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數(shù)據(jù)通信下的物聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)研究論文
摘要:隨著現(xiàn)代船用電子信息系統(tǒng)的發(fā)展，各電子設(shè)備之間及與設(shè)備與信息中心的數(shù)據(jù)交互越加頻繁，交互量越來越大，傳統(tǒng)的基于無線通信架構(gòu)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足海上大量數(shù)據(jù)的交互性能要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，能夠高效的對船用通信數(shù)據(jù)進行處理。本文研究海上無線通信網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的擁塞算法，極大提高了海上通信網(wǎng)絡系統(tǒng)容量。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);擁塞控制;無線通信
引言
船用電子信息系統(tǒng)應用類型越來越多，如海上氣象檢測系統(tǒng)﹑船舶跟蹤識別系統(tǒng)﹑船舶避碰系統(tǒng)及信息中心等，其對數(shù)據(jù)傳輸及處理量呈指數(shù)級增加，如何高效的對大數(shù)據(jù)進行通信傳輸﹑處理關(guān)系著整個船舶電子設(shè)備的運行效率。傳統(tǒng)的海上數(shù)據(jù)通信有基于3G，4G無線通信網(wǎng)絡，光纖網(wǎng)絡及無線局域網(wǎng)絡3種，隨著采集數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量的增加，已經(jīng)越來越不能滿足海上大量數(shù)據(jù)的交互要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)［1］，能夠高效的對船用通信數(shù)據(jù)進行處理。本文研究現(xiàn)有的海上無線數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，重點研究數(shù)據(jù)通信中的擁塞控制算法，對現(xiàn)有的先入先出(FIFO)進行改進，提出一種新的加權(quán)平均隊列算法，有效平衡船用電子設(shè)備的網(wǎng)絡帶寬資源，提高其利用率。
1基于無線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)
基于海上無線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用ＲFID射頻芯片對船舶電子設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中對這些數(shù)據(jù)進行融合，最后將數(shù)據(jù)進行分裝并發(fā)送至無線局域網(wǎng)，同時通過無線局域網(wǎng)中的路由器與VPND虛擬網(wǎng)絡進行連接［2］。基于海上無線局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于海上無線局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺分為以下3個區(qū)域:1)A為核心交換區(qū)，通過區(qū)域無線局域網(wǎng)與運營服務商進行連接，并對數(shù)據(jù)進行分組轉(zhuǎn)化，在整個網(wǎng)絡中處于核心地位。2)B為物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)^(qū)，將A區(qū)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中進行接入，必須要保證的是數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一及各種軟硬件的兼容性。3)C為基于VPND虛擬網(wǎng)絡的控制平臺，為船舶各電子設(shè)備提供服務。
2基于物聯(lián)網(wǎng)通信的擁塞控制算法
2.1基于TCP/IP協(xié)議的帶寬控制本文的海上數(shù)據(jù)通信利用TCP/IP協(xié)議，在傳輸層面對TCP包的大小及數(shù)量進行控制，具體的有分組調(diào)度控制﹑隊列管理控制及擁塞控制等。在基于TCP/IP傳輸中，首先需要確定對方CPU﹑內(nèi)存等處理能力，也即一次能處理的信息數(shù)據(jù)塊大小，然后對發(fā)送及接收信號的窗口進行調(diào)節(jié)，改變信號傳輸率及TCP包的大小，對通信流量進行控制。在此，每次信號傳輸之前需要對窗口進行設(shè)置，以控制傳輸速率與流量［3］�；赥CP/IP協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制主要包含以流量限制、傳輸恢復、初始化限額啟動及失敗重傳4個步驟。在每個階段，對傳輸窗口大小都有不同的調(diào)節(jié)機制來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡帶寬﹑傳輸速率及一次性傳輸信息量大小;同時，需要保證一定的網(wǎng)絡帶寬利用率，本文通過在接收端和發(fā)送端增加緩進行控制。在海上物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，通過構(gòu)建以太網(wǎng)絡對流量進行控制策略如下:1)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層為TCP/IP協(xié)議最底層，通過流量控制﹑糾錯控制﹑重傳機制及握手機制來確保雙方通信的暢通及準確。2)網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層位于TCP/IP協(xié)議的中間層，通常的網(wǎng)絡控制策略有分組調(diào)度策略﹑虛擬電路分組管理策略﹑分組排隊策略等。3)傳輸層。傳輸層位于TCP/IP協(xié)議上層，如上所述，控制方法有擁塞控制流量策略﹑帶寬控制策略﹑緩存隊列控制等。
2.2擁塞控制算法
海上物聯(lián)網(wǎng)通信中的擁塞控制算法通過中心監(jiān)控設(shè)備對船用各電子設(shè)備的數(shù)據(jù)交互進行監(jiān)控，整個算法包括以下3個核心模塊:1)管控中心控制模塊管控中心控制模塊通過監(jiān)控中心對船用電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸﹑接收及處理等信息進行統(tǒng)計分析，對出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信阻塞的節(jié)點進行管理。管理中心控制模塊需要充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡帶寬資源，周期性(每180s)與各監(jiān)控設(shè)備進行連接，當各應用層發(fā)生故障時，則對其進行置位［4］。2)算法初始及啟動模塊由管控中心對算法模塊進行初始化及啟動，具體步驟如下:①首先進行通信網(wǎng)絡狀態(tài)及性能測試，管控中心獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信各網(wǎng)管的數(shù)據(jù)傳輸信息，每30s進行一次測試，統(tǒng)計數(shù)據(jù)報的延遲時間來調(diào)整窗口的大小，避免擁塞。②對船用各電子設(shè)備進行負載均衡，通過統(tǒng)計計算網(wǎng)格參數(shù)，如數(shù)據(jù)傳輸時間﹑窗口調(diào)整延遲﹑數(shù)據(jù)處理時間等動態(tài)信息，并通過負載均衡算法進行動態(tài)調(diào)整。3)發(fā)送模快本文算法主要通過發(fā)送端對發(fā)送流量的控制進行擁塞管理，具體是將發(fā)送模塊置于通信網(wǎng)絡的各處網(wǎng)格中，通過ALC對實際系統(tǒng)訪問控制列表進行流量的控制。
2.3擁塞配置管理
當對數(shù)據(jù)進行分組時，其效率比PVC的發(fā)送速率更高，在其連接處會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞;同樣，當一個信息處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理速率比其接收數(shù)據(jù)慢時，也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞，其核心是通過資源調(diào)度策略來對流量進行控制，解決方法有:對TCP包進行分類管理﹑采用緩存隊列等方式，本文采用建立緩存隊列方式，下面進行詳細介紹。隊列調(diào)度算法有:先入先出(FIFO)、優(yōu)先隊列(PQ)及定制隊列(CQ)幾種［5］，本文首先詳細介紹先入先出(FIFO)的原理。在此基礎(chǔ)上對其進行改進，提出了一種加權(quán)平均隊列算法。FIFO調(diào)度算法按照時間的先后順序，也即先進隊列的數(shù)據(jù)報文在分組轉(zhuǎn)發(fā)中優(yōu)先傳輸，所以數(shù)據(jù)包的長度決定了整個隊列的性能，包括整個通信系統(tǒng)的丟包率及通信延遲。發(fā)送端和接收端只有一個端口用于之間的數(shù)據(jù)傳輸，當隊列達到一定長度時，系統(tǒng)帶寬被完全占用，必須對FIFO隊列進行配置，確保通信暢通。對船舶電子設(shè)備按照不同的數(shù)據(jù)類型及業(yè)務類型設(shè)置不同的隊列，使不同類型﹑不同業(yè)務種類的數(shù)據(jù)進入不同的FIFO隊列，從而可以通過多個端口進行并行傳輸。對FIFO隊列進行改進，目的是使其網(wǎng)絡資源在船舶電子系統(tǒng)得到均衡利用，并對所有數(shù)據(jù)傳輸信道的延遲進行均衡。具體措施是按照報文的長短對數(shù)據(jù)報進行劃分，增加不同系統(tǒng)的帶寬負載增加權(quán)重系數(shù)，加權(quán)平均隊列算法對高優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)報優(yōu)先調(diào)度，并分配高于低優(yōu)先級的網(wǎng)絡帶寬;同時，依據(jù)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信流量調(diào)整其連接會話的優(yōu)先權(quán)重系數(shù)，使所有系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文能均值至緩沖隊列中，從而達到平衡各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流量的目的，并使各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲最小。加權(quán)平均隊列原理如圖3所示。假設(shè)現(xiàn)在船用電子系統(tǒng)種類為5，那么可以設(shè)置5個不同優(yōu)先級別的隊列，其權(quán)重系數(shù)分別為1，2，3，4，5，假設(shè)數(shù)據(jù)通信總帶寬為15，則各類型數(shù)據(jù)占用帶寬比分別為115，215，315，415，515，算法可以通過流的抖動及窗口設(shè)置實現(xiàn)負載均衡。
3擁塞控制算法優(yōu)缺點比較
1)FIFO調(diào)度算法優(yōu)點:算法復雜度簡單，并不需進行網(wǎng)絡配置。缺點:對于UDP非流控制數(shù)據(jù)報文，其約束性條件不能滿足帶寬的最大利用。
2)優(yōu)先隊列(PQ)算法優(yōu)點:對于實時性要求較高的業(yè)務實時性能較好。缺點:較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)占用較低優(yōu)先級的帶寬，影響優(yōu)先級低的業(yè)務性能。
3)加權(quán)平均隊列算法優(yōu)點:對各種不同業(yè)務處理較為平衡，帶寬資源利用率較高。缺點:算法復雜度較高。
4結(jié)語
本文重點對基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的海上通信模型進行研究，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)擁塞控制算法進行改進，有效提高了網(wǎng)絡帶寬的利用率。
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