CN114490021A - 一种面向物联网边缘计算的云边协同系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向物联网边缘计算的云边协同系统及方法，系统包括：部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，部署在边缘端的边缘节点和设备；其中，所述控制台，用于根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；所述容器集群管理子系统，用于根据所述云端子任务对所述云端组件进行管理；所述云端组件，用于与所述边缘节点和设备进行数据通信；所述边缘节点，用于根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理；所述设备，用于采集边缘端数据；本发明实施例能够提高云边数据协同处理性能，可广泛应用于云边协同技术领域。

Description

一种面向物联网边缘计算的云边协同系统及方法

技术领域

本发明涉及云边协同技术领域，尤其是一种面向物联网边缘计算的云边协同系统及方法。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，物联网通用使能平台需要处理网络边缘端的实时数据，而集中式的云计算架构在处理实时性较高、计算复杂的边缘场景中给网络带宽、计算能力和存储容量带来巨大压力。现有的云边协同系统通过容器编排、部署和运维实现物联网场景的云边协同，但是无法完整部署边缘多设备，不能很好地应用于物联网场景的云边协同。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种面向物联网边缘计算的云边协同系统及方法，以管理边缘节点，实现云边协同。

一方面，本发明实施例提供了一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，包括：部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，部署在边缘端的边缘节点和设备；

其中，所述控制台，用于根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

所述容器集群管理子系统，用于根据所述云端子任务对所述云端组件进行管理；

所述云端组件，用于与所述边缘节点和设备进行数据通信；

所述边缘节点，用于根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理；

所述设备，用于采集边缘端数据。

可选地，所述云端组件包括边缘节点控制器模块；所述边缘节点控制器模块，用于管理边缘节点，传输云端数据至边缘节点中。

可选地，所述云端组件包括边云端路由模块；所述云端路由模块，用于对云端数据进行监控和缓存，与所述边缘节点进行数据通信。

可选地，所述边缘节点包括Pod计算单元和边缘端组件。

可选地，所述边缘端组件包括边缘端容器编排模块；所述边缘端容器编排模块，用于运行业务容器。

可选地，所述边缘端组件包括边缘路由模块；所述边缘路由模块，用于与云端进行数据通信。

可选地，所述边缘端组件包括边缘存储模块；所述边缘存储模块，用于存储设备状态，将所述设备状态同步到云端。

可选地，所述边缘端组件包括元数据管理模块；所述元数据管理模块用于向数据库存储或检索元数据，为应用程序提供查询接口。

另一方面，本发明实施例还公开了一种面向物联网边缘计算的云边协同方法，包括：

根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

根据所述云端子任务对云端组件进行管理，与边缘节点和设备进行数据通信；

根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理，采集边缘端数据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明实施例通过控制台对边缘计算任务进行策略分配，提高了系统的数据协同处理性能；再者，本发明实施例通过容器集群管理子系统对边缘节点进行应用部署，通过边缘节点对本地业务进行处理，完成云边协同。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统结构图；

图2为本发明实施例的一种面向物联网边缘计算的云边协同方法流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1，本发明实施例提供面向物联网边缘计算的云边协同系统，包括：部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，部署在边缘端的边缘节点和设备；

其中，所述控制台，用于根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

所述容器集群管理子系统，用于根据所述云端子任务对所述云端组件进行管理；

所述云端组件，用于与所述边缘节点和设备进行数据通信；

所述边缘节点，用于根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理；

所述设备，用于采集边缘端数据。

具体地，本发明实施例一种面向物联网边缘计算的云边协同系统包括部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，以及部署在边缘端的边缘节点和设备；通过控制台基于模拟退火算法进行任务分配策略优化，通过迭代优化的方式，得到任务分配的近似全局最优解，使得网络带宽时延、数据协同处理性能、任务分解策略优化、云中心存储性能等得到了有效的提升。本发明实施例的容器集群管理子系统、云端组件和边缘节点对容器集群进行搭建、扩容和缩容等运维工作，为容器化应用提供监控、日志、服务网格、模板市场、水平拓展、持久化存储等基础能力，快速构建和运行可弹性扩展的应用部署，实现业务的快速交付与持续创新。本实施例的边缘节点对实时、短周期数据进行任务处理，对本地业务进行实时处理与执行，向云端提供高价值的数据。参照图1，本发明实施例在云端部署控制台、容器集群管理子系统和云端组件，云端组件包括边缘节点控制器模块和云端路由模块，在边缘端部署边缘节点和设备，边缘节点包括Pod计算单元和边缘端组件。

进一步作为优选的实施方式，所述云端组件包括边缘节点控制器模块；所述边缘节点控制器模块，用于管理边缘节点，传输云端数据至边缘节点中。

其中，本发明实施例一种边缘节点控制器模块，通过扩展的Kubernetes控制器实现，用于管理边缘节点和Pod元数据，并且确保云端数据能够传递到指定的边缘节点。通过边缘节点控制器模块对多种架构和多种操作系统的节点进行纳管，将节点标签管理、节点污点管理实现边缘应用灵活调度到指定节点。

进一步作为优选的实施方式，所述云端组件包括边云端路由模块；所述云端路由模块，用于对云端数据进行监控和缓存，与所述边缘节点进行数据通信。

其中，本发明实施例云端组件包括云端路由模块，通过Web Socket客户端实现，负责与云端进行数据通信，同步云端资源更新情况，将边缘主机和设备状态变化记录到云端。通过配置消息路由，将边缘信息转发至对应消息端点，对云端和边缘端的元数据进行同步，使云边数据可靠传输，并持久化边缘元数据。

进一步作为优选的实施方式，所述边缘节点包括Pod计算单元和边缘端组件。

其中，Pod计算单元用于存储多个容器，边缘端组件包括边缘端容器编排模块、边缘路由模块、边缘存储模块和元数据管理模块，用于实现边缘端的业务需求。

进一步作为优选的实施方式，所述边缘端组件包括边缘端容器编排模块；所述边缘端容器编排模块，用于运行业务容器。

其中，边缘端组件包括边缘端容器编排模块，边缘容器编排模块控制边缘容器运行的开始和停止，提供拉取镜像等功能，使业务容器能够在边缘节点运行起来。当控制台添加边缘节点时，通过边缘容器编排模块部署脚本将边缘组件和容器自动部署于边缘节点。

进一步作为优选的实施方式，所述边缘端组件包括边缘路由模块；所述边缘路由模块，用于与云端进行数据通信。

其中，本发明实施例的边缘路由模块为一个Web Socket客户端，负责与云端进行数据通信，包括同步云端资源更新，记录边缘主机和设备状态变化至云端。

进一步作为优选的实施方式，所述边缘端组件包括边缘存储模块；所述边缘存储模块，用于存储设备状态，将所述设备状态同步到云端。

其中，本发明实施例的边缘端组件包括边缘存储模块，负责存储设备状态，将设备状态同步到云端。

进一步作为优选的实施方式，所述边缘端组件包括元数据管理模块；所述元数据管理模块用于向数据库存储或检索元数据，为应用程序提供查询接口。

其中，元数据管理模块，用于管理边缘节点上的元数据，负责向数据库存储或检索元数据，为应用程序提供查询接口。

另一方面，本发明实施例还公开了一种面向物联网边缘计算的云边协同方法，包括：

根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

根据所述云端子任务对云端组件进行管理，与边缘节点和设备进行数据通信；

根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理，采集边缘端数据。

其中，基于单节点的云边协同方法，本发明实施例使用模拟退火算法对边缘计算任务分配进行策略优化。以云边协同系统为架构，以设备接入数据、边缘计算任务分解和云边协同进行分析，综合考虑任务分解策略、数据量、时间效率、网络带宽占用等性能指标，通过云端将任务拆分为云端子任务和边缘端子任务。假设任务在边缘端处理时间定义为T_e，在云端处理时间为T_c，单任务处理前数据量D₀，处理后数据量D₁。以协同处理的任务处理时间最优、占用网络资源最小定义目标函数，具体如下：

边缘处理时间最短：f₁＝Min(αT_e)；

云中心处理时间最短：f₂＝Min(βT_c)；

传输数据量最小：f₃＝Min(αD₁+βD₀)；

综上优化目标为：

式中，α和β代表处理时间的权重分配，

和

代表占用网络资源的权重分配。基于上述优化目标，采用基于启发式规则的模拟退火算法，通过迭代优化的方式，得到任务分配的近似全局最优解，确定云端子任务和边缘端子任务。根据云端子任务对云端组件进行管理，与边缘节点进行数据通信，根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理，并采集边缘端数据。

本发明实施例提供的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，包括：部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，部署在边缘端的边缘节点和设备，对边缘节点进行管理，能够纳管多种架构和多种操作系统的节点，对节点标签管理和污点管理将边缘应用灵活调度到指定节点。本发明实施例的边缘节点在完全断开连接的模式下能够进行离线自治，在断网或弱网环境下运行本地计算、存储和分析功能，在故障恢复后进行业务自愈。本发明实施例的云端路由模块和边缘端路由模块共同支持配置消息路由，将边缘消息转发至对应消息端点，同步云边元数据，使云边数据可靠传输和边缘元数据持久化。本实施例还可支持云边统一的多集群多租户权限管理，将核心功能开放。通过边缘端组件将无状态应用、守护进程等多种类型的负载部署到边缘节点。

综上所述，本发明实施例具有以下优点：

1、本发明实施例基于模拟退火算法进行任务分配策略优化，通过迭代优化的方式，得到任务分配的近似全局最优解，使网络带宽及时延、数据协同处理性能、任务分解策略优化、云中心存储性能得到了有效的提升。

2、本发明实施例支持ARM/x86架构，支持离线运行，支持多种工业/消费物联网协议，更加适用于物联网场景。

3、本发明实施例耗费运算资源更低，可以应用于工业网关、家庭网关等多种硬件上，扩展性更强。

4、本发明实施例对边缘端应用具备智能化管控的能力，提供多种运维工具，后期维护方便。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，包括：部署在云端的控制台、容器集群管理子系统和云端组件，部署在边缘端的边缘节点和设备；

其中，所述控制台，用于根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

所述容器集群管理子系统，用于根据所述云端子任务对所述云端组件进行管理；

所述云端组件，用于与所述边缘节点和设备进行数据通信；

所述边缘节点，用于根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理；

所述设备，用于采集边缘端数据。

2.根据权利要求1所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述云端组件包括边缘节点控制器模块；所述边缘节点控制器模块，用于管理边缘节点，传输云端数据至边缘节点中。

3.根据权利要求1所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述云端组件包括云端路由模块；所述云端路由模块，用于对云端数据进行监控和缓存，与所述边缘节点进行数据通信。

4.根据权利要求1所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述边缘节点包括Pod计算单元和边缘端组件。

5.根据权利要求4所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述边缘端组件包括边缘端容器编排模块；所述边缘端容器编排模块，用于运行业务容器。

6.根据权利要求4所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述边缘端组件包括边缘路由模块；所述边缘路由模块，用于与云端进行数据通信。

7.根据权利要求4所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述边缘端组件包括边缘存储模块；所述边缘存储模块，用于存储设备状态，将所述设备状态同步到云端。

8.根据权利要求4所述的一种面向物联网边缘计算的云边协同系统，其特征在于，所述边缘端组件包括元数据管理模块；所述元数据管理模块用于向数据库存储或检索元数据，为应用程序提供查询接口。

9.一种面向物联网边缘计算的云边协同方法，其特征在于，包括：

根据模拟退火算法对边缘计算任务进行策略分配，确定云端子任务和边缘端子任务；

根据所述云端子任务对云端组件进行管理，与边缘节点和设备进行数据通信；

根据所述边缘端子任务对本地业务进行处理，采集边缘端数据。

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