基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法技术

本发明专利技术公开了一种基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法，该方法基于边缘服务器和工业互联网时序任务流之间的匹配博弈，包括建立具有边缘计算能力的工业互联网网络平台，以系统在寻求总的完成时间和总能耗之间的平衡为目标，在满足边缘服务器存储容量、时序任务流的完成时间和虚拟机部署需求的同时，共同决定最优虚拟机部署和工业互联网设备的时间敏感型时序任务流中的任务卸载决策。本发明专利技术所述方法通过联合优化来确定工业互联网时序应用的平均完成时间、系统的总能耗、时序任务流的任务卸载以及虚拟机的部署。序任务流的任务卸载以及虚拟机的部署。序任务流的任务卸载以及虚拟机的部署。

【技术实现步骤摘要】
基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法


[0001]本专利技术属于网络资源管理技术，具体涉及具有边缘计算能力的工业互联网系统中的联合计算任务卸载和虚拟机放置，尤其涉及一种基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法。

技术介绍

[0002]如今，物联网已被广泛应用于许多现有的工业系统中，如交通运输和制造系统，也被进一步称为工业互联网。由于工业互联网设备的计算能力普遍受到限制，因此提出了边缘计算来减轻这种计算负担。与远端云相比，边缘服务器距离工业互联网设备更近，因此可以实现更低的通信延迟。在具有边缘计算能力的工业物联网中，如何调度工业互联网任务卸载和在边缘服务器上部署虚拟机是一个关键问题。在工业互联网设备有限的资源和应用的截止时间的约束下，找出合适的任务卸载和虚拟机放置方案以减少计算时间和能量消耗是非常重要的。虽然边缘计算和工业互联网的结合带来了很多好处，但仍有一些问题与实际实现密切相关，尚未得到很好的解决:
[0003]1)在实践中，一个工业互联网应用需要多个操作才能完成。即，一个应用程序由多个任务组成。例如，自动门开启包括三种操作(任务)：传感器感知到有人正在接近门，控制器控制电机的运行，电机通过齿形皮带打开门。然而，这些任务是相互依存的。只有当传感器发出开门信号时，控制器才知道有人正在接近门，需要控制电机开门。这是一种具有反馈信息的系统控制方式，被控输出以某种方式返回到被控输入，并对输入产生控制影响的一种控制关系。这促使我们在构建系统模型时考虑到来自同一个工业互联网应用程序的任务之间的关系。
[0004]2)对于时间敏感型工业互联网应用，如自动门的开启和关闭，整个操作需要在有限的时间内完成，以确保人们不会在门前等待很长时间。这就需要具有长期性能保证的快速响应系统控制。
[0005]3)最重要的是，人类/设备智能允许工业互联网设备进行战略性和自私的行为，尽管它们是理性的。显然，工业互联网设备在做出卸载决定时，会努力追求自己的利益。但这种行为会导致网络拥塞和计算时间延迟，从而影响整个系统的性能。此外，为了促进延迟敏感的工业互联网应用的实现，在边缘网络上部署应用所需要的虚拟机的势头越来越大。因此，由于边缘服务器的容量限制，为了使网络整体性能最大化，需要将计算卸载决策和VRC部署联合考虑。
[0006]然而，如果考虑到上述所有的因素，实现该具有边缘计算能力的工业互联网系统将会遇到一定的困难，原因如下：
[0007]a、工业互联网设备的时序任务流中的任务是有依赖关系的，并且所有任务的完成都有时间限制。因此，我们不仅要考虑时序任务流中之前的任务是否已经完成，还要考虑所有的任务都要按时完成。这需要一个很好的任务调度解决方案。
[0008]b、由于计算卸载决策和虚拟机部署都对边缘计算系统的整体性能有贡献，因此必
须对它们进行联合优化，以在系统完成时间和能源消耗之间取得平衡，同时保证所有的工业互联网设备和边缘服务器对它们所做的决策感到满意(即它们的效用永远不会下降)。显然，这就产生了一个NP
‑
hard问题，这个问题很难解决。
[0009]c、由于多服务器边缘计算包括计算卸载、计算任务传输和虚拟机部署，因此该系统的制定需要考虑所有的设计要求或约束，如边缘服务器的容量、时序任务流的完成期限和虚拟机在边缘服务器上的部署条件，这进一步增加了任务分配的复杂性。

技术实现思路

[0010]专利技术目的：针对上述现有技术中存在的工业互联网设备应用分析欠缺、资源优化不足问题，本专利技术提供一种基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法。
[0011]技术方案：一种基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法，所述方法基于边缘服务器和工业互联网时序任务流之间的匹配博弈，建立具有边缘计算能力的工业互联网网络系统，以系统在寻求总的完成时间和总能耗之间的平衡为目标，在满足边缘服务器存储容量、时序任务流的完成时间和虚拟机部署需求的同时，共同决定最优虚拟机部署和工业互联网设备的时间敏感型时序任务流中的任务卸载决策。
[0012]所述方法包括如下步骤：
[0013](1)组建具有边缘计算能力的工业互联网系统，包括工业互联网设备层、边缘服务器层和云层，其中，工业互联网设备层部署拥有时序任务流的工业互联网设备群组，边缘服务器层部署边缘服务器，云层部署虚拟机；
[0014](2)根据工业互联网系统建立任务卸载和虚拟机放置模型，包括构建系统函数控制计算任务的卸载；
[0015]所述任务卸载和虚拟机放置包括如下过程：
[0016](a)所有时序任务流的第k个任务组成的任务集合中的每个任务检查自己的完成期限；若任务目前的完成时间和任务所属的时序任务流的完成期限a
j
的差达到设定的警戒值，任务被卸载至云端执行计算；
[0017](b)集合中剩下的任务根据效益函数U
j，k
(i，S
i
\N{s
j，k
})计算对边缘服务器的偏好值以构建偏好表；边缘服务器根据效益函数U
i
(j，k)计算对任务的偏好值以构建偏好表；
[0018](c)每个任务根据自己的偏好表向排名第一的边缘服务器发送请求；
[0019](d)收到请求的边缘服务器根据自己的偏好表最多接受n个任务，同时拒绝其他任务请求；
[0020](e)交换匹配过程：被边缘服务器选中的任务检查是否存在交换阻塞对；若存在，更新匹配状态至否则保持现有匹配状态μ；重复此步骤直到不存在交换阻塞对；
[0021](f)虚拟机部署阶段：与任务匹配的边缘服务器根据任务所需要的虚拟机类型检查自身是否满足虚拟机部署要求；若满足，任务被处理同时对应类型的虚拟机被部署；否则，任务被拒绝，加入下一轮匹配中；
[0022](g)循环步骤(a)
‑
(g)直到任务集合L
k
中的任务都被处理；
[0023](h)任务集合处理完，处理下一个任务集合以此类推。
[0024]进一步的，步骤(1)中每个工业互联网设备都有一条时间敏感型时序任务流，由多
个任务组成，并且任务的类型不一样，所需要的虚拟机类型也不一样。所谓时序，是指由于前一个任务的输出被当作下一个任务的输入，所以当且仅当前一个任务执行完，下一个任务才能开始执行。因此，时序任务流中任务的开始时间是前一个任务完成计算的时间；需要注意的是，当时序任务流中前后两个任务的卸载目标一样，前一个任务卸载传输完成，后一个任务就可以开始传输。计算任务在本地设备执行的开始时间在边缘服务器上执行的开始时间以及在云端执行的开始时间的公式分别表达如下：
[0025][0026][0027][0028]其中，计算任务s
j，k
从工业互联网设备完全上传至目标边缘服务器的时间
[0029][0030]计算任务s
j，k
从工业互联网设备完全上传至云端的时间
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法，其特征在于：所述方法基于边缘服务器和工业互联网时序任务流之间的匹配博弈，建立具有边缘计算能力的工业互联网网络系统，以系统在寻求总的完成时间和总能耗之间的平衡为目标，在满足边缘服务器存储容量、时序任务流的完成时间和虚拟机部署需求的同时，共同决定最优虚拟机部署和工业互联网设备的时间敏感型时序任务流中的任务卸载决策。2.根据权利要求1所述的基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)组建具有边缘计算能力的工业互联网系统，包括工业互联网设备层、边缘服务器层和云层，其中，工业互联网设备层部署拥有时序任务流的工业互联网设备群组，边缘服务器层部署边缘服务器，云层部署虚拟机；(2)根据工业互联网系统建立任务卸载和虚拟机放置模型，包括构建系统函数控制计算任务的卸载；所述任务卸载和虚拟机放置包括如下过程：(a)所有时序任务流的第k个任务组成的任务集合中的每个任务检查自己的完成期限；若任务目前的完成时间和任务所属的时序任务流的完成期限a
j
的差达到设定的警戒值，任务被卸载至云端执行计算；(b)集合中剩下的任务根据效益函数U
j,k
(i,S
i
\{s
j,k
})计算对边缘服务器的偏好值以构建偏好表；边缘服务器根据效益函数U
i
(j,k)计算对任务的偏好值以构建偏好表；(c)每个任务根据自己的偏好表向排名第一的边缘服务器发送请求；(d)收到请求的边缘服务器根据自己的偏好表最多接受n个任务，同时拒绝其他任务请求；(e)交换匹配过程：被边缘服务器选中的任务检查是否存在交换阻塞对；若存在，更新匹配状态至否则保持现有匹配状态μ；重复此步骤直到不存在交换阻塞对；(f)虚拟机部署阶段：与任务匹配的边缘服务器根据任务所需要的虚拟机类型检查自身是否满足虚拟机部署要求；若满足，任务被处理同时对应类型的虚拟机被部署；否则，任务被拒绝，加入下一轮匹配中；(g)循环步骤(a)
‑
(g)直到任务集合L
k
中的任务都被处理；(h)任务集合处理完，处理下一个任务集合以此类推。3.根据权利要求2所述的基于匹配博弈的边缘计算中的任务卸载和虚拟机放置方法，其特征在于：步骤(1)中每个工业互联网设备都有一条时间敏感型时序任务流，由一个以上任务组成，且任务的类型不同，所需的虚拟机类型也不一样；设定计算任务在本地设备执行的开始时间在边缘服务器上执行的开始时间以及在云端执行的开始时间的公式分别表达如下：的公式分别表达如下：
其中，计算任务s
j,k
从工业互联网设备完全上传至目标边缘服务器的时间的时间计算任务s
j,k
从工业互联网设备完全上传至云端的时间完全上传至云端的时间式中，表示时序任务流w
j
的任务s
j,k
‑1所需要的虚拟机的类型是否部署在边缘服务器上，分别表示任务s
j,k
‑1是否在边缘服务器执行、是否在云端执行、是否在本地设备上执行，上执行，分别表示任务s
j,k
‑1在边缘服务器云端、本地设备上的完成时间，上的完成时间，分别表示计算任务s
j,k
从本地设备层到边缘服务器层、从边缘服务器层到云端层的传输时间。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：易畅言，强明珠，李娟，王然，吴强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：