[发明专利]一种边缘计算环境中功耗优化的负载任务迁移算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种边缘计算环境中功耗优化的负载任务迁移算法，属于云计算技术与物联网技术应用结合的技术领域。

背景技术

边缘计算是一种基于互联网共享计算资源、存储资源、数据资源和应用资源的服务方式，为其他设备在虚拟计算环境中提供优化的计算服务。边缘计算区别于传统的云计算，边缘计算在靠近终端的部分有一层“边缘”层，该“边缘”层是由一些性能不一、更为分散的各类计算系统组成，其基本结构框架如图1所示，渗入工厂、汽车、电器、街灯、无线基站及人们生活中的各类用品，有了这层“边缘”层之后，有些云计算任务就可以在“边缘”层执行，并不需要将任务发送到云计算中心，因为这些任务更加靠近任务的服务对象即用户，通过这种方式有可能节省传输功耗并大大降低任务处理的时延。

随着边缘计算和物联网的快速发展，生活中越来越多的物联网设备也接入整个云计算环境中。这种计算和传统的云计算有着不同的特点，他比传统的云计算多了一层“边缘”层，与云计算相比，边缘计算所采用的架构更呈分布式，更接近网络边缘。边缘计算将数据、数据处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不像云计算那样将他们几乎全部在云服务中心执行，数据的存储及处理更灵活的使用更接近用户的边缘计算节点而非远端的云节点。

边缘端的计算设备一般来说都是某些系统资源受限的设备，如CPU和内存计算资源、存储容量等。在边缘计算中，任务执行随着实际的需要通常可以在边缘端和云端之间迁移，例如将耗计算资源的任务发送到云端处理，而将时延要求较高的任务发送到边缘计算节点。这种任务的迁移方式可以缩短任务的执行时间、均衡系统能耗、减少服务等级协议(SLA)的违规、获取更好的用户体验。不过在任务迁移的过程中也需要额外消耗一些资源，如传输功耗、流量等。当发生任务迁移的时候，该任务迁移时间的最小化也是实现满意的服务质量的关键因素，因此如何权衡负载任务在边缘节点和云端是否应该迁移，以及应该如何迁移都是这种边缘计算系统架构中需要解决的问题。

现有的任务迁移技术通常仅仅探讨如何将任务动态或者静态划分，根据划分所分配给边缘端或者云端的计算设备执行，从而静态的预先设定负载任务调配方式。当前已知的这一类的调度算法有：先入先出调度算法，计算能力调度算法和公平调度算法。(1)先入先出调度算法思想是首先按照负载任务的优先级的高低，再按照任务到达的时间先后，来调度任务的执行。算法思想简单，调度器的开销小，但忽视了不同任务的需求差异。(2)计算能力调度算法通常使用多个任务队列，组织任务到队列中，每个队列可以占有一定比例的集群资源，在同一个队列的任务共享队列资源。每一个队列内部还是优先按照任务优先级，其次比较任务的到达时间来给任务分配资源。每个队列强制的分配给每个用户受限制的容量，这样保证队列中的资源不被一个任务所占用。该调度对公平性的考虑较少，因而会出现一个任务长时间占用大量测试资源，以至于其后的任务只能等待，这样就会使用户的体验较差。(3)公平调度算法目的是让所有的任务随着时间的推移，都能平均的获取近似等同的共享资源。仅仅一个任务在运行时，它将使用整个集群资源。当有其他的任务提交上来时，系统会将CPU空闲时间片赋给这些新的任务，以使得每个任务大概获取等量的执行时间，该调度算法比较适合多用户，小任务较多的共享集群任务调度。这一类算法的缺点在于，其均没有考虑到边缘计算的边缘端远离云节点靠近用户的这个特点，另外一方面这些算法对因任务迁移的时间过长而产生的边缘计算系统的性能影响亦均未作考虑。

边缘计算架构中通常存在着较多的分布式的异构计算节点，而现有技术将任务动态分配至边缘计算端或者到云计算端进行处理，尚未充分优化整个边缘计算系统中富余的计算能力。在边缘计算架构中，边缘节点处于远离云计算中心的地理位置，其对迁移时间的影响不可忽视，所以在边缘环境中的任务迁移调度算法必然要考虑到迁移时间对服务质量带来的影响。另外一方面，目前尚未存在针对边缘计算的功耗、CPU利用率和温度等度量指标对节点任务进行优化调度的算法，而边缘计算本身也是一个近几年来出现的新概念，其本身也是处在原型研究阶段，在边缘计算架构中如何实现系统功耗优化和负载均衡仍然是一个开放问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种边缘计算环境中基于迁移时间最小的功耗优化的负载任务迁移算法，解决现有技术在边缘环境下的各种节点无法结合节点的功耗、CPU利用率和温度，迁移时间等度量指标，对节点任务进行均衡调度的问题，以减少边缘计算系统中的服务等级协议SLA的违规和性能下降。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：