CN114650566A - 一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构 - Google Patents

一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构 Download PDF

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CN114650566A CN202210225755.6A CN202210225755A CN114650566A CN 114650566 A CN114650566 A CN 114650566A CN 202210225755 A CN202210225755 A CN 202210225755A CN 114650566 A CN114650566 A CN 114650566A
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Abstract

本发明公开了一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，该架构主要包括：包括服务提供商、用户终端、基站、路由器和边缘计算节点，其中，服务提供商接收用户终端的任务并将处理该任务的相关配置参数反馈至用户终端和任务传输/处理路径上的相关设备，基站接收用户终端的任务并转发至路由器，路由器接收基站发送的任务并转发至边缘计算节点；采用三分域部署方式，包括无线域、有线传输域和计算域三个相互独立的域，采用域间流量整形机制。该方法将确定性网络技术移植到边缘计算网络中，解决了传统确定性网络技术无法适配到异构媒介场景的问题，能够在动态、不可预测的环境中，提供确定性的服务质量。

Description

一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构
技术领域
本发明涉及网络架构领域，具体涉及一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构。
背景技术
在边缘计算网络系统中，用户可以将本地生成的任务上传至网络中的计算节点，节省本地资源(如中央处理器、内存、电池)的开销。然而，传统的边缘计算网络系统在传输过程中采用“尽力而为”的转发机制，服务质量受网络负载等动态因素的影响，无法保障确定性的服务质量，即系统响应时延和抖动不可控、不稳定，无理论上界。这里的“响应时延”定义为：任务从用户本地终端发送出去的时刻(t1)，至计算节点处理完成时刻(t2)，两者之间的完整时间段(t2-t1)。随着未来网络的发展，越来越多的业务需要确定性的服务质量保障，如远程手术等低时延高可靠类新型应用。因此，迫切需要设计可提供确定性服务质量的边缘计算网络架构。
在这种背景下，如何在动态、不预测的网络环境中提供确定性的服务质量保障，成为未来边缘计算网络系统亟需要解决的重大问题。而确定性网络技术恰恰解决了这些问题。在确定性网络中，所有节点将时间划分为等长的时隙。每对邻居节点之间通过提前测量最长传输延时，建立时隙映射关系。时隙映射的定义及物理意义表述如下：若节点A和B之间存在链路(即节点A、B为邻居节点)，则映射x→y表示，节点A在时隙x中发送的数据包，节点B必定能在时隙y-1结束之前接收到(最长传输延时已提前测量)。在数据包转发操作方面，映射x→y要求节点B在时隙y中将前述数据包传输至下一跳节点。映射x→y同样要求，节点A在时隙x+1中发送的数据包，节点B可以在时隙y+1中重新转发至下一跳节点，以此类推。确定性网络通过建立逐跳的时隙映射和转发关系，确定性网络保障确定性的端到端传输，即可保证数据包从源节点发送，到目的节点接收之间的时延、抖动可控，有上界。
现有的确定性网络技术仅考虑有线网络、单一媒介的传输问题。同时，在转发过程中，要求节点对时间进行等长的时隙划分。而边缘计算网络系统中包含无线空口部分、有线传输部分、计算节点部分，任务上传处理过程中涉及到不同的媒介(无线资源块、有线链路带宽、中央处理器资源)。根据现行确定性网络要求，(由于使用不同的传输/处理媒介)，节点不合适，也不可能进行等长的时间划分。因此如何将确定性网络技术移植到边缘计算网络系统中，保证边缘计算网络系统的确定性服务质量是本发明重点解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，用于解决将确定性网络技术移植到边缘计算网络系统中提供确定性服务质量这一技术问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明公开了一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，包括服务提供商、用户终端、基站、路由器和边缘计算节点，其中，服务提供商接收用户终端的任务并将处理该任务的相关配置参数反馈至用户终端和任务传输/处理路径上的相关设备，基站接收用户终端的任务并转发至路由器，路由器接收基站发送的任务并转发至边缘计算节点；
所述边缘计算网络架构数据面采用三分域部署方式，包括无线域、有线传输域和计算域三个相互独立的域，其中，无线域数据包采用LTE标准/5G标准传输，有线传输域数据包采用确定性网络技术传输，计算域以等长的时间周期分配计算资源；
所述边缘计算网络架构采用域间流量整形机制，所述域间流量整形机制包括基站流量整形机制和边缘计算节点流量整形机制，其中基站流量整形机制基于指定时隙转发数据包，实现无线域到有线传输域的确定性传输；计算节点流量整形机制基于指定时隙处理数据包，实现有线传输域到计算域的确定性处理。
进一步的，所述确定性服务保障用户接入边缘计算网络后，系统的响应时间及其抖动可控且有上界。
进一步的，所述用户终端和基站属于无线域，所述路由器属于有线传输域，所述边缘计算节点属于计算域。
进一步的，所述服务提供商具有资源分配功能，针对每个任务，配置相关决策变量；
所述用户终端具有时间划分功能、时钟同步功能，其中时间划分功能为将时间划分为无线域预设周期长度的时隙，时钟同步功能为保持用户终端与关联基站时隙的起始时刻相同；
所述基站具有时间划分功能、域内时钟同步功能、域间时钟维护功能、基站流量整形功能，其中时间划分功能为将时间划分为无线域预设周期长度的时隙，域内时钟同步功能为保持基站与其覆盖范围内的用户终端时隙的起始时刻相同，域间时钟维护功能为基站同时维护一个周期为有线传输域时隙的时钟，保持该时钟与相邻路由器频率同步；
所述路由器具有时间划分功能、域内时间同步功能、域间超时隙级的时间同步功能、确定性转发功能，其中时间划分功能为将时间划分为有线传输域预设周期长度的时隙，域内时间同步功能为保持路由器与相邻路由器频率同步，域间超时隙级的时间同步功能为保持边缘计算节点与路由器时钟超时隙级的频率同步；
所述边缘计算节点具有时间划分功能、域间超时隙级的时间同步功能、基于时隙的流量整形和任务处理功能，其中时间划分功能为将时间划分为计算域预设周期长度的时隙，域间超时隙级的时间同步功能为保持边缘计算节点与路由器时钟超时隙级的频率同步。
进一步的，所述超时隙的定义为长度等于时隙的整数倍的时隙，其中倍数大于等于3。
进一步的，所述决策变量包括：系统参数、传输路径、用户终端发送时间、基站流量整形参数、边缘计算节点流量整形参数；
其中，系统参数包括无线域、有线传输域、计算域的时隙长度和超时隙长度；传输路径是一个集合，表示任务传输/处理路径，集合中包括任务经过的基站、路由器、边缘计算节点；用户终端发送时间为用户终端发送任务的指定时隙；基站流量整形参数为指示基站流量整形操作的正整数；边缘计算节点流量整形参数为指示边缘计算节点流量整形操作的正整数。
进一步的，所述基站流量整形机制具体如下：
通过时隙映射关系建立从无线域到有线传输域的跨域时间索引对应关系，所述时隙映射关系如下：
Figure BDA0003539129380000031
其中，Δran为无线域的时隙长度，Δdip为有线传输域的时隙长度，Ndip为大于等于3的正整数，
Figure BDA0003539129380000041
为基站b上两种时钟的超时隙开始时间之差，x为周期为Δran的时隙索引，从零开始，Φb(x)为对应周期为Δdip的时隙索引；
根据映射关系y＝Φb(x)，表明基站在无线域x时隙内接收到数据包等同于在有线传输域y时隙内接收到，y为周期为Δdip的时隙索引；
指定数据包在
Figure BDA0003539129380000042
时隙内发送至路由器，
Figure BDA0003539129380000043
为基站流量整形参数。
进一步地，所述计算节点流量整形机制具体如下：
通过时隙映射关系建立从有线传输域到计算域的跨域时间索引对应关系，所述时隙映射关系如下：
Figure BDA0003539129380000044
其中，
Figure BDA0003539129380000045
为路由器vi和边缘计算节点vj之间的链路时延，
Figure BDA0003539129380000046
为路由器vi和边缘计算节点vj上超时隙的开始时间之差，Δmec为计算域的时隙长度，Δdip为有线传输域的时隙长度，Nmec为大于等于3的正整数，x为周期为Δdip的时隙索引，从零开始，
Figure BDA0003539129380000047
为对应的周期为Δmec的时隙索引；
根据映射关系
Figure BDA0003539129380000048
表明路由器vi在有线传输域x时隙内发送的数据包会由边缘计算节点vj在计算域y时隙内收到，y为周期为Δmec的时隙索引；
指定数据包在时隙
Figure BDA0003539129380000049
内发送至中央处理器完成处理，
Figure BDA00035391293800000410
为边缘计算节点流量整形参数。
本发明提出的提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，将确定性网络技术移植到边缘计算网络中，解决了传统确定性网络技术无法适配到异构媒介场景的问题，能够在动态、不可预测的环境中，提供确定性的服务质量保障，即系统“响应时间”及其抖动可控、有上界。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例中一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构的模型图；
图2是本发明实施例中一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构的数据面传输机制示意图；
图3是本发明实施例中一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构的时间划分、时间同步、频率同步示意图；
图4是本发明实施例中一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构的工作步骤示意图；
图5是本发明实施例中一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构实现端到端处理的过程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行详细阐述，通过实施例更好地描述本发明方案。
实施例1
参照图4，本实施例提供一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，该网络架构的工作步骤具体如下：
S1：用户终端向服务提供商提交任务处理请求；
具体的，参照图5，某个任务将在时隙a(时隙长度为Δran)生成，服务提供商根据当前的网络资源利用情况，配置相关决策变量；
决策变量包括：系统参数、传输路径、用户终端发送时间、基站流量整形参数、边缘计算节点流量整形参数；其中，系统参数包括无线域、有线传输域、计算域的单位时隙长度和超时隙长度；传输路径是一个集合，表示任务传输/处理路径，集合中包括任务经过的基站、路由器、边缘计算节点；用户终端发送时间为用户终端发送任务的指定时隙；基站流量整形参数为指示基站流量整形操作的正整数；边缘计算节点流量整形参数为指示边缘计算节点流量整形操作的正整数。
S2：服务提供商将相关配置参数发送至用户终端，以及任务传输/处理路径上的所有设备；
具体的，参照图5，服务提供商需将相关配置参数发送至用户终端、对应基站、路由器、边缘计算节点，系统参数指定：无线域、有线传输域和计算域的时隙长度分别对应Δran，Δdip和Δmec，超时隙长度为Δhc,Δhc的具体取值满足条件：Δhc＝NranΔran＝NdipΔdip＝NmecΔmec，其中Nran,Ndip,Nmec为大于等于3的正整数；传输/处理路径中的设备包括基站v1，路由器v2，路由器v3，边缘计算节点v4；对于用户终端，服务提供商需要提供准入许可和发送时隙索引，
Figure BDA0003539129380000061
对于基站和边缘计算节点，服务提供商需要提供基站/边缘计算节点流量整形参数，
Figure BDA0003539129380000062
和
Figure BDA0003539129380000063
S3：用户终端将任务对应的数据包发送至指定基站；
具体的，参照图5，用户终端在时隙
Figure BDA0003539129380000064
内，将任务对应的数据包发送至指定基站，无线传输期间，任务占用1个无线资源块，使用时间为一个时隙长度Δran(提前由服务提供商指定)。
S4：基站完成任务接收并在指定时隙内转发至路由器；
具体的，参照图5，基站将在a+2时隙(长度Δran)结束之前，完成任务的无线接收工作；
通过基站流量整形机制计算指定任务发送时隙：
将服务提供商配置的参数输入如下时隙映射关系：
Figure BDA0003539129380000065
其中，Δran为无线域的单位时隙长度，Δdip为有线传输域的单位时隙长度，Ndip为大于等于3的正整数，
Figure BDA0003539129380000066
为基站b上两种时钟的超时隙开始时间之差，x为周期为Δran的时隙索引，从零开始，Φb(x)为对应的周期为Δdip的时隙索引；
计算得到
Figure BDA0003539129380000067
基站认为对应任务的无线接收可以在b+3时隙(长度Δdip)结束前，完成接收工作。基站根据收到的
Figure BDA0003539129380000068
在时隙b+4结束前，将任务转发至路由器v2。
S5：路由器完成任务接收并转发至边缘计算节点；
具体的，参照图5，路由器v2、v3使用现有的确定性网络技术，将任务在时隙b+7结束之前，转发至边缘计算节点v4。
S6：边缘计算节点完成任务接收并在指定时隙内完成处理工作；
具体的，参照图5，通过边缘计算节点流量整形机制计算指定任务处理时隙，将服务提供商配置的参数输入如下时隙映射关系：
Figure BDA0003539129380000071
其中，
Figure BDA0003539129380000072
为路由器vi和计算节点vj之间的链路时延，
Figure BDA0003539129380000073
为路由器vi及计算节点vj上超时隙的开始时间之差，Δmec为计算域的时隙长度，Δdip为有线传输域的时隙长度，Nmec为大于等于3的正整数，x为周期为Δdip的时隙索引，从零开始，
Figure BDA0003539129380000074
为对应的周期为Δmec的时隙索引；
计算得到
Figure BDA0003539129380000075
该映射关系说明计算节点v4可在时隙c+5(长度Δmec)结束之前，完成任务的接收工作。计算节点v4根据参数
Figure BDA0003539129380000076
指派任务在时隙c+7(长度Δmec)结束之前完成处理工作。
至此，本实施例所用网络架构提供了端到端的确定性服务质量，即系统“响应时间”及其抖动可控、有上界，参照图5，可以看到系统的最大/最小的响应时间。
本实施例采用一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，将确定性网络技术移植到边缘计算网络中，解决了传统确定性网络技术无法适配到异构媒介场景的问题，能够在动态、不可预测的环境中，提供确定性的服务质量保障，即系统“响应时间”及其抖动可控、有上界。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何提供确定性服务质量的边缘计算网络架构。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元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器中。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全部或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器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、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。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：Read-OnlyMemory，简称：ROM)、随机存取器(英文：RandomAccessMemory，简称：RAM)、磁盘或光盘等。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，包括服务提供商、用户终端、基站、路由器和边缘计算节点，其中，服务提供商接收用户终端的任务并将处理该任务的相关配置参数反馈至用户终端和任务传输/处理路径上的相关设备，基站接收用户终端的任务并转发至路由器，路由器接收基站发送的任务并转发至边缘计算节点；
所述边缘计算网络架构数据面采用三分域部署方式，包括无线域、有线传输域和计算域三个相互独立的域，其中，无线域数据包采用LTE标准/5G标准传输，有线传输域数据包采用确定性网络技术传输，计算域以等长的时间周期分配计算资源；
所述边缘计算网络架构采用域间流量整形机制，所述域间流量整形机制包括基站流量整形机制和边缘计算节点流量整形机制，其中基站流量整形机制基于指定时隙转发数据包，实现无线域到有线传输域的确定性传输；计算节点流量整形机制基于指定时隙处理数据包，实现有线传输域到计算域的确定性处理。
2.根据权利要求1所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述确定性服务保障用户接入边缘计算网络后，系统的响应时间及其抖动可控且有上界。
3.根据权利要求1所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述用户终端和基站属于无线域，所述路由器属于有线传输域，所述边缘计算节点属于计算域。
4.根据权利要求1所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述服务提供商具有资源分配功能，针对每个任务，配置相关决策变量；
所述用户终端具有时间划分功能、时钟同步功能；
所述基站具有时间划分功能、域内时钟同步功能、域间时钟维护功能、基站流量整形功能；
所述路由器具有时间划分功能、域内时间同步功能、域间超时隙级的时间同步功能、确定性转发功能；
所述边缘计算节点具有时间划分功能、域间超时隙级的时间同步功能、基于时隙的流量整形和任务处理功能。
5.根据权利要求4所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述超时隙的定义为长度等于时隙的整数倍的时隙，其中倍数大于等于3。
6.根据权利要求4所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述决策变量包括：系统参数、传输路径、用户终端发送时间、基站流量整形参数、边缘计算节点流量整形参数；
其中，系统参数包括无线域、有线传输域、计算域的时隙长度和超时隙长度；传输路径是一个集合，表示任务传输/处理路径，集合中包括任务经过的基站、路由器、边缘计算节点；用户终端发送时间为用户终端发送任务的指定时隙；基站流量整形参数为指示基站流量整形操作的正整数；边缘计算节点流量整形参数为指示边缘计算节点流量整形操作的正整数。
7.根据权利要求1所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述基站流量整形机制具体如下：
通过时隙映射关系建立从无线域到有线传输域的跨域时间索引对应关系，所述时隙映射关系如下：
Figure FDA0003539129370000021
其中，Δran为无线域的时隙长度，Δdip为有线传输域的时隙长度，Ndip为大于等于3的正整数，
Figure FDA0003539129370000022
为基站b上两种时钟的超时隙开始时间之差，x为周期为Δran的时隙索引，从零开始，Φb(x)为对应周期为Δdip的时隙索引；
根据映射关系y＝Φb(x)，表明基站在无线域x时隙内接收到数据包等同于在有线传输域y时隙内接收到，y为周期为Δdip的时隙索引；
指定数据包在
Figure FDA0003539129370000023
时隙内发送至路由器，
Figure FDA0003539129370000024
为基站流量整形参数。
8.根据权利要求1所述的一种提供确定性服务质量的边缘计算网络架构，其特征在于，所述计算节点流量整形机制具体如下：
通过时隙映射关系建立从有线传输域到计算域的跨域时间索引对应关系，所述时隙映射关系如下：
Figure FDA0003539129370000031
其中，
Figure FDA0003539129370000032
为路由器vi和边缘计算节点vj之间的链路时延，
Figure FDA0003539129370000033
为路由器vi和边缘计算节点vj上超时隙的开始时间之差，Δmec为计算域的时隙长度，Δdip为有线传输域的时隙长度，Mmec为大于等于3的正整数，x为周期为Δdip的时隙索引，从零开始，
Figure FDA0003539129370000034
为对应的周期为Δmec的时隙索引；
根据映射关系
Figure FDA0003539129370000035
表明路由器vi在有线传输域x时隙内发送的数据包会由边缘计算节点vj在计算域y时隙内收到，y为周期为Δmec的时隙索引；
指定数据包在时隙
Figure FDA0003539129370000036
内发送至中央处理器完成处理，
Figure FDA0003539129370000037
为边缘计算节点流量整形参数。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中含有如权利要求1至8任一项所述的提供确定性服务质量的边缘计算网络架构。
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CN115396371A (zh) * 2022-08-23 2022-11-25 网络通信与安全紫金山实验室 一种报文传输方法及系统

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