[發(fā)明專利]基于無服務(wù)器霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜任務(wù)分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010311403.3
• 申請(qǐng)日: 2020-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN111541760B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧曉衡;吳亞青;陳歡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L67/61
• 分類號(hào): H04L67/61;H04L67/63;H04L67/56;H04L67/1008;H04L67/1097;H04L67/12;H04L9/40;G06F9/50
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 張勇

1.一種基于無服務(wù)器霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜任務(wù)分配方法，其特征在于，包括：

步驟1，終端設(shè)備向霧節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求，霧節(jié)點(diǎn)接受任務(wù)請(qǐng)求傳輸?shù)綉?yīng)用層開始服務(wù)；

步驟2，應(yīng)用層的訪問控制模塊對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行訪問控制；

步驟3，訪問控制模塊將允許訪問的任務(wù)請(qǐng)求傳輸?shù)綉?yīng)用層的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊進(jìn)行任務(wù)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)排序；

步驟4，請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊將排序后的任務(wù)請(qǐng)求傳輸?shù)綉?yīng)用層的服務(wù)管理器，服務(wù)管理器對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行難度判斷和分配；

步驟5，服務(wù)管理器將任務(wù)請(qǐng)求傳輸?shù)絺鬏斂刂茖拥腇aaS模塊、私有云代理模塊和協(xié)同管理器進(jìn)行處理；

步驟6，將FaaS模塊、私有云代理模塊和協(xié)同管理器處理后的任務(wù)請(qǐng)求的結(jié)果返回終端設(shè)備；

還包括：

應(yīng)用開發(fā)者通過傳輸控制層的應(yīng)用轉(zhuǎn)發(fā)模塊將應(yīng)用程序上傳到FaaS模塊中進(jìn)行處理；

所述步驟2具體包括：

應(yīng)用層的訪問控制模塊通過權(quán)限驗(yàn)證單元對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，通過權(quán)限驗(yàn)證的任務(wù)請(qǐng)求傳輸?shù)秸?qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊，未通過權(quán)限驗(yàn)證的任務(wù)請(qǐng)求拒絕訪問；

所述步驟3具體包括：

將通過權(quán)限驗(yàn)證的任務(wù)請(qǐng)求添加到請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊的請(qǐng)求隊(duì)列單元中進(jìn)行任務(wù)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)排序；

所述步驟4具體包括：

服務(wù)管理器從請(qǐng)求隊(duì)列單元中依次取出任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行難度判斷和分配，服務(wù)管理器將簡單任務(wù)請(qǐng)求分配到傳輸控制層的FaaS模塊進(jìn)行處理，將復(fù)雜任務(wù)請(qǐng)求分配到基礎(chǔ)設(shè)施層的協(xié)調(diào)管理器進(jìn)行處理，將困難任務(wù)請(qǐng)求分配到傳輸控制層的私有云代理模塊進(jìn)行處理；

所述步驟5具體包括：

FaaS模塊通過觸發(fā)簡單任務(wù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的特定事件函數(shù)來對(duì)簡單任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，F(xiàn)aaS模塊通過基礎(chǔ)設(shè)施層中的Docker容器的容器API單元?jiǎng)?chuàng)建容器供簡單任務(wù)請(qǐng)求使用，通過容器來進(jìn)行FaaS模塊的函數(shù)實(shí)例化運(yùn)行，簡單任務(wù)請(qǐng)求完成后將結(jié)果返回終端設(shè)備；

所述步驟5還包括：

協(xié)同服務(wù)管理器將復(fù)雜任務(wù)請(qǐng)求分解成多個(gè)子任務(wù)請(qǐng)求，通過分配單元將多個(gè)子任務(wù)請(qǐng)求按需分配給其他霧節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，并將未分配的子任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行多輪次的按需分配，直到其他霧節(jié)點(diǎn)全部完成子任務(wù)請(qǐng)求，協(xié)同服務(wù)管理器將所有子任務(wù)請(qǐng)求的處理結(jié)果進(jìn)行合并處理后返回終端設(shè)備；

所述步驟5還包括：

協(xié)同服務(wù)管理器采用指數(shù)移動(dòng)平均方法預(yù)測(cè)霧節(jié)點(diǎn)的性能，霧計(jì)算i的前輪的性能數(shù)據(jù)可表示為{θ₁，θ₂，...，θ_k}，則k+1的預(yù)期性能為θ_k+1，根據(jù)指數(shù)移動(dòng)平均公式計(jì)算得：

其中，α表示平滑指數(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，表示前k輪的平均值，初始為0；

霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)包括應(yīng)用層、傳輸控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層，應(yīng)用層、傳輸控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層均運(yùn)行在霧節(jié)點(diǎn)之上，應(yīng)用層為霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，應(yīng)用層用于管理和處理終端用戶的服務(wù)請(qǐng)求，應(yīng)用層包括訪問控制模塊、請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊和服務(wù)管理器，訪問控制模塊包括權(quán)限驗(yàn)證單元，請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊中包括請(qǐng)求隊(duì)列單元，服務(wù)管理器用于收集任務(wù)請(qǐng)求的相關(guān)信息，其中，任務(wù)請(qǐng)求的相關(guān)信息包括服務(wù)時(shí)間、數(shù)據(jù)量、任務(wù)類型、設(shè)備類型和緊急程度，通過訪問控制模塊對(duì)租用霧節(jié)點(diǎn)的用戶進(jìn)行管理，其中，服務(wù)請(qǐng)求由UID、待處理數(shù)據(jù)、容器編號(hào)和請(qǐng)求事件組成；請(qǐng)求隊(duì)列單元主要負(fù)責(zé)對(duì)不同的任務(wù)請(qǐng)求做調(diào)度，緊急事件的任務(wù)請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)高于非緊急事件的任務(wù)請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，請(qǐng)求隊(duì)列單元中設(shè)置的優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法根據(jù)任務(wù)請(qǐng)求的等待時(shí)長，增高任務(wù)請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，服務(wù)管理器用于驗(yàn)證用戶信息和計(jì)算服務(wù)資費(fèi)，根據(jù)任務(wù)請(qǐng)求的不同，將計(jì)算量特別巨大的任務(wù)請(qǐng)求直接轉(zhuǎn)發(fā)給私有云代理模塊處理，根據(jù)任務(wù)請(qǐng)求的不同與BaaS模塊和FaaS模塊間傳遞服務(wù)，當(dāng)請(qǐng)求隊(duì)列單元負(fù)載過高時(shí)，服務(wù)管理器將服務(wù)進(jìn)行服務(wù)遷移；傳輸控制層為霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵層，傳輸控制層主要采用Serverless的FaaS服務(wù)為函數(shù)處理服務(wù)，傳輸控制層包括FaaS模塊、應(yīng)用轉(zhuǎn)發(fā)模塊和私有云代理模塊，F(xiàn)aaS模塊根據(jù)供應(yīng)商定義的事件類型觸發(fā)函數(shù)，其中，定義的事件類型包括文件更新、時(shí)間和加入總線的消息；基礎(chǔ)設(shè)施層為霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，主要管理對(duì)象為容器，基礎(chǔ)設(shè)施層包括BaaS模塊、物理硬件、Docker容器和內(nèi)核管理器，BaaS模塊包括協(xié)同服務(wù)管理器和DB數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)aaS模塊根據(jù)Docker容器提供的容器API單元的接口使用容器服務(wù)；

運(yùn)行過程：終端設(shè)備請(qǐng)求啟動(dòng)應(yīng)用程序，霧節(jié)點(diǎn)開始處理，霧節(jié)點(diǎn)與終端設(shè)備之間使用Wifi或4G或5G移動(dòng)通信進(jìn)行連接，首先訪問的是應(yīng)用層，訪問控制模塊對(duì)終端設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行訪問控制，每個(gè)用戶一個(gè)單獨(dú)的UID，未授權(quán)的用戶一律拒絕，通過權(quán)限驗(yàn)證之后，任務(wù)請(qǐng)求加入到請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)模塊的請(qǐng)求隊(duì)列單元中，請(qǐng)求隊(duì)列單元采用優(yōu)先級(jí)對(duì)隊(duì)列中的任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行排序，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)請(qǐng)求先服務(wù)，服務(wù)管理器從請(qǐng)求隊(duì)列單元中依次取出任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行分析，首先收集終端設(shè)備已有的信息并對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行判斷，如果任務(wù)請(qǐng)求簡單，則直接由傳輸控制層進(jìn)行處理，傳輸控制層接收到任務(wù)請(qǐng)求會(huì)在Serverless的FaaS模塊中處理，F(xiàn)aaS模塊通過任務(wù)請(qǐng)求觸發(fā)特定事件函數(shù)，F(xiàn)aaS模塊通過基礎(chǔ)設(shè)施層中的容器API單元?jiǎng)?chuàng)建容器供任務(wù)請(qǐng)求使用，F(xiàn)aaS模塊的函數(shù)實(shí)例化運(yùn)行在容器中，當(dāng)任務(wù)請(qǐng)求完成后將結(jié)果返回終端設(shè)備，回收容器；如果任務(wù)請(qǐng)求復(fù)雜，則轉(zhuǎn)發(fā)到BaaS模塊中的協(xié)同服務(wù)管理器進(jìn)行處理，協(xié)同服務(wù)管理器包括分配單元，預(yù)測(cè)單元和計(jì)算單元，協(xié)同服務(wù)管理器將復(fù)雜任務(wù)請(qǐng)求分解成多個(gè)子任務(wù)請(qǐng)求并通過分配單元將子任務(wù)請(qǐng)求分配給附近可用的其他霧節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，預(yù)測(cè)單元負(fù)責(zé)獲取其他霧節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息，對(duì)后續(xù)分配任務(wù)請(qǐng)求做分析預(yù)測(cè)，當(dāng)經(jīng)過多輪循環(huán)分配之后，全部霧節(jié)點(diǎn)完成任務(wù)，協(xié)同服務(wù)管理器將結(jié)果合并處理后返回給終端設(shè)備，每輪協(xié)同服務(wù)管理器中循環(huán)分配至附近可用的其他霧節(jié)點(diǎn)的子任務(wù)請(qǐng)求大小均不同，根據(jù)霧節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)資源進(jìn)行分配；如果任務(wù)請(qǐng)求困難，則直接轉(zhuǎn)發(fā)到云端進(jìn)行處理，如果任務(wù)請(qǐng)求中有隱私數(shù)據(jù)則使用私有云單元處理，否則使用公有云單元處理，當(dāng)一輪任務(wù)請(qǐng)求完成后，終端設(shè)備繼續(xù)任務(wù)請(qǐng)求，則重復(fù)上述運(yùn)行過程；

當(dāng)一個(gè)終端用戶租用服務(wù)，假設(shè)終端用戶為非惡意攻擊的正常使用者，終端用戶發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，霧節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求之后由應(yīng)用層驗(yàn)證用戶身份，獲得請(qǐng)求許可之后獲得服務(wù)權(quán)限并開始收費(fèi)計(jì)時(shí)，終端用戶發(fā)送的任務(wù)請(qǐng)求加入到請(qǐng)求隊(duì)列中，服務(wù)管理器根據(jù)服務(wù)類型的不同解析服務(wù)命令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸控制層接收到服務(wù)命令之后，對(duì)一系列命令進(jìn)行任務(wù)分配，通過內(nèi)核管理器對(duì)分配的任務(wù)分別調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層的容器API單元?jiǎng)?chuàng)建用戶任務(wù)請(qǐng)求的單獨(dú)容器，當(dāng)容器創(chuàng)建完成之后用戶的計(jì)算服務(wù)命令和存儲(chǔ)服務(wù)命令均由無服務(wù)工具庫進(jìn)行服務(wù)；

協(xié)同服務(wù)管理器處理任務(wù)請(qǐng)求的步驟：

第一步，每輪對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行判斷，如果超過當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的處理能力，則將任務(wù)請(qǐng)求分解成多個(gè)子任務(wù)請(qǐng)求分配給其他霧節(jié)點(diǎn)；

第二步，依次尋找合適的霧節(jié)點(diǎn)，并判斷霧節(jié)點(diǎn)是否處于空閑狀態(tài)，如果霧節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)則根據(jù)公式(1)預(yù)測(cè)霧節(jié)點(diǎn)的性能，根據(jù)霧節(jié)點(diǎn)的性能分配對(duì)應(yīng)的任務(wù)請(qǐng)求量到霧節(jié)點(diǎn)上；

第三步，循環(huán)重復(fù)第二步，直到所有子任務(wù)請(qǐng)求全部完成，將所有子任務(wù)請(qǐng)求的結(jié)果返回到初始霧節(jié)點(diǎn)上；

第四步，初始霧節(jié)點(diǎn)對(duì)所有子任務(wù)請(qǐng)求的結(jié)果合并處理后將結(jié)果返回給終端設(shè)備，本輪任務(wù)請(qǐng)求結(jié)束。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無服務(wù)器霧計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜任務(wù)分配方法，其特征在于，所述步驟5還包括：

困難任務(wù)請(qǐng)求通過傳輸控制層的私有代理模塊進(jìn)行處理，困難任務(wù)請(qǐng)求中有隱私數(shù)據(jù)使用私有云單元進(jìn)行處理，困難任務(wù)請(qǐng)求中沒有隱私數(shù)據(jù)使用公有云單元進(jìn)行處理。