[发明专利]一种优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法

说明书

本发明涉及一种基于命名数据网络（NDN）的边缘计算节点部署与管理的优化方法。该发明主要包含四部分的内容：边缘计算节点NDN网络的建立、命名机制和数据包结构设计、边缘计算网络协议框架的设计、控制服务器的功能。本发明将异构边缘设备部署为统一NDN节点并建立边缘计算节点网络的方法。将元数据信息纳入NDN命名机制，构造层次化的数据名称。设计了一种优化的边缘计算网络协议框架，该框架可分为控制层和传输层，提出在网络中部署控制服务器的方法。控制服务器将承担节点编号分配和网络拓扑信息存储与维护的功能。利用本发明方法可以实现高速率低消耗的网络数据传输。

技术领域

本发明涉及一种基于命名数据网络(Named Data Networking，以下简称 NDN)的边缘计算节点部署与管理的优化方法。尤其是针对多计算节点大量请求相同数据的网络需求，利用该方法可以实现高速率低消耗的网络数据传输。

背景技术

随着处理器、内存及磁盘技术的进步，边缘设备的性能持续地提高。与此同时，相对低廉的价格也使得此类边缘设备的销售数量不断地增加。其结果就造成了大量的资源(包括计算资源、数据资源等)闲置于边缘网络上。传统的方法一般会通过网络将边缘设备获取的数据传输至云数据中心，再利用云数据中心的计算资源对其进行处理，从而获得有价值的分析结果。但该方法耗费了大量网络资源，并且忽视了边缘网络中大量闲置的计算资源。

边缘计算提出把计算任务部署在边缘的概念，有效地避免了传统方法带来的弊端。然而，边缘设备的计算性能普遍较低，对于大数据量的计算任务，单个边缘节点往往无法独自完成。因此，需要建立边缘计算集群，从而实现计算任务的分布式执行。在这个过程中，每一个边缘节点既是数据的存储单元，也是计算的执行单元。这造成了在计算任务进行时，数据需要在节点之间进行大量的传输与分发。另外，考虑到边缘节点网络上数据的存储往往并不是分布式的，它们通常只存储在网络中具有边缘数据收集能力的设备上。因此，在分布式计算过程中，大量计算节点并发地请求单一节点数据的情况容易发生，这将进一步加剧边缘网络的带宽压力。

另一方面，命名数据网络(NDN)提出了利用数据名称进行路由，以此避免传统IP网络架构的种种弊端。首先，NDN网络的节点命名空间是无限的，理论上可以支持无限边缘设备接入网络。NDN网络的接入不再依赖于IP地址，很好地解决了IP地址不足的问题。其次，NDN网络以数据为中心的设计，将数据本身与数据的存储位置进行分离，使其可以更加专注地处理大量数据交互的情况，尤其适用于以数据分发为主的网络需求。具体表现为：1)基于数据名称的路由与转发机制，使NDN网络“天然”地支持组播通信；2)利用不同于IP网络的网内存储机制，使NDN网络更加高效地利用节点历史数据。然而，对于NDN边缘计算节点的部署和管理来说，数据命名机制的设计始终是巨大的挑战。边缘设备的多样性和移动性也决定了网络节点必须满足异构和移动接入的特点。

发明内容

为了对大量异构边缘设备进行有效的管理，继而实现边缘计算集群网络的部署，本发明设计了一种适用于边缘环境的NDN网络架构。该架构将异构边缘设备部署为统一的NDN节点，并利用传统IP网络的底层通信信道来建立NDN边缘计算网络。针对边缘计算数据传输需求，通过将元数据信息纳入到NDN命名机制，使请求节点可以直接使用目标数据的名称在NDN网络中进行数据请求。通过设计NDN协议框架，实现网络数据包的通信控制和基于数据名称的路由与转发。通过在网络中部署控制服务器，实现边缘设备网络接入阶段的节点编号分配功能，以及网络拓扑信息存储和维护功能，使各边缘节点具有基于节点编号的全局路由能力。

该发明主要包含四部分的内容：边缘计算节点NDN网络的建立、命名机制和数据包结构设计、边缘计算网络协议框架的设计、控制服务器的功能。

(1)边缘计算节点NDN网络的建立