CN114978984A - 一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，属于边缘计算技术领域；本方法设计了一种针对边缘计算中数据放置请求的带宽感知的路由算法‑‑‑OBRED路由策略，该算法可以在边缘计算中提供带宽感知的高效的数据放置服务，减少数据放置请求的平均路由延迟，同时确保数据流的路由路径长度不会过长；本发明通过综合考虑边缘节点之间的延迟和距离因素来制定转发策略，采用贪婪算法的思想从数据流当前所在节点的邻居中选择一个交换机节点作为下一跳节点；经过实验论证，本发明中所提出的OBRED路由策略与现有的GRED算法相比，有效降低了边缘环境中数据放置服务的延迟，且不会导致路由路径过长。

Description

一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法

技术领域

本发明涉及边缘计算技术领域，尤其涉及一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法。

背景技术

边缘计算将计算，存储，带宽等资源放在网络边缘，靠近移动设备和最终用户，并将数据存储、计算、处理等功能集成为一个网络开发平台。它将网络的计算和存储功能转移到边缘，从而减少将请求从客户端发送到云端引起的延迟。当网络边缘的设备产生请求时，边缘网络可以更快地提供服务，从而促进网络技术的发展。随着网络规模的增大，数据处理的复杂性增加，始终在距离最近的边缘节点上执行数据处理任务是不切实际的。因此，在边缘网络中需要互连所有边缘节点，它们一起协同提供数据放置服务。

数据放置是指将数据项发送到边缘网络中指定的位置进行存储。在何处放置数据以及如何通过相关交换机转发数据放置请求是需要仔细考虑的问题。关于数据放置的问题，已经有很多的研究提出了针对不同网络的针对性的算法。对于数据放置请求的路由方法，虽然一些现有方法可以在边缘网络(例如DHT和GRED算法)上实现数据放置和检索，但都存在一些不足。

在边缘网络中，DHT无法高效率地实现数据放置服务。而对于GRED算法，虽然它已经实现了在边缘计算中的高效数据放置和检索服务，但它在路由策略设计过程中没有考虑节点带宽资源的影响。也就是说，GRED不能衡量网络延迟对路由效果的影响，可能会出现网络拥塞的情况。因此，目前在边缘提供数据放置服务时仍然存在一些不足和挑战。最关键的点是，在用户发送请求到数据被存储的过程中，处理和转发数据流会产生一定的延迟。但现有的方法没有考虑到网络延迟对边缘路由效果的影响。如果处理边缘放置请求会引发较大的路由延迟，会影响边缘网络的性能，这是目前需要解决的最至关紧要的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，设计了一种新型OBRED路由策略，考虑了边缘网络中节点带宽资源对路由效果的影响，根据不同节点带宽资源的大小选择一个尽可能优的转发路径，从而在边缘网络中提供高效的数据放置服务。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，具体包括以下步骤：

S1、搭建边缘网络：通过边缘网络搭建模块，生成固定数目的交换机，作为边缘节点，同时随机生成边缘节点之间的连接关系，保证每个节点与一定数目的其他交换机间通过物理链路相连；对于带宽采用基于泊松分布的原则，给每个交换机节点赋予一定量的带宽资源，保证网络中的节点带宽整体符合泊松分布；

S2、构建虚拟链路：利用Delaunay三角剖分算法构造位于SDN数据平面之上的虚拟覆盖层，形成Delaunay三角剖分图，即DT图；DT图中的节点与数据平面中的物理交换机一一对应，同时将数据放置请求通过DT图上的虚拟链路进行转发；

S3、下一跳节点选择策略：基于S2中所构建的虚拟链路，利用贪婪的思想，设计OBRED路由策略，根据OBRED路由策略对数据放置请求进行转发，选择最优的下一跳节点进行请求转发。

优选地，所述S2中所构建的虚拟覆盖层上的节点与S1中边缘网络上数据层面的交换机节点一一对应，每个所述交换机节点都有在网络中放置的位置坐标。

优选地，所述S1中所搭建的边缘网络中的每一条数据放置请求都会携带该数据的标识符d，通过哈希函数SHA-256计算得出该数据的存储位置，即目标位置；所述数据放置请求的转发目的节点为负责管理该数据存储位置的交换机，即距离数据存储位置最近的交换机。

优选地，所述S3中提到的下一条节点选择策略，具体包括以下内容：

A1、当边缘网络中某个交换机接收到由终端用户发来的或者相连交换机转发过来的数据放置请求时，搜索交换机维护的转发表来查找是否有流表项与之匹配；

A2、若交换机维护的转发表中存在有与数据放置请求相匹配的流表项，则按照流表里维护的下一跳节点进行转发；

A3、若交换机维护的转发表中不存在与数据放置请求相匹配的流表项，交换机则向SDN的控制器发送packet_in消息，表明交换机接收到了新的数据流，需要控制器执行OBRED路由策略计算该数据放置请求的下一跳节点。

优选地，所述OBRED路由策略具体包括以下内容：

B1、计算当前节点距离数据存储位置的距离，即当前节点与目标位置之间的距离，记为D_u；

B2、遍历当前交换机节点相连的所有DT图中的邻居节点和物理节点，计算该邻居节点到目标位置之间的距离，记为D_temp；

B3、对D_u和D_temp进行比较，若D_temp＜D_u，表明该邻居距离目标位置比当前节点更近，保证请求不会被转发到远离目的地的位置，令dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，同时令time为这两个节点之间的路由延迟，进入B4；若D_temp＞D_u，则表明当前节点更近，可以作为下一跳节点；

B4、结合B3中dis和time信息，定义邻居节点的得分函数score，记录每一个邻居节点的得分，所述得分函数score的具体计算公式为：

score＝(1-λ)*dis+λ*time

式中，dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，表示该节点与目的位置间的欧氏距离与该节点和当前节点间最短距离的和，是请求通过该节点进行转发的预估转发路径长度；time表示该节点与当前节点间的最短时延；λ表示路由延迟的权重；(1-λ)表示转发距离的权重；

B5、控制器贪婪的选择score最低的邻居节点作为该条数据放置请求的下一跳节点，并存入当前交换机的转发表中；

B6、当请求被转发到目标交换机时，通过OBRED路由策略的算法搜寻到的下一跳节点的编号与当前节点的编号相等，表明该条数据放置请求到达目标位置，OBRED路由策略的算法执行结束，由目标交换机对请求进行后续的处理。

与现有技术相比，本发明提供了一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，具备以下有益效果：

本发明所提出的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法中设计了一种针对边缘计算中数据放置请求的带宽感知的路由算法---OBRED，即OBRED路由策略，该算法可以在边缘计算中提供带宽感知的高效的数据放置服务，同时确保数据流的路由路径长度不会过长；该路由策略通过综合考虑了边缘节点之间的延迟和距离因素来制定转发策略，采用贪婪算法的思想从当前节点的邻居中选择一个交换机作为下一跳节点。同时经过实验证明，与现有GRED算法相比，OBRED路由策略能够有效降低由于路由引起的网络延迟，在不同的数据流场景下，对数据放置请求进行路由产生的延迟均比GRED降低1/3，且不会导致路由延展过大。

附图说明

图1为本发明提出的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法的物理-虚拟链路映射图；

图2为本发明提出的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法的功能模块图；

图3为本发明提出的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法的OBRED路由策略的整体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图1-3，一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，具体包括以下步骤：

S1、搭建边缘网络：通过网络搭建模块，生成固定数目的交换机节点，同时随机生成边缘节点之间的连接关系；基于泊松分布原则，给每个交换机节点赋予一定量的带宽资源；

S1中所搭建的边缘网络中的每一条数据放置请求都会携带该数据的标识符d，通过哈希函数SHA-256计算得出该数据的存储位置，即目标位置；数据放置请求的转发目的节点为负责管理该数据存储位置的交换机，即距离数据存储位置最近的交换机；

S2、构建虚拟链路：利用Delaunay三角剖分算法构造位于SDN数据平面之上的虚拟覆盖层，形成Delaunay三角剖分图，即DT图；将数据放置请求通过DT图上的虚拟链路进行转发；

S2中所构建的虚拟覆盖层上的节点与S1中边缘网络上数据层面的交换机节点一一对应，每个交换机节点都有在网络中放置的位置坐标；

S3、下一跳节点选择策略：基于S2中所构建的虚拟链路，利用贪婪的思想，设计OBRED路由策略，根据OBRED路由策略对数据放置请求进行转发，选择最优下一跳节点；

S3中提到的下一条节点选择策略，具体包括以下内容：

A1、当边缘网络中某个交换机接收到由终端用户发来的或者相连交换机转发过来的数据放置请求时，搜索交换机维护的转发表来查找是否有流表项与之匹配；

A2、若交换机维护的转发表中存在有与数据放置请求相匹配的流表项，则按照流表里维护的下一跳节点进行转发；

A3、若交换机维护的转发表中不存在与数据放置请求相匹配的流表项，交换机则向SDN的控制器发送packet_in消息，表明交换机接收到了新的数据流，需要控制器执行OBRED路由策略计算该数据放置请求的下一跳节点；

OBRED路由策略具体包括以下内容：

B1、计算当前节点距离数据存储位置的距离，即当前节点与目标位置之间的距离，记为D_u；

B2、遍历当前交换机节点相连的所有DT图中的邻居节点和物理节点，计算该邻居节点到目标位置之间的距离，记为D_temp；

B3、对D_u和D_temp进行比较，若D_temp＜D_u，表明该邻居距离目标位置比当前节点更近，保证请求不会被转发到远离目的地的位置，令dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，同时令time为这两个节点之间的路由延迟，进入B4；若D_temp＞D_u，则表明当前节点更近，可以作为下一跳节点；

B4、结合B3中dis和time信息，定义邻居节点的得分函数score，记录每一个邻居节点的得分，得分函数score的具体计算公式为：

score＝(1-λ)*dis+λ*time

式中，dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，表示该节点与目的位置间的欧氏距离与该节点和当前节点间最短距离的和，是请求通过该节点进行转发的预估转发路径长度；time表示该节点与当前节点间的最短时延；λ表示路由延迟的权重；(1-λ)表示转发距离的权重；

B5、控制器贪婪的选择score最低的邻居节点作为该条数据放置请求的下一跳节点，并存入当前交换机的转发表中；

B6、当请求被转发到目标交换机时，通过OBRED路由策略的算法搜寻到的下一跳节点的编号与当前节点的编号相等，表明该条数据放置请求到达目标位置，OBRED路由策略的算法执行结束，由目标交换机对请求进行后续的处理。

本发明所提出的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法中设计了一种针对边缘计算中数据放置请求的带宽感知的路由算法---OBRED，即OBRED路由策略，该算法可以在边缘计算中提供带宽感知的高效的数据放置服务，同时确保数据流的路由路径长度不会过长；该路由策略通过综合考虑了边缘节点之间的延迟和距离因素来制定转发策略，采用贪婪算法的思想从当前节点的邻居中选择一个交换机作为下一跳节点。同时经过实验证明，与现有GRED算法相比，OBRED路由策略能够有效降低由于路由引起的网络延迟，在不同的数据流场景下，对数据放置请求进行路由产生的延迟均比GRED降低1/3，且不会导致路由延展过大。

实施例2：

请参阅图1-3，基于实施例1但有所不同之处在于：

本发明提出了一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，旨在提供边缘计算中带宽感知的高效数据放置服务，其设计主要利用贪婪的思想，当一条数据放置请求到达边缘网络中的一个节点时，该节点会从与其相连的所有邻居节点中选择一个作为下一跳节点，对数据流进行转发。当前节点选择下一跳节点的原则有以下几点：1、下一跳节点距离目的地的位置要比当前节点更近；2、从下一跳节点到目的节点之间的最短时延不能过大；3、数据流的实际转发次数与最小转发次数相比不要过高，因为访问的节点过多，会消耗不必要的硬件资源。综上，本发明提出的转发策略定义了一个得分函数，该得分函数通过加权的方式综合考虑路由延迟和路由路径长度两种因素，在当前节点的邻居节点中贪婪地选择得分最高的节点作为下一跳。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

1、首先，通过分析搭建边缘网络：生成固定数目的交换机节点，同时随机生成边缘节点之间的连接关系，同时给每个交换机赋予一定量的带宽资源，整个边缘网络的带宽资源服从泊松分布。

2、第二步，利用Delaunay三角剖分构造位于SDEN数据平面之上的虚拟覆盖层，形成DT图。数据放置请求可以通过DT图上的虚拟链路进行转发。图1所示为物理-虚拟链路映射图，该图展示了数据平面与DT图之间的映射关系，物理链路中节点与DT图中的节点一一对应，但DT图中存在的虚拟链路在数据平面不一定存在。此时，利用该虚拟链路进行的数据转发可以通过多跳物理链路来实现。

3、第三步，设计路由策略以提供高效的、带宽感知的数据放置服务。当一条数据放置请求到达边缘网络中的一个交换机时，该交换机会从与其相连的邻居节点中选择一个作为路由的下一跳，其选择的策略是：在距离目的位置比当前交换机更近的邻居中选择一个score最低的，其中score＝(1-λ)*dis+λ*time，d是该节点与目的位置间的欧氏距离与该节点和当前节点间最短距离的和，表示请求通过该节点进行转发的预估转发路径长度；t是该节点与当前节点间的最短时延；λ是在score函数中路由延迟的权重，对应的，转发距离的权重为(1-λ)。一个节点的score越低，表示它到目标节点的距离和延迟都更小，它就会优先被选择为下一跳节点。具体流程如图3所示。

4、在模拟中，每条数据放置请求的源节点都是随机生成的，从源节点开始逐步向目的存储位置转发(目的节点的位置可以通过对数据流携带的标识符id进行哈希得到)。当路由策略选择的下一跳节点的id与当前节点的id一致，表明数据放置请求到达距离目的位置最近的交换机，即负责管理该部分区域的交换机(根据DT图的性质可知，数据流不会限于局部最优解，从而实现有保证的交付)。

当边缘网络中的某个交换机接收到了由终端用户发来的或者相连交换机转发过来的数据放置请求时，会搜索交换机维护的转发表来查找是否有流表项与之匹配，若匹配，就按照流表里维护的下一跳节点进行转发；若没有，交换机会向SDN的控制器发送packet_in消息表明交换机接收到了新的数据流，需要控制器执行OBRED算法计算该数据放置请求的下一跳节点。OBRED方法的具体流程描述如下：首先，计算当前节点距离数据存储位置的距离，记为D_u；第二步，遍历与当前交换机相连的所有DT图中的邻居节点和物理节点，计算该邻居节点到目标位置的距离，记为D_temp，如果D_temp小于D_u(表明该邻居距离目标位置比当前节点更近，保证请求不会被转发到远离目的地的位置)，则令dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，令time为这两个节点之间的路由延迟，根据score＝(1-λ)*dis+λ*time记录每一个邻居节点的得分(权重λ可根据不同网络的需求选取不同的参数，本发明的实验中取0.5)；最后，控制器会贪婪地选择score最低的邻居节点作为该条数据放置请求的下一跳节点，并存入当前交换机的转发表中。当请求被转发到目标交换机时，通过OBRED算法搜寻到的下一跳节点的编号与当前节点的编号相等，表明该条数据放置请求到达目标位置，算法执行结束，由目标交换机对请求进行后续的处理。同时，Delaunay三角剖分构建的DT图的性质可以保证数据放置请求最终会被路由到其存储位置对应的交换机，而不是陷于局部最优解。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、搭建边缘网络：通过边缘网络搭建模块，生成固定数目的交换机，作为边缘节点，同时随机生成边缘节点之间的连接关系，保证每个节点与一定数目的其他交换机间通过物理链路相连；对于带宽采用基于泊松分布的原则，给每个交换机节点赋予一定量的带宽资源，保证网络中的节点带宽整体符合泊松分布；

S2、构建虚拟链路：利用Delaunay三角剖分算法构造位于SDN数据平面之上的虚拟覆盖层，形成Delaunay三角剖分图，即DT图；DT图中的节点与数据平面中的物理交换机一一对应，同时将数据放置请求通过DT图上的虚拟链路进行转发；

S3、下一跳节点选择策略：基于S2中所构建的虚拟链路，利用贪婪的思想，设计OBRED路由策略，根据OBRED路由策略对数据放置请求进行转发，选择最优的下一跳节点进行请求转发。

2.根据权利要求1所述的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，其特征在于，所述S2中所构建的虚拟覆盖层上的节点与S1中边缘网络上数据层面的交换机节点一一对应，每个所述交换机节点都有在网络中放置的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，其特征在于，所述S1中所搭建的边缘网络中的每一条数据放置请求都会携带该条数据的标识符d，通过哈希函数SHA-256计算得出该数据的存储位置，即目标位置；所述数据放置请求的转发目的节点为负责管理该数据存储位置的交换机，即距离数据存储位置最近的交换机。

4.根据权利要求1所述的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，其特征在于，所述S3中提到的下一条节点选择策略，具体包括以下内容：

A1、当边缘网络中某个交换机接收到由终端用户发来的或者相连交换机转发过来的数据放置请求时，搜索交换机维护的转发表来查找是否有流表项与之匹配；

A2、若交换机维护的转发表中存在有与数据放置请求相匹配的流表项，则按照流表里维护的下一跳节点进行转发；

A3、若交换机维护的转发表中不存在与数据放置请求相匹配的流表项，交换机则向SDN的控制器发送packet_in消息，表明交换机接收到了新的数据流，需要控制器执行OBRED路由策略计算该数据放置请求的下一跳节点。

5.根据权利要求1或4所述的一种边缘计算中带宽感知的高效数据放置方法，其特征在于，所述OBRED路由策略具体包括以下内容：

B1、计算当前节点距离数据存储位置的距离，即当前节点与目标位置之间的距离，记为D_u；

B2、遍历当前交换机节点相连的所有DT图中的邻居节点和物理节点，计算该邻居节点到目标位置之间的距离，记为D_temp；

B3、对D_u和D_temp进行比较，若D_temp＜D_u，表明该邻居距离目标位置比当前节点更近，保证请求不会被转发到远离目的地的位置，令dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，同时令time为这两个节点之间的路由延迟，进入B4；若D_temp＞D_u，则表明当前节点更近，可以作为下一跳节点；

B4、结合B3中dis和time信息，定义邻居节点的得分函数score，记录每一个邻居节点的得分，所述得分函数score的具体计算公式为：

score＝(1-λ)*dis+λ*time

式中，dis＝D_temp+当前节点与该邻居节点之间时延最短路的距离，表示该节点与目的位置间的欧氏距离与该节点和当前节点间最短距离的和，是请求通过该节点进行转发的预估转发路径长度；time表示该节点与当前节点间的最短时延；λ表示路由延迟的权重；(1-λ)表示转发距离的权重；

B5、控制器贪婪的选择score最低的邻居节点作为该条数据放置请求的下一跳节点，并存入当前交换机的转发表中；

B6、当请求被转发到目标交换机时，通过OBRED路由策略的算法搜寻到的下一跳节点的编号与当前节点的编号相等，表明该条数据放置请求到达目标位置，OBRED路由策略的算法执行结束，由目标交换机对请求进行后续的处理。

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