一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其方法包括：获取待负载均衡的区块链部署在边缘计算系统的各个边缘节点的网络拓扑和共识机制，确定并计算所述待负载均衡的区块链运行所需的计算资源、通信资源；利用有向无环图将每个任务分解，通过所述共识机制确定分解后的任务的一致性验证信息；根据当前计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件；根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源。本发明专利技术利用有向无环图将区块链任务进行分解，再通过启发式算法将分解后的任务均衡分配到每个边缘节点中，并发性和实时性强，提高了边缘计算系统的吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法与系统
本专利技术属于区块链与边缘计算领域，具体涉及一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法与系统。
技术介绍
区块链是一种数字分布式账本，以分布式、不可篡改和可信的方式保证所记录交易的完整性、不可反驳和不可抵赖性。区块是一种只可写入和添加的数据集（数据库），其包含交易及其他记录的确认、合约、存储、复制、安全等信息。区块链主要包含分布式账本、共识机制、密码学、智能合约等如下关键技术：a）分布式账本。区块链是一种分布式账本架构没有中心化节点，所有节点都保存全部且相同的区块账本信息。通常分布式账本数据的更新需要网络中的节点对更新进行投票并达成协议，以确保大多数节点的账本数据是一致的。分布式账本记录传输类似于网络成员之间的数据交换过程。在不需要第三方执行交易的分布式环境中，网络参与者可以通过协商致机制达成协议。b）共识机制。在区块链网络中采用共识协议或机制的方法来确保去中心化的网络中各节点上账本的一致性，常见的共识机制包括工作量证明算法PoW）、股权证明算法（PaS）、授权股权证明算法（DPoS）、实用拜占庭容错算法（PBFT）等。边缘计算是一种在靠近数据源侧，提供集成网络、计算、存储和应用等核心功能的综合性平台，能够满足实时业务、智能应用、敏捷连接、数据优化和安全保护等行业数字化需求的计算模式。边缘计算能够有效分解集中的云服务，将大型云端计算任务拆分为多个小型、易处理的任务，交由多个边缘节点进行分布式处理。
技术实现思路
为解决区块链的负载均衡问题，在本专利技术的第一方面提供了一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，包括如下步骤：获取待负载均衡的区块链部署在边缘计算系统的各个边缘节点的网络拓扑和共识机制，确定并计算所述待负载均衡的区块链运行所需的计算资源、通信资源；将待负载均衡的区块链的一个或多个任务请求划分为若干个任务，利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务，通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息；响应于区块链的一个或多个任务请求，根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件；根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源，并将所述区块链的一个或多个任务请求均衡地卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点中。在一些实施例中，所述利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务包括如下步骤：根据每个任务的QoS和有向无环图将其分解成一个或多个异步事务；所述异步事务包括独立异步事务和非独立异步事务；根据处理时延和传输时延对属于同一个任务的全部独立异步事务和/或非独立异步事务进行拓扑排序，得到每个任务的多张候选有向无环图；从所述多张候选有向无环图中选取处理时延和传输时延之和最小的候选有向无环图，并利用其将每个任务分解成一个或多个异步事务。在另一些实施例中，所述通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息包括如下步骤：根据蒙特卡洛一致性协议对一个或多个异步事务的一致性进行验证：确定每个异步事务的消息传递过程并计算合法状态转换通过的概率。在又一些实施例中，所述根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件包括如下步骤：设R={r1,r2,…，rn},其中R表示边缘计算系统所包含的n个边缘节点集合；根据每个边缘节点ri当前的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定约束指标集合Q和最小约束指标集合Qmin；根据每个边缘节点ri所在的多张候选有向无环图确定其前驱节点集合predi和后继节点集合succi;所述边缘计算系统的约束条件表示为：其中：f_sum表示异步事务总数，f_sum(i)表示的第i个边缘节点的异步事务总数，M表示所有边缘节点处理的异步事务总数，wi表示第i个边缘节点的优先级权重；minimize(T)表示边缘计算系统的完成所有任务的总时间，max(Ti)表示每个节点完成任务的任务时间；Ti为第i个节点完成所有调度异步事务时间；ti为每个节点ri的最早异步事务的计算时间，T为每个节点ri的最终异步事务的计算时间，T(i)1为前驱节点传输给一个任务节点ri所需通信时间，T(i)2为ri完成一个异步事务所需时间；为每个节点ri的前驱节点传输给节点ri的异步事务数总和；为每个节点ri的后继节点计算的异步事务数总和。进一步的，所述根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源，并将所述区块链的一个或多个任务请求均衡地卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点中包括如下步骤：当边缘系统的吞吐量低于等于第一阈值时，将边缘系统的一个或多个根节点为顶点，通过A星搜索算法搜索处理时延最低的边缘节点，并将一个或多个任务请求卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点；当边缘系统的吞吐量高于第一阈值且小于等于第二阈值时，将边缘系统的一个或多个根节点为顶点，通过A星搜索节点搜索传播时延最低的边缘节点，并将一个或多个任务请求卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点；当边缘系统的吞吐量高于第二阈值时，将边缘系统中的每个节点视为粒子，边缘计算系统的约束条件作为解空间，通过粒子群算法并将一个或多个任务请求卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点。更进一步的，所述粒子群算法通过如下方法进行速度和位置更新：，其中，t为当前迭代次数，为第i个粒子的第t+1代的速度，表示第i个粒子的第t+1代的位置，表示第i个粒子的第t代的位置，r1、r2为[0,1]之间的随机数；Pb为个体历史最优位置，Gb为种群历史最优位置，c1、c2为学习因子，ω为惯性权重；表示第i个粒子在第t代种群的适应度值；表示第t代种群历史最优粒子的适应度值；、分别表示第t代所有粒子的适应度最劣值与最优值；表示了粒子i在第t代的进化能力；表示种群在第t代的进化能力；表示粒子i在t+1代的进化率，、和分别表示第t+1代的惯性权重、起始惯性权重和最终惯性权重。本专利技术的第二方面，提供了一种基于区块链与边缘计算的负载均衡系统，包括获取模块、划分模块、确定模块、调度模块，所述获取模块，用于获取待负载均衡的区块链部署在边缘计算系统的各个边缘节点的网络拓扑和共识机制，确定并计算所述待负载均衡的区块链运行所需的计算资源、通信资源；所述划分模块，用于将待负载均衡的区块链的一个或多个任务请求划分为若干个任务，利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务，通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息；所述确定模块，用于响应于区块链的一个或多个任务请求，根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件；所述调度模块，用于根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：/n获取待负载均衡的区块链部署在边缘计算系统的各个边缘节点的网络拓扑和共识机制，确定并计算所述待负载均衡的区块链运行所需的计算资源、通信资源；/n将待负载均衡的区块链的一个或多个任务请求划分为若干个任务，利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务，通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息；/n响应于区块链的一个或多个任务请求，根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件；/n根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源，并将所述区块链的一个或多个任务请求均衡地卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点中。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待负载均衡的区块链部署在边缘计算系统的各个边缘节点的网络拓扑和共识机制，确定并计算所述待负载均衡的区块链运行所需的计算资源、通信资源；
将待负载均衡的区块链的一个或多个任务请求划分为若干个任务，利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务，通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息；
响应于区块链的一个或多个任务请求，根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件；
根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源，并将所述区块链的一个或多个任务请求均衡地卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点中。


2.根据权利要求1所述的基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，所述利用有向无环图将每个任务分解成一个或多个异步事务包括如下步骤：
根据每个任务的QoS和有向无环图将其分解成一个或多个异步事务；所述异步事务包括独立异步事务和非独立异步事务；
根据处理时延和传输时延对属于同一个任务的全部独立异步事务和/或非独立异步事务进行拓扑排序，得到每个任务的多张候选有向无环图；
从所述多张候选有向无环图中选取处理时延和传输时延之和最小的候选有向无环图，并利用其将每个任务分解成一个或多个异步事务。


3.根据权利要求1所述的基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，所述通过所述共识机制确定分解后的每个异步事务的一致性验证信息包括如下步骤：
根据蒙特卡洛一致性协议对一个或多个异步事务的一致性进行验证：
确定每个异步事务的消息传递过程并计算合法状态转换通过的概率。


4.根据权利要求1所述的基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，所述根据当前每个边缘节点的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定边缘计算系统的约束条件包括如下步骤：
设R={r1,r2,…，rn},其中R表示边缘计算系统所包含的n个边缘节点集合；
根据每个边缘节点ri当前的计算资源信息、通信资源信息和一致性验证信息确定约束指标集合Q和最小约束指标集合Qmin；
根据每个边缘节点ri所在的多张候选有向无环图确定其前驱节点集合predi和后继节点集合succi;
所述边缘计算系统的约束条件表示为：



其中：f_sum表示异步事务总数，f_sum(i)表示的第i个边缘节点的异步事务总数，M表
示所有边缘节点处理的异步事务总数，wi表示第i个边缘节点的优先级权重；minimize(T)
表示边缘计算系统的完成所有任务的总时间，max(Ti)表示每个节点完成任务的任务时间；Ti为第i个节点完成所有调度异步事务时间；ti为每个节点ri的最早异步事务的计算时间，T为每个节点ri的最终异步事务的计算时间，T(i)1为前驱节点传输给一个任务节点ri所需
通信时间，T(i)2为ri完成一个异步事务所需时间；为每个节点ri的前驱
节点传输给节点ri的异步事务数总和；为每个节点ri的后继节点计算的异步事务数
总和。


5.根据权利要求4所述的基于区块链与边缘计算的负载均衡方法，其特征在于，所述根据所述边缘计算系统的约束条件，利用启发式算法动态调度边缘计算系统的计算资源和通信资源，并将所述区块链的一个或多个任务请求均衡地卸载到边缘计算系统的一个或多个边缘节点中包括如下步骤：
当边缘系统的吞...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永胜，魏立佳，李哲宇，李永泉，
申请(专利权)人：武汉研众科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42