可穿戴電子設(shè)備通信終端自適應(yīng)負(fù)載均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張璐璐，張帆

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南鄭州 450044）

在各種工業(yè)現(xiàn)場，可穿戴電子設(shè)備通信終端的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外都直接利用了分布式系統(tǒng)的資源，極大地提高了工程師的工作能力和效率。以可穿戴電子設(shè)備為基礎(chǔ)的通信終端，目前大多數(shù)都是以廣播或循環(huán)方式獲取負(fù)載信息，該過程占用大量資源，通信效率較低。對于特殊的環(huán)境，更適合采用平衡策略的情況，研究者們對此進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)分布式負(fù)載并行任務(wù)計(jì)算系統(tǒng)，為了提高該系統(tǒng)的容錯(cuò)性，引入了分布式索引方式來獲取數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)故障節(jié)點(diǎn)檢測機(jī)制，優(yōu)化查詢模塊，提高了用戶查詢效率；針對可穿戴設(shè)備，文獻(xiàn)[2]提出了一種高速低延遲無線MAC 協(xié)議?；趹?yīng)用場景需求，通過指標(biāo)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)優(yōu)先機(jī)制，降低了系統(tǒng)延遲，對系統(tǒng)的有效性、延遲等指標(biāo)進(jìn)行了定量分析，在指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)級模型的建立和仿真。然而，這兩種方法因缺乏移動(dòng)性和自主性，不僅增加了通信次數(shù)，還無法完善負(fù)載信息提取策略，為此設(shè)計(jì)了可穿戴電子設(shè)備通信終端自適應(yīng)負(fù)載均衡系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可穿戴電子設(shè)備通信終端是直接穿戴在身上或與使用者的衣服或配件結(jié)合使用的便攜式裝置[3-4]。通過軟件支持、數(shù)據(jù)交互、云交互等功能，實(shí)現(xiàn)了可穿戴電子設(shè)備通信終端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)圖1 可知，動(dòng)態(tài)化負(fù)載平衡系統(tǒng)包括調(diào)度器和所連接的服務(wù)器集群，該集群包括服務(wù)器虛擬化模塊、服務(wù)器狀態(tài)采集模塊、負(fù)載均衡模塊、實(shí)時(shí)性能指標(biāo)采集模塊，模塊設(shè)計(jì)如下。

1.1 服務(wù)器虛擬化模塊

服務(wù)器虛擬化模塊使用了虛擬化技術(shù)，通過整合各種計(jì)算資源和存儲(chǔ)空間，高效地利用虛擬化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡。虛擬技術(shù)允許終端用戶使用云計(jì)算平臺(tái)在任意位置和任何終端設(shè)備上提供服務(wù)[5]。

圖2 為服務(wù)器虛擬化模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 服務(wù)器虛擬化模塊

由圖2 可知，服務(wù)器虛擬化模塊是系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建和應(yīng)用研究的重點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)過程、存儲(chǔ)過程以及應(yīng)用過程的虛擬化。

服務(wù)器虛擬化模塊可為多個(gè)服務(wù)器實(shí)例，其中包括：

1）計(jì)算機(jī)虛擬化

將一條計(jì)算機(jī)指令分成四個(gè)子權(quán)限，在一臺(tái)機(jī)器上通過虛擬機(jī)的最高權(quán)限運(yùn)行相關(guān)程序[6]。在沒有權(quán)限的虛擬監(jiān)控過程中，需要截獲計(jì)算機(jī)指令異常情況，并且允許虛擬監(jiān)控過程擁有計(jì)算機(jī)控制權(quán)限[7]。

2）存儲(chǔ)器虛擬化

虛擬機(jī)監(jiān)視器用于保持主機(jī)物理地址與其他設(shè)備物理地址間的映射[8]，該監(jiān)視器在虛擬機(jī)無法訪問主機(jī)物理地址時(shí)，通過使用一個(gè)映射來獲取主機(jī)內(nèi)存。

1.2 服務(wù)器狀態(tài)采集模塊

采用編碼器信號采集裝置，信號采集單元包括至少一個(gè)推挽式信號采集模塊和至少一個(gè)RS422 信號采集模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 服務(wù)器狀態(tài)采集結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，在編碼器中，信號采集模塊能夠同時(shí)或選擇性地從不同編碼器中采集信號，具有較高的可擴(kuò)展性能。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號的就近采集和遠(yuǎn)程采集控制，抗干擾性能較強(qiáng)[9-10]。

1.3 負(fù)載均衡模塊

可穿戴電子設(shè)備通信終端數(shù)據(jù)中心通常采用負(fù)載均衡的硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集群的負(fù)載均衡功能[11]。

圖4 顯示了負(fù)載均衡模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞呢?fù)載均衡模塊

由圖4 可知，該模塊中使用Linux 內(nèi)核，為客戶機(jī)提供應(yīng)用程序服務(wù)[12]。當(dāng)客戶機(jī)向主機(jī)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求指令時(shí)，該模塊會(huì)通過應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層，檢測服務(wù)器的負(fù)載，并向性能最好的服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求[13]。

1.4 實(shí)時(shí)性能指標(biāo)采集模塊

實(shí)時(shí)性能指標(biāo)可以測試計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小、可用磁盤空間大小、I/O 使用情況以及帶寬使用情況，這些指標(biāo)能夠?yàn)椴煌?wù)器提供參數(shù)服務(wù)，主要從探針監(jiān)測模塊、接收模塊以及計(jì)時(shí)觸發(fā)模塊進(jìn)行分析。

1）探針監(jiān)測模塊

每個(gè)服務(wù)器上都安裝了探針監(jiān)測模塊，對應(yīng)不同服務(wù)器上的實(shí)時(shí)性能指標(biāo)。

2）接收模塊

在調(diào)度程序上安裝接收設(shè)備，可以實(shí)時(shí)獲得性能指標(biāo)，主要用于服務(wù)器的反饋和接收[14]。

3）計(jì)時(shí)觸發(fā)模塊

計(jì)時(shí)觸發(fā)模塊可以根據(jù)設(shè)定的頻率發(fā)送相應(yīng)的性能指標(biāo)，并根據(jù)所獲得的指令捕獲系統(tǒng)反饋結(jié)果。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

在分布式系統(tǒng)中，負(fù)載平衡可以有效地平衡節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，負(fù)載平衡技術(shù)可以提高系統(tǒng)性能和資源利用率，降低用戶關(guān)注任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間[15]。

2.1 負(fù)載均衡處理需求分析

采集可穿戴電子設(shè)備通信終端中的等待響應(yīng)請求，設(shè)nij表示通信終端i中第j類等待響應(yīng)的請求信號數(shù)量；Mi表示可穿戴電子設(shè)備通信終端i中等待響應(yīng)的請求信號數(shù)量，描述公式為：

式中，K表示請求次數(shù)，m表示服務(wù)器數(shù)量。

基于此，獲取的可穿戴電子設(shè)備通信終端等待響應(yīng)請求占總請求的百分比，計(jì)算結(jié)果如下所示：

式中，Ei表示通信終端等待響應(yīng)的實(shí)際信號數(shù)量[16]。

設(shè)ωi描述了通信終端硬件性能權(quán)重，大小可以根據(jù)通信終端的運(yùn)行性能設(shè)置測試軟件。其中，Ri表示可穿戴電子設(shè)備通信終端實(shí)時(shí)性能指標(biāo)，公式為：

將可穿戴電子設(shè)備通信終端實(shí)時(shí)性能指標(biāo)提交到負(fù)載均衡模塊中，并將可穿戴電子設(shè)備通信終端中等待響應(yīng)的請求通知給各個(gè)服務(wù)器。根據(jù)當(dāng)前計(jì)算的請求數(shù)量，分析通信終端是否需要進(jìn)行負(fù)載均衡處理。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，通信終端拒絕請求；反之，則接受請求，并進(jìn)行負(fù)載均衡處理。

2.2 自適應(yīng)負(fù)載信息更新

根據(jù)負(fù)載均衡處理需求判斷結(jié)果，及時(shí)對通信終端中的信息進(jìn)行負(fù)載信息更新，能夠有效減少信息的浪費(fèi)。當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互時(shí)，需通過廣播方式傳遞負(fù)載信號。在該過程中，不同節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的負(fù)載信息更新數(shù)量可表示為：

式中，g表示通信終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)該數(shù)值足夠大時(shí)，大量負(fù)載信息需及時(shí)更新，提升通信終端性能。

通過計(jì)算的負(fù)載信息更新數(shù)量，可設(shè)計(jì)負(fù)載信息更新流程，如圖5 所示。

由圖5 可知，充分考慮某個(gè)節(jié)點(diǎn)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)的情況，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)負(fù)載處于最大值，無需再進(jìn)行負(fù)載信息更新，繼續(xù)處理下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，由此完成通信終端的負(fù)載均衡處理。

圖5 自適應(yīng)負(fù)載信息更新流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

向通信終端輸入ID 后登錄系統(tǒng)，用戶確定目標(biāo)，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后用戶執(zhí)行相關(guān)操作。

此時(shí)，用戶界面相關(guān)信息如表1 所示。

表1 用戶界面相關(guān)信息

選擇局域網(wǎng)中的10 個(gè)通信終端，對這10 個(gè)終端分別編號處理。在Master 上創(chuàng)建主容器，并創(chuàng)建提取通信信息。Master 主機(jī)所發(fā)送的通信信息通過服務(wù)器傳遞給其他終端，記錄該過程所耗費(fèi)的時(shí)間。在上述情況下測試80 次，將這80 次劃分為8 段，每段10 次，計(jì)算這8 段的平均信息提取時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。

由圖6 可知，在靜態(tài)環(huán)境下，每次采集信息所耗費(fèi)的時(shí)間在前5 段號時(shí)間波動(dòng)性較大，而在后3 段號時(shí)間波動(dòng)性較小，這說明可穿戴電子設(shè)備通信終端在前期運(yùn)行過程中穩(wěn)定性較差，后期比較穩(wěn)定。在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，每次采集信息所耗費(fèi)的時(shí)間在前3 段號與后5 段號相比時(shí)間波動(dòng)性較大，后5 段號時(shí)間波動(dòng)性基本處于穩(wěn)定變化狀態(tài)。

圖6 信息提取時(shí)間分析

在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境下，分別使用文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)和自適應(yīng)負(fù)載均衡系統(tǒng)，對比分析信息提取所耗費(fèi)的時(shí)間，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 三種方法信息提取時(shí)間對比分析

由圖7（a）可知，使用文獻(xiàn)方法信息提取時(shí)間波動(dòng)性較大，而使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息提取時(shí)間波動(dòng)性較小，甚至比實(shí)際平均信息提取時(shí)間更少，2 段號下的提取時(shí)間為260 ms，比實(shí)際時(shí)間少30 ms。由圖7（b）可知，使用文獻(xiàn)方法信息提取時(shí)間波動(dòng)性一直不穩(wěn)定，且波動(dòng)范圍較廣，而使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息提取時(shí)間波動(dòng)性非常小，基本一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，在1 段號下的提取時(shí)間為351 ms，比實(shí)際時(shí)間少14 ms。

4 結(jié)束語

在移動(dòng)設(shè)備負(fù)載信息提取和數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了一種可穿戴電子設(shè)備通信終端自適應(yīng)負(fù)載均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。其主要思想是源節(jié)點(diǎn)開始提取負(fù)載信息，遷移到可穿戴電子設(shè)備通信的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，通過移動(dòng)交互和數(shù)據(jù)更新等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。將結(jié)果返回到源節(jié)點(diǎn)，從而減少了通信時(shí)間，節(jié)約了系統(tǒng)資源。