王 璟,王利利,游金闊,楊 挺*

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,鄭州 450052;2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

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基于動(dòng)態(tài)配置等價(jià)多路徑技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡算法研究*

王 璟1,王利利1,游金闊2,楊 挺2*

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,鄭州 450052;2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推廣,作為底層核心構(gòu)件的傳感器網(wǎng)絡(luò)所承載傳輸業(yè)務(wù)成激增趨勢(shì),使得窄帶寬無(wú)線信道成為了制約物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首要因素。合理分流流量,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡是提升網(wǎng)絡(luò)承載能力的有效方法。本文將ECMP(Equal-Cost Multipaths)技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織特性相融合,傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳自組織特性為業(yè)務(wù)傳輸提供多條等價(jià)最短路徑,ECMP將業(yè)務(wù)均衡分擔(dān)到這些等價(jià)最短路徑上,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。理論證明傳統(tǒng)ECMP配置方法全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能不僅會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)控制信息開(kāi)銷(xiāo),而且在某些情況下反而會(huì)增大區(qū)域負(fù)載,形成網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此,本文提出動(dòng)態(tài)選擇開(kāi)通ECMP算法(DC-ECMP)。算法以流入節(jié)點(diǎn)流量等于流出節(jié)點(diǎn)流量作為業(yè)務(wù)守恒約束,鏈路帶寬上限作為鏈路容量約束,以最大鏈路利用率最小化為目標(biāo)函數(shù),建立多約束優(yōu)化模型。并依據(jù)最大鏈路使用率和節(jié)點(diǎn)度判定開(kāi)通ECMP優(yōu)先級(jí),動(dòng)態(tài)選擇需開(kāi)通節(jié)點(diǎn),以獲取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。仿真結(jié)果表明DC-ECMP算法比已有PPV算法有效降低最大鏈路使用率,消除網(wǎng)絡(luò)局部擁塞隱患,并且最大減少傳輸延時(shí)9.9 ms,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源消耗4.06%。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);負(fù)載均衡;等價(jià)多路徑;鏈路使用率

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的提升,作為底層核心構(gòu)件的傳感器網(wǎng)絡(luò)所承載傳輸業(yè)務(wù)成激增趨勢(shì),使得窄帶寬無(wú)線信道成為了制約物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首要因素[1-3]。合理分流流量,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡是提升網(wǎng)絡(luò)承載能力的有效方法。負(fù)載均衡是指將網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量建模成可調(diào)變量,將其按一定的規(guī)則進(jìn)行分割,通過(guò)合理的路由算法并行傳遞數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用[4-5]。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)為多跳自組織網(wǎng)絡(luò),每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用全向天線可與在其通信范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù),因此任意兩節(jié)點(diǎn)間存在多條通信路徑[6]。將ECMP技術(shù)引入傳感器網(wǎng)絡(luò),與網(wǎng)絡(luò)自組織特性相融合,將更好的實(shí)現(xiàn)流量分擔(dān)。ECMP為業(yè)務(wù)提供下一跳路由選擇的等價(jià)多條最短路徑,并將流量均衡分配于這些路徑中,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[7]。Dzida M在文獻(xiàn)[8]中將ECMP路由問(wèn)題抽象為一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃(MIP)數(shù)學(xué)建模。田銘等學(xué)者在文獻(xiàn)[9]中提出了基于鏈路繁忙趨勢(shì)值的等價(jià)多路徑選擇算法。傳統(tǒng)ECMP流量分擔(dān)研究中,多是基于網(wǎng)絡(luò)中全部路由節(jié)點(diǎn)都具備ECMP功能[10]。然而,理論證明全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能并非能達(dá)到最優(yōu)負(fù)載均衡,不僅會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)控制信息開(kāi)銷(xiāo),而且在某些情況下反而會(huì)增大區(qū)域負(fù)載,形成網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此,本文提出動(dòng)態(tài)選擇開(kāi)通ECMP算法,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)負(fù)載均衡算法。

本文將流入節(jié)點(diǎn)流量等于流出節(jié)點(diǎn)流量作為業(yè)務(wù)守恒約束,無(wú)線帶寬上限作為鏈路容量約束,以最大鏈路利用率最小化為目標(biāo)函數(shù),建立多約束優(yōu)化模型,采用動(dòng)態(tài)選擇貪婪算法求解,以獲取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1 問(wèn)題提出

如上所述,ECMP由于能夠支持在多條最短路徑上進(jìn)行流量分擔(dān),而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡,提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。但已有模型設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)都具備ECMP功能,然而其并非能使實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)負(fù)載均衡。首先,節(jié)點(diǎn)運(yùn)行ECMP協(xié)議將增加網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制信息開(kāi)銷(xiāo),而且在某些情況下不僅不會(huì)分擔(dān)流量,反而會(huì)增大特定區(qū)域的通信負(fù)載,形成網(wǎng)絡(luò)擁塞。以圖1的拓?fù)錇槔?/p>

圖1 節(jié)點(diǎn)配置ECMP網(wǎng)絡(luò)模型

假定網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路同質(zhì),即業(yè)務(wù)通過(guò)鏈路的費(fèi)用相等,各條鏈路的容量也相等,均為100 Mbit/s?，F(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)(A,E)間需要傳輸80 Mbit/s業(yè)務(wù)量,(A,C)間存在50 Mbit/s的業(yè)務(wù)量。如果設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都具備ECMP功能,則按照流量分擔(dān)原則,鏈路lAD將承擔(dān)105 Mbit/s的業(yè)務(wù)量,超過(guò)鏈路的帶寬上限,形成擁塞。造成高丟包率和延遲,影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。而鏈路lAB僅承擔(dān)25 Mbit/s流量,相對(duì)空閑,造成資源浪費(fèi)。如果動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能,即關(guān)閉節(jié)點(diǎn)A該功能,則按照最短路徑原則,同時(shí)考慮到鏈路lAD和lAB利用狀態(tài),將業(yè)務(wù)(A,C)配置在最短路徑path=A→B→C,則網(wǎng)絡(luò)中各鏈路承擔(dān)流量在[50,80]Mbit/s,避免網(wǎng)絡(luò)擁塞,保證負(fù)載均衡。上述兩種情況下鏈路的負(fù)載對(duì)比表如表1。

表1 鏈路負(fù)載對(duì)比 單位:Mbit/s

通過(guò)上述分析可以看出,全部節(jié)點(diǎn)均配置ECMP功能并非是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最優(yōu)分擔(dān)的有效方法。本文在傳統(tǒng)ECMP模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳自組織結(jié)構(gòu)特性,提出動(dòng)態(tài)配置ECMP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)負(fù)載均衡算法。

2 可變等價(jià)多路徑模型描述

本文在傳統(tǒng)ECMP模型的基礎(chǔ)上,提出動(dòng)態(tài)配置ECMP模型。

問(wèn)題描述:將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)建模為有向賦權(quán)圖G=(V,E),其中V={v1,v2,…,vn}為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集;E={e1,e2,…,em}為節(jié)點(diǎn)間通信鏈路集。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一標(biāo)識(shí)符,vi,i=1,…,n為通信節(jié)點(diǎn),具有信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。V中各節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離λ0相等,則E={e|D(vj,vk)≤λ0,vj,vk∈V}。且相鄰節(jié)點(diǎn)vj,vk共享同一無(wú)線介質(zhì),節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)射功率:

(1)

式中:α為發(fā)射功率參數(shù),依據(jù)實(shí)際傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射模塊類(lèi)型決定。

(2)

當(dāng)?ei(vj,vk)∈E,M(ei)={Ca(ei),Memax(ei),μmax(ei)}為鏈路ei上量度函數(shù)集。Ca(ei):(帶寬函數(shù))鏈路ei帶寬上限;Memax(ei):(費(fèi)用函數(shù))經(jīng)過(guò)鏈路ei所消耗網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用;μmax(ei):(延時(shí)函數(shù))經(jīng)過(guò)鏈路ei所需最大延時(shí)。

并且定義網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)矩陣F={fst|源目的節(jié)點(diǎn)對(duì)vs,vt間的業(yè)務(wù)量,vs,vt∈V}。則業(yè)務(wù)守恒約束和鏈路容量約束定義如下:

(3)

(4)

我們以鏈路帶寬使用率為衡量網(wǎng)絡(luò)是否存在擁塞的量度,定義如式(5)所示。因此優(yōu)化目標(biāo)為最小化最大鏈路使用率min{max(ze)},e∈E。

(5)

3 動(dòng)態(tài)配置ECMP最優(yōu)負(fù)載均衡算法

3.1 算法計(jì)算流程

由于ECMP協(xié)議會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)控制信息開(kāi)銷(xiāo),消耗傳感器節(jié)點(diǎn)能量,因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)流量分擔(dān)應(yīng)用時(shí)設(shè)定配置節(jié)點(diǎn)比率η,即上限配置η×N個(gè)節(jié)點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)配置ECMP最優(yōu)負(fù)載均衡算法DC-ECMP每次僅選擇配置優(yōu)先級(jí)最高節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能,隨后對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行更新,重新計(jì)算負(fù)載分擔(dān),檢測(cè)最大鏈路使用率max(ze)是否下降,即提升網(wǎng)絡(luò)均衡狀態(tài),并達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。若未滿足,則在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下選擇配置優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)。終止條件為網(wǎng)絡(luò)最大鏈路使用率max(ze)最小,或已達(dá)到η×N節(jié)點(diǎn)配置上限。動(dòng)態(tài)配置策略是一種啟發(fā)式貪婪算法,在考慮網(wǎng)絡(luò)每次最新的負(fù)載狀態(tài)條件下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇,以達(dá)到負(fù)載均衡效果最優(yōu)。動(dòng)態(tài)配置ECMP最優(yōu)負(fù)載均衡算法的實(shí)現(xiàn)流程如下:

按最優(yōu)處方測(cè)得白藜蘆醇DPPC脂質(zhì)體粉霧劑載藥量為（2.4±0.9）%，加入甘露醇載體的DPPC脂質(zhì)粉霧劑再分散后的包封率為（68.6±2.1）%。驗(yàn)證了凍干工藝基本不影響DPPC脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和白藜蘆醇的包封。

圖2 DC-ECMP算法流程圖

3.2 配置ECMP優(yōu)先級(jí)計(jì)算

DC-ECMP算法中決定節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選擇的參數(shù)為配置ECMP優(yōu)先級(jí)。當(dāng)以節(jié)點(diǎn)vx為出口的鏈路中存在高使用率時(shí),則易產(chǎn)生擁塞[11],需要開(kāi)通ECMP功能。而具有更高的節(jié)點(diǎn)度說(shuō)明節(jié)點(diǎn)處于拓?fù)浜诵?并且具備更多連接鏈路分?jǐn)偭髁俊Ｒ虼吮疚牟捎米畲箧溌肥褂寐蕀ax(ze),{v(ej)=x}和節(jié)點(diǎn)度kx衡量ECMP優(yōu)先級(jí),計(jì)算公式如式(6)。定義節(jié)點(diǎn)x的ECMP配置優(yōu)先級(jí)為:

(6)

式中:{e|v(ej)=x}表示以節(jié)點(diǎn)vx為出口的所有鏈路集合。

3.3 鏈路權(quán)重

鏈路權(quán)重決定了等價(jià)最短多路徑的計(jì)算結(jié)果。在此定義鏈路權(quán)重為:對(duì)于業(yè)務(wù)fst,當(dāng)鏈路e為被選路徑時(shí),鏈路權(quán)重為傳輸業(yè)務(wù)所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源乘以該業(yè)務(wù)占用帶寬[12]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

w(e,s,t)=fst×Memax(e)

(7)

考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)的稀缺能量問(wèn)題,本文設(shè)定Memax(e)為傳輸單位byte的能耗,即Me(e)=ETx(τ,d)+ERx(τ)。其中發(fā)送能耗為:

ETx(k,d)=ETx-elec(τ)+ETx-amp(τ,d)=Eelec×τ+εamp×τ×dα

(8)

接收能耗為:

ERx(k)=ERx-elec(τ)=Eelec×τ

(9)

4 算法性能評(píng)價(jià)

傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)淙鐖D3所示,設(shè)定每條鏈路傳輸容量2Mbit/s,路由信令2kbit。發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)速率為3packets/s,數(shù)據(jù)大小為30報(bào)文長(zhǎng)度,每個(gè)報(bào)文為10kbit,發(fā)射功率滿足式(1)。網(wǎng)絡(luò)圖鏈路權(quán)值由式(7)～式(9)定義。每個(gè)節(jié)點(diǎn)攜帶能量為Eg(vi)=20J。

圖3 算法性能評(píng)價(jià)仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4給出兩種算法選擇開(kāi)通相同數(shù)量ECMP節(jié)點(diǎn)情況下的網(wǎng)絡(luò)鏈路的最大使用率。由圖可知,在執(zhí)行相同傳輸任務(wù),DC-ECMP算法比PPV算法具有更好的負(fù)載分擔(dān)能力,降低網(wǎng)絡(luò)中鏈路最大使用帶寬。當(dāng)選取節(jié)點(diǎn)數(shù)大于3以上,本文算法的鏈路的最大利用率平均低于PPV的7.87%,最大差值為14.58%。

圖4 網(wǎng)絡(luò)鏈路最大使用率

計(jì)算在開(kāi)通不同數(shù)量ECMP節(jié)點(diǎn)情況下,平均網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí),如圖5所示。由運(yùn)行結(jié)果可知,由于DC-ECMP選擇了更優(yōu)節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能,使得業(yè)務(wù)能夠選擇更短傳輸路徑,從而降低平均網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí),DC-ECMP算法比PPV算法縮短延時(shí)18.5%。并且,當(dāng)有較多節(jié)點(diǎn)可開(kāi)通ECMP功能時(shí),由于選擇裕度增大,DC-ECMP算法比PPV算法縮短延時(shí)9.9ms。

圖5 平均網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)

考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)能量稀缺性和不易補(bǔ)充特點(diǎn),定義網(wǎng)絡(luò)資源損耗為節(jié)點(diǎn)能耗。計(jì)算傳輸相同業(yè)務(wù)矩陣(即相同業(yè)務(wù)量和信源信宿)情況下的網(wǎng)絡(luò)剩余能量。由圖6可知,節(jié)點(diǎn)開(kāi)通ECMP功能將消耗部分能量,但合理的動(dòng)態(tài)配置有助于業(yè)務(wù)最優(yōu)傳輸路徑的選擇,從而減緩網(wǎng)絡(luò)能量消耗。DC-ECMP算法比PPV算法在不同ECMP配置條件下節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗4.06%。

圖6 網(wǎng)絡(luò)資源消耗量

5 總結(jié)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中業(yè)務(wù)激增,本文研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量分擔(dān)和負(fù)載均衡,提出動(dòng)態(tài)選擇開(kāi)通ECMP算法。與傳統(tǒng)ECMP模型不同,DC-ECMP算法依據(jù)最大鏈路使用率max(ze)和節(jié)點(diǎn)度kx判定優(yōu)先級(jí),動(dòng)態(tài)選擇需開(kāi)通ECMP節(jié)點(diǎn)。從而避免了全開(kāi)ECMP功能增加網(wǎng)絡(luò)控制信息開(kāi)銷(xiāo),且增大區(qū)域負(fù)載,形成網(wǎng)絡(luò)擁塞的缺陷。算法將流入節(jié)點(diǎn)流量等于流出節(jié)點(diǎn)流量作為業(yè)務(wù)守恒約束,鏈路帶寬上限作為鏈路容量約束,以最大鏈路利用率最小化為目標(biāo)函數(shù),建立多約束優(yōu)化模型,采用動(dòng)態(tài)選擇貪婪算法求解,以獲取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。仿真結(jié)果表明DC-ECMP算法比已有PPV算法有效降低最大鏈路使用率,消除網(wǎng)絡(luò)局部擁塞隱患,并且減少傳輸延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)資源消耗,提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

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Dynamic Configure Equal Cost Multi-Paths to Achieve Load Balance in Wireless Sensor Networks*

WANGJing1,WANGLili1,YOUJinkuo2,YANGTing2*

(1.State Grid Henan Electric Power Company,Economic Research Institute,Zhengzhou 450052,China;2.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

With the development of Internet of Things(IoTs),wireless sensor networks,as the infrastructure of IoTs,should bear more and more various transmission services. The narrow wireless bandwidth becomes the first restrictive factors. Shunting flow to achieve load balance is the effective way to improve the bearing capacity of communication network. This paper integrated Equal-Cost Multi-Paths(ECMP)technique and WSN’s self-organized characteristics,in which the self-organized connection and multi-hops transmission model of WSN provide more than one shortest paths from traffic source to the destination sensor node,and then ECMP can equally apportioned traffic on these available equal cost multi-paths to stabilize huge traffic. It proved that the traditional ECMP model,configured all of nodes with ECMP function,will increase the overhead expenses,and even make heavier traffic load in some special cases. To solve these problems,this paper proposed the dynamic configuration ECMP algorithm-DC-ECMP. In the algorithm,it defined the traffic volume conservation constraint and the wireless transmitting bandwidth upper bound constraint,made the minimizing the maximum link utilization rate as objective function,and establish the multi-constraint optimization model. Using the maximum link utilization rate and node’s degree to calculate the priority of configuration ECMP function,each node can be dynamic configuration and achieve the optimal network’s transmitting performance. In our evaluation with simulations,the performance of DC-ECMP is measured and compared with PPV algorithms. Based on the experimental results,DC-ECMP outperforms existing algorithms in reduce the maximum link utilization rate,short the transmitting latency 9.9 ms,and save the networks’ resource consumption 4.06%.

wireless sensor networks;load balance;equal cost multi-path;link utilization rate

王 璟(1973-),女,高級(jí)工程師,副院長(zhǎng),研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)靈活可靠通信技術(shù)研究與應(yīng)用;

王利利(1984-),男,博士,工程師,研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)信息采集和通信技術(shù)研究;

游金闊(1990-)男,碩士研究生,研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠通信和傳輸協(xié)議;

楊 挺(1979-),男,教授/博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和通信協(xié)議,通訊作者,yangting@tju.edu.cn。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA11040);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61172014);天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(12JCZDJC21300)

2014-11-04 修改日期:2015-01-12

C:6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.023

TN915

A

1004-1699(2015)05-0752-05