面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法技术

本发明专利技术提供了边缘计算领域的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，包括：接收用户的数据索引请求，通过控制平面收集交换机、端口、链路和主机信息获取网络拓扑和状态；确定由网络拓扑构成的虚拟空间中交换机的坐标以及数据索引的坐标；根据交换机的坐标构建交换机连接图；在交换机的转发表中插入包括交换机的坐标以及交换机连接图的转发条目；数据平面将数据索引的坐标进行贪婪转发，直到传输给在虚拟空间中与数据索引的坐标最接近的交换机坐标对应的交换机；交换机将用户的数据索引转发至索引边缘服务器，并将从索引边缘服务器中获取的响应结果返回至用户。本发明专利技术的共享机制路径长度更短，搜索数据索引的交换机中所需的转发表条目更少。

Implementation of Unstructured Data Sharing Mechanism for Edge Computing

【技术实现步骤摘要】
面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法
本专利技术属于边缘计算领域，具体涉及到一种面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法。
技术介绍
边缘计算(EdgeComputing)已被提议将计算和存储容量从远程云转移到靠近移动设备，传感器和最终用户的网络边缘。同时，它承诺大幅减少网络延迟和流量，解决实现5G通信的关键挑战。在边缘计算中，边缘服务器(也称为节点)可以为边缘用户执行计算卸载，数据存储，数据缓存和数据处理。但是，与云数据中心服务器不同，边缘服务器通常在地理上分布广泛，具有异构的计算和存储容量。在边缘计算中，当边缘用户发送数据请求时，首先将请求定向到最近的边缘服务器。如果边缘服务器缓存了数据，它将把数据返回给边缘用户，否则，它将从边缘用户的云中检索数据。但是，从云中检索数据会产生大量回程流量和长延迟。此外，从缓存所需数据的那些相邻边缘服务器检索数据可以有效地减少带宽消耗和请求响应的延迟。边缘计算有望大幅减少网络延迟和流量，其中许多边缘服务器位于Internet的边缘。此外，这些边缘服务器缓存数据以为边缘用户提供服务。边缘服务器之间的数据共享可以有效缩短检索数据的延迟并进一步减少网络带宽消耗。关键的挑战是构建一个有效的数据索引机制，使得无论数据如何被缓存在边缘网络中，都能被有效地检索。虽然这是必不可少的，但却仍然是个急需解决的问题。因此，迫切需要研究边缘服务器之间的数据共享。为了实现数据共享，关键的挑战是实现数据索引，该索引指示边缘计算环境中的数据的位置。然而，它仍然是一个开放待解决的问题，并且有效的数据索引机制是非常必要的。一些早期关于其他计算环境中的数据索引的工作分为三类。参见图2，图2(a)是完整索引，其中每个边缘节点维护边缘网络中所有数据的完整索引。在完整索引机制的顶部，每个边缘节点可以快速地知道边缘网络中是否存在数据项。然而，完全索引的缺点是维持完整索引的带宽成本太大。当边缘节点缓存新数据项时，它需要将数据位置发布到边缘网络中的所有边缘节点。图2(b)是集中索引，在这种情况下，专用索引服务器存储所有数据索引，并且每个边缘节点将数据请求转发到唯一索引服务器。也就是说，只有专用索引边缘服务器需要存储完整的DIT。但是，这种设计的一个明显缺陷是集中式索引服务器将成为性能瓶颈。此外，它还具有更差的容错和负载平衡。图2(c)最后一个是分布式哈希表(DHT)索引，已经在对等(P2P)网络中进行了广泛的研究，并且可以成为边缘计算中数据共享的候选解决方案。DHT索引是一种分布式索引机制，每个索引边缘服务器只存储部分DIT。然而，DHT索引机制使用多个覆盖跳来检索数据索引，其中每个覆盖跳是指两个边缘服务器之间的最短路径。更确切地说，对于任何查询，搜索过程通常涉及log(n)转发，其中n是边缘网络中的边缘节点的数量。也就是说，入口边缘服务器可以在到达最终索引边缘服务器之前将每个输入分组转发到一系列中间间接边缘服务器，如图2(c)所示。毫无疑问，较长的路径会增加查询处理延迟，服务器负载并消耗边缘网络中更多的内部链路容量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，以解决现有数据索引带宽大或者成本高的现有技术问题。本专利技术是基于坐标的索引(COIN)机制，它只需要一个覆盖跳来搜索数据索引，如图2(d)所示。此外，它实现了分布式数据索引的优点，并且在每个交换机上需要较少的转发条目来支持数据索引而不是DHT索引机制。本专利技术的COIN机制充分利用了软件定义网络(SDN)的优点，其中控制平面可以收集网络拓扑和状态，包括交换机，端口，链路，和主持人信息。当将SDN的原理应用于边缘计算时，该网络被称为软件定义边缘网络(SDEN)。在SDN中，网络管理在逻辑上集中在由一个或多个控制器组成的控制平面中，控制器生成交换机的转发表条目。交换机平面中的交换机仅根据从控制器派生的安装条目转发数据包。本专利技术提供了一种面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，包括以下步骤：S1：接收用户的数据索引请求，通过控制平面收集交换机、端口、链路和主机信息获取网络拓扑和状态；S2：确定由网络拓扑构成的虚拟空间中交换机的坐标以及数据索引的坐标；S3：根据交换机的坐标构建交换机连接图；S4：在交换机的转发表中插入包括交换机的坐标以及交换机连接图的转发条目；S5：数据平面将数据索引的坐标进行贪婪转发，直到传输给在虚拟空间中与数据索引的坐标最接近的交换机坐标对应的交换机；S6：交换机将用户的数据索引转发至索引边缘服务器，并将从索引边缘服务器中获取的响应结果返回至用户。优选地，确定交换机的坐标的方法是通过构建最短路径矩阵，采用MDS算法进行计算得到的。优选地，交换机的坐标的确定方法包括以下步骤：S201：计算平方距离矩阵S202：通过矩阵其中A为元素均为1的方阵，n为交换机的个数；S203：确定矩阵B的m个最大的奇异值，以及相应的奇异值向量；S204：计算交换机的坐标Qm是m个奇异值向量所构成的矩阵，是m个奇异值所组成的对角矩阵。优选地，交换机的坐标的确定方法是通过构建最短路径矩阵，确定数据索引的坐标的方法为采用哈希函数SHA-256算法进行确定。优选地，根据交换机的坐标构建的交换机连接图为采用随机增量算法构建Delaunay三角剖分图。优选地，贪婪转发的准则为将数据索引数据包所在的交换机将数据索引数据包转发至离数据索引的坐标最近的邻居交换机，包括物理邻居和DT邻居。优选地，交换机使用其物理邻居和DT邻居的坐标以及数据索引的坐标p＝H(d)来计算估计的距离：对于每个物理邻居v，交换机u计算估计距离Rv＝Dis(v，d)，d表示所要查询的数据索引在虚拟空间中的坐标位置，Rv是虚拟空间中从v到d的欧几里德距离；对于每个DT邻居交换机u通过计算从到d的估计距离；交换机u选择使的相邻交换机当如果v*是物理邻居，则将数据包直接发送到v*；如果v*是DT邻居，则将虚拟链路发送到v*；如果不满足则交换机u最接近数据索引的坐标，交换机u直接将数据索引转发到索引边缘服务器。优选地，交换机收到正在虚拟链路中转发的包时，按如下方式存储数据包：当交换机接收到要转发的数据索引d时，交换机u按以下列格式进行存储：d＝<d.des；d.src；d.relay；d.index>在本地的数据结构中，其中d.des是源交换机的DT邻居交换机，d.src是源交换机，d.relay是中继交换机，d.index是数据索引的有效负载，当d.relay≠null时，数据索引d正在虚拟链路上传输。优选地，交换机处理数据包的方式为：u＝d.des为真时，交换机u是DT相邻交换机，是虚拟链路的端点，交换机u将继续将数据索引d转发到其neigbor，neigbor是最接近虚拟空间中的数据索引的坐标；当u＝d.succ时，交换机u首先从转发表中找到元组t，其中t.des＝d.des，根据匹配的元组t，切换交换机u修改d.relay＝t.succ，其中，d.succ为转发路径中的后继交换机，t.des为转发表中一条流表项中的一个属性，为所要转发到的目的交换机的标识；交换机u将数据索引发送到d.relay。本专利技术的有益效果包括：本专利技术为边缘计算环境中的非结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：接收用户的数据索引请求，通过控制平面收集交换机、端口、链路和主机信息获取网络拓扑和状态；S2：确定由所述网络拓扑构成的虚拟空间中所述交换机的坐标以及数据索引的坐标；S3：根据所述交换机的坐标构建交换机连接图；S4：在所述交换机的转发表中插入包括所述交换机的坐标以及所述交换机连接图的转发条目；S5：数据平面将所述数据索引的坐标进行贪婪转发，直到传输给在所述虚拟空间中与所述数据索引的坐标最接近的所述交换机坐标对应的所述交换机；S6：所述交换机将用户的数据索引转发至索引边缘服务器，并将从索引边缘服务器中获取的响应结果返回至用户。

【技术特征摘要】
1.面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：接收用户的数据索引请求，通过控制平面收集交换机、端口、链路和主机信息获取网络拓扑和状态；S2：确定由所述网络拓扑构成的虚拟空间中所述交换机的坐标以及数据索引的坐标；S3：根据所述交换机的坐标构建交换机连接图；S4：在所述交换机的转发表中插入包括所述交换机的坐标以及所述交换机连接图的转发条目；S5：数据平面将所述数据索引的坐标进行贪婪转发，直到传输给在所述虚拟空间中与所述数据索引的坐标最接近的所述交换机坐标对应的所述交换机；S6：所述交换机将用户的数据索引转发至索引边缘服务器，并将从索引边缘服务器中获取的响应结果返回至用户。2.根据权利要求1所述的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，确定所述交换机的坐标的方法是通过构建最短路径矩阵，采用MDS算法进行计算得到的。3.根据权利要求2所述的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，所述交换机的坐标的确定方法包括以下步骤：S201：计算平方距离矩阵S202：通过矩阵其中A为元素均为1的方阵，n为交换机的个数；S203：确定矩阵B的m个最大的奇异值，以及相应的奇异值向量；S204：计算交换机的坐标Qm是m个奇异值向量所构成的矩阵，是m个奇异值所组成的对角矩阵。4.根据权利要求1所述的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，所述交换机的坐标的确定方法是通过构建最短路径矩阵，确定所述数据索引的坐标的方法为采用哈希函数SHA-256算法进行确定。5.根据权利要求1所述的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，根据所述交换机的坐标构建的交换机连接图为采用随机增量算法构建Delaunay三角剖分图。6.根据权利要求1所述的面向边缘计算的非结构化数据共享机制实现方法，其特征在于，所述贪婪转发的准则为将数据索引数据包所在的所述交换机将所述数据索引数据包转发至离所述数据索引的坐标最近的邻居交...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭得科，谢俊杰，郭杨，任棒棒，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43