多任务及平台约束下边缘计算异构资源诚实分配方法

本发明属于边缘计算，更为具体地讲，涉及一种多任务及平台约束下边缘计算异构资源诚实分配方法。

背景技术：

1、随着物联网的快速发展，边缘计算作为物联网的重要组成部分，给终端设备提供计算和存储服务。边缘计算相对于云计算，提供了更低的网络延时，更低的网络带宽占用、更高的隐私需求和更低的能耗。终端设备上的资源密集型任务和计算密集型任务可以上传到边缘服务器上远程执行，以减少运行时间和降低终端设备的能耗。边缘计算的应用前景越来越广泛，如车联网、智慧城市、智能家居、光伏发电、智能交通、虚拟现实等多个应用领域。边缘计算中的资源分配策略直接影响到边缘服务器上的资源使用效率、任务质量保证和用户体验。此外，合理的资源定价策略直接影响到边缘服务提供商的收益和用户满意度，因此，如何有效分配和定价成为边缘计算技术的关键之一。

2、针对越来越复杂的边缘计算分配环境，有一些实际问题急需解决，主要体现在：①多任务问题：一个终端设备往往有多个应用程序，而一个应用程序可能有多个任务需要同时运行；②部分分配问题：一台终端设备常常被多个网络接入点覆盖，则终端设备的不同任务能上传到不同的边缘服务器上运行从而提高资源使用率；③带限制的全部分配问题：一个终端设备的多个任务之间有关联，需要全部上传到一个边缘服务器上运行；④不带限制的全部分配问题：一个终端设备的多个任务之间无关联，需要全部上传但可以上传到不同的边缘服务器上执行；⑤平台约束问题：如基于安卓平台的应用程序不能直接在苹果平台上运行，基于高版本系统开发的应用程序不能在低版本的系统上运行。然而现有的技术缺乏对多任务及平台约束下的分配方法，因此需要寻求一种高效的资源分配方法用于多任务及平台约束下边缘计算异构资源分配。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多任务及平台约束下边缘计算异构资源诚实分配方法，通过设计诚实的拍卖机制解决多任务情况下的边缘服务器的异构资源分配问题，提高经济效益。

2、为了实现上述发明目的，本发明多任务及平台约束下边缘计算异构资源诚实分配方法包括以下步骤：

3、s1：边缘服务提供商获取边缘计算系统中的相关数据，包括：

4、边缘服务器集合m，记每个边缘服务器m的cpu每秒周期数为fm，m∈m，每个边缘服务器m可用资源量为cm＝{cm1,…,cmr}，cmr表示边缘服务器m中第r种资源的可使用量，r∈r，r表示资源集合；记每个边缘服务器m的平台约束集合为lm，其中元素表示边缘服务器m提供的应用平台；

5、用户集合n，将用户集合n划分为三个用户集合nfs、nfn和np，其中集合nfs中的用户是带限制的全部分配，即用户的任务需要全部上传到同一个边缘服务器上执行；集合nfn中的用户是无限制的全部分配，即用户的任务需要全部上传，但可以上传到不同的边缘服务器上执行；集合np中的用户是部分分配，即用户的任务可以部分上传执行；

6、s2：记用户i的任务集合为ti，每个用户i向边缘服务提供商提交其每个任务t的资源需求向量其中，t∈ti，wit表示用户i的任务t的cpu周期需求数，lit表示用户i的任务t的平台约束需求，ditr表示用户i的任务t对第r个资源的需求量，用户i的任务t的截止时间；集合nfs和集合nfn中的用户i对所有任务进行统一出价，出价记为bi，集合np中的用户i对每个任务t分别出价，出价记为bit；

7、边缘服务提供商对所有用户的资源需求进行汇总，并根据用户的位置到每个边缘服务器m的网络接入点覆盖范围内的用户集合gm；

8、s3：边缘服务提供商根据用户提交的资源需求进行边缘资源分配，包括以下步骤：

9、s3.1：初始化每个用户i的任务t到边缘服务器m的传输时间如果令如果i∈gm，则根据用户i与边缘服务器m之间的距离计算传输时间；

10、初始化用户i的任务t在边缘服务器m上的最小cpu周期需求数为fitm，如果fitm＝+∞，否则采用如下公式计算最小cpu周期需求数fitm：

11、

12、然后基于最小cpu周期需求数为fitm计算集合np中的用户i的任务t在边缘服务器m上的初始单位资源出价πitm：

13、

14、计算集合nfs∪nfn中的用户i的任务的初始单位资源出价πi：

15、

16、初始化分配变量初始化用户资源分配标识

17、初始化每个边缘服务器m的资源临时变量临时cpu每秒周期数

18、s3.2：根据用户提交的资源需求生成任务集合t：

19、t＝{(i,t,m):xitm＝0,lit∈lm,i∈gm,i∈np}

20、∪{(i,0,0):zi＝0,lit∈lm,i∈gm,i∈nfs∪nfn}

21、初始化任务集合t′＝t；

22、s3.3：选取当前任务集合t′中的首个任务，并将其从任务集合t′中删除；

23、s3.4：如果该任务为(i,t,m)，则该用户的任务分配为部分分配，进入步骤s3.5；

24、如果该任务是(i,0,0)，且i∈nfs，则该用户的任务分配为带限制的部分分配，进入步骤s3.6；

25、如果该任务是(i,0,0)，且i∈nfn，则该用户的任务分配为无限制的全部分配，进入步骤s3.7；

26、s3.5：更新任务集合判断边缘服务器m的可用资源量是否满足要求：如果不满足要求，则不进行分配，否则将用户i的任务t分配至边缘服务器m，即令用户分配标识xitm＝1，更新边缘服务器m上的资源可用量然后进入步骤s3.8；

27、s3.6：逐一选取边缘服务器集合m中的边缘服务器m，判断边缘服务器m是否满足用户i的所有任务的需求：如果所有边缘服务器都不满足要求，则不行分配，一旦有一个边缘服务器m满足要求，则将用户i的所有任务均分配至边缘服务器m，即令分配任务数yim＝|ti|、用户资源分配标识zi＝1和分配变量然后更新边缘服务器m的可用资源量

28、进入步骤s3.8；

29、s3.7：逐一选取集合ti中的任务t，然后逐一选取集合m中的边缘服务器m，判断边缘服务器m是否满足用户i的任务t的需求如果所有边缘服务器都不满足要求，则不行分配，一旦有一个边缘服务器m满足要求，则将用户i的任务t分配至边缘服务器m，令分配变量xitm＝1，更新服务器资源

30、判断用户i的所有任务是否都获得资源，即判断是否如果是，则令用户资源分配标识zi＝1，否则说明有任务未分配成功，收回已分配资源，具体方法为：更新然后令分配变量

31、进入步骤s3.8；

32、s3.8：判断当前用户集合t′是否为空，如果不为空，说明分配尚未完成，返回步骤s3.3，否则分配完成，进入步骤s3.9；

33、s3.9：根据分配变量xitm确定资源分配方案，即当xitm＝1表示用户i的任务t上传到边缘服务器m上执行，当xitm＝0表示用户i的任务t不上传到边缘服务器m上执行；

34、s4：基于关键任务计算实际支付价格，包括以下步骤：

35、s4.1：从用户集合n中选取用户i，并更新用户集合n＝n\{i}；

36、s4.2：判断用户i是否获得资源分配，如果是，进入步骤s4.3，否则进入步骤s4.4；是否获得资源分配的判断方法为：

37、如果i∈np，逐一选取用户i的任务t，如果所有用户分配标识xitm＝0，即没有任何任务获得资源，则用户i未获得资源分配，否则用户i获得资源分配。如果i∈nfs∪nfn，如果用户资源分配标识zi＝0，则用户i未获得资源分配，否则用户i获得资源分配；

38、s4.3：如果i∈np，令用户i的各个任务t的实际支付价格pit＝0，如果i∈nfs∪nfn，则令用户i的实际支付价格pi＝0；进入步骤s4.6；

39、s4.4：若是np中的用户i，则在集合t中剔除所有关于用户i的任务t的信息：若是集合nfs∪nfn中的用户i，则在集合t中剔除所有关于用户i的信息：t″＝t\{(i,0,0)}；

40、然后针对任务集合t″采用步骤s3中的相同方法模拟资源分配过程，每当有任务实现资源分配，即某个任务在边缘服务器m上获得资源时，更新边缘服务器m可用资源后，需要判断所有边缘服务器上的可用资源是否能满足用户i的要求：

41、如果i∈np，则判断是否满足如果满足，则所有边缘服务器上的可用资源是否能满足用户i的要求，否则不满足；

42、如果i∈nfs，则判断是否满足：则所有边缘服务器上的可用资源是否能满足用户i的要求，否则不满足；

43、如果i∈nfn，则选取用户i的每个任务t，逐一选取边缘服务器m，若满足条件则将任务t分配在边缘服务器m并更新可用资源量，然后选择下一个任务；若条件不满足，则选择下一个边缘服务器m；若所有边缘服务器都不满足，则说明所有边缘服务器上的可用资源不能满足要求，否则满足；

44、如果所有边缘服务器上的可用资源能满足用户i的要求，则选择任务集合t″中下一个任务进行资源分配；一旦有任务集合t″中任务模拟分配后所有边缘服务器上的可用资源不能满足用户i的要求，则当前所进行资源分配的任务是关键任务；

45、s4.5：如果关键任务所对应的用户i′属于集合np，则记关键任务为(i′,t′,m)，令单位资源出价π＝πi′t′m，如果关键任务所对应的用户i′属于集合nfs∪nfn，令单位资源出价π＝πi′；

46、如果i∈np，则采用如下公式计算用户i的各个任务t的实际支付价格pit：

47、

48、如果i∈nfs∪nfn，则采用如下公式计算用户i的实际支付价格pi：

49、

50、s4.6：判断所有用户的实际支付价格是否计算完成，如果计算完成，则结束，否则返回步骤s4.1；

51、s5：边缘服务提供商向分配变量xitm＝1的用户下发上传任务指令并发送实际支付价格，xitm＝1的用户i将任务t上传到边缘服务器m上远程执行，同时用户向边缘服务提供商支付价格。

52、本发明多任务及平台约束下边缘计算异构资源诚实分配方法，边缘服务提供商获取边缘计算系统中的相关数据，包括边缘服务器集合和用户集合以及边缘服务器和用户的相关参数，用户向边缘服务提供商上报资源需求，边缘服务提供商根据用户提交的资源需求进行边缘资源分配，在资源分配时按照任务的不同类型采用对应资源分配方法，然后基于关键任务计算实际支付价格，用户根据资源分配方案和计算得到实际支付价格进行任务上传和付款。

53、本发明具有如下技术效果：

54、(1)本发明适合于边缘计算中的多任务分配情况，并且对部分分配、带限制的全部分配和无限制的全部分配的应用场景都提供了高效的分配方法；

55、(2)本发明考虑平台约束的需求，比如苹果的应用任务不能在安卓的应用平台上直接运行，基于高版本的操作系统开发的应用程序不能在低版本的操作系统系统上运行的情况，具有实际应用意义；

56、(3)本发明将边缘资源分配与经济学中的拍卖定价机制相结合，能有效提高社会福利。