一种面向任务协同的分布式节点分组方法

本发明涉及移动边缘网络领域，具体来说涉及资源协同，更具体地说，涉及一种面向任务协同的分布式节点分组方法。

背景技术：

1、移动边缘网络的资源协同策略支持节点将任务协同至其他节点执行，这不仅能够缓解设备自身的资源限制，还能通过任务分解与并行执行提高任务处理的效率，例如参考文献[1]。在资源协同过程中，获得当前节点所维护的网络节点分组信息是资源协同的基础。节点分组信息决定了当前任务能够被哪些边缘节点协同执行，是制定具体资源协同方案的前提。每个节点或设备在网络中的资源使用情况、位置和功能决定了其可以参与的计算和数据处理任务。因此，节点分组信息在资源协同中至关重要，但在实际操作中获取分组信息通常面临挑战。

2、挑战一：动态的网络环境意味着节点的状态和连接性可能频繁变化，这要求系统能够实时更新和维护节点信息。然而，目前大多数资源协同方案默认节点分组信息和节点可用信息是已知的，并在此基础上制定资源协同决策。挑战二：在实际系统中，收集节点信息需要消耗计算和通信资源，特别是在资源受限的边缘设备上，这种开销非常影响设备的整体性能和能效，最终限制了资源协同策略的性能。边缘设备通常依赖于有限的能源供应，如电池。高频率的数据更新和信息交换可能迅速耗尽这些设备的能源，导致能源危机。这不仅影响节点的持续运行时间，还可能限制设备参与未来任务的能力，最终影响整个网络的性能和可靠性。

3、为了应对上述挑战，传统研究中提出了多种方案，典型的节点分组的研究可根据其网络架构大致分为两大类别：集中式节点分组与分布式节点分组。

4、在集中式节点分组中，存在一个中央控制器，其用于集成网络中的边缘节点信息，并据此为系统制定资源协同决策并下达决策指令。理论上，为了实现对网络状态的实时监控，中央控制器更新全局信息的方式会导致边缘网络中频繁的数据交互，从而消耗大量的通信资源，同时，需要为中央控制器配备一定的计算资源以确保数据采集与策略制定的正常进行。

5、而与集中式架构相比，部分分布式节点分组研究采用博弈论来维护节点间的分组信息。通过利用博弈论的分析和优化机制，在边缘计算的环境下提供了一种更为高效的节点组织策略，实现了资源分配的均衡，既考虑到了服务质量的需求，也优化了资源的整体使用效率。在此模型下，边缘节点只需要根据必要的信息进行自治决策。这种分布式节点分组方法减轻了对中央控制器的依赖，减少了数据同步的频率，从而在降低移动设备的运营成本、提升任务处理效率、以及节约通信资源等方面表现出显著优势，例如参考文献[2]。虽然利用博弈论或按需路由方法寻找边缘网络中合适的资源共享节点在提供资源协同信息方面有一定的效果，但是其受限于博弈理论和按需路由信息交互的机制，边缘节点在制定资源协同决策前，至少需要与其他节点进行一轮信息交互，对于某些时延敏感型任务，等待博弈的时间会影响服务质量。另外，在面对边缘网络中节点资源的频繁变化、移动性高、动态加入和离开等情况，可能需要多轮信息交互才能制定资源协同决策，从而影响了边缘网络的服务质量和资源的有效利用。

6、基于上述分析可知，在传统网络环境中，现有技术中的集中式或分布式架构来处理网络任务的方法已被广泛应用，但在面对移动边缘网络特有的挑战时，现有方法会存在明显的局限性和缺点，具体如下：

7、（1）高能耗问题：集中式处理和数据传输在边缘网络中可能导致能耗过高。由于边缘设备通常由电池供电，频繁的数据同步和处理需要消耗大量能源，这对于能源受限的边缘设备是一个严峻的挑战。此外，集中式架构中的单点处理也可能导致能效低下。

8、（2）静态性和缺乏灵活性：传统的集中式和分布式架构通常依赖于静态的节点配置和预设的网络模型。在网络环境快速变化的边缘网络中，这些架构往往无法快速适应网络状态的实时变化，如节点的动态加入和退出，或是网络资源的即时波动。

9、（3）服务质量（quality of service，简称qos）难以保证：在高度动态的边缘网络环境中，维持一致的服务质量变得更加困难。现有的架构通常难以预测和适应环境变化，这导致网络延迟增加、数据处理效率下降，无法满足增长的服务质量需求。特别是在资源分配和任务资源协同方面，缺乏有效的机制来应对瞬时的网络波动和节点性能变化。

10、综上所述，现有方法通常依赖于静态的节点配置和预设的网络模型，无法快速且灵活地适应网络状态的实时变化，进一步导致移动边缘网络服务质量低等问题。

11、需要说明的是：本背景技术仅用于介绍本发明的相关信息，以便于帮助理解本发明的技术方案，但并不意味着相关信息必然是现有技术。在没有证据表明相关信息已在本发明的申请日以前公开的情况下，相关信息不应被视为现有技术。

12、参考文献如下：

13、[1]公雨. 移动边缘网络多维度资源协作智能优化 [z]. 北京邮电大学, 2023.

14、[2] li t, qiu z, cao l, et al. privacy-preserving participantgrouping for mobile social sensing over edge clouds [j]. ieee trans. netw.sci. eng., 2021, 8(2): 865-880.

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种面向任务协同的分布式节点分组方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、根据本发明的第一方面，提供一种面向任务协同的分布式节点分组方法，用于对分布式移动边缘网络中的多个用于提供边缘服务的节点进行分组，每个节点代表一个边缘设备，所述方法应用于每个节点，所述方法包括：s1、为当前节点构建初始的节点分组表，节点分组表包括发现的其他节点的资源状态；s2、在当前节点收到任务时，根据最新的节点分组表，利用其他节点的资源来协同执行该任务，得到任务执行结果；s3、根据任务执行结果更新节点分组表，更新方式包括：周期性更新方式，被配置为：按照更新周期对节点分组表进行更新，其中，所述更新周期按照任务执行结果的情况进行动态调整；基于任务驱动的更新方式，被配置为：当任务执行结果显示任务执行失败时，即时更新节点分组表。

4、在本发明的一些实施例中，所述步骤s3中，所述动态调整方式包括：根据在预定时间段内当前节点的所有任务各自的任务执行结果的情况，统计任务执行失败次数；根据当前节点在当前评估得到的网络状况量化值和节点未完成的任务比例，确定用于指示移动式边缘网络服务质量的动态调整参数，其中，所述比例为所述任务执行失败次数与所有任务总数量之比；根据动态调整参数和预设的阈值范围，动态调整更新周期，其中：当动态调整参数小于预设的阈值范围的下限阈值时，减小更新周期；当动态调整参数在预设的阈值范围内时，保持更新周期不变；当动态调整参数大于预设的阈值范围的上限阈值时，增大更新周期。

5、在本发明的一些实施例中，所述动态调整参数确定方式如下：

6、，

7、其中，表示动态调整参数，表示比例参数，表示当前节点在当前时间的前一时间周期内统计的任务执行失败次数与该时间周期内的任务总数量之比，表示比例参数，表示当前评估得到的网络状况量化值。

8、在本发明的一些实施例中，所述节点分组表还包括当前节点和其他节点间的通信代价，所述步骤s3中，所述周期性更新方式包括：接收与当前节点直接连接的其他节点发送来的其更新后的节点分组表，根据其他节点的节点分组表和当前节点的节点分组表，计算当前节点和其他节点间的新通信代价；当所述新通信代价与更新前的当前节点和其他节点间的通信代价不同时，更新当前节点和其他节点间的通信代价。

9、在本发明的一些实施例中，所述资源状态包括计算资源和存储资源，所述网络状况量化值按如下方式计算：

10、，

11、其中，表示网络状况量化值，表示在跳内能够满足当前节点的一个任务的计算资源需求的概率，表示当前节点的编号，表示满足预设的通信代价阈值内的最大跳数，表示跳数，表示在跳内能够满足当前节点的一个任务的存储资源需求的概率，表示当前节点在跳内与除当前节点以外的网络中节点的节点连通率，，表示网络中的节点数量总和，表示当前网络除节点以外的节点集合，表示除当前节点以外的网络中的第个节点，表示除当前节点以外的网络中一个节点的编号，表示当前节点和节点的连通性。

12、在本发明的一些实施例中，所述步骤s3中，所述基于任务驱动的更新方式包括：在当前节点的任务执行结果显示任务执行失败且为任务资源协同失败时，生成任务错误报告，根据任务错误报告更新当前节点的节点分组表；在当前节点的节点分组表中没有能够参与资源协同的其他节点时，通过广播的形式发起新的任务资源协同请求，并根据其接收的另一节点发送的指示其可参与资源协同的任务回复，更新节点分组表。

13、在本发明的一些实施例中，所述步骤s2中，所述利用其他节点的资源来协同执行该任务的方式包括：根据最新的节点分组表为任务选择资源协同路径，其中，资源协同路径包括能够满足任务的资源需求且通信代价最小的其他节点；当前节点将任务卸载到对应的资源协同路径上的其他节点进行协同执行，得到任务执行结果。

14、根据本发明的第二方面，提供一种基于本发明第一方面所述方法实现的分布式节点分组系统，该系统用于配置在分布式移动边缘网络中的多个用于提供边缘服务的节点的每个节点中，所述系统包括：

15、任务协同执行模块，用于在当前节点收到任务时，利用最新的节点分组表中其他节点的资源来协同执行该任务，得到任务执行结果；动态调整器，用于按照任务执行结果的情况动态调整更新周期；周期性更新模块，用于为当前节点构建初始的节点分组表，并按照更新周期对节点分组表进行更新；基于任务驱动的更新模块，用于当任务执行结果显示任务执行失败时，即时更新节点分组表。

16、根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及存储器，其中存储器用于存储可执行指令；所述一个或多个处理器被配置为经由执行所述可执行指令以实现本发明第一方面任一项所述方法的步骤。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、本发明方法中，一方面，节点构建的节点分组表中包括发现的其他节点的资源状态，且节点分组表为动态更新的，在节点收到或生成任务时，利用最新的节点分组表处理任务保证节点之间的协同工作和资源共享，提高网络服务质量。另一方面，采用的基于任务驱动的更新方式为：当任务执行结果显示任务执行失败时，即时更新节点分组表，使节点分组表能够实时支持节点的任务资源协同需求。采用的周期性更新方式为：按照更新周期对节点分组表进行更新，且更新周期按照任务执行结果的情况进行动态调整，可以快速且灵活地适应网络状态的实时变化。本发明不仅确保节点分组表的有效性和可靠性，还提高了任务协同执行的成功率，同时，减少能耗，进一步提高网络服务质量。