一种SDN-FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法技术

本发明专利技术公开了一种SDN

【技术实现步骤摘要】
一种SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法


[0001]本专利技术涉及工业物联网
，尤其涉及一种SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法。

技术介绍

[0002]近年来，工业4.0被认为是新一代工业革命的重要推动力，工业物联网(IIoT)已经引起了广泛关注，它可以满足各种实际工厂应用场景，如远程适配和配置、智能操作和维护、设备协同控制等。IIoT将物理实体与基于互联网技术标准的计算能力连接起来，通过工业数据建模、管理和分析，以信息和数据技术推动生产。IIoT一般有严格的服务质量(QoS)要求，比如非常短的响应时间要求、负载平衡问题、能耗问题和可靠性问题。考虑到云计算服务器通常远离现场设备，存在的延迟可能会使足够短响应时间的过程复杂化，为了支持具有严格响应时间要求的应用程序，雾计算范式正在兴起。雾计算将计算资源部署到更接近最终用户的地方，边缘的雾计算可以在本地快速计算和分析数据，并将相关的按需处理数据流从事件地理位置传传输到核心平台，提高整体网络效率。为了提高对边缘雾计算设备的管理效率，可以引入软件定义网络(SDN)技术，这是一种允许通过SDN控制器对网络进行编程的范式，允许进行可编程的路由优化，当有新设备添加到基础设施中时，这种延迟优化可扩展且灵活。此外，SDN架构还允许网络控制器监控网络和计算设备，从基础设施收集性能信息。在工业物联网的雾基础设施中使用多个协调的SDN控制器，可以提高整体基础设施的QoS。当在工厂中部署了基于SDN的雾基础设施后，可以通过利用IIoT将其转换为信息物理智能工厂，工厂环境的数字化有助于实现新的自动化范式，实现更加灵活和安全的运转。
[0003]在SDN
‑
FOG环境下，工厂的运营可以由微服务体系结构来实现，这是一种很有前途的架构，它将单个软件分解为一组松散耦合的容器化微服务，支持分布式部署，并将它们关联到多个微服务链以服务于请求，这样可以显著缩短更改系统和将更改应用到生产环境中的时间，降低开发和维护成本，并提高了灵活性。目前，在SDN
‑
FOG环境下与微服务开发、部署、扩展和维护相关的优化问题主要有三大类：一是分散计算分布问题，主要研究在雾计算环境中，微服务使用哪个节点以及节点应该承载应用程序的哪个部分。该类问题一般以平均响应时间为优化目标，假定网络是一个提供特定延迟的静态实体，SDN设备负责从基础设施收集信息，然后通过路由优化等技术来最小化网络延迟，但该类问题一般都是在设计架构时考虑优化，很少考虑故障情况下的微服务重新部署。二是最优控制器放置问题，SDN交换机和控制器之间的时延会影响SDN架构中任意两台设备之间的时延，该类问题一般假定流量不会根据网络实现的延迟而改变，研究控制器的布置与网络拓扑和网络中流量引导方式的关系，然后优化控制延迟和数据传输延迟，但该类问题一般也是在设计架构时考虑优化，很少考虑故障情况下的实时控制流。三是路径优化问题，一般将系统的响应时间视为要优化的服务质量指标，响应时间是执行时间和传输延迟的组合。该类问题一般通过建立多目标优化问题，联合考虑服务执行时间和传输延迟，为工作流安排最合适的路径，但该类问
题的场景都是在正常运行时考虑路由优化，缺少对故障情况下的重路由的考虑。
[0004]微服务在工业场景中的应用已经引起了研究界的兴趣，然而如上所述，大多数现有的将微服务应用于智能工厂的研究都集中在一般的体系结构原则和优化部署方案上，只有少数工作考虑了微服务架构下的故障应对方案，且它们的范围一般很窄，只提供有限的适应形式(如自我修复和运行时的位置适应等)。这些研究将微服务架构和自适应系统结合了起来，设计的自适应系统可以在运行时监控其行为并更改其配置，以在不确定的操作条件下(如工作负载变化和故障风险等)保持和增强微服务体系的质量属性。目前来看，研究微服务在实际工厂中的应用时，除了考虑执行时间和延迟等关键因素，将动态网络拓扑变化、工作流变化、故障预防和故障处理纳入考虑也是很有必要的。
[0005]设计能够实现自动故障处理的自适应系统涉及到在观察网络环境时对环境和系统本身做出设计决策，然后选择合适的适应机制。在基于SDN
‑
FOG环境的微服务体系结构中，由于运行时组件数量众多，且具有独立性和高度动态性，用于做出自适应决策的设计空间更加复杂。首要的挑战就是：如何开发监控和适应机制，以应对微服务体系结构质量属性的多样性。可以考虑的主要优化点包括：1)响应时间。2)节点可靠性。3)网络开销。4)负载平衡(若只在一个或几个节点上运行微服务，将导致服务执行性能下降。因此，在雾计算场景中一般需要考虑节点负载增加导致的性能下降)。
[0006]微服务体系的特点，即独立和频繁地部署、对高度自动化的需求以及复杂的运行体系结构，可以促进自适应系统的进一步研究和开发。相应地，自适应系统提供了一个面向控制的视角，研究故障应对方案是设计自适应系统的重要一环，目前为微服务体系结构设计自适应相关方案的工作主要有以下两种：一是通过利用大量的理论和实践结果，设计动态规划算法，为每个微服务选择最佳的适应策略。在系统运行时，不断采集网络中的信息，确定被控对象的当前实际工作状态，根据应用程序的设定，在达到设定阈值的时间点，触发自适应控制规律，从而实时地调整系统结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态。二是通过强化学习方法，从过去的适应结果中学习新的适应策略，提高整体微服务体系的质量属性，实现在不确定性条件下进行策略推理和实现多目标优化，以满足多种可能相互冲突的服务质量需求。从解决模型的角度来看，强化学习由于在解决战略决策问题方面的显著优势而被应用于微服务体系的自适应方案设计。
[0007]通过上述背景的介绍与分析，可以看到，针对SDN
‑
FOG环境下的信息物理智能工厂，微服务体系的故障应对方案设计主要面临以下三个困难：1)所提出的方案不仅需要考虑故障应对方案，基本的服务质量指标也要得到满足，如在研究故障恢复的路由优化环节时，仍应优化响应时间、能耗和负载等质量指标。2)工业场景下微服务体系的现有技术很少考虑故障应对方案的设计，且与微服务体系的故障应对相关的问题不止一种，要尽可能多的考虑相关问题，如故障预防和重路由代价等。3)现实工业场景中的工作流数量、雾节点数量和所需微服务数量，会对所提出算法产生影响，因此设计出的解决方案需要有在实际场景中的弹性，且提出的算法要能够对随时间动态变化的工作流进行快速响应。
[0008]可见，对雾计算、SDN、微服务的研究相对独立，将三者结合在一起考虑，针对SDN
‑
FOG环境下的微服务开发、部署、管理和扩展的研究工作有限，该环境下与故障应对相关的研究更少。针对工业场景下微服务体系的现有技术对微服务体系的优化部署方案进行了充分的研究，但很少考虑微服务体系的自适应设计，目前只有少数工作解决了为微服务体系
开发自适应方案的具体挑战，故障应对作为自适应设计的关键一环，相关研究工作数量也较少。针对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立基于SDN
‑
FOG环境的微服务体系故障处理架构；步骤2、系统建模，描述基础设施、传输网络，雾计算设备之间的关系；步骤3、构建整数规划问题，故障应对程序；步骤4、使用求解器求解最优的应对策略；步骤5、对故障响应时间要求特别严格的故障处理的场景，使用启发式算法。2.如权利要求1所述的SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，所述步骤1基于SDN
‑
FOG环境的微服务体系故障处理架构中包括应用层、控制层、基础层。3.如权利要求2所述的SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，所述应用层包括故障处理程序、定时器和功能性程序。4.如权利要求2所述的SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，所述控制层包括故障应对方案所需的各类组件。5.如权利要求2所述的SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，所述基础层，部署支持SDN控制的交换机，交换机在时隙中具有不同的故障概率，中央总控制器连接到交换机以汇总网络拓扑和流量信息，并使用南向接口动态编程配置交换机；每个交换机连接一个雾节点，合并视为一个节点；每个雾节点都对应了一组工业物联网设备和雾服务器。6.如权利要求1所述的SDN
‑
FOG环境下工厂微服务体系的故障应对方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1、连接到工厂现场设备的传感器不断地采集信息，传感器数据经预处理之后发送给连接的支持SDN控制的交换机；网络监控组件从交换机收集包括现场设备、雾节点和交换机在内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：范书豪，杨博，刘宇翔，袁亚洲，郑忠斌，陈彩莲，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：