CN102307235A

CN102307235A - 一种物联网内实时数据传输方法

Info

Publication number: CN102307235A
Application number: CN201110246039A
Authority: CN
Inventors: 金炯�
Original assignee: JIANGSU HUDSON IOT CO Ltd
Current assignee: Jiangsu Kairun Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明公开了一种物联网内实时数据传输方法，包括由物理层、媒介存取控制层、网络层、传输层和应用层组成的通信协议栈，该传输方法能够同时处理弹性和非弹性数据流拥塞协议。本发明解决的技术问题是在限定带宽中，资源的合理利用和数据流的有效高速传输。通过本发明公开的物联网内实时数据传输方法，不但合理的解决了弹性数据流和非弹性数据流共存的问题，公平分配并有效利用了有限的网络资源，而且优化了整体网络性能，最大化了媒介存取控制层的数据吞吐量，提高了网络利用率。

Description

一种物联网内实时数据传输方法

技术领域

本发明设计一种物联网数据传输方法，特别是一种物联网内实时数据传输方法。

背景技术

随着物联网概念的普及，各种应用层出不穷，突出表现在交通、物流、公共健康、环境监测、基础设施监测等领域。无线传感器网络作为物联网两大支柱性技术之一，与无线射频识别技术（RFID – Radio Frequency Identification）一起，在近十年来取得了长足的发展，为物联网的进一步推广夯实了基础。如今的传感器不仅体积更小，价格更低廉，更是集成了音频视频等设备，具备了实时数据采集的功能；网络技术也不断演化推进，实现了自组织定位、网内信息处理、鲁棒抗干扰等功能。因此，新一代传感器网络，如物联网，将进一步综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协同感知、收集、监测各类信息，进行信息智能化分析处理，并做出相应的决策和反应。由于其广泛的应用性，各类数据将更加纷繁复杂，可以预见，未来的传感器网络不仅需要支持传统的弹性（没有具体流量限制）数据流，更需要支持新兴的非弹性（实时）数据流。

传感器网络中的拥塞控制不但能够有效的避免网络拥塞的发生，而且在资源受限型网络中能够最大限度的利用有限的资源，进而从整体上优化网络性能。基于拥塞控制的重要性，传感器网络中已经存在不少拥塞控制协议，比如ARC[1], CODA[2], IFRC[3], WRCP[4], RCRT[5]等。然而，上述协议只是单纯的针对弹性数据流而设计的，没有充分考虑到非弹性数据流大量产生和存在的可能性。具体的讲，我们通常用效用函数

来描述数据带宽和其效用（或服务质量）之间的关系。弹性数据流的效用函数往往可以用对数函数来表示，比如

，其中r_s是带宽，可见对于弹性数据流而言，只要是非零带宽就会对应一个非零的效用值。而非弹性数据流的效用函数是S形（Sigmoid）函数，即需要带宽超过S形的拐点值才会有一定的效用值。鉴于它们的不同性质，如果我们将已有的只是针对弹性数据流而设计的拥塞协议用于存在非弹性数据流的网络，其结果会导致更加严重的网络拥塞和带宽分配的严重不公平性。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种物联网内实时数据传输方法，通过新的拥塞协议，实现了信道资源分配的公平性，网络性能优化以及实现了系统兼容可用性的效果。

本发明公开了一种物联网内实时数据传输方法，包括由物理层、媒介存取控制层、网络层、传输层和应用层组成的通信协议栈，物联网内实时数据传输方法还包括如下步骤所述的拥塞协议：

1）：传输层，传输层还包括流量控制器模块和漏桶算法模块，

a 传输层接收应用层产生的数据流；

b流量控制器模块依据流量控制器的计算分配每个数据流的流量值；

c 漏桶算法模块依据步骤b产生的流量值分配令牌；

d 传输层以步骤c获得的令牌为前提转发数据流；

2）：媒介存取控制层，媒介存取控制层还包括转发引擎模块和通信栈模块，

e 转发引擎模块接收步骤d中转发的数据流；

f 转发引擎模块通过周期性广播法于系统中获得节点缓冲区节点队列背压信息；

g 由步骤f获得的背压信息根据倒退窗算法获得队列背压以及最大队列背压；

h 根据步骤g获得的队列背压以及最大队列背压对数据流进行分组；

i 通信栈模块发送由步骤h获得的数据流。

本发明公开的物联网内数据实时传输方法不但合理的解决了弹性数据流和非弹性数据流共存的问题，公平分配并有效利用了有限的网络资源，而且优化了整体网络性能，最大化了媒介存取控制层的数据吞吐量，提高了网络利用率。

本发明公开的物联网内实时数据传输方法的一种改进，流量控制器包括弹性数据流量控制器和非弹性数据流量控制器。本改进通过对应用层产生的数据流进行差别控制，对数据流中的弹性数据流和非弹性数据流分别采用弹性数据流控制器和非弹性数据流控制器进行特定的带宽流量分配，实现了网络带宽资源的合理分配利用，有效地提高了数据流的网络传输效率。

本发明公开的物联网内实时数据传输方法的又一种改进，弹性流量控制器为

,其中，q_s是节点缓冲区中的队列长度，V是设计常数，用于调节缓冲区内的剩余队列。本改进通过对传输层获得的由应用层产生的数据流中的弹性数据流使用限定的流量控制器进行带宽或者流量分配，实现了网络带宽资源的合理分配利用，有效地提高了数据流的网络传输效率。

,其中，q_s是节点缓冲区中的队列长度，V是设计常数，用于调节缓冲区内的剩余队列，B_max为非弹性数据流S形方程的最小和最大数据要求，，r_s为带宽或流量。本改进通过对传输层获得的由应用层产生的数据流中的非弹性数据流使用限定的流量控制器进行带宽或者流量分配，实现了网络带宽资源的合理分配利用，有效地提高了数据流的网络传输效率。

本发明公开的物联网内实时数据传输方法的又一种改进，最大队列背压为

，q_i是节点缓冲区中节点i的队列长度。本改进通过在媒介存取控制层获得节点的背压信息，并得到节点的最大队列背压值，再以此为依据决定对相关节点的数据流进行分组，然后经由通信栈模块发送信息，有效利用了有限的网络资源，而且优化了整体网络性能，最大化了媒介存取控制层的数据吞吐量，提高了网络利用率。

附图说明

图1、本发明涉及的弹性数据流的效用函数图；

图2、本发明涉及的非弹性数据流的效用函数图；

图3、本发明涉及的拥塞协议的系统结构图；

图4、传感器试验床的20节点网络拓扑结构图；

图5、传感器试验床的40节点网络拓扑结构图；

图6、当网络中只有弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在20节点试验床中就有效数据流的比较；

图7、当网络中只有弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在20节点试验床中就有效数据流效用的比较；

图8、当网络中只有弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在40节点试验床中就有效数据流的比较；

图9、当网络中只有弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在40节点试验床中就有效数据流效用的比较；

图10、当网络中同时存在弹性和非弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在20节点试验床中就有效数据流的比较；

图11、当网络中同时存在弹性和非弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在20节点试验床中就有效数据流效用的比较；

图12、当网络中同时存在弹性和非弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在40节点试验床中就有效数据流的比较；

图13、当网络中同时存在弹性和非弹性数据流时，采用传统拥塞协议和新设计拥塞协议在40节点试验床中就有效数据流效用的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1至图13所示，本发明公开了一种物联网内实时数据传输方法，包括由物理层、媒介存取控制层、网络层、传输层和应用层组成的通信协议栈，物联网内实时数据传输方法还包括如下步骤所述的拥塞协议：

a 传输层接收应用层产生的数据流；

c 漏桶算法模块依据步骤b产生的流量值分配令牌；

d 传输层以步骤c获得的令牌为前提转发数据流；

e 转发引擎模块接收步骤d中转发的数据流；

i 通信栈模块发送由步骤h获得的数据流。

本发明公开的物联网内实时数据传输方法的一种改进，流量控制器包括弹性数据流量控制器和非弹性数据流量控制器。

,其中，q_s是节点缓冲区中的队列长度，V是设计常数，用于调节缓冲区内的剩余队列。

,其中，q_s是节点缓冲区中的队列长度，V是设计常数，用于调节缓冲区内的剩余队列，B_max为非弹性数据流S形方程的最小和最大数据要求，

，r_s为带宽或流量。

，q_i是节点缓冲区中节点i的队列长度。

根据无线网络设计中最新的联合流量控制和调度（Joint Flow Control and Scheduling）理论, 新的拥塞协议的两大设计目的，即媒介存取控制层吞吐量最大化及传输层弹性和非弹性数据流带宽分配公平合理化，可用以下最优化问题表达

该优化问题包含两个核心部分，分别对应两个设计目的。展开来讲，媒介存取控制层吞吐量最大化等同于最大化调度算法马可夫链模型（Markov Chain）的熵（Entropy）值，即

其中u_k满足。

代表某一调度机制

中链接(i,j)的传输状态，1代表激活状态，0代表空闲状态。代表到达链接(i,j)数据的速率。而传输层弹性和非弹性数据流带宽分配公平合理化等同于最大化伪-效用函数，即

因此，通过设计参数V的调节，可获得所列优化问题的目标函数。它的第一个约束条件为所有队列的服务速率必须为非负值。第二个约束条件为每个节点的流出流量必须不小于其流入流量和产生流量之和。第三、四个约束条件则来自于最大化调度算法。

通过求解以上给定的优化问题，我们可以得到对应的算法和协议。具体如下：定义第二个约束条件的相伴对偶变量（Dual Variable）

，则部分变元的拉格朗日（Partial Lagrangian）为

固定向量u和q，

为以下子问题的最优解

令

，易得，如果

，

，否则则为0。将此结果代入部分变元的拉格朗日得

其中为链接（i,j）的最大队列背压。综上所述，该优化问题对应的算法为：

传输层调节流量向量r使之最大化

即

媒介存取控制层条件变量u使之最大化

即设置倒退窗值是平均值（Mean）为

Figure 2011102460398100002DEST_PATH_IMAGE032

的任意指数随机变量，同时对偶变量

的更新方法是

Figure 2011102460398100002DEST_PATH_IMAGE034

其中

。

以上算法与新的拥塞协议吻合，从而从数学理论上论证了其设计目的的实现以及性能的最优。

如图6至图9所示，当网络中只存在弹性数据流时，传统拥塞协议和新设计的拥塞协议在有效数据流和其对应的效用两方面均表现相当。

如图10至图13所示，当网络中同时存在弹性和非弹性数据流时，在新设计的拥塞协议下非弹性数据流的效用明显优于传统拥塞协议的效用。事实上，传统拥塞协议在此情况下失去作用。这一特征在图10和图11中显示得更加明显，在传统拥塞协议下，虽然非弹性数据流分配到了一定的带宽，却没有实际的效用，即其对应的效用却为0。

本发明公开的物联网内实时数据传输方法，针对现行的拥塞协议仅能处理弹性数据流的局限以及非弹性数据流在物联网内将大量存在的趋势，采用新设计的拥塞协议和实时数据传输方法不但合理的解决了弹性数据流和非弹性数据流共存的问题，公平分配并有效利用了有限的网络资源，而且优化了整体网络性能，最大化了媒介存取控制层的数据吞吐量，提高了网络利用率。更为重要的是，新协议与现行协议兼容，使得系统具备了完全的可实现性和可用性。

Claims

1.一种物联网内实时数据传输方法，包括由物理层、媒介存取控制层、网络层、传输层和应用层组成的通信协议栈，其特征在于：所述的物联网内实时数据传输方法还包括如下步骤所述的拥塞协议：

1）：传输层，所述的传输层还包括流量控制器模块和漏桶算法模块，

a 传输层接收应用层产生的数据流；

c 漏桶算法模块依据步骤b产生的流量值分配令牌；

d 传输层以步骤c获得的令牌为前提转发数据流；

2）：媒介存取控制层，所述的媒介存取控制层还包括转发引擎模块和通信栈模块，

e 转发引擎模块接收步骤d中转发的数据流；

i 通信栈模块发送由步骤h获得的数据流。

2.根据权利要求1所述的物联网内实时数据传输方法，其特征在于：所述的流量控制器包括弹性数据流量控制器和非弹性数据流量控制器。

3.根据权利要求2所述的物联网内实时数据传输方法，其特征在于：所述的弹性流量控制器为

Figure 2011102460398100001DEST_PATH_IMAGE001

4.根据权利要求2所述的物联网内实时数据传输方法，其特征在于：所述的弹性流量控制器为,其中，q_s是节点缓冲区中的队列长度，V是设计常数， B_max为非弹性数据流S形方程的最小和最大数据要求，

Figure 2011102460398100001DEST_PATH_IMAGE003

，r_s为带宽或流量。

5.根据权利要求1所述的物联网内实时数据传输方法，其特征在于：所述的最大队列背压为，q_i是节点缓冲区中节点i的队列长度。