帶寬受限條件下無線自組織網(wǎng)同步報文合并方法

查 燕 黃旸珉 羅 濤 胡金龍

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所；2.華南理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點實驗室）

在無線自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad hoc Network）中，鏈路質(zhì)量受到節(jié)點地形環(huán)境，傳輸信道等因素影響，常常不能得到保證。同時，數(shù)據(jù)同步常常會產(chǎn)生大量的小數(shù)據(jù)同步報文，加大了網(wǎng)絡(luò)開銷。針對這一問題，本文提出了一種基于帶寬受限條件的無線自組織網(wǎng)同步報文合并方法，對實時性要求較低的小報文數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史合并信息選擇合適的中間節(jié)點進(jìn)行等待合并，并對合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以降低網(wǎng)絡(luò)開銷。實驗結(jié)果表明本文所提出的方法可在滿足同步時延要求下降低網(wǎng)絡(luò)的開銷。

在數(shù)據(jù)同步的場景中，合并數(shù)據(jù)能夠減少傳輸帶寬消耗，降低網(wǎng)絡(luò)開銷。然而，由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的移動性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟矔?jīng)常發(fā)生變化，如何實時地、智能地調(diào)整策略，為節(jié)點選擇合適的中轉(zhuǎn)節(jié)點進(jìn)行合并，以保證數(shù)據(jù)合并策略能夠持續(xù)保持高效性是數(shù)據(jù)同步相關(guān)研究中的關(guān)鍵問題。

本文針對帶寬受限的無線自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)同步場景，開展了數(shù)據(jù)同步與報文合并策略的研究，提出了一種基于帶寬受限條件的無線自組織網(wǎng)同步報文合并方法。該方法根據(jù)各節(jié)點計算的優(yōu)先得分，對各節(jié)點的歷史傳輸數(shù)據(jù)計算出其對應(yīng)的優(yōu)先得分，從而選擇最合適的中間合并節(jié)點，然后將實時性要求低的小報文數(shù)據(jù)發(fā)送至該中間節(jié)點時等待合并，與其它目的地址相同且同樣在這一節(jié)點等待的小報文數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和壓縮，與目的節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。實驗表明，本文提出的同步報文合并方法能夠很好地降低無線自組網(wǎng)所需帶寬及網(wǎng)絡(luò)開銷，有效地提高了數(shù)據(jù)同步的效率。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中對不同源的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和整合，是降低網(wǎng)絡(luò)開銷和提高傳輸效率的有效方法，例如，陳勝男等出了一種基于數(shù)據(jù)包合并的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層編碼的跨層優(yōu)化方案，通過將鏈路層多個數(shù)據(jù)包合并進(jìn)行糾錯編碼，有效提高了傳輸效率；莊青提出了一種海量音視頻數(shù)據(jù)碎片化的數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)和方法，采用消息隊列、內(nèi)存庫、守護(hù)進(jìn)程等技術(shù)，能夠高效處理、傳輸、合并海量音視頻數(shù)據(jù)，并保證其安全性和正確性；孔凡天針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種新穎的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層式結(jié)構(gòu)模型，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中應(yīng)用了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)達(dá)到了節(jié)省存儲資源，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用的目的。

在帶寬受限的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，通過傳輸數(shù)據(jù)的合并和融合，可以降低網(wǎng)絡(luò)開銷，提高傳輸效率，但是對實時性要求較低的小報文數(shù)據(jù)，如何選擇合適的中間節(jié)點進(jìn)行合并，以降低網(wǎng)絡(luò)開銷，仍然需要進(jìn)一步的研究。

2 問題描述

數(shù)據(jù)同步節(jié)點不少于50個，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)同步節(jié)點的鏈路帶寬在100kbps以內(nèi)，時延為10ms，丟包率為5%，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾欢〞r地因節(jié)點的移動而發(fā)生變化。對于實時性要求低的小報文數(shù)據(jù)同步業(yè)務(wù)，在能夠達(dá)到服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的前提下，通過一定數(shù)量的最近節(jié)點歷史同步數(shù)據(jù)計算出傳輸路徑上各節(jié)點作為中轉(zhuǎn)節(jié)點時對應(yīng)的優(yōu)先級得分，從而選擇最優(yōu)的中轉(zhuǎn)節(jié)點，并將小報文數(shù)據(jù)發(fā)送到該節(jié)點與其他目的節(jié)點地址相同且也在該節(jié)點等待的小報文數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，以最大程度降低網(wǎng)絡(luò)開銷和占用帶寬。

3 總體方案

本文提出的小報文合并方法流程圖如圖1所示。首先在源節(jié)點與目的節(jié)點建立數(shù)據(jù)同步前確定同步路徑，并通過對路徑上各節(jié)點根據(jù)其最近的歷史合并數(shù)據(jù)機(jī)制計算出各節(jié)點作為中轉(zhuǎn)合并節(jié)點對應(yīng)的優(yōu)先得分，為源節(jié)點未來一定數(shù)量的小報文數(shù)據(jù)選擇最合適的中轉(zhuǎn)節(jié)點。隨后，發(fā)送的報文數(shù)據(jù)在選擇的中轉(zhuǎn)節(jié)點處進(jìn)入對應(yīng)目的地址的合并隊列等待，當(dāng)合并隊列內(nèi)任一報文等待超過一定時間或隊列內(nèi)報文數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時，自動合并隊列內(nèi)的所有報文數(shù)據(jù)，并記錄當(dāng)前隊列內(nèi)的報文數(shù)和平均等待時間，與目的節(jié)點進(jìn)行同步。目的節(jié)點在接收到合并數(shù)據(jù)后，將合并的相關(guān)信息通過確認(rèn)報文返回給各源節(jié)點，最后各源節(jié)點記錄該信息，并用于下一次數(shù)據(jù)同步的計算。

圖1 方案流程圖

4 實驗

實驗環(huán)境為在ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，包含10個數(shù)據(jù)同步節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為線型結(jié)構(gòu)。所有數(shù)據(jù)節(jié)點為操作系統(tǒng)為Linux Ubuntu 16.04，內(nèi)存為4G，4核處理器的虛擬機(jī)。各鏈路設(shè)定固定帶寬100kbps，丟包率為5%，時延10ms，分別通過網(wǎng)絡(luò)流量開銷、平均同步時延、合并平均等待時間、平均合并報文個數(shù)這四個評價指標(biāo)衡量本文所提出的數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)各項技術(shù)策略的性能。

同步報文合并方法性能測試：

5個源節(jié)點分別使用不同的同步報文合并策略，使用不同的衰減因子α，用優(yōu)先得分最高的節(jié)點作為中轉(zhuǎn)節(jié)點的報文條數(shù)占每次更新計算的總報文條數(shù)的比例不同的情況下，對比在網(wǎng)絡(luò)流量開銷，平均同步時延，報文平均等待時間，平均報文合并個數(shù)這四項指標(biāo)上的性能。性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 同步報文合并方法參數(shù)比較性能測試結(jié)果

由表1可知，使用了同步報文合并方法能夠有效降低數(shù)據(jù)同步的整體網(wǎng)絡(luò)開銷，但啟發(fā)式的對比合并算法會造成同步時延的增大。而使用基于優(yōu)先得分的同步報文合并方法能夠進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)開銷和同步時延，相較于簡單的選擇源節(jié)點下一跳和隨機(jī)指定合并節(jié)點，提出的方法更具優(yōu)越性，在網(wǎng)絡(luò)開銷，平均同步時延，合并平均等待時間，平均報文合并個數(shù)各方面指標(biāo)上都表現(xiàn)得更好；同時，相較于只通過優(yōu)先得分指定一部分報文數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)節(jié)點，全部依據(jù)優(yōu)先得分為報文數(shù)據(jù)指定同一中轉(zhuǎn)節(jié)點能夠在網(wǎng)絡(luò)開銷接近的情況下更有效地減少報文的等待時間，提升報文合并個數(shù)，進(jìn)而提高同步效率，降低同步時延。

結(jié)語：本文針對帶寬受限條件的無線自組織網(wǎng)，提出了一種基于歷史合并信息反饋的同步報文合并方法，實現(xiàn)了在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中對進(jìn)行相同目的節(jié)點的小報文數(shù)據(jù)進(jìn)行合并的中轉(zhuǎn)節(jié)點的合理選擇，有效降低了網(wǎng)絡(luò)開銷和占用帶寬。同時，基于實驗驗證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶嶋H測試結(jié)果也顯示出了這一方法相較于典型數(shù)據(jù)同步方式對網(wǎng)絡(luò)開銷和占用帶寬的降低，驗證了這一方法的可行性，對車聯(lián)網(wǎng)等實際應(yīng)用場景中帶寬受限的無線自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)同步有一定的指導(dǎo)作用。