摘 要：常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法主要使用Map/Reduce大規(guī)模并行計(jì)算數(shù)據(jù)集架構(gòu)分配調(diào)度任務(wù)，易受子任務(wù)切割作用的影響，導(dǎo)致調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度較低，因此提出基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法。該方法構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度模型，利用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列計(jì)算了節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配隊(duì)列長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度算法，從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的方法在不同任務(wù)單元下的節(jié)點(diǎn)調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度較高，證明設(shè)計(jì)的負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度效果較好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為提高物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)的執(zhí)行可靠性做出了一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先級(jí)隊(duì)列；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；負(fù)載均衡調(diào)度；調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度；調(diào)度分配隊(duì)列長(zhǎng)度；PSO-GA算法

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是連接網(wǎng)絡(luò)與外部環(huán)境的重要傳輸節(jié)點(diǎn)[1-3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)類型和排布方式越來(lái)越多樣化，而節(jié)點(diǎn)擁塞問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生，影響了物聯(lián)網(wǎng)的傳輸性能。為了提升物聯(lián)網(wǎng)的傳輸性能和運(yùn)行可靠性，需要研究一種有效的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法[4]。為了解決節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性、能效比不均等、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法[5-6]。

1 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列負(fù)載均衡調(diào)度方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度模型

傳統(tǒng)的負(fù)載均衡調(diào)度方法未考慮節(jié)點(diǎn)資源的消耗狀態(tài)，僅考慮滿足單一的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)度場(chǎng)景，與多節(jié)點(diǎn)調(diào)度場(chǎng)景的適配度偏低。因此，為了解決該問(wèn)題，需要判斷不同節(jié)點(diǎn)的剩余能量，融合多種變量構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均衡調(diào)度模型。本文構(gòu)建的調(diào)度模型主要利用PSO-GA尋優(yōu)[7-8]，快速計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)存占用率、帶寬等，得到最優(yōu)的均衡權(quán)值?；诖耍瑯?gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載均衡調(diào)度模型如圖1所示。

基于圖1進(jìn)行調(diào)度節(jié)點(diǎn)負(fù)載度量。負(fù)載總量J如式（1）所示：

（1）

式中：Pcpu（Si）代表節(jié)點(diǎn)頻率；Pmem（Si）代表節(jié)點(diǎn)內(nèi)存容量；Pband（Si）代表物聯(lián)網(wǎng)帶寬；Pio（Si）代表節(jié)點(diǎn)調(diào)度速率[9-10]。利用上述負(fù)載均衡調(diào)度模型可以快速完成調(diào)度反饋，并行處理調(diào)度請(qǐng)求，全面提高負(fù)載均衡效率。

1.2 基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列計(jì)算節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配隊(duì)列長(zhǎng)度

優(yōu)先級(jí)隊(duì)列是一種特殊的FIFO隊(duì)列結(jié)構(gòu)，可以賦予每個(gè)元素標(biāo)記，以調(diào)整數(shù)字的優(yōu)先級(jí)，降低容量限制對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度造成的影響。因此，本文基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列計(jì)算了節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配的隊(duì)列長(zhǎng)度。集成處理待調(diào)度的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)調(diào)度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系生成優(yōu)先級(jí)序列[11]。此時(shí)的調(diào)度繁忙參數(shù)ρ如式（2）所示：

（2）

式中：λ代表單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入調(diào)度序列的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；μ代表處理調(diào)度任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度數(shù)據(jù)量。此時(shí)生成的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列分布關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，根據(jù)上述序列分布關(guān)系可以調(diào)整負(fù)載均衡調(diào)度序列常數(shù)[12]。將預(yù)先分配的數(shù)據(jù)輸送至隊(duì)列中，此時(shí)可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配隊(duì)列長(zhǎng)度Pk，如式（3）所示：

（3）

式中：N代表調(diào)度隊(duì)列的丟包概率。此時(shí)考慮假定的均衡調(diào)度參數(shù)，調(diào)整數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的空閑狀態(tài)，得到節(jié)點(diǎn)隊(duì)列調(diào)度概率P0，如式（4）所示：

（4）

式中；ρa(bǔ)代表高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度丟包率。此時(shí)可以將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均衡調(diào)度看成相互度量的過(guò)程，以判斷隊(duì)列空間的調(diào)度狀態(tài)，最大程度提高調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的分散度。

1.3 設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度算法

不同的負(fù)載均衡調(diào)度路徑產(chǎn)生的調(diào)度結(jié)果存在差異。為了提高調(diào)度資源的利用率，本文設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度算法。首先計(jì)算調(diào)度均衡指標(biāo)Q，如式（5）所示：

（5）

式中：σcpu、σband、σio分別代表調(diào)度CPU、帶寬、節(jié)點(diǎn)資源分配指標(biāo)。基于此可知，負(fù)載均衡調(diào)度需要滿足非負(fù)、連續(xù)、最大原則，可以生成均衡調(diào)度適應(yīng)度函數(shù)，如式（6）所示：

（6）

式中：a、b、c分別代表不同的量化均衡調(diào)度方差。此時(shí)可以根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的多元關(guān)系獲取負(fù)載均衡調(diào)度最優(yōu)解，得到的負(fù)載均衡調(diào)度算法如圖3所示。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度效果，本文配置了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將其與文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]兩種常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法進(jìn)行對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度實(shí)驗(yàn)要求，本文選取LVS集群作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)集群，連接了實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)負(fù)載均衡調(diào)度要求，在實(shí)驗(yàn)前需要預(yù)先部署Tomcat，為Web提供應(yīng)用訪問(wèn)權(quán)限，即選取Java環(huán)境下載Tomcat壓縮包進(jìn)行解壓，修改shutdown.sh文件配置，執(zhí)行cd /home/xy/tomcat/apache-tomcat指令。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為小型局域網(wǎng)。利用Ubuntu 16.04的Linux進(jìn)行管理，選取I5-8500作為負(fù)載均衡器，預(yù)設(shè)了節(jié)點(diǎn)均衡調(diào)度IP，調(diào)整了Jmeter實(shí)驗(yàn)工具。待上述準(zhǔn)備完成后，本文將調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度div作為調(diào)度實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。計(jì)算如式（7）所示：

（7）

式中：Di+1代表分配的初始調(diào)度節(jié)點(diǎn)；Di代表完成調(diào)度的節(jié)點(diǎn)；n代表調(diào)度任務(wù)數(shù)量。調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度的取值范圍為0～1。計(jì)算值越高證明節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度效果越好；反之，證明節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度效果相對(duì)較差。基于式（7），可以輸出準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述概況及準(zhǔn)備，可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度實(shí)驗(yàn)，即預(yù)設(shè)不同的單元任務(wù)，并對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行編號(hào)。接下來(lái)，提交實(shí)驗(yàn)任務(wù)，分別使用本文設(shè)計(jì)的基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法、文獻(xiàn)[6]中基于改進(jìn)粒子群算法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法，以及文獻(xiàn)[7]中考慮不同目標(biāo)覆蓋要求的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法進(jìn)行負(fù)載均衡調(diào)度實(shí)驗(yàn)。使用式（7）計(jì)算3種方法在不同單元任務(wù)下的調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度。調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，本文設(shè)計(jì)的基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法在不同負(fù)載調(diào)度任務(wù)下調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度較高；文獻(xiàn)[6]中基于改進(jìn)粒子群算法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法，以及文獻(xiàn)[7]中考慮不同目標(biāo)覆蓋要求的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度任務(wù)執(zhí)行時(shí)間分散度較低。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的負(fù)載均衡調(diào)度方法的調(diào)度效果較好，可靠性高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增多，分布范圍不斷拓廣，同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間的交互和通信變得復(fù)雜。因此，有效進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。通過(guò)負(fù)載均衡調(diào)度，可以均勻分配任務(wù)負(fù)載，提高處理能力和響應(yīng)速度。然而，現(xiàn)有的調(diào)度方法存在執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新的基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡調(diào)度方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可靠性高具有一定的應(yīng)用價(jià)值，為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步和提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩宰龀隽艘欢ㄘ暙I(xiàn)。

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