基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统

马煜

（陕西中医药大学信息化建设管理处，陕西咸阳 712046）

随着大数据网络时代的发展，人们对于通信质量的要求越来越严格，网络通信领域不断地升级通信拓扑结构以便达到网络通信畅通的效果。通信网络由多个通信节点和传输链路共同组成，内部拓扑结构复杂，节点之间的关系紧密，传统的通信网络节点重要度计算系统不能调用通信网络内部节点，使得通信网络内部边缘节点失去计算的意义，整体网络节点的重要性不具有说明性，导致计算结果不具有真实性，影响通信网络拓扑结构优化方案的制定，从而导致通信网络的通信质量[1-2]下降。

为了解决以上问题，该文采用边缘计算算法，保证通信网络拓扑结构边缘的节点具有计算意义，在通信网络节点重要度计算系统的硬件区域和软件区域，突破传统的设计内容和理念，完成系统的更新设计，通过分析边缘计算技术的核心，设计通信网络节点重要度计算系统，系统集成的目的是检索通信网络内部的通信节点对于附属通信网络性能的重要度，提高网络的通信质量。通过实验分析，检验了基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统的性能达到该文预期设计的目标，可以进行推广应用。

1 系统硬件设计

该文设计的基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统硬件由介质转换器、存储器和处理器3部分组成，系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

1.1 介质转换器

在基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统硬件区域，介质转换器的功能是将通信网络拓扑结构内部不同的介质格式信息转化为信号格式信息，简化通信网络结构内部节点重要度的计算流程[3-4]。

该文选择DF2 型号的介质转换器，该转换器采用电子G13/AD 16 位的单片机，有效工作电压为3.5 V，器件工作的网络通信协议为TCP/IP 协议，可以保证节点数据之间转换的安全性。介质转换器的工作速率为68 mbps，介质转换器通过RS232 接口连接电源，器件的运行功率为30 W，介质转换器通过介质转换器电路与其他硬件器件相互连接[5-7]，介质转换器电路图如图2 所示。

图2 介质转换器电路图

介质转换器可以使系统的PCLE 通道数量达到40个，热功率的均值为65 W，介质转换器的工作模式兼容300 系列的硬件主板和芯片，提高了器件之间的协调性[8-9]。

1.2 存储器

为了提高系统的运行速度，该文对于存储器的唯一要求就是存储空间大，为此该文选择GK 存储器，此存储器的存储空间为4×256 G，并且每个磁盘空间内置4 个移动接入硬盘，达到提高存储器运行速度的目的。GK 存储器的成本低，并且加密性高，存储器采用EEE802.11 通信协议，信息在存储器调离30 天内，都具有预留备份，防止出现意外[10-12]。存储器的CAS 延迟时间为1 s，数据存储录入速度为4 nm/s，降低了存储器的额外缓冲量[13-14]。

存储器内置芯片采用8 帧256 B 的DNS 芯片，具有超强的读写功能，存储器的时钟频率为23 Hz，为了提高存储器内部资源的保密性，此存储器特定设计差错检测，完成数据的加密。

1.3 处理器

处理器是系统硬件区域的核心器件，其主要功能是触发系统硬件区域内器件工作，维护系统的正常运行，另外处理系统内部基本的运行进程。为了使处理器满足以上功能的应用，该文选择麒麟995系列处理器，处理器的主频为3.5 Hz，外频为1.2 Hz，采用4 核16 线程的结构[15]。处理器结构如图3 所示。

图3 处理器结构

麒麟处理器设计了12 MB 的缓冲空间，可以短期存储故障状态的进程，处理器主要的接口为USB接口、slot 接口以及无线传输接口。处理器集成数字分析、传感运输、浮点运算技术，提高了工作效率，处理器的工作电压为1.2 V，工作电流为2 A，有效工作电阻为25 Ω。为了延长处理器的工作周期，选择外接锂电池，电池的容量为100 000 mA。

2 系统软件设计

边缘计算并不是一种算法，而是一种由多个模块共同集成的技术，主要存储在应用系统的边缘区域，实现对硬件器件和网络拓扑结构的优化。边缘计算的本质是对网络拓扑结构中边缘空间内数据流和网络节点的控制，降低网络节点边缘化，提高网络通信的集成性。边缘计算具有实时性和安全性，并且具有较高的计算能力，对于该文系统，边缘计算主要由边缘计算模型、计算操作系统、微服务器构成。

边缘计算模型是一种可编程的模型，因为网络通信结构的可变性，故其十分符合该文通信网络节点重要度计算系统的设计理念。边缘计算模型主要维护通信网络结构中网络数据流和网络节点的关系，使得通信网络边缘空间内节点分布均衡，避免多极分化现象的出现。计算操作系统作用是控制通信网络内部流动的数据，实现网络内部节点的有效管理，为边缘计算提供虚拟机运行环境。服务器的功能是使边缘计算技术与其他模块和器件进行交互，提高边缘计算的工作效率，微服务器采用松耦合、开源的工作模式。

通信网络的节点分为主节点和末梢节点，末梢节点只占用通信网络的空间，不具有节点应具备的信息，因此为了提高通信网络节点重要度计算精度，该文首先要剔除通信网络中的末梢节点[16]。根据网络通信节点和末梢节点的本质和特点，采用全局信息指标的方式，提取出具有主节点指标的有效节点，具体通信网络节点指标提取公式如下所示：

其中，P(i)/C(i)表示节点i的节点局部关键度；P(i)表示在节点i的邻域中，任意节点对之间的最短路径计算函数；C(i)表示在节点i的邻域中，任意节点对之间的最短路径数总和；Di为网络中节点i的度数，所有节点的度数组成向量D；BC为点介数向量；BCi表示节点i的点介数。在通信网络节点全局指标计算中，点介数变量越大，节点可发展路径越多。

通信网络节点的重要度直接影响通信网络的通信效率，因此为了保证通信网络节点重要度的计算精度，该文设计的通信网络节点重要度计算流程如图4 所示。

图4 通信网络节点重要度计算流程

首先，对提取的通信网络结构内部的主节点进行负载程度计算。在一个基础的通信网络拓扑结构内，节点与新节点相互联通后，两个节点根据连接任务量自动增加一个负载内存，以此类推，负载程度越大的节点，与外界节点和器件之间关联越密切，对于通信网络结构的重要度越大。具体通信网络节点归一化计算公式如下所示：

其中，I(k)表示第k个节点的单位流量；D(a,d,k)表示节点a与节点d之间存在第k个任务量；L表示通信网络节点a到节点d的传输路径。

其次，根据节点的基本信息参数和负载程度，通信网络节点重要度计算公式如下所示：

其中，ε表示节点对外的契合度；P表示通信网络节点全部指标的关联度；SI(i)表示经过归一化处理后节点i负载的业务重要度。

最后一步是对通信网络节点重要度计算结果进行校验，校验原理是移除通信网络节点，重新计算移除的网络节点对于通信网络速率的影响，具体计算公式如下所示：

其中，N表示通信网络内部节点的个数；dij表示节点i与节点j的距离。

3 对比实验分析

实验选择基于塑料光纤技术的通信网络节点重要度计算系统（下文将该系统应用的通信网络环境统称为通信网络1）和基于多属性决策计算的通信网络节点重要度计算系统（下文将该系统应用的通信网络环境统称为通信网络2）作为实验对照系统，辅助完成系统测试。基于实验测试的特殊性，为了保证测试区域通信网络的正常运行，该文利用计算机模拟器、交换机、路由器共同集成3 个与沈阳市联通公司的某一线路的通信网络相同的通信环境，每个环境内通信拓扑结构、网络节点位置、信息都相同，使实验结果具有可信性。实验前将虚拟环境搭建成功，初始化3个系统，3个系统同时开始运行，当3个系统全部向虚拟环境的通信网络中心提交内部各个通信网络节点的重要度结果和相关参数时，实验结束，工作人员整理实验数据，得出实验结论。该文测试的中心思想是3 个通信网络节点重要度计算系统在相同的网络通信环境内，分析并计算通信网络内节点的信息和重要度，以测试系统计算网络节点重要度完成的时间作为评价指标。对于虚拟通信网络内部网络节点的实际重要度，该文通过对通信网络拓扑结构进程节点进行移除，利用处理后的网络通信速率，证明系统计算结构的准确度。因为实验环境的影响，该次实验设计按照每个系统输出的网络节点重要度，去除重要度最小的一个节点和重要度最大的一个节点，使实验测试结果具有唯一性，完成了实验数据的分析。

完成实验后，整理实验过程中产生的实验数据以及实验结束后处理得到的数据，不同方法下的计算时间如图5 所示。

图5 计算时间

1）3 个系统全部检测出通信网络结构内部的全部节点，基于塑料光纤技术的通信网络节点重要度计算系统最后提交结果，最先提交计算结果的是基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统；

2）按照对比测试实验的检验流程，每个系统输出结构剔除一个最小重要度节点后，通信网络1 的通信速率降低3%，通信网络2 的通信速率降低1%，该文设计系统所附属的通信网络结构的通信速率降低了0.13%，可以忽略不计。在分别剔除每个系统计算结果中节点重要度最大的节点后，通信网络1的通信速率降低了56%，通信网络2 的通信速率降低了63%，该文设计系统所应用的通信网络结果的通信速率降低了73%；对于上述得到的实验数据，可以知道该文设计的基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统的计算精度高，达到该文区域设计的目的。

4 结论

该文系统的基础是通信网络节点的相对位置关系和关联性。通过实验证明了基于边缘计算的通信网络节点重要度计算系统的计算精度达到规范，这一结果主要依赖于系统软件区域调用的边缘计算技术、在通信网络节点重要度计算前对节点进行有效提取、重要性归一化处理等方面，系统硬件区域的器件可以提供较好的运行基础，从而提高了系统的运行效率。通过该文系统的集成设计，可以简化通信网络拓扑过程的复杂度，提高网络通信的质量。