，

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息工程系，廣州 510900)

0 引言

數(shù)據(jù)傳輸控制是數(shù)據(jù)有效獲取、減少網(wǎng)絡(luò)能耗、最終完成數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)闹匾Ｕ蟍1]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有多變性特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)易產(chǎn)生無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸誤碼率高，并行數(shù)據(jù)傳輸碰撞丟包率高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)暴露受損導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互異常率高等問題[2]，另一方面，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量的損耗導(dǎo)致其失效，進(jìn)而引發(fā)數(shù)據(jù)傳輸路徑的無效[3]。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力有限，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)流量異常增加，或數(shù)據(jù)包沖出緩存區(qū)丟失。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱性，也會(huì)導(dǎo)致信道的帶寬分配不均衡[4]。綜上所述，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的研究成為了亟待解決的問題。在大數(shù)據(jù)背景下，海量數(shù)據(jù)多以并行方式進(jìn)行傳輸，這也正是數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的難點(diǎn)所在。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸控制，也是提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)公平性中的必然需求。因此提出大數(shù)據(jù)環(huán)境下并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及傳輸數(shù)據(jù)的完整度。

1 并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制原理

在無線網(wǎng)絡(luò)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，使數(shù)據(jù)完整度較低的，也就是丟包率現(xiàn)象嚴(yán)重的原因主要就是：傳輸節(jié)點(diǎn)擁塞致使數(shù)據(jù)包產(chǎn)生大規(guī)模碰撞[5-6]。所以解決上述問題就能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下并行數(shù)據(jù)傳輸完整度的控制。具體原理如圖1所示。

圖1 并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制原理圖

2 并行數(shù)據(jù)傳輸干擾分析

在研究并行數(shù)據(jù)傳輸完整性控制問題之前，需先對(duì)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_因素進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)并行傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象造成的數(shù)據(jù)傳輸速度低，數(shù)據(jù)傳輸控制較為困難等問題，都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)完整度控制造成嚴(yán)重影響。該部分對(duì)并行數(shù)據(jù)獲取干擾和數(shù)據(jù)傳輸擁塞度測(cè)量干擾加以分析，以便更好地實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制。具體分析如下：

2.1 并行數(shù)據(jù)獲取干擾

為了減少在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的通信流量，各進(jìn)程各自并行讀取所需要的數(shù)據(jù)，從而加快讀取數(shù)據(jù)的速率[7]。但這種獲取數(shù)據(jù)的形式對(duì)集群硬件要求較高，集中的磁盤陣列設(shè)備可解決硬件要求高的問題，以便更有效的獲取并行數(shù)據(jù)。

對(duì)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，各進(jìn)程間同時(shí)且并發(fā)的接收計(jì)算任務(wù)，在各自接收計(jì)算任務(wù)后，獲取各自的數(shù)據(jù)集。詳細(xì)過程如圖2所示。

圖2 并行數(shù)據(jù)獲取流程圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸擁塞度測(cè)量干擾

對(duì)數(shù)據(jù)傳輸擁塞度進(jìn)行測(cè)量用以分析每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的擁塞情況。首先對(duì)流入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，按數(shù)據(jù)包速率平均分配給自身節(jié)點(diǎn)和其他子節(jié)點(diǎn)。通過這種節(jié)點(diǎn)局部公平速率分配的策略，可確保并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)包的傳輸服務(wù)時(shí)間是從數(shù)據(jù)包到達(dá)MAC層算起的[8]，記錄數(shù)據(jù)包的傳輸服務(wù)時(shí)間，傳輸間隔時(shí)間及傳輸?shù)竭_(dá)時(shí)間，引用移動(dòng)加權(quán)平均法計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸平均服務(wù)時(shí)間和平均到達(dá)時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸擁塞度依據(jù)數(shù)據(jù)包平均傳輸服務(wù)時(shí)間和數(shù)據(jù)包平均到達(dá)時(shí)間求得。當(dāng)平均到達(dá)時(shí)間比平均服務(wù)時(shí)間小時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸擁塞度高，說明節(jié)點(diǎn)擁塞較為嚴(yán)重。反之，數(shù)據(jù)傳輸擁塞度低，節(jié)點(diǎn)擁塞程度小，數(shù)據(jù)傳輸速度快。對(duì)數(shù)據(jù)傳輸擁塞度的測(cè)量為并行數(shù)據(jù)傳輸完整性的控制做好充足的準(zhǔn)備。

3 控制方法的實(shí)現(xiàn)

由于并行數(shù)據(jù)傳輸過程中的擁堵現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)于局部網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上[9]。由此利用CL-APTC協(xié)議分別對(duì)單節(jié)點(diǎn)速率、系統(tǒng)級(jí)并行數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行預(yù)控制，依據(jù)其結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸速率加以控制，從而并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法，同時(shí)也緩解了數(shù)據(jù)傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。

3.1 單節(jié)點(diǎn)速率的預(yù)控制

當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間L

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸關(guān)系

根據(jù)圖3的描述，得到對(duì)單節(jié)點(diǎn)速率的預(yù)控制和調(diào)整方法。因?yàn)榫W(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間是有限的[10]，通過M/M/1/m(單服務(wù)窗混合制的排隊(duì)模型)分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率，它的穩(wěn)定狀態(tài)如圖4所示。

圖4 平穩(wěn)狀態(tài)圖

根據(jù)圖4可知，M/M/1/m穩(wěn)態(tài)方程為：

(1)

式中，當(dāng)ρ=0.6時(shí)，數(shù)據(jù)包的數(shù)量會(huì)比較緩慢地增加，系統(tǒng)會(huì)逐漸向最佳的狀態(tài)發(fā)展。當(dāng)ρ>0.6，系統(tǒng)會(huì)迅速至飽和狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的溢出現(xiàn)象變得嚴(yán)重。當(dāng)系統(tǒng)在初始狀態(tài)時(shí)，依據(jù)BS單位時(shí)間數(shù)據(jù)量要求和ρ值的限制，獲得數(shù)據(jù)源的采樣速率。在WSNs中，如果節(jié)點(diǎn)緩存的占用量比其緩存空間的閾值Lmax大時(shí)，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)也許會(huì)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞的概率為：

(2)

根據(jù)上式能夠獲得ρ、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間L、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁塞概率間聯(lián)系。由此依據(jù)BS要求的數(shù)據(jù)量，能夠獲得中間并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速率。上述中提到當(dāng)Lmax

(3)

歷經(jīng)一段時(shí)間，如果L重新回至最佳的區(qū)間內(nèi)，也就是L∈[0,Lmax]，則將保持ρ不變。如果L=m且一直持續(xù)，節(jié)點(diǎn)i至i+1的信道會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞，i利用ACK消息通告i-1數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，然后迭代到數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)L進(jìn)入至最佳的區(qū)間，根據(jù)ACK方式來通告i-1節(jié)點(diǎn)，并迭代到數(shù)據(jù)源。

3.2 系統(tǒng)級(jí)并行數(shù)據(jù)傳輸速率的預(yù)控制

以并行數(shù)據(jù)傳輸平均速率調(diào)整的方便性為目的，利用前一個(gè)周期t-1占用的局部存儲(chǔ)資源E(t-1)和平均的數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)本周期t存儲(chǔ)資源的占用量E(t)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過E(t)和n*Lmax的聯(lián)系及E(t)與E(t-1)之間的比例，決定了周期t內(nèi)的平均傳輸速率調(diào)整方式，進(jìn)而避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的局部擁塞現(xiàn)象。則系統(tǒng)級(jí)并行數(shù)據(jù)傳輸控制的具體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)級(jí)并行數(shù)據(jù)傳輸控制流程圖

由圖5可知，當(dāng)周期t初始化時(shí)，如果柵格k內(nèi)活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量：X(t)=n

1)X(t)=n-1，Δt中輸入的柵格數(shù)據(jù)量為1，且概率為Pn-1(t)*bn-1*Δt；

2)X(t)=n+1，Δt中輸出的柵格數(shù)據(jù)量為1，且概率為Pn+1(t)*dn+1*Δt；

3)X(t)=n，Δt中沒有數(shù)據(jù)量傳輸，也就是數(shù)據(jù)量并沒有變化，則概率為Pn(t)×[1-dn*Δt-bn*Δt]。

綜上所述，可以得到柵格中數(shù)據(jù)變化的期望值以及柵格內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量變化的比例表達(dá)式分別為：E(t)=E(t-1)×et和δ=E(t)/E(t-1)=et。當(dāng)0≤E(t)≤nLmax，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾什钪当３种芷趖-1不變，假設(shè)n*m>E(t)>nLmax，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾什钪祽?yīng)該減少，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾什钪祽?yīng)該調(diào)整為：

(4)

根據(jù)式(4)可得知E(t)的求解公式為：

(5)

據(jù)上式可知，當(dāng)數(shù)據(jù)輸出平均速率和數(shù)據(jù)輸入平均速率在頻繁變化時(shí)，系統(tǒng)局部網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)出現(xiàn)十分強(qiáng)烈的抖動(dòng)，同時(shí)根據(jù)上述過程也解決了系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)傳輸擁塞問題，有效調(diào)整了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，提高了?shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾取?/p>

3.3 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸速率控制

根據(jù)3.1和3.2的預(yù)控制調(diào)整結(jié)果，出于對(duì)節(jié)點(diǎn)級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)傳輸速率狀況的考慮，節(jié)點(diǎn)實(shí)際的傳輸速率可表示為：

t周期數(shù)據(jù)輸入的速率為：

(6)

t周期數(shù)據(jù)輸出的速率為：

(7)

由上可知，歷經(jīng)節(jié)點(diǎn)級(jí)與系統(tǒng)級(jí)結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸速率預(yù)控制調(diào)節(jié)之后，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢鶕?jù)式(6)和(7)來決定。這樣能夠綜合地考慮整體和個(gè)體間的聯(lián)系。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬和信道的質(zhì)量資源較高時(shí)，可增加權(quán)重α，使網(wǎng)絡(luò)的整體資源得以高效使用；當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)量較低，且子節(jié)點(diǎn)比較少時(shí)，可減少權(quán)重α，使該節(jié)點(diǎn)本身擁有的資源得以充分利用，進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率最高，從而控制并行數(shù)據(jù)傳輸完整度。

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃郧覝p少節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突，應(yīng)減少數(shù)據(jù)包丟失率和優(yōu)先級(jí)的需求，CL-APTC協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行改善。利用數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)和等待時(shí)間大小，對(duì)目前的競(jìng)爭(zhēng)窗口CW進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；各節(jié)點(diǎn)隨著自身競(jìng)爭(zhēng)信道的次數(shù)不斷增加，相應(yīng)地增加競(jìng)爭(zhēng)至當(dāng)前時(shí)隙的總體概率，也就是逐漸減少CW大??；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)于周期t內(nèi)，競(jìng)爭(zhēng)至?xí)r隙且發(fā)送數(shù)據(jù)之后，它的競(jìng)爭(zhēng)概率會(huì)降低到最小，一直到該周期結(jié)束。詳細(xì)過程為：

綜上，當(dāng)周期t結(jié)束時(shí)，柵格內(nèi)A類節(jié)點(diǎn)繼續(xù)下一輪的平均速率、節(jié)點(diǎn)發(fā)送的優(yōu)先級(jí)運(yùn)算，利用這種更新新的節(jié)點(diǎn)得到信道概率的形式來緩解數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的沖突，降低擁塞率，提高數(shù)據(jù)傳輸完整度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文利用Matlab軟件完成實(shí)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)的位置保持不變，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：將節(jié)點(diǎn)固定在100 m×100 m平面上，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量為60個(gè)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。運(yùn)行PC機(jī)的配置：Pentium(R)4CPU2.40 GHz。

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

為了測(cè)試并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的控制效果，將改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)數(shù)據(jù)傳輸控制效果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 不同方法并行數(shù)據(jù)傳輸控制效果圖

觀察圖7(a)可知，采用傳統(tǒng)方法對(duì)并行數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)在傳輸信道中軌跡十分散亂，有部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離了信道，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失。觀察圖7(b)可知，采用改進(jìn)方法對(duì)并行數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)均沿著信道傳輸，無任一數(shù)據(jù)偏離信道。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可得，改進(jìn)方法比傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)傳輸控制效果好，充分證明改進(jìn)方法并行數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中完整度高。

通過對(duì)比改進(jìn)方法和傳統(tǒng)方法并行數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的擁塞率，測(cè)試并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的數(shù)據(jù)傳輸效率。兩種方法并行數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)擁塞率對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種方法并行數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)擁塞率對(duì)比圖

根據(jù)圖8可知，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制，節(jié)點(diǎn)擁塞率平均保持在11%左右，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，雖然節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為40個(gè)時(shí)，其擁塞率有下降情況，但總體數(shù)值呈上升趨勢(shì)，且上升幅度較大。采用改進(jìn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制，節(jié)點(diǎn)擁塞率平均保持在4%左右，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，雖在節(jié)點(diǎn)數(shù)量為50個(gè)時(shí)，擁塞率有所上升，但總體數(shù)值呈下降趨勢(shì)。對(duì)比兩種方法可得，改進(jìn)方法節(jié)點(diǎn)擁塞率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的節(jié)點(diǎn)擁塞率，并持續(xù)降低，充分說明改進(jìn)方法能夠有效并行數(shù)據(jù)的傳輸速率，從而提高了并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾取?/p>

為了測(cè)試并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的控制精度，將傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法進(jìn)行對(duì)比，兩種方法并行數(shù)據(jù)傳輸完整度對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種方法并行數(shù)據(jù)傳輸完整度對(duì)比圖

觀察圖9可知，采用傳統(tǒng)方法對(duì)并行數(shù)據(jù)傳輸完整度進(jìn)行控制，傳輸后數(shù)據(jù)完整度平均為83%，當(dāng)傳輸路徑長(zhǎng)度為150 m時(shí)，數(shù)據(jù)完整度值最低，為79%，且曲線波動(dòng)較大。采用改進(jìn)方法對(duì)并行數(shù)據(jù)傳輸完整度進(jìn)行控制，其數(shù)據(jù)完整度平均為95%，觀察曲線，隨傳輸路徑長(zhǎng)度的增加，總體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)。對(duì)比兩種方法的實(shí)驗(yàn)曲線可得，改進(jìn)方法的數(shù)據(jù)傳輸完整度高于傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)完整度，充分說明所提的并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法精度高，控制效果好。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)方法要絕對(duì)優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法。改進(jìn)方法針對(duì)數(shù)據(jù)在信道傳輸中控制效果、節(jié)點(diǎn)擁塞率及數(shù)據(jù)完整度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證所提并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的優(yōu)越性。該方法解決了節(jié)點(diǎn)級(jí)的擁塞現(xiàn)象，調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，將?shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)募右钥刂疲瑴p少數(shù)據(jù)偏離信道導(dǎo)致的丟失現(xiàn)象，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

5 結(jié)束語

所提并行數(shù)據(jù)傳輸完整度控制方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯喂?jié)點(diǎn)擁塞和系統(tǒng)級(jí)的阻塞進(jìn)行了分析以及解決，這有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始巴暾?。未來?huì)是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)集成的環(huán)境，其中包含了異構(gòu)式的技術(shù)和系統(tǒng)，由此在未來的研究中應(yīng)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸完整性方向做研究，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

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