一种基于时延感知的心跳控制方法及分布式系统与流程

技术特征：
1.一种基于时延感知的心跳控制方法，其特征在于，应用于包括边缘节点、控制节点、中心节点以及将边缘节点连接至中心节点的可编程交换机的分布式系统中，所述方法包括以下步骤：边缘节点利用源路由机制将路径上经过的所有端口封装在心跳包中，经由可编程交换机将心跳包发送至中心节点；中心节点根据所收到的心跳包内带的遥测信息统计心跳包的总体时延，定期向网络内进行带内网络遥测更新链路延迟信息，并上报控制节点；控制节点根据当前网络的链路时延以及可编程交换机的负载，构建以最小化接收端接收数据量以及心跳包接收总时延为目标的优化问题并求解，并依据求解结果决定各节点组是否选择聚合该组的心跳包，以及该节点组选择哪一个交换机进行心跳包的聚合，其中节点组是指与同一边缘交换机直接相连的所有边缘节点，一个节点组中的所有节点只能选择同一个可编程交换机进行心跳包聚合，或者选择不聚合；可编程交换机对收到的心跳包进行包头解析，判断该心跳包是否需要在本交换机上进行聚合，如果需要，则判断当前已经聚合的心跳包数量是否达到聚合阈值，若未达到，则将该心跳包中的内容以比特流形式存储于对应队列中，若达到，则将对应队列的比特流取出，重新解析为心跳包，将解析后的心跳包存入心跳包的包头栈中；如果队列中还有未处理的心跳包，则利用可编程交换机的再循环机制，将该聚合心跳包重新发往入端口，让其重新经过包头处理流水线，直到该心跳包队列清空。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以最小化接收端接收数据量以及心跳包接收总时延为目标的优化问题如下：优化目标：min(n βt)其中，n表示接收端接收数据量，当选择聚合时总数据量为节点组的节点数量乘上聚合后单个心跳包的大小，而未聚合时总数据量还要加上每个心跳包包头的大小；t为所有心跳包的总体时延，当选择聚合时由三部分组成，第一部分是从节点组i到交换机j的最大时延，第二部分是心跳包聚合的额外时延，第三部分是从交换机j到主节点的时延，而选择不聚合时则是该节点组i到主节点的最大时延；β表示数据量与总体时延对优化目标影响的平衡系数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述优化目标的约束条件包括：i
i,j
∈{0,1},i
i
∈{0,1}
ꢀꢀ
公式(1)n＝∑
i∈g
|g
i
|[s
agg
i
i
(s
agg
s
h
)(1-i
i
)]
ꢀꢀ
公式(3)t＝∑
i∈g
∑
j∈s
{i
i,j
[b
i,j
c
j
a
j
] (1-i
i,j
)d
j
}
ꢀꢀ
公式(4)上述公式中，i
i,j
代表来自节点组i的心跳包是否选择在交换机j上聚合，i
i
代表节点组i的心跳包是否进行聚合，公式(1)表示这两个决策变量是二进制变量，取值是0或1；公式(2)表示每组至多只能选择一个交换机进行聚合，即只能选一个聚合点或者不聚合；公式(3)表示接收端数据量计算公式，g
i
代表节点组i所对应的节点集合，s
agg
代表聚合后的心跳包大小，s
h
代表包头的大小；公式(4)表示心跳包总体时延计算公式，b
i,j
代表了从节点组i发送心跳包到交换机j的时延，c
j
代表了在交换机j上进行心跳包聚合的开销，a
j
代表了从交换机
j发送聚合后心跳包到主节点的时延，d
i
代表了直接从节点组i将未聚合的心跳包发送到主节点的时延。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对优化问题的求解包括：将优化问题的决策变量的定义域限制放松，由整数域放松到实数域，整数规划变为线性规划：优化目标：min(n βt)约束条件：i
i,j
∈[0,1],i
i
∈[0,1]
ꢀꢀ
公式(5)n＝∑
i∈g
|gi|[s
agg
i
i
(s
agg
s
h
)(1-i
i
)]
ꢀꢀ
公式(7)t＝∑
i∈g
∑
j∈s
{i
i,j
[b
i,j
c
j
a
j
] (1-i
i,j
)d
j
}
ꢀꢀ
公式(8)式中，仅公式(5)与原问题的公式(1)不同，该约束条件将原本只能取值为0，1的二元决策变量松弛为取值为[0,1]间的实数域；在放松了决策变量的定义域之后，采用实数域上的内点法求解技术对线性规划问题进行求解，得到实数域结果5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实数域结果在实际产生决策时，先采用整形化舍入的方法将实数域结果变为整数域结果。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述整形化舍入的方法包括：将得到的决策变量的取值结果视为节点组i是否选择聚合的概率，该值越大越倾向于聚合，在[0,1]间选取一个随机数x
i
，当x
i
小于时，让i
i
舍入到1，表示决定聚合，而当x
i
大于时，则令i
i
等于0，表示选择不聚合；在选择聚合时，由限制条件∑
j
i
i,j
＝i
i
可知，该随机数x
i
小于对于任意的交换机k来说，当且仅当x
i
落入区间中时，i
i,k
＝1，表示节点组i选择交换机k作为心跳包聚合点，否则i
i,k
＝0，表示节点组i不选择交换机k作为心跳包聚合点，其中u包含了所有编号小于k的交换机，而v包含了所有编号小于等于k的交换机。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，心跳包由sr源路由包头控制路径，由心跳包聚合包头agg定义聚合包头。8.一种分布式系统，包括边缘节点、控制节点、中心节点以及将边缘节点连接至中心节点的可编程交换机；边缘节点，利用源路由机制，将路径上经过的所有端口封装在心跳包中，经由可编程交换机将心跳包发送至中心节点；中心节点，根据所收到的心跳包内带的遥测信息统计心跳包的总体时延，定期向网络内进行带内网络遥测更新链路延迟信息，并上报控制节点；控制节点，根据当前网络的链路时延以及可编程交换机的负载，构建以最小化接收端接收数据量以及心跳包接收总时延为目标的优化问题并求解，并依据求解结果决定各节点组是否选择聚合该组的心跳包，以及该节点组选择哪一个交换机进行心跳包的聚合，其中节点组是指与同一边缘交换机直接相连的所有边缘节点，一个节点组中的所有节点只能选
择同一个可编程交换机进行心跳包聚合，或者选择不聚合；可编程交换机，在接收到节点组的心跳包时对包头进行解析，判断该心跳包是否需要在本交换机上进行聚合，如果需要，则判断当前已经聚合的心跳包数量是否达到聚合阈值，若未达到，则将该心跳包中的内容以比特流形式存储于对应队列中，若达到，则将对应队列的比特流取出，重新解析为心跳包，将解析后的心跳包存入心跳包的包头栈中；如果队列中还有未处理的心跳包，则利用可编程交换机的再循环机制，将该聚合心跳包重新发往入端口，让其重新经过包头处理流水线，直到该心跳包队列清空。

技术总结
本发明公开了一种基于时延感知的心跳控制方法及分布式系统，所述方法根据当前网络的链路时延以及可编程交换机的负载，构建以最小化接收端接收数据量以及心跳包接收总时延为目标的优化问题并求解，并依据求解结果决定各节点组是否选择聚合该组的心跳包，以及该节点组选择哪一个交换机进行心跳包的聚合，然后基于求解结果在交换机上进行心跳包的聚合操作。本发明从网络层面优化心跳机制，可以在不调整分布式系统心跳间隔的前提下，实现大幅度减少主节点接收的数据量，控制整体时延，从而达到大幅优化整体系统性能的目标。大幅优化整体系统性能的目标。大幅优化整体系统性能的目标。


技术研发人员：顾颖程 杜元翰 程环宇 刘凯 许梦晗 宋玉 苏晨玮 王钦辉
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司信息通信分公司
技术研发日：2022.10.23
技术公布日：2023/1/31