一种基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法与流程

本发明属于光接入网，特别涉及一种基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法。

背景技术：

1、云计算中的数据中心通常远离大多数用户。随着网络流量的快速增长，其聚合服务模式会由于长距离网络传输和业务冲突而造成较大的传播延迟，无法有效处理大规模的延迟敏感服务。面对网络延迟和应用程序可用性的挑战，出现了边缘数据中心(edc)。将光接入网与边缘计算系统相融合形成一种分布式边缘计算光接入网架构，采用wdm技术为每个onu分配唯一的上行和下行波长，形成wdm-pon系统。同时将aops与wdm技术相结合，可以更充分利用光纤容量、并提高光接入网的规模、速度、可扩展性和灵活性，能够满足当前边缘计算场景下高速、实时数据的接入需求。

2、专利号为cn112040353b的发明中公开了一种基于光分组交换的分布式边缘计算系统，边缘计算节点内采用循环光纤延时线全光分组冲突解决机制，根据优先级别实现分组冲突的本地解决，使得节点具有高吞吐量、低时延性能。但该发明并没有实现光接入网任务的最优动态调度问题。

3、专利号为cn114338661a的发明中公开了一种基于光分组交换的分布式边缘数据中心系统及应用，能够减小电信号对高速数据的传输瓶颈，减少控制层及管理层的存储及计算压力，可扩展性高，支持边缘计算场景下分布式、海量、异构、突发业务的交互、存储和计算需求。在任务调度方面，任务节点根据其所连各从节点自身状态对应的计算能力，以及该计算子任务对应预设各数据属性的值，判断其所连各从节点是否能执行该计算子任务。该发明也不涉及实现光接入网任务的最优动态调度问题。

4、申请号为202310422989.4《基于异步光分组交换的分布式边缘数据中心光接入网架构》的发明中公开了一种基于异步光分组交换的分布式边缘数据中心光接入网架构，可实现大批量终端用户突发业务的随机接入，提高系统的可扩展性，能够解决同时有两个或两个以上突发任务产生波长冲突的问题。但该发明只针对边缘计算光接入网架构，不涉及动态任务调度算法。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明公开了一种基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法，能够提高边缘计算系统性能，缩短任务完成时间，降低网络阻塞，从而提高用户体验，更好地满足终端设备的需求；同时通过实现边缘计算资源的最优分配以提高资源利用率，降低调度成本，更好地管理和利用光网络资源。

2、技术方案：

3、一种基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法，所述动态任务调度方法包括以下步骤：

4、将分布式边缘计算光接入网架构中的光网络单元通过1×m光分路器分成m组，表示为onu1到onum，每一组内的光网络单元又通过n波长wdm技术被分配到n个不同的波长，共接入m×n个光网络单元的突发任务；m和n为正整数；

5、下行分组信号经过掺铒光纤放大器和环形器的1→2循环后进入分组头提取模块，上行信号经过环形器2→1循环到达分组头提取模块；

6、从分组头提取模块的b端口输出提取的分组标签信息，同时从分组头提取模块的a端口输出分组净荷，分组净荷经过1×2耦合器循环到达光交换矩阵和光纤延时线；

7、分析每个下行信号的分组标签信息，获取光链路终端(olt)中各边缘数据中心的资源情况，根据分析结果生成控制信号，控制光交换矩阵的交换状态，将分组交换到分配的目标边缘数据中心。

8、进一步地，对于下行信号，任务到达光链路终端(olt)的各边缘数据中心的缓存模块，将光链路终端(olt)的一组边缘数据中心的其中一个作为任务调度的控制单元，控制单元对组内每个边缘数据中心依次轮询，直到所有分组被发送，轮询结束后分组在不同时刻被送往光发送模块，任务在边缘数据中心中组装成光分组被调制到特定的波长，使用wdm技术进行传送；下行分组信号经过掺铒光纤放大器和环形器的1→2循环后进入分组头提取模块；

9、分组头提取模块从b端口输出提取的分组标签信息并送到任务调度的控制单元分析处理，同时分组头提取模块从a端口输出净荷，下行分组净荷经过1×2耦合器循环到达光交换矩阵和光纤延时线中等待控制单元的处理结果；

10、控制单元分析每个下行信号的分组标签信息，结合光链路终端(olt)中各边缘数据中心的资源情况生成控制信号，控制光交换矩阵的交换状态，将分组交换到分配的目标边缘数据中心；每个下行信号的分组标签信息为到达光链路终端(olt)的下行信号分组头信息。

11、进一步地，对于上行信号，接入光网络单元的终端用户将计算任务卸载到光链路终端(olt)边缘数据中心，任务到达光网络单元后，经过环形器2→1循环到达分组头提取模块，分组头提取模块将提取出的上行信号分组标签信息从b端口送到光链路终端(olt)的控制单元，同时从a端口输出上行分组净荷，净荷经过1×2耦合器到达光交换矩阵和光纤延时线中缓存等待；

12、光链路终端(olt)控制单元每个上行信号的分组标签信息进行分析计算，对光交换矩阵产生控制信号，将上行分组交换到分配的边缘数据中心处理任务，每个上行信号的分组标签信息包括到达光网络单元的上行信号分组头信息。

13、进一步地，所述动态调度方法还包括以下步骤：

14、来自onu不同组的多个上行分组信号以相同波长传输时，任务调度优先级较高的光分组信号直接通过，任务调度优先级较低的光分组信号则分别交换到多组光纤延时线中进行缓存；分布式边缘计算光接入网架构共包括b组光纤时延线，b组光纤延时线的延迟依次为τ，2τ，...，bτ，τ是光链路终端(olt)光接收模块的接收时间，b为正整数。

15、进一步地，所述任务调度优先级的获取过程包括以下步骤：

16、根据各分组的分组到达率、光分组长度和控制单元管理的边缘节点数，得到轮询阶段各分组最长等待时间ten；

17、根据各分组的分组到达率、每个光纤延时线的缓存时延、光纤延时线组数、光网络单元组数以及产生冲突分组的光网络单元组数，得到冲突解决阶段任务在光纤延时线组中的平均最长等待时间tfdl；

18、依据任务在轮询阶段和冲突解决阶段的等待时延设置任务调度优先级，两个阶段越早结束，该任务越优先调度到边缘数据中心进行处理；将任务在轮询阶段最长等待时间ten与任务在光纤延时线中平均最长等待时间tfdl的两者之和用tp表示，tp从小到大排序对应任务从高到低的优先级，按照任务优先级依次调度。

19、进一步地，轮询阶段各分组最长等待时间ten的计算过程包括以下步骤：

20、任务以不同分组到达率到达光链路终端(olt)后进入边缘数据中心的缓存模块，光链路终端(olt)的控制单元对每个edc依次轮询，若edc没有分组需要发送，则控制单元对该edc的轮询时间为0；若某个edc有等待发送的分组，则将其送往光发送模块，此时控制单元对该ecn的轮询时间t′＝l(ri)/vtx，vtx为光发送模块的发送速率；光链路终端(olt)控制单元对各edc轮询时间t的概率分布为：

21、

22、式中，l(ri)表示任务ri的光分组长度；λ(ri)表示任务ri的分组到达率；z表示一个轮询周期内有分组发送的边缘数据中心个数，取边缘数据中心总数m作为z最大值，计算得轮询时间平均值tave表示为：

23、

24、轮询周期表示为mtave，若一个轮询周期内有j个分组等待发送，则这j个分组的最长等待时间t1＝jmtave，1≤j≤n，n表示光链路终端(olt)的边缘数据中心需要处理的任务数；这j个分组的最长等待时间的变化量δt1取值的概率分布为：

25、

26、δt1平均值表示为：

27、

28、轮询阶段分组最长等待时间ten表示为：

29、

30、式中，t1(j)为t1减小到0所需要时间。

31、进一步地，冲突解决阶段任务在光纤延时线组中的平均最长等待时间tfdl表示为：

32、

33、

34、其中，b为光纤延时线组的组数；k表示m组光网络单元中，有k个光网络单元产生了冲突分组；任务的光分组长度l(ri)符合系数为μ的负指数分布，光分组的平均长度表示为1/μ，光接收模块接收光分组的平均时间为τ＝1/(μc)，其中c为光接收模块的工作速率。

35、进一步地，所述动态调度方法还包括以下步骤：

36、将时延f1(x)和总成本f2(x)作为任务调度的目标函数，以时延f1(x)和总成本f2(x)取值最小为优化目标对任务进行动态调度：

37、f1(x)＝max(tp(ri)+ttrans(ri，x)+tcal(ri，x))；

38、

39、其中，时延f1(x)表示从第一个任务到达光链路终端(olt)的边缘数据中心到最后一个任务在光链路终端(olt)的边缘数据中心计算完成的这段时间；tp(ri)＝ten(ri)+tfdl(ri)，ten(ri)是轮询阶段任务ri的等待时间，tfdl(ri)是冲突解决阶段任务在光纤延时线中缓存时间；ttrans(ri，x)是任务ri传输到目标边缘数据中心x的时间，与任务计算量和待求解的边缘数据中心x距离光纤延时线光纤长度成正比，1≤x≤m；ttrans(ri，x)＝d(ri)*lf(ex)＝d(ri)*lf(x(ri))，d(ri)是任务ri的计算量，lf(ex)和lf(x(ri))均表示待求解的边缘数据中心x距离光纤延时线的光纤长度；tcal(ri，x)是任务ri在目标边缘数据中心计算时间，vc(ex)和vc(x(ri))均表示待求解的边缘数据中心计算速率；ex表示第x个边缘数据中心；

40、总成本f2(x)表示所有任务在边缘数据中心计算完成产生的费用总和，每个任务在边缘数据中心的使用费用采用任务在目标边缘数据中心的计算时间tcal(ri，x)和该边缘数据中心单位时间使用费用cp(ex)两者乘积表示。

41、进一步地，采用遗传算法求解使任务调度的目标函数取值最小的分配策略；具体地，包括以下步骤：

42、初始化种群，计算初始种群的适应度值，通过选择、交叉、变异操作迭代更新种群，在迭代过程中向目标函数时延和成本最小的方向靠拢，直到达到终止条件，输出使目标函数最小的最优解，作为最优分配策略，同时输出最优解对应的目标函数值f1min和f2min。

43、一种分布式边缘计算光接入网系统，其特征在于，所述分布式边缘计算光接入网系统包括光链路终端(olt)边缘数据中心以及光接收模块和光发送模块、1×m光分路器、掺铒光纤放大器、分组头提取模块、光交换矩阵、光纤延时线、环形器以及1×2耦合器。

44、所述光链路终端(olt)边缘数据中心基于如前所述动态任务调度方法对实时接入的光网络单元的突发任务进行动态调度。

45、有益效果：

46、第一，本发明的基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法，能够提高边缘计算系统性能，缩短任务完成时间，降低网络阻塞，从而提高用户体验，更好地满足终端设备的需求；同时通过实现边缘计算资源的最优分配以提高资源利用率，降低调度成本，更好地管理和利用光网络资源。

47、第二，本发明的基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法，能够满足边缘计算场景下分布式、海量、异构、突发业务的交互、存储和计算需求，解决来自onu不同组的两个或多个上行分组信号以相同波长同时传输时发生冲突的问题。

48、第三，本发明的基于分布式边缘计算光接入网的动态任务调度方法，根据各边缘数据中心的位置、计算速率和单位时间成本，对任务计算量、光分组长度和分组到达率不同的大量任务进行均衡分配，能够实现高速大容量光接入网上行信号的冲突解决，满足边缘计算光接入网场景下海量、异构、突发业务的接入需求；通过高效的资源分配策略和执行机制，保证整个系统阻塞状况良好、各边缘节点利用率均衡。