可穿戴电子设备通信终端自适应负载均衡系统设计

2023-03-10张璐璐张帆

电子设计工程 2023年5期

张璐璐，张帆

（郑州工程技术学院信息工程学院，河南郑州 450044）

在各种工业现场，可穿戴电子设备通信终端的应用越来越广泛，国内外都直接利用了分布式系统的资源，极大地提高了工程师的工作能力和效率。以可穿戴电子设备为基础的通信终端，目前大多数都是以广播或循环方式获取负载信息，该过程占用大量资源，通信效率较低。对于特殊的环境，更适合采用平衡策略的情况，研究者们对此进行了分析，文献[1]设计了一种嵌入式网络分布式负载并行任务计算系统，为了提高该系统的容错性，引入了分布式索引方式来获取数据，通过设计故障节点检测机制，优化查询模块，提高了用户查询效率；针对可穿戴设备，文献[2]提出了一种高速低延迟无线MAC 协议。基于应用场景需求，通过指标设计和数据优先机制，降低了系统延迟，对系统的有效性、延迟等指标进行了定量分析，在指标的基础上进行系统级模型的建立和仿真。然而，这两种方法因缺乏移动性和自主性，不仅增加了通信次数，还无法完善负载信息提取策略，为此设计了可穿戴电子设备通信终端自适应负载均衡系统。

1 系统硬件结构设计

可穿戴电子设备通信终端是直接穿戴在身上或与使用者的衣服或配件结合使用的便携式装置[3-4]。通过软件支持、数据交互、云交互等功能，实现了可穿戴电子设备通信终端的硬件结构设计，如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

根据图1 可知，动态化负载平衡系统包括调度器和所连接的服务器集群，该集群包括服务器虚拟化模块、服务器状态采集模块、负载均衡模块、实时性能指标采集模块，模块设计如下。

1.1 服务器虚拟化模块

服务器虚拟化模块使用了虚拟化技术，通过整合各种计算资源和存储空间，高效地利用虚拟化技术，能够实现负载均衡。虚拟技术允许终端用户使用云计算平台在任意位置和任何终端设备上提供服务[5]。

图2 为服务器虚拟化模块结构示意图。

图2 服务器虚拟化模块

由图2 可知，服务器虚拟化模块是系统架构构建和应用研究的重点，能够实现服务过程、存储过程以及应用过程的虚拟化。

服务器虚拟化模块可为多个服务器实例，其中包括：

1）计算机虚拟化

将一条计算机指令分成四个子权限，在一台机器上通过虚拟机的最高权限运行相关程序[6]。在没有权限的虚拟监控过程中，需要截获计算机指令异常情况，并且允许虚拟监控过程拥有计算机控制权限[7]。

2）存储器虚拟化

虚拟机监视器用于保持主机物理地址与其他设备物理地址间的映射[8]，该监视器在虚拟机无法访问主机物理地址时，通过使用一个映射来获取主机内存。

1.2 服务器状态采集模块

采用编码器信号采集装置，信号采集单元包括至少一个推挽式信号采集模块和至少一个RS422 信号采集模块，其结构如图3 所示。

图3 服务器状态采集结构

由图3 可知，在编码器中，信号采集模块能够同时或选择性地从不同编码器中采集信号，具有较高的可扩展性能。该模块能够实现电机转速信号的就近采集和远程采集控制，抗干扰性能较强[9-10]。

1.3 负载均衡模块

可穿戴电子设备通信终端数据中心通常采用负载均衡的硬件设备来实现系统集群的负载均衡功能[11]。

图4 显示了负载均衡模块的网络拓扑结构。

图4 基于网络拓扑的负载均衡模块

由图4 可知，该模块中使用Linux 内核，为客户机提供应用程序服务[12]。当客户机向主机发送网络请求指令时，该模块会通过应用程序网络服务层，检测服务器的负载，并向性能最好的服务器发送网络服务请求[13]。

1.4 实时性能指标采集模块

实时性能指标可以测试计算机内存大小、可用磁盘空间大小、I/O 使用情况以及带宽使用情况，这些指标能够为不同服务器提供参数服务，主要从探针监测模块、接收模块以及计时触发模块进行分析。

1）探针监测模块

每个服务器上都安装了探针监测模块，对应不同服务器上的实时性能指标。

2）接收模块

在调度程序上安装接收设备，可以实时获得性能指标，主要用于服务器的反馈和接收[14]。

3）计时触发模块

计时触发模块可以根据设定的频率发送相应的性能指标，并根据所获得的指令捕获系统反馈结果。

2 系统软件部分设计

在分布式系统中，负载平衡可以有效地平衡节点的负载，负载平衡技术可以提高系统性能和资源利用率，降低用户关注任务的响应时间[15]。

2.1 负载均衡处理需求分析

采集可穿戴电子设备通信终端中的等待响应请求，设nij表示通信终端i中第j类等待响应的请求信号数量；Mi表示可穿戴电子设备通信终端i中等待响应的请求信号数量，描述公式为：

式中，K表示请求次数，m表示服务器数量。

基于此，获取的可穿戴电子设备通信终端等待响应请求占总请求的百分比，计算结果如下所示：

式中，Ei表示通信终端等待响应的实际信号数量[16]。

设ωi描述了通信终端硬件性能权重，大小可以根据通信终端的运行性能设置测试软件。其中，Ri表示可穿戴电子设备通信终端实时性能指标，公式为：

将可穿戴电子设备通信终端实时性能指标提交到负载均衡模块中，并将可穿戴电子设备通信终端中等待响应的请求通知给各个服务器。根据当前计算的请求数量，分析通信终端是否需要进行负载均衡处理。当达到设定的阈值时，通信终端拒绝请求；反之，则接受请求，并进行负载均衡处理。

2.2 自适应负载信息更新

根据负载均衡处理需求判断结果，及时对通信终端中的信息进行负载信息更新，能够有效减少信息的浪费。当通信节点与其他节点进行信息交互时，需通过广播方式传递负载信号。在该过程中，不同节点间发送的负载信息更新数量可表示为：

式中，g表示通信终端节点数量。当该数值足够大时，大量负载信息需及时更新，提升通信终端性能。

通过计算的负载信息更新数量，可设计负载信息更新流程，如图5 所示。

由图5 可知，充分考虑某个节点处于满负荷工作状态的情况，认为该节点负载处于最大值，无需再进行负载信息更新，继续处理下一个节点，由此完成通信终端的负载均衡处理。

图5 自适应负载信息更新流程

3 实验分析

向通信终端输入ID 后登录系统，用户确定目标，并获取相关数据，得到数据后用户执行相关操作。

此时，用户界面相关信息如表1 所示。

表1 用户界面相关信息

选择局域网中的10 个通信终端，对这10 个终端分别编号处理。在Master 上创建主容器，并创建提取通信信息。Master 主机所发送的通信信息通过服务器传递给其他终端，记录该过程所耗费的时间。在上述情况下测试80 次，将这80 次划分为8 段，每段10 次，计算这8 段的平均信息提取时间，结果如图6所示。

由图6 可知，在静态环境下，每次采集信息所耗费的时间在前5 段号时间波动性较大，而在后3 段号时间波动性较小，这说明可穿戴电子设备通信终端在前期运行过程中稳定性较差，后期比较稳定。在动态环境下，每次采集信息所耗费的时间在前3 段号与后5 段号相比时间波动性较大，后5 段号时间波动性基本处于稳定变化状态。

图6 信息提取时间分析

在静态和动态环境下，分别使用文献[1]系统、文献[2]系统和自适应负载均衡系统，对比分析信息提取所耗费的时间，结果如图7 所示。

图7 三种方法信息提取时间对比分析

由图7（a）可知，使用文献方法信息提取时间波动性较大，而使用所设计系统信息提取时间波动性较小，甚至比实际平均信息提取时间更少，2 段号下的提取时间为260 ms，比实际时间少30 ms。由图7（b）可知，使用文献方法信息提取时间波动性一直不稳定，且波动范围较广，而使用所设计系统信息提取时间波动性非常小，基本一直处于稳定状态，在1 段号下的提取时间为351 ms，比实际时间少14 ms。