，将步骤一中确定的M个与业务u最近的MEC服务器加入到可用MEC服务器集合Eu中。
4.按照权利要求1所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：若一个业务u所需的总资源H大于当前时刻所有MEC服务器的可用的MEC计算资源的总和，则开始在下一个时刻进行第二轮轮询，进行计算资源的分配。
5.按照权利要求1所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤四具体为
对可用MEC服务器集合Eu中的任意一个业务，采用轮询的方式，判断i时刻下，每个MEC服务器e上第j个计算资源是否空闲，如果空闲，则将该计算资源分配给该业务，然后采用同样的方式继续判断第j+1个计算资源；其中，t≤i≤m，m表示服务器数量，t表示业务最小切分数量，1≤j≤N，N为每个MEC服务器上最大计算单元。
6.按照权利要求5所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤五具体为
如果i时刻下，所有可用服务器上所有的计算资源全部遍历以后，仍需要资源，则遍历第i+1时刻，反之，则完成该业务的分配。
7.按照权利要求1所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤六具体为
统计可用MEC服务器集合Eu中每个MEC服务器e上为业务分配的资源re，即为任务切分的大小。
8.按照权利要求1所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤七具体为
确定业务u的开始时间Su与结束时间Tu。
9.按照权利要求8所述的一种面向MEC的分布式业务调度方法，其特征在于：所述步骤八具体为
计算所有业务的总完成时间T：
T＝maxu∈UTu。
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