基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)

馬煜

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)信息化建設(shè)管理處，陜西咸陽 712046）

隨著大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，人們對于通信質(zhì)量的要求越來越嚴格，網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域不斷地升級通信拓撲結(jié)構(gòu)以便達到網(wǎng)絡(luò)通信暢通的效果。通信網(wǎng)絡(luò)由多個通信節(jié)點和傳輸鏈路共同組成，內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點之間的關(guān)系緊密，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)不能調(diào)用通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點，使得通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部邊緣節(jié)點失去計算的意義，整體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要性不具有說明性，導(dǎo)致計算結(jié)果不具有真實性，影響通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的制定，從而導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量[1-2]下降。

為了解決以上問題，該文采用邊緣計算算法，保證通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)邊緣的節(jié)點具有計算意義，在通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域，突破傳統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和理念，完成系統(tǒng)的更新設(shè)計，通過分析邊緣計算技術(shù)的核心，設(shè)計通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)，系統(tǒng)集成的目的是檢索通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信節(jié)點對于附屬通信網(wǎng)絡(luò)性能的重要度，提高網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。通過實驗分析，檢驗了基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)的性能達到該文預(yù)期設(shè)計的目標，可以進行推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文設(shè)計的基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)硬件由介質(zhì)轉(zhuǎn)換器、存儲器和處理器3部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 介質(zhì)轉(zhuǎn)換器

在基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)硬件區(qū)域，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的功能是將通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同的介質(zhì)格式信息轉(zhuǎn)化為信號格式信息，簡化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點重要度的計算流程[3-4]。

該文選擇DF2 型號的介質(zhì)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用電子G13/AD 16 位的單片機，有效工作電壓為3.5 V，器件工作的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議，可以保證節(jié)點數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換的安全性。介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的工作速率為68 mbps，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器通過RS232 接口連接電源，器件的運行功率為30 W，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器通過介質(zhì)轉(zhuǎn)換器電路與其他硬件器件相互連接[5-7]，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器電路圖如圖2 所示。

圖2 介質(zhì)轉(zhuǎn)換器電路圖

介質(zhì)轉(zhuǎn)換器可以使系統(tǒng)的PCLE 通道數(shù)量達到40個，熱功率的均值為65 W，介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的工作模式兼容300 系列的硬件主板和芯片，提高了器件之間的協(xié)調(diào)性[8-9]。

1.2 存儲器

為了提高系統(tǒng)的運行速度，該文對于存儲器的唯一要求就是存儲空間大，為此該文選擇GK 存儲器，此存儲器的存儲空間為4×256 G，并且每個磁盤空間內(nèi)置4 個移動接入硬盤，達到提高存儲器運行速度的目的。GK 存儲器的成本低，并且加密性高，存儲器采用EEE802.11 通信協(xié)議，信息在存儲器調(diào)離30 天內(nèi)，都具有預(yù)留備份，防止出現(xiàn)意外[10-12]。存儲器的CAS 延遲時間為1 s，數(shù)據(jù)存儲錄入速度為4 nm/s，降低了存儲器的額外緩沖量[13-14]。

存儲器內(nèi)置芯片采用8 幀256 B 的DNS 芯片，具有超強的讀寫功能，存儲器的時鐘頻率為23 Hz，為了提高存儲器內(nèi)部資源的保密性，此存儲器特定設(shè)計差錯檢測，完成數(shù)據(jù)的加密。

1.3 處理器

處理器是系統(tǒng)硬件區(qū)域的核心器件，其主要功能是觸發(fā)系統(tǒng)硬件區(qū)域內(nèi)器件工作，維護系統(tǒng)的正常運行，另外處理系統(tǒng)內(nèi)部基本的運行進程。為了使處理器滿足以上功能的應(yīng)用，該文選擇麒麟995系列處理器，處理器的主頻為3.5 Hz，外頻為1.2 Hz，采用4 核16 線程的結(jié)構(gòu)[15]。處理器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 處理器結(jié)構(gòu)

麒麟處理器設(shè)計了12 MB 的緩沖空間，可以短期存儲故障狀態(tài)的進程，處理器主要的接口為USB接口、slot 接口以及無線傳輸接口。處理器集成數(shù)字分析、傳感運輸、浮點運算技術(shù)，提高了工作效率，處理器的工作電壓為1.2 V，工作電流為2 A，有效工作電阻為25 Ω。為了延長處理器的工作周期，選擇外接鋰電池，電池的容量為100 000 mA。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

邊緣計算并不是一種算法，而是一種由多個模塊共同集成的技術(shù)，主要存儲在應(yīng)用系統(tǒng)的邊緣區(qū)域，實現(xiàn)對硬件器件和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。邊緣計算的本質(zhì)是對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中邊緣空間內(nèi)數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點邊緣化，提高網(wǎng)絡(luò)通信的集成性。邊緣計算具有實時性和安全性，并且具有較高的計算能力，對于該文系統(tǒng)，邊緣計算主要由邊緣計算模型、計算操作系統(tǒng)、微服務(wù)器構(gòu)成。

邊緣計算模型是一種可編程的模型，因為網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的可變性，故其十分符合該文通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)的設(shè)計理念。邊緣計算模型主要維護通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的關(guān)系，使得通信網(wǎng)絡(luò)邊緣空間內(nèi)節(jié)點分布均衡，避免多極分化現(xiàn)象的出現(xiàn)。計算操作系統(tǒng)作用是控制通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部流動的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的有效管理，為邊緣計算提供虛擬機運行環(huán)境。服務(wù)器的功能是使邊緣計算技術(shù)與其他模塊和器件進行交互，提高邊緣計算的工作效率，微服務(wù)器采用松耦合、開源的工作模式。

通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分為主節(jié)點和末梢節(jié)點，末梢節(jié)點只占用通信網(wǎng)絡(luò)的空間，不具有節(jié)點應(yīng)具備的信息，因此為了提高通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算精度，該文首先要剔除通信網(wǎng)絡(luò)中的末梢節(jié)點[16]。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點和末梢節(jié)點的本質(zhì)和特點，采用全局信息指標的方式，提取出具有主節(jié)點指標的有效節(jié)點，具體通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點指標提取公式如下所示：

其中，P(i)/C(i)表示節(jié)點i的節(jié)點局部關(guān)鍵度；P(i)表示在節(jié)點i的鄰域中，任意節(jié)點對之間的最短路徑計算函數(shù)；C(i)表示在節(jié)點i的鄰域中，任意節(jié)點對之間的最短路徑數(shù)總和；Di為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i的度數(shù)，所有節(jié)點的度數(shù)組成向量D；BC為點介數(shù)向量；BCi表示節(jié)點i的點介數(shù)。在通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點全局指標計算中，點介數(shù)變量越大，節(jié)點可發(fā)展路徑越多。

通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要度直接影響通信網(wǎng)絡(luò)的通信效率，因此為了保證通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度的計算精度，該文設(shè)計的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算流程如圖4 所示。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算流程

首先，對提取的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主節(jié)點進行負載程度計算。在一個基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)，節(jié)點與新節(jié)點相互聯(lián)通后，兩個節(jié)點根據(jù)連接任務(wù)量自動增加一個負載內(nèi)存，以此類推，負載程度越大的節(jié)點，與外界節(jié)點和器件之間關(guān)聯(lián)越密切，對于通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要度越大。具體通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點歸一化計算公式如下所示：

其中，I(k)表示第k個節(jié)點的單位流量；D(a,d,k)表示節(jié)點a與節(jié)點d之間存在第k個任務(wù)量；L表示通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點a到節(jié)點d的傳輸路徑。

其次，根據(jù)節(jié)點的基本信息參數(shù)和負載程度，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算公式如下所示：

其中，ε表示節(jié)點對外的契合度；P表示通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點全部指標的關(guān)聯(lián)度；SI(i)表示經(jīng)過歸一化處理后節(jié)點i負載的業(yè)務(wù)重要度。

最后一步是對通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算結(jié)果進行校驗，校驗原理是移除通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，重新計算移除的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于通信網(wǎng)絡(luò)速率的影響，具體計算公式如下所示：

其中，N表示通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的個數(shù)；dij表示節(jié)點i與節(jié)點j的距離。

3 對比實驗分析

實驗選擇基于塑料光纖技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)（下文將該系統(tǒng)應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境統(tǒng)稱為通信網(wǎng)絡(luò)1）和基于多屬性決策計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)（下文將該系統(tǒng)應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境統(tǒng)稱為通信網(wǎng)絡(luò)2）作為實驗對照系統(tǒng)，輔助完成系統(tǒng)測試?；趯嶒灉y試的特殊性，為了保證測試區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行，該文利用計算機模擬器、交換機、路由器共同集成3 個與沈陽市聯(lián)通公司的某一線路的通信網(wǎng)絡(luò)相同的通信環(huán)境，每個環(huán)境內(nèi)通信拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置、信息都相同，使實驗結(jié)果具有可信性。實驗前將虛擬環(huán)境搭建成功，初始化3個系統(tǒng)，3個系統(tǒng)同時開始運行，當3個系統(tǒng)全部向虛擬環(huán)境的通信網(wǎng)絡(luò)中心提交內(nèi)部各個通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要度結(jié)果和相關(guān)參數(shù)時，實驗結(jié)束，工作人員整理實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。該文測試的中心思想是3 個通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)在相同的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境內(nèi)，分析并計算通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的信息和重要度，以測試系統(tǒng)計算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度完成的時間作為評價指標。對于虛擬通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際重要度，該文通過對通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進程節(jié)點進行移除，利用處理后的網(wǎng)絡(luò)通信速率，證明系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)的準確度。因為實驗環(huán)境的影響，該次實驗設(shè)計按照每個系統(tǒng)輸出的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度，去除重要度最小的一個節(jié)點和重要度最大的一個節(jié)點，使實驗測試結(jié)果具有唯一性，完成了實驗數(shù)據(jù)的分析。

完成實驗后，整理實驗過程中產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)以及實驗結(jié)束后處理得到的數(shù)據(jù)，不同方法下的計算時間如圖5 所示。

圖5 計算時間

1）3 個系統(tǒng)全部檢測出通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的全部節(jié)點，基于塑料光纖技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)最后提交結(jié)果，最先提交計算結(jié)果的是基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)；

2）按照對比測試實驗的檢驗流程，每個系統(tǒng)輸出結(jié)構(gòu)剔除一個最小重要度節(jié)點后，通信網(wǎng)絡(luò)1 的通信速率降低3%，通信網(wǎng)絡(luò)2 的通信速率降低1%，該文設(shè)計系統(tǒng)所附屬的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信速率降低了0.13%，可以忽略不計。在分別剔除每個系統(tǒng)計算結(jié)果中節(jié)點重要度最大的節(jié)點后，通信網(wǎng)絡(luò)1的通信速率降低了56%，通信網(wǎng)絡(luò)2 的通信速率降低了63%，該文設(shè)計系統(tǒng)所應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的通信速率降低了73%；對于上述得到的實驗數(shù)據(jù)，可以知道該文設(shè)計的基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)的計算精度高，達到該文區(qū)域設(shè)計的目的。

4 結(jié)論

該文系統(tǒng)的基礎(chǔ)是通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相對位置關(guān)系和關(guān)聯(lián)性。通過實驗證明了基于邊緣計算的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算系統(tǒng)的計算精度達到規(guī)范，這一結(jié)果主要依賴于系統(tǒng)軟件區(qū)域調(diào)用的邊緣計算技術(shù)、在通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度計算前對節(jié)點進行有效提取、重要性歸一化處理等方面，系統(tǒng)硬件區(qū)域的器件可以提供較好的運行基礎(chǔ)，從而提高了系統(tǒng)的運行效率。通過該文系統(tǒng)的集成設(shè)計，可以簡化通信網(wǎng)絡(luò)拓撲過程的復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量。