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

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，研究者們對此進行了分析，文獻[1]設(shè)計了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)分布式負載并行任務(wù)計算系統(tǒng)，為了提高該系統(tǒng)的容錯性，引入了分布式索引方式來獲取數(shù)據(jù)，通過設(shè)計故障節(jié)點檢測機制，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[2]提出了一種高速低延遲無線MAC 協(xié)議。基于應(yīng)用場景需求，通過指標設(shè)計和數(shù)據(jù)優(yōu)先機制，降低了系統(tǒng)延遲，對系統(tǒng)的有效性、延遲等指標進行了定量分析，在指標的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)級模型的建立和仿真。然而，這兩種方法因缺乏移動性和自主性，不僅增加了通信次數(shù)，還無法完善負載信息提取策略，為此設(shè)計了可穿戴電子設(shè)備通信終端自適應(yīng)負載均衡系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，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，動態(tài)化負載平衡系統(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、負載均衡模塊、實時性能指標采集模塊，模塊設(shè)計如下。

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)，通過整合各種計算資源和存儲空間，高效地利用虛擬化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)負載均衡。虛擬技術(shù)允許終端用戶使用云計算平臺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，能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)過程、存儲過程以及應(yīng)用過程的虛擬化。

服務(wù)器虛擬化模塊可為多個服務(wù)器實例，其中包括：

1）計算機虛擬化

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

2）存儲器虛擬化

虛擬機監(jiān)視器用于保持主機物理地址與其他設(shè)備物理地址間的映射[8]，該監(jiān)視器在虛擬機無法訪問主機物理地址時，通過使用一個映射來獲取主機內(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推挽式信號采集模塊和至少一個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或選擇性地從不同編碼器中采集信號，具有較高的可擴展性能。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電機轉(zhuǎn)速信號的就近采集和遠程采集控制，抗干擾性能較強[9-10]。

1.3 負載均衡模塊

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

圖4 顯示了負載均衡模塊的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的負載均衡模塊

由圖4 可知，該模塊中使用Linux 內(nèi)核，為客戶機提供應(yīng)用程序服務(wù)[12]。當客戶機向主機發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求指令時，該模塊會通過應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層，檢測服務(wù)器的負載，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 實時性能指標采集模塊

實時性能指標可以測試計算機內(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，這些指標能夠為不同服務(wù)器提供參數(shù)服務(wù)，主要從探針監(jiān)測模塊、接收模塊以及計時觸發(fā)模塊進行分析。

1）探針監(jiān)測模塊

每個服務(wù)器上都安裝了探針監(jiān)測模塊，對應(yīng)不同服務(wù)器上的實時性能指標。

2）接收模塊

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

3）計時觸發(fā)模塊

計時觸發(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，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

在分布式系統(tǒng)中，負載平衡可以有效地平衡節(jié)點的負載，負載平衡技術(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)時間[15]。

2.1 負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，計算結(jié)果如下所示：

式中，Ei表示通信終端等待響應(yīng)的實際信號數(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)備通信終端實時性能指標，公式為：

將可穿戴電子設(shè)備通信終端實時性能指標提交到負載均衡模塊中，并將可穿戴電子設(shè)備通信終端中等待響應(yīng)的請求通知給各個服務(wù)器。根據(jù)當前計算的請求數(shù)量，分析通信終端是否需要進行負載均衡處理。當達到設(shè)定的閾值時，通信終端拒絕請求；反之，則接受請求，并進行負載均衡處理。

2.2 自適應(yīng)負載信息更新

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

式中，g表示通信終端節(jié)點數(shù)量。當該數(shù)值足夠大時，大量負載信息需及時更新，提升通信終端性能。

通過計算的負載信息更新數(shù)量，可設(shè)計負載信息更新流程，如圖5 所示。

由圖5 可知，充分考慮某個節(jié)點處于滿負荷工作狀態(tài)的情況，認為該節(jié)點負載處于最大值，無需再進行負載信息更新，繼續(xù)處理下一個節(jié)點，由此完成通信終端的負載均衡處理。

圖5 自適應(yīng)負載信息更新流程

3 實驗分析

向通信終端輸入ID 后登錄系統(tǒng)，用戶確定目標，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，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 個通信終端，對這10 個終端分別編號處理。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，記錄該過程所耗費的時間。在上述情況下測試80 次，將這80 次劃分為8 段，每段10 次，計算這8 段的平均信息提取時間，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的時間在前5 段號時間波動性較大，而在后3 段號時間波動性較小，這說明可穿戴電子設(shè)備通信終端在前期運行過程中穩(wěn)定性較差，后期比較穩(wěn)定。在動態(tài)環(huán)境下，每次采集信息所耗費的時間在前3 段號與后5 段號相比時間波動性較大，后5 段號時間波動性基本處于穩(wěn)定變化狀態(tài)。

圖6 信息提取時間分析

在靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境下，分別使用文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)和自適應(yīng)負載均衡系統(tǒng)，對比分析信息提取所耗費的時間，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 三種方法信息提取時間對比分析

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

4 結(jié)束語

在移動設(shè)備負載信息提取和數(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)負載均衡系統(tǒng)的設(shè)計方法。其主要思想是源節(jié)點開始提取負載信息，遷移到可穿戴電子設(shè)備通信的各個節(jié)點之間，通過移動交互和數(shù)據(jù)更新等方式進行數(shù)據(jù)更新。將結(jié)果返回到源節(jié)點，從而減少了通信時間，節(jié)約了系統(tǒng)資源。