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數據通信下的物聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)研究論文
摘要:隨著(zhù)現代船用電子信息系統的發(fā)展，各電子設備之間及與設備與信息中心的數據交互越加頻繁，交互量越來(lái)越大，傳統的基于無(wú)線(xiàn)通信架構的數據通信系統已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足海上大量數據的交互性能要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結構，其數據采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，能夠高效的對船用通信數據進(jìn)行處理。本文研究海上無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )與物聯(lián)網(wǎng)結構，提出基于物聯(lián)網(wǎng)結構的擁塞算法，極大提高了海上通信網(wǎng)絡(luò )系統容量。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);擁塞控制;無(wú)線(xiàn)通信
引言
船用電子信息系統應用類(lèi)型越來(lái)越多，如海上氣象檢測系統﹑船舶跟蹤識別系統﹑船舶避碰系統及信息中心等，其對數據傳輸及處理量呈指數級增加，如何高效的對大數據進(jìn)行通信傳輸﹑處理關(guān)系著(zhù)整個(gè)船舶電子設備的運行效率。傳統的海上數據通信有基于3G，4G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，光纖網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )3種，隨著(zhù)采集數據類(lèi)型及數據量的增加，已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足海上大量數據的交互要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結構，其數據采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)［1］，能夠高效的對船用通信數據進(jìn)行處理。本文研究現有的海上無(wú)線(xiàn)數據通信架構，重點(diǎn)研究數據通信中的擁塞控制算法，對現有的先入先出(FIFO)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的加權平均隊列算法，有效平衡船用電子設備的網(wǎng)絡(luò )帶寬資源，提高其利用率。
1基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結構
基于海上無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結構采用ＲFID射頻芯片對船舶電子設備進(jìn)行數據采集，在物聯(lián)網(wǎng)結構中對這些數據進(jìn)行融合，最后將數據進(jìn)行分裝并發(fā)送至無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的路由器與VPND虛擬網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接［2］�；诤Ｉ蠠o(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數據平臺結構如圖1所示�；诤Ｉ蠠o(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數據平臺分為以下3個(gè)區域:1)A為核心交換區，通過(guò)區域無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與運營(yíng)服務(wù)商進(jìn)行連接，并對數據進(jìn)行分組轉化，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中處于核心地位。2)B為物聯(lián)網(wǎng)接入區，將A區傳輸的數據在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行接入，必須要保證的是數據接口的統一及各種軟硬件的兼容性。3)C為基于VPND虛擬網(wǎng)絡(luò )的控制平臺，為船舶各電子設備提供服務(wù)。
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據通信利用TCP/IP協(xié)議，在傳輸層面對TCP包的大小及數量進(jìn)行控制，具體的有分組調度控制﹑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﹑內存等處理能力，也即一次能處理的信息數據塊大小，然后對發(fā)送及接收信號的窗口進(jìn)行調節，改變信號傳輸率及TCP包的大小，對通信流量進(jìn)行控制。在此，每次信號傳輸之前需要對窗口進(jìn)行設置，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(dòng)及失敗重傳4個(gè)步驟。在每個(gè)階段，對傳輸窗口大小都有不同的調節機制來(lái)調節網(wǎng)絡(luò )帶寬﹑傳輸速率及一次性傳輸信息量大小;同時(shí)，需要保證一定的網(wǎng)絡(luò )帶寬利用率，本文通過(guò)在接收端和發(fā)送端增加緩進(jìn)行控制。在海上物聯(lián)網(wǎng)通信系統中，通過(guò)構建以太網(wǎng)絡(luò )對流量進(jìn)行控制策略如下:1)數據鏈路層。數據鏈路層為T(mén)CP/IP協(xié)議最底層，通過(guò)流量控制﹑糾錯控制﹑重傳機制及握手機制來(lái)確保雙方通信的暢通及準確。2)網(wǎng)絡(luò )層。網(wǎng)絡(luò )層位于TCP/IP協(xié)議的中間層，通常的網(wǎng)絡(luò )控制策略有分組調度策略﹑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(guò)中心監控設備對船用各電子設備的數據交互進(jìn)行監控，整個(gè)算法包括以下3個(gè)核心模塊:1)管控中心控制模塊管控中心控制模塊通過(guò)監控中心對船用電子設備的數據傳輸﹑接收及處理等信息進(jìn)行統計分析，對出現數據通信阻塞的節點(diǎn)進(jìn)行管理。管理中心控制模塊需要充分利用現有的網(wǎng)絡(luò )帶寬資源，周期性(每180s)與各監控設備進(jìn)行連接，當各應用層發(fā)生故障時(shí)，則對其進(jìn)行置位［4］。2)算法初始及啟動(dòng)模塊由管控中心對算法模塊進(jìn)行初始化及啟動(dòng)，具體步驟如下:①首先進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)及性能測試，管控中心獲取物聯(lián)網(wǎng)數據通信各網(wǎng)管的數據傳輸信息，每30s進(jìn)行一次測試，統計數據報的延遲時(shí)間來(lái)調整窗口的大小，避免擁塞。②對船用各電子設備進(jìn)行負載均衡，通過(guò)統計計算網(wǎng)格參數，如數據傳輸時(shí)間﹑窗口調整延遲﹑數據處理時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息，并通過(guò)負載均衡算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整。3)發(fā)送�？毂疚乃惴ㄖ饕ㄟ^(guò)發(fā)送端對發(fā)送流量的控制進(jìn)行擁塞管理，具體是將發(fā)送模塊置于通信網(wǎng)絡(luò )的各處網(wǎng)格中，通過(guò)ALC對實(shí)際系統訪(fǎng)問(wèn)控制列表進(jìn)行流量的控制。
2.3擁塞配置管理
當對數據進(jìn)行分組時(shí)，其效率比PVC的發(fā)送速率更高，在其連接處會(huì )出現數據擁塞;同樣，當一個(gè)信息處理系統對數據的處理速率比其接收數據慢時(shí)，也會(huì )出現數據擁塞，其核心是通過(guò)資源調度策略來(lái)對流量進(jìn)行控制，解決方法有:對TCP包進(jìn)行分類(lèi)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(jìn)行詳細介紹。隊列調度算法有: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。在此基礎上對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種加權平均隊列算法。FIFO調度算法按照時(shí)間的先后順序，也即先進(jìn)隊列的數據報文在分組轉發(fā)中優(yōu)先傳輸，所以數據包的長(cháng)度決定了整個(gè)隊列的性能，包括整個(gè)通信系統的丟包率及通信延遲。發(fā)送端和接收端只有一個(gè)端口用于之間的數據傳輸，當隊列達到一定長(cháng)度時(shí)，系統帶寬被完全占用，必須對FIFO隊列進(jìn)行配置，確保通信暢通。對船舶電子設備按照不同的數據類(lèi)型及業(yè)務(wù)類(lèi)型設置不同的隊列，使不同類(lèi)型﹑不同業(yè)務(wù)種類(lèi)的數據進(jìn)入不同的FIFO隊列，從而可以通過(guò)多個(gè)端口進(jìn)行并行傳輸。對FIFO隊列進(jìn)行改進(jìn)，目的是使其網(wǎng)絡(luò )資源在船舶電子系統得到均衡利用，并對所有數據傳輸信道的延遲進(jìn)行均衡。具體措施是按照報文的長(cháng)短對數據報進(jìn)行劃分，增加不同系統的帶寬負載增加權重系數，加權平均隊列算法對高優(yōu)先權數據報優(yōu)先調度，并分配高于低優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò )帶寬;同時(shí)，依據各系統的數據通信流量調整其連接會(huì )話(huà)的優(yōu)先權重系數，使所有系統需要傳輸的數據報文能均值至緩沖隊列中，從而達到平衡各信息系統數據傳輸流量的目的，并使各系統的數據傳輸延遲最小。加權平均隊列原理如圖3所示。假設現在船用電子系統種類(lèi)為5，那么可以設置5個(gè)不同優(yōu)先級別的隊列，其權重系數分別為1，2，3，4，5，假設數據通信總帶寬為15，則各類(lèi)型數據占用帶寬比分別為115，215，315，415，515，算法可以通過(guò)流的抖動(dòng)及窗口設置實(shí)現負載均衡。
3擁塞控制算法優(yōu)缺點(diǎn)比較
1)FIFO調度算法優(yōu)點(diǎn):算法復雜度簡(jiǎn)單，并不需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )配置。缺點(diǎn):對于UDP非流控制數據報文，其約束性條件不能滿(mǎn)足帶寬的最大利用。
2)優(yōu)先隊列(PQ)算法優(yōu)點(diǎn):對于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性能較好。缺點(diǎn):較高優(yōu)先級的數據占用較低優(yōu)先級的帶寬，影響優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)性能。
3)加權平均隊列算法優(yōu)點(diǎn):對各種不同業(yè)務(wù)處理較為平衡，帶寬資源利用率較高。缺點(diǎn):算法復雜度較高。
4結語(yǔ)
本文重點(diǎn)對基于物聯(lián)網(wǎng)結構的海上通信模型進(jìn)行研究，對現有的數據擁塞控制算法進(jìn)行改進(jìn)，有效提高了網(wǎng)絡(luò )帶寬的利用率。
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