一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法技术

本发明专利技术公开了一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法，针对某一台拥塞服务器的突发任务，通过负载任务疏散和负载任务调度的策略同时执行，以达到任务突发负载疏散的优化过程。本发明专利技术方法可以弥补现有通信协议的不足，在不改变网络架构的基础上，使得边缘网络环境具备疏散任务和调度任务计算的能力。而且，本发明专利技术结合了边缘计算经典的网络结构即边缘服务器和云服务器两者各自的作用，进行任务计算的高效调度，使得突发的用户任务能够在较短的时间内完成，从而也保障了整个系统的服务质量。

【技术实现步骤摘要】
一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法
本专利技术属于边缘计算网络负载调度
，具体涉及一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法。
技术介绍
在5G的普及下，借助于边缘计算，大量的智能设备在用户端就直接进行任务的卸载处理，边缘计算是为应用者和服务提供商在靠近用户边缘侧提供云服务器和各种网络应用环境的技术，其目标是在靠近用户数据产生的物理位置侧就提供给用户计算，存储和网络宽带的服务。边缘计算将算力了从远端的云服务器下放到了用户边缘侧，这种方式有效地增强了用户侧设备的处理任务的能力，缓解了由于用户侧设备的计算资源有限的瓶颈，并且因此诞生出许多独特的边缘卸载特点的应用场景。但是，通过边缘计算系统与远端云服务器系统一调度管理，一旦边缘网络中的某一台服务器出现任务拥塞现象，而不能及时处理这些任务时，将任务高效地迁移到别的空闲服务器上去执行，并且保证用户的QoS响应等需求变得越来越迫切和重要。边缘系统和远端服务器系统同事调度具有独特的系统特点，当前针对任务卸载和任务迁移已经提出了很多方法，但是很少考虑到边缘网络本身的特殊拓扑结构。当任务从一台服务器迁移到别的服务器上的同时，网络中的任务在不间断的执行着，两者同时进行，大多数算法考虑了静态的疏散，而没有考虑到任务的动态的疏散和执行。公开号为CN110536358A的中国专利提出了一种面向无依赖子任务的边缘计算负载均衡方法，在保证了能耗均衡的同时，使得用户产生的任务都能最优被执行，即选择本地计算或者卸载到边缘服务器上计算，但是这种方案没有考虑到边缘计算中的路径选择和远端服务器的协同处理。公开号为CN111597025A的中国专利提出了一种边缘计算调度算法及系统，其考虑了用队列来缓存用户的任务，并且用到了任务的优先级来调度任务的在不同边缘服务器上最优选择从而实现任务的执行目的；这种方法虽然实现了任务在不同的边缘服务器间的调度，但是局限于任务的优先级调度，从而忽略了任务在边缘服务器间迁移传输的开销以及远端云服务器的协助执行的调度，一旦发生了任务的拥塞或者用户流量的突发，任务在边缘服务器网络间的传输和云服务器间的调度将变得尤为重要。一方面，在传统的5G通信的架构下已经有许多研究表明，无线网络环境中比如(C-RAN)为基础设施架构的环境存在着一个具有挑战性的问题，即突发网络流量负载的疏散和迁移的问题。边缘计算网络往往都是构建在这种通信架构的基础上的，边缘计算必然要面个挑战，但是在现有的边缘服务器网络架构中，服务器之间的流量往往是通过http、mqtt、amqp等协议实现任务的通信，而这些协议没有提出有效的方法去解决突发流量的疏散与任务计算的调度。另一方面，随着IoT与各种移动设备的兴起，可以预计到边缘网络环境下，接入网络的设备数量越来越多，各种多样的应用服务随之产生，这也使得在边缘计算面临突发负载的重要挑战。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法，针对某一台拥塞服务器的突发任务，通过负载任务疏散和负载任务调度的策略同时执行，以达到任务突发负载疏散的优化过程。一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法，包括如下步骤：(1)检测边缘服务网络中存在任务过载的边缘服务器，对于任一过载的边缘服务器，确定该服务器需要疏散的任务；(2)监测并记录边缘服务网络的链路和路由状态以及各边缘服务器的有效资源状况；(3)枚举边缘服务网络中过载服务器到其他边缘服务器之间的所有无环疏散路径组成疏散路径集合，其中每一条疏散路径即对应了一组链路集合；进而按单个任务在疏散路径上的传输时间进行升序排列，并记录集合中各疏散路径的序号；(4)以疏散完成时间最短为目标，为待疏散的任务分配疏散路径；(5)以边缘服务器与云服务器分布式并行协同处理的方式对边缘服务器本地任务执行时序进行在线调度。进一步地，对于边缘服务网络中的任一条链路lk，其任务传输的并发量上限若待疏散的第i个任务在t时刻占用了链路lk，则否则N为待疏散的任务数量。进一步地，所述疏散完成时间的起始时刻为过载服务器做出疏散决策的时刻，终止时刻为最后一个任务完成疏散的时刻。进一步地，所述步骤(4)的具体实现过程如下：首先，初始化m个解，每个解包含了N条疏散路径即表示从疏散路径集合中为每一个待疏散任务随机分配一条疏散路径，同时计算每个解所对应的疏散完成时间，m为自定义的初始化种群规模；然后，从初始化m个解中取疏散完成时间最小的解记作xt，其对应的疏散完成时间为yt，xt为一组N维向量且向量中的每一元素值对应为各待疏散任务所分配的疏散路径序号；最后，自定义一个大小为W的窗口，利用该窗口对xt进行循环扫描，记录每一窗口扫描所得到的局部最优解，比较所有的局部最优解，取疏散完成时间最小的局部最优解作为全局最优解并依此为待疏散的任务分配疏散路径。进一步地，利用窗口对xt进行循环扫描的具体过程如下：4.1首先定义任务序号集合I＝{1,2…,N}，并将I赋予集合Iv，同时建立两个空集If和Vt，设定参数γ以及阈值α∈0～1，然后从xt的第一个元素值开始利用窗口截取W个元素值；4.2对于窗口中任一元素值p，任取0～1之间的随机数λ，比较λ是否小于α：若是，则更新该元素值同时将集合Iv中该元素值对应的任务序号转移至集合If中；若否，则从1～L中任取一个序号赋予更新该元素值L为疏散路径集合中路径数量；完成上述操作后即xt得到了更新，其对应更新后的解记作则对应的疏散完成时间记作若则保持当前集合Iv和If不变，否则从集合I中随机任取相应数量的任务序号替换掉集合If中的所有任务序号，集合I中剩余的任务序号组成新的Iv；4.3根据集合If中的任务序号，从中找到这些任务序号所对应的元素值固定保持不变，对于其他元素值则从1～L中随机抽取并重复执行m次，从而得到m个新的解并纳入集合Vt中；将xt、与Vt并集，取其中疏散完成时间最小的解作为局部最优解并保存，从而完成一次窗口扫描，进而平移窗口并返回执行步骤4.2。进一步地，所述步骤(5)的具体实现方式如下：对于任一本地任务，边缘服务器会对其先进行预处理，然后将转交由云服务器进行协助处理，最后再返回给边缘服务器完成最终处理；对于任一边缘服务器，其先执行完前n个本地任务的预处理工作后停止，直至云服务器完成所有边缘服务器交由其协助处理的n1个任务后，边缘服务器才会继续执行完成n2个任务的最终处理工作，n、n1、n2均为预设定的自然数且n＞n1＞n2，所述的n1个任务为n个本地任务中的前n1个任务，所述的n2个任务为n1个任务中的前n2个任务；定义四类时间节点：T1为边缘服务器执行完一个本地任务预处理工作的时刻，T2为边缘服务器执行完一个本地任务最终处理工作的时刻，T3为云服务器处理网络中第1号边缘服务器每个任务的开始时刻，T4为云服务器处理其他边缘服务器每个任务的结束时刻；当T3触发，边缘服务器可从缓存中开始执行新本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法，包括如下步骤：/n(1)检测边缘服务网络中存在任务过载的边缘服务器，对于任一过载的边缘服务器，确定该服务器需要疏散的任务；/n(2)监测并记录边缘服务网络的链路和路由状态以及各边缘服务器的有效资源状况；/n(3)枚举边缘服务网络中过载服务器到其他边缘服务器之间的所有无环疏散路径组成疏散路径集合，其中每一条疏散路径即对应了一组链路集合；进而按单个任务在疏散路径上的传输时间进行升序排列，并记录集合中各疏散路径的序号；/n(4)以疏散完成时间最短为目标，为待疏散的任务分配疏散路径；/n(5)以边缘服务器与云服务器分布式并行协同处理的方式对边缘服务器本地任务执行时序进行在线调度。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向边缘服务网络的突发任务卸载与调度方法，包括如下步骤：
(1)检测边缘服务网络中存在任务过载的边缘服务器，对于任一过载的边缘服务器，确定该服务器需要疏散的任务；
(2)监测并记录边缘服务网络的链路和路由状态以及各边缘服务器的有效资源状况；
(3)枚举边缘服务网络中过载服务器到其他边缘服务器之间的所有无环疏散路径组成疏散路径集合，其中每一条疏散路径即对应了一组链路集合；进而按单个任务在疏散路径上的传输时间进行升序排列，并记录集合中各疏散路径的序号；
(4)以疏散完成时间最短为目标，为待疏散的任务分配疏散路径；
(5)以边缘服务器与云服务器分布式并行协同处理的方式对边缘服务器本地任务执行时序进行在线调度。


2.根据权利要求1所述的突发任务卸载与调度方法，其特征在于：对于边缘服务网络中的任一条链路lk，其任务传输的并发量上限若待疏散的第i个任务在t时刻占用了链路lk，则否则N为待疏散的任务数量。


3.根据权利要求1所述的突发任务卸载与调度方法，其特征在于：所述疏散完成时间的起始时刻为过载服务器做出疏散决策的时刻，终止时刻为最后一个任务完成疏散的时刻。


4.根据权利要求1所述的突发任务卸载与调度方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现过程如下：
首先，初始化m个解，每个解包含了N条疏散路径即表示从疏散路径集合中为每一个待疏散任务随机分配一条疏散路径，同时计算每个解所对应的疏散完成时间，m为自定义的初始化种群规模；
然后，从初始化m个解中取疏散完成时间最小的解记作xt，其对应的疏散完成时间为yt，xt为一组N维向量且向量中的每一元素值对应为各待疏散任务所分配的疏散路径序号；
最后，自定义一个大小为W的窗口，利用该窗口对xt进行循环扫描，记录每一窗口扫描所得到的局部最优解，比较所有的局部最优解，取疏散完成时间最小的局部最优解作为全局最优解并依此为待疏散的任务分配疏散路径。


5.根据权利要求4所述的突发任务卸载与调度方法，其特征在于：利用窗口对xt进行循环扫描的具体过程如下：
4.1首先定义任务序号集合I＝{1,2…,N}，并将I赋予集合Iv，同时建立两个空集If和Vt，设定参数γ以及阈值α∈0～1，然后从xt的第一个元素值开始利用窗口截取W个元素值；
4.2对于窗口中任一元素值p，任取0～1之间的随机数λ，比较λ是否小于α：若是，则更新该元素值同时将集合Iv中该元素值对应的任务序号转移至集合If中；若否，则从1～L中任取一个序号赋予更新该元素值L为疏散路径集合中路径数量；
完成上述操作后即xt得到了更新，其对应更新后的解记作则对应的疏散完成时间记作若则保持当前集合Iv和If不变，否则从集合I中随机任取相应数量的任务序号替换掉集合If中的所有任务序号，集合I中剩余的任务序号组成新的Iv；
4.3根据集合If中的任务序号，从中找到这些任务序号所对应的元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓水光，张城，杨斌，尹建伟，
申请(专利权)人：浙江大学，杭州筑家易网络科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33