一种面向边缘智能网关的资源分配方法及设备组成比例

本发明专利技术公开了一种面向边缘智能网关的资源分配方法及设备。本发明专利技术的资源分配方法包括：建立系统模型，包括资源分配模型和可用性分析模型；根据系统模型，使用集中式解决方案将资源分配问题转换为优化问题；使用分布式解决方案对优化问题进行计算并输出分配方案。本发明专利技术将边缘计算、容器技术和微服务架构相结合，通过对业务功能APP获取资源方式的灵活管控，保证部署于智能网关的各项APP的长期稳定运行，同时达到提高资源利用率以及降低网络时延的效果。延的效果。延的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种面向边缘智能网关的资源分配方法及设备


[0001]本专利技术涉及边缘计算、容器技术和微服务架构，具体涉及一种面向边缘智能网关的资源分配方法及设备。

技术介绍

[0002]边缘计算是指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。在万物互联的趋势下，边缘数据迎来了爆发性增长，这既是挑战也是机遇。边缘计算的明显优势包括：1)边缘计算可以实时或更快的进行数据处理和分析，让数据处理更靠近源，而不是外部数据中心或者云，可以缩短延迟时间。2)在成本预算上可以大大减轻经费预算。企业在本地设备上的数据管理解决方案所花费的成本大大低于云和数据中心网络；3)减少网络流量。随着物联网设备数量的增加，数据生成继续以创纪录的速度增长。结果，网络带宽变得更加有限，压倒了云，导致更大的数据瓶颈；4)提高应用程序效率。通过降低延迟级别，应用程序可以更高效、更快速地运行；5)个性化：通过边缘计算，可以持续学习，根据个人的需求调整模型，带来个性化互动体验；6)安全和隐私保护。网络边缘数据涉及个人隐私，传统的云计算模式需要将这些隐私数据上传至云计算中心，这将增加泄露用户隐私数据的风险。在边缘计算中，身份认证协议的研究应借鉴现有方案的优势之处，同时结合边缘计算中分布式、移动性等特点，加强统一认证、跨域认证和切换认证技术的研究，以保障用户在不同信任域和异构网络环境下的数据和隐私安全。
[0003]容器技术是一种计算机科学中的操作系统虚拟化技术，相比于传统的操作系统，容器允许在资源隔离的过程中，运行应用程序及其依赖项。作为轻量的操作系统级别的虚拟化技术，可以将运行应用程序所需的所有必要组建打包为单个镜像，该镜像可以重复使用，且不会影响到容器外的任何进程。Docker作为新一代容器技术的代表，以提供标准化的运行时环境为目标，主要优点包括：1)轻量，在一台机器上运行的多个Docker容器可以共享这台机器的操作系统内核；它们能够迅速启动，只需占用很少的计算和内存资源。镜像是通过文件系统层进行构造的，并共享一些公共文件。这样就能尽量降低磁盘用量，并能更快地下载镜像；2)标准，Docker容器基于开放式标准，能够在所有主流Linux版本、Microsoft Windows以及包括VM、裸机服务器和云在内的任何基础设施上运行；3)安全，Docker赋予应用的隔离性不仅限于彼此隔离，还独立于底层的基础设施。Docker默认提供最强的隔离，因此应用出现问题，也只是单个容器的问题，而不会波及到整台机器。
[0004]微服务架构是将单个应用程序开发为一组小型服务的方法，每个应用程序运行在自己的进程中，并通过轻量级的通讯机制进行通信，通常是基于HTTP资源的API。这些服务是围绕业务功能构建的，并可以通过全自动部署机制独立部署。这些服务应该尽可能少的采用集中式管理，并根据所需，使用不同的编程语言和数据存储。微服务技术具有异构更容易，新技术应用更自由，架构与组织架构相互促进相互优化，更好的建设和锻炼团队，扩展
容易，部署简单(更新和回滚)，高重用性，高弹性，替换陈旧组件更容易等优点。
[0005]近年来，部分网省公司开展了变电站二次设备远程运维和状态监测方面的探索和实践工作，一定程度上实现了变电站自动化设备的远程运维，但仍然存在着一些问题，包括自动化设备运维信息采集不充分，定制化系统开发导致的难以扩展业务功能以及数据站应用水平不足智能化程度不高。因此有必要开展变电站自动化设备调试运维新技术的研究，在运维检修的管理及业务中引入边缘计算、虚拟化等互联网新技术，构建应用便捷扩展、功能灵活部署、平台开放共享的变电站自动化设备运维检修系统，实现自动化设备异构运维信息的充分采集及边缘就地处理，解决故障难以精准定位、业务功能扩展不灵活、智能化程度不高等问题，创新自动化设备运维业务云边协同新模式，满足变电站无人值守、调试运维效率提升的需求，强化变电站自动化设备可观测、可分析、可控制的能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于综合运用边缘计算、容器和微服务三种技术，提供一种面向边缘智能网关的资源分配方法，通过对业务功能App获取资源方式的灵活管控，保证部署于智能网关的各项APP的长期稳定运行，同时达到提高资源利用率以及降低网络时延的效果。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术第一方面提供了一种面向边缘智能网关的资源分配方法，其包括步骤：
[0008]S1、建立系统模型，所述的系统模型包括资源分配模型和可用性分析模型；
[0009]S2、根据系统模型，使用集中式解决方案将资源分配问题转换为优化问题；
[0010]S3、使用分布式解决方案对优化问题进行计算并输出分配方案。
[0011]进一步地，所述步骤S1包括：
[0012]S11、建立资源分配模型：设网关拥有的EN集合和APP集合分别为MS和NS，EN集合的数量和APP集合的数量分别为M和N，每个EN
j
拥有c
j
个计算单元；令x
i,j
代表EN
j
分配给APP
i
的计算单元，分配给APP
i
的资源分配向量为x
i
＝(x
i,1
,x
i,2
,x
i,3
,
…
,x
i,M
)；令p
j
代表EN
j
的价格，对于整个系统而言，定义EN价格向量p＝(p1,p2,
…
,p
j
,
…
,p
M
)；令U
i
(x
i
,p)代表为APP
i
的可用性函数，由其所占用的资源分配向量x
i
和价格向量p决定；
[0013]网关所拥有的N个APP受到的每个EN所拥有计算资源的限制可以表达为以下约束：
[0014]S12、建立可用性分析模型：将APP
i
能够从已获取的资源处产生的收益表示为u
i
(x
i
)，在后续的模型中，该数值作为输入项，计算出具体的资源分配方案；将APP
i
能从EN
j
的一个计算单元中获取收益定义为a
i,j
，推出：
[0015][0016]在实际生产环境中，用户每次发出请求和收到回复的时间包括三部分：用户和边缘智能网关之间的往返时延边缘智能网关和边缘计算节点EN之间的往返网络时延以及在EN的处理时延在绝大多数情况下都非常小，对其忽略不计；将APP
i
所能容忍的最大时延定义为得：
[0017][0018]基于M/G/1排队模型对EN的处理时延进行分析，假设工作负载都被均匀地分配到各计算单元上，EN
j<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向边缘智能网关的资源分配方法，其特征在于，包括步骤：S1、建立系统模型，所述的系统模型包括资源分配模型和可用性分析模型；S2、根据系统模型，使用集中式解决方案将资源分配问题转换为优化问题；S3、使用分布式解决方案对优化问题进行计算并输出分配方案。2.根据权利要求1所述的一种面向边缘智能网关的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、建立资源分配模型：设网关拥有的EN集合和APP集合分别为MS和NS，EN集合的数量和APP集合的数量分别为M和N，每个EN
j
拥有c
j
个计算单元；令x
i，j
代表EN
j
分配给APP
i
的计算单元，分配给APP
i
的资源分配向量为x
i
＝(x
i，1
，x
i，2
，x
i，3
，...，x
i，M
)；令p
j
代表EN
j
的价格，对于整个系统而言，定义EN价格向量p＝(p1，p2，...，p
j
，...，p
M
)；令U
i
(x
i
，p)代表为APPi的可用性函数，由其所占用的资源分配向量x
i
和价格向量p决定；网关所拥有的N个APP受到的每个EN所拥有计算资源的限制可以表达为以下约束：S12、建立可用性分析模型：将APP
i
能够从已获取的资源处产生的收益表示为u
i
(x
i
)，在后续的模型中，该数值作为输入项，计算出具体的资源分配方案；将APP
i
能从EN
j
的一个计算单元中获取收益定义为a
i，j
，推出：在实际生产环境中，用户每次发出请求和收到回复的时间包括三部分：用户和边缘智能网关之间的往返时延边缘智能网关和边缘计算节点EN之间的往返网络时延以及在EN的处理时延在绝大多数情况下都非常小，对其忽略不计；将APP
i
所能容忍的最大时延定义为得：基于M/G/1排队模型对EN的处理时延进行分析，假设工作负载都被均匀地分配到各计算单元上，EN
j
为APP
i
服务时的处理时延通过以下公式进行计算：上式中，μ
i，j
代表EN
j
中单个计算单元为处理APP
i
的占用比例，λ
i，j
表示APP
i
向EN
j
发出请求的速率，为保证队列的稳定性，需要保证根据约束条件所得到的结果：上式中，r
i
表示每次成功响应APP
i
的收益，通过设定并确认资源分配方案计算出x
i，j
、μ
i，j
和对应值后，即可通过上式计算出每个APP
i
从已获取计算资源处所实现的可用
性。3.根据权利要求2所述的一种面向边缘智能网关的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S11中，对于网关中使用Docker部署的所有APP而言，它们所需要达到的目标是在预算限制条件下，最大化其可用性，整体而言，必须满足以下两个条件：1)根据平衡后的价格向量1)根据平衡后的价格向量是APP
i
的最佳资源配置：B
i
定义为提供给APP
i
消费的最大资源限制；2)所有的资源均被完全利用：4.根据权利要求2所述的一种面向边缘智能网关的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2的具体内容如下：将系统模型中的u
i
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈奕菲，罗华峰，阮黎翔，王松，李心宇，张胜，陆熠晨，方芳，孙文文，陈明，曹文斌，钱政旭，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司南京大学，
类型：发明
国别省市：