劉淑芬,堯雪莉
(華東交通大學(xué)理工學(xué)院,江西 南昌 300100)
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理有重要意義,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)展起來,人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求程度也越來越高,網(wǎng)絡(luò)的單一化已經(jīng)不能滿足人們更多層次的需求。如何將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)質(zhì)處理使其最終能夠更高效、智能、便利地為人們服務(wù)成為目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問題之一[1]。相關(guān)學(xué)者對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的算法做了大量研究。
文獻(xiàn)[2]提出異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)中基于元結(jié)構(gòu)的協(xié)同過濾算法,首先利用多元路徑挖掘異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),然后根據(jù)得到的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷,在此基礎(chǔ)上,最后利用異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)元結(jié)構(gòu)的協(xié)同過濾算法處理。該算法具備完整的控制算法理論框架,可以通過框架將算法與控制技術(shù)較好的合并,從而提升了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的資源利用率,使算法在運(yùn)行的過程中負(fù)載處于平衡狀態(tài),保障了數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)的基本要求,文獻(xiàn)[3]提出一種利用時(shí)間相關(guān)性處理海量網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)流的異構(gòu)多模態(tài)目標(biāo)識(shí)別策略,基于媒體網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的視頻音頻共存特征,將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和約束玻爾茲曼機(jī)(RBM)相結(jié)合,構(gòu)造了一種異構(gòu)的多模態(tài)結(jié)構(gòu),分別用約束玻爾茲曼機(jī)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)音頻信息和視頻信息進(jìn)行處理,利用這種異構(gòu)的多模態(tài)結(jié)構(gòu)可以很好地利用不同深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。之后,利用典型相關(guān)分析(CCA)生成共享特征表示,利用視頻幀的時(shí)間相干性進(jìn)一步提高識(shí)別精度,并通過多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
雖然目前針對(duì)提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的問題具有了一定的研究基礎(chǔ),但是并沒有考慮提升優(yōu)化問題的處理能力[4]。因此本文將針對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理效率、處理精準(zhǔn)度、運(yùn)行代價(jià)等方面提出緩沖區(qū)替換算法,通過建立數(shù)學(xué)模型仿真的方式對(duì)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn),在算法實(shí)現(xiàn)的過程中引入多種應(yīng)用技術(shù)來提升算法的效率、精準(zhǔn)度和降低算法代價(jià)。
為了能夠更高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來提升算法的運(yùn)算效率,本文將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)數(shù)據(jù)階層,這些數(shù)據(jù)階層所包含的數(shù)據(jù)量大小均勻,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[5]。為了更夠更好的區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的類型,本文對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行命名,處于數(shù)據(jù)傳輸層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)格式命名為SD1,這種格式的數(shù)據(jù)將自身包裝起來形成加密層,可以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅埽辉诰W(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈層之間的數(shù)據(jù)命名為SD2,這種格式的數(shù)據(jù)中含有編號(hào)以及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),能夠較好的識(shí)別數(shù)據(jù)的來源以及經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)據(jù)成果;位于算法端口的數(shù)據(jù)命名為SD3,這種格式的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)釋放與數(shù)據(jù)確認(rèn)的功能,數(shù)據(jù)自身攜帶編碼程序與解碼程序,便利于緩沖區(qū)替換算法的有效運(yùn)行[6]。如圖1所示為數(shù)據(jù)格式命名方式的構(gòu)思圖。
圖1 數(shù)據(jù)格式命名方式構(gòu)思圖
本文設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸途徑分為兩個(gè)控制傳輸鏈路,按照數(shù)據(jù)的不同格式在兩個(gè)鏈路之間進(jìn)行傳輸,在數(shù)據(jù)的應(yīng)用層中設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議,引用控制算法對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸,進(jìn)而為緩沖區(qū)替換算法提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7]。其鏈路數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 鏈路數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖
在結(jié)構(gòu)圖中體現(xiàn)了鏈路雙接口網(wǎng)絡(luò)模型,利用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口建立多個(gè)接口。本文采用的數(shù)據(jù)處理協(xié)議適用于所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),此協(xié)議會(huì)隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)行時(shí)間而發(fā)生變化,保證網(wǎng)絡(luò)寬帶時(shí)刻保持在最佳狀態(tài),還會(huì)根據(jù)緩沖區(qū)的延遲而進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整[8]。
傳輸協(xié)議自身可以不建立傳輸通道,但是需要制定數(shù)據(jù)應(yīng)答機(jī)制,首先異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸點(diǎn)向協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)集合,協(xié)議若發(fā)出接收信號(hào)則說明數(shù)據(jù)格式正確可以用來傳輸,并繼續(xù)接收數(shù)據(jù)集合的具體信息,傳輸協(xié)議建立成功;若協(xié)議發(fā)出拒收信號(hào),則說明異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)集合格式不正確,無法建立傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議確定流程如圖3所示。
圖3 傳輸協(xié)議確定流程圖
傳輸協(xié)議經(jīng)過確認(rèn)后,便需要通過通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)釋放,將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制算法窗口中,由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路傳輸速率不同,為了使得控制算法更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)梳理,本文引入了COJA算法對(duì)控制算法的窗口大小進(jìn)行計(jì)算,算法公式如下所示
(1)
式中,Qz(t)代表控制算法窗口的大小,Qy(t)代表控制算法窗口大小總和,S代表數(shù)據(jù)在通信鏈路中的傳輸時(shí)間,Qz(t-1)代表控制算法的擁堵窗口。由于擁堵窗口的狀態(tài)情況為未知量,所以本文建立Inter-2算法對(duì)擁堵窗口未知量進(jìn)行計(jì)算,算法公式如下
(2)
式中,T代表窗口數(shù)據(jù)傳輸周期,V代表窗口擁堵系數(shù)。將式(2)所得的數(shù)據(jù)代入式(1)中即可確定寬口的大小[9]。
數(shù)據(jù)傳入到控制算法的窗口中即可得知數(shù)據(jù)傳輸容量大小和負(fù)載的均衡程度,在窗口中控制算法將數(shù)據(jù)集合進(jìn)行分解控制,使數(shù)據(jù)集合以更小的單位進(jìn)入緩沖區(qū)[10],從而為緩沖區(qū)替換算法的運(yùn)行提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
本文將緩沖區(qū)分為冷區(qū)與熱區(qū)兩部分,數(shù)據(jù)訪問量達(dá)到兩次的為熱區(qū),數(shù)據(jù)訪問量為單次的為冷區(qū),熱區(qū)與冷區(qū)之間的形態(tài)是可以相互轉(zhuǎn)換的,若冷區(qū)的訪問量上升則轉(zhuǎn)換為熱區(qū),若熱區(qū)的數(shù)據(jù)訪問量下降,則轉(zhuǎn)換為冷區(qū)[11]。設(shè)定冷區(qū)的數(shù)據(jù)容量是有下限的,熱區(qū)的容量是有上限的,若數(shù)據(jù)超出一定的范圍,冷區(qū)與熱區(qū)之間的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行互換,從而使緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)更加具有靈活性能。在緩沖區(qū)的冷、熱區(qū)組成中,還具有干凈區(qū)與臟區(qū),干凈區(qū)代表數(shù)據(jù)一直處于流動(dòng)狀態(tài),數(shù)據(jù)被加載后便被緩沖區(qū)清除,而臟區(qū)代表數(shù)據(jù)一直處于加載狀態(tài),無法進(jìn)行流通長(zhǎng)時(shí)間的停留在緩沖區(qū)。如圖4所示為緩沖區(qū)的劃分分布圖。
圖4 緩沖區(qū)劃分分布圖
首先確定緩沖區(qū)的冷區(qū)與熱區(qū),暫時(shí)將兩區(qū)進(jìn)行固定,禁止冷區(qū)與熱區(qū)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換,隨后引入緩沖區(qū)替換算法中的替換技術(shù),大面積的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)嚼鋮^(qū)中,再將熱區(qū)中的干凈區(qū)進(jìn)行定位標(biāo)識(shí)引入冷區(qū)中的臟區(qū)中,由于臟區(qū)的數(shù)據(jù)交換能力較弱,無法迅速的將熱區(qū)數(shù)據(jù)排出,導(dǎo)致冷區(qū)數(shù)據(jù)被填滿,在此階段冷區(qū)中的數(shù)據(jù)均為可用數(shù)據(jù),而熱區(qū)中的數(shù)據(jù)大多為滯留數(shù)據(jù),但是由于熱區(qū)中的臟區(qū)轉(zhuǎn)移到冷區(qū)中,所以此時(shí)熱區(qū)具有良好的數(shù)據(jù)替換性能,及時(shí)的將冷區(qū)滯留數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)替換算法需要依靠緩沖區(qū)中的不同區(qū)段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,從而制定緩沖區(qū)機(jī)制來滿足算法的正常運(yùn)行。將緩沖區(qū)中的冷區(qū)與熱區(qū)進(jìn)行標(biāo)識(shí)記錄,方便數(shù)據(jù)的尋找與計(jì)算,利用標(biāo)識(shí)可以迅速的找出位于臟區(qū)的數(shù)據(jù),根據(jù)區(qū)域的定義可知,臟區(qū)的數(shù)據(jù)逐漸的堆積停留容易造成緩沖區(qū)替換算法的卡頓,由于數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)技術(shù)的不夠成熟,在進(jìn)行臟區(qū)數(shù)據(jù)搜尋的過程中難免出現(xiàn)誤差,導(dǎo)致緩沖區(qū)算法無法發(fā)揮出最穩(wěn)定的工作性能,本文針對(duì)此問題提出一種定義標(biāo)識(shí)緩沖區(qū)的方案,更夠更好的識(shí)別出臟區(qū)的滯留數(shù)據(jù),改善緩沖區(qū)替換算法的運(yùn)算環(huán)境[12]。
綜上所述,本文應(yīng)用定靶標(biāo)識(shí)區(qū)域替換的原理將緩沖區(qū)中的冷區(qū)臟區(qū)替換為熱區(qū)臟區(qū),使冷區(qū)中的數(shù)據(jù)均為可用數(shù)據(jù),而熱區(qū)具有較高效率的數(shù)據(jù)替換性能,同時(shí)也具有可用數(shù)據(jù),為緩沖區(qū)算法的實(shí)現(xiàn)提供了良好的運(yùn)算環(huán)境。
本文建立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)替換算法的數(shù)學(xué)模型來對(duì)緩沖區(qū)替換算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn),緩沖區(qū)替換算法需要不斷地在進(jìn)行鏈條替換,高效率的將數(shù)據(jù),增加干凈區(qū)的替換長(zhǎng)度,不斷的提升數(shù)據(jù)鏈條的更換速度,使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)得到更加優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。
假設(shè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)鏈條數(shù)為n個(gè),在任意鏈條進(jìn)行替換計(jì)算的概率均為p,則緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的狀態(tài)參數(shù)如下
(3)
式中,p1代表運(yùn)算過程中的空間鏈條,p2代表運(yùn)算成功的鏈條,p3代表在運(yùn)算的過程中發(fā)生緩沖區(qū)信道發(fā)生碰撞的概率。
由于鏈條的長(zhǎng)度不盡相同,設(shè)進(jìn)行一次運(yùn)算的平均時(shí)間為t,根據(jù)已經(jīng)確定的參數(shù)值來計(jì)算鏈條的負(fù)載計(jì)算長(zhǎng)度,計(jì)算公式如下所示
(4)
式中,h代表鏈條的平均負(fù)載計(jì)算長(zhǎng)度,?代表替換算法的運(yùn)算時(shí)間延遲與誤差,G代表緩沖區(qū)間信道的服務(wù)時(shí)間,R代表緩沖區(qū)與運(yùn)算服務(wù)器之間的時(shí)間間隙。
將一次緩沖區(qū)替換算法的運(yùn)算過程體現(xiàn)在信道服務(wù)中,可以分解為多次數(shù)據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸間隙,目前已經(jīng)知道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)鏈條的長(zhǎng)度以及在信道中進(jìn)行運(yùn)算的碰撞概率和單次運(yùn)算的平均時(shí)長(zhǎng),可以生成以下函數(shù)
(5)
函數(shù)的最終解為緩沖區(qū)替換算法在信道環(huán)境良好,具有一定概率發(fā)生數(shù)次碰撞,數(shù)據(jù)鏈條長(zhǎng)度保持一致的情況下的運(yùn)算效率。
本文還建立數(shù)學(xué)模型對(duì)算法的干擾因素進(jìn)行分析,每個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中都有多個(gè)基站來支撐數(shù)據(jù)傳輸,基站的數(shù)據(jù)傳輸途徑與信道資源占用同一條寬帶,在兩端同時(shí)運(yùn)行的過程中時(shí)常會(huì)有數(shù)據(jù)的相互干擾,信道對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸存在干擾的數(shù)學(xué)模型如式(6)所示
(6)
式中,IN代表干擾損耗,KN代表算法運(yùn)算數(shù)量,d1代表寬帶的分配比例。
為了驗(yàn)證緩沖區(qū)替換算法的穩(wěn)定有效性,以及高效率、高精準(zhǔn)度、低代價(jià)特點(diǎn),本文將進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的編程設(shè)計(jì),在MATLAB的命令窗口運(yùn)行simulink命令,新建空白模型窗口,并在其中輸入異構(gòu)信號(hào)源,將simulink界面中不同模塊間信號(hào)線進(jìn)行連接,最后在編程框架協(xié)議下構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)替換算法的大數(shù)據(jù)采樣,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可通過其顯示的波動(dòng)幅值進(jìn)行采集。將本文算法與文獻(xiàn)[2]算法、文獻(xiàn)[3]算法的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析本文算法是否具有相關(guān)優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)中建立三個(gè)仿真模型,分別為字節(jié)替換仿真、閃讀次數(shù)仿真、資源消耗仿真。其系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖監(jiān)控平臺(tái)參數(shù)設(shè)置如表1所示:
表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖監(jiān)控平臺(tái)參數(shù)設(shè)置
在緩沖區(qū)中的眾多算法中,對(duì)字節(jié)精準(zhǔn)的進(jìn)行替換是一項(xiàng)十分重要的性能,但是傳統(tǒng)的算法在運(yùn)算的過程中對(duì)字節(jié)替換的命中率較低,在相同的緩沖區(qū)環(huán)境下,分別應(yīng)用本文算法與文獻(xiàn)[2]算法和文獻(xiàn)[3]算法進(jìn)行字節(jié)替換仿真,比較三種算法的精準(zhǔn)程度,比較結(jié)果如圖5所示。
圖5 三種方法精準(zhǔn)程度對(duì)比結(jié)果
由圖5可知,本文算法具有較高的精準(zhǔn)度,本文替換算法的運(yùn)行是基于明確的數(shù)據(jù)格式上進(jìn)行的,緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)由于格式的不同而被標(biāo)識(shí),算法在運(yùn)行的過程中能夠較容易地提取所需數(shù)據(jù),從而提升了本文算法的精準(zhǔn)度。
緩沖區(qū)算法中閃讀的次數(shù)代表著算法的效率,不同算法在一定的時(shí)間內(nèi),進(jìn)行閃讀的次數(shù)越多則代表該算法的運(yùn)算效率越高,本文將文獻(xiàn)[2]算法和文獻(xiàn)[3]算法與本文算法處于同一緩沖區(qū)內(nèi),保證因變量的相同,比較同一時(shí)間內(nèi)兩種算法的閃讀次數(shù),從而比較兩種算法的效率結(jié)果,如圖6所示為三種方法閃讀次數(shù)結(jié)果比較圖。
圖6 三種方法閃讀次數(shù)比較結(jié)果
由圖6可知,本文算法在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行閃讀的次數(shù)大于文獻(xiàn)[2]算法和文獻(xiàn)[3]算法,由此可以進(jìn)一步得知本文的算法在運(yùn)算效率方面優(yōu)于文獻(xiàn)[2]算法和文獻(xiàn)[3]算法,本文的緩沖區(qū)替換算法有著較為完善的數(shù)據(jù)傳輸體系,極大的縮短了數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間,并且本文通過數(shù)學(xué)建模設(shè)計(jì)緩沖區(qū),為緩沖區(qū)替換算法提供了良好的基礎(chǔ)。
算法在進(jìn)行運(yùn)算的過程中需要占用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)資源以及寬帶空間,算法所占的資源越小則證明該算法的運(yùn)算代價(jià)越低,在仿真中本文應(yīng)用遺傳算法對(duì)資源消耗量進(jìn)行計(jì)算,最終通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。如圖7所示為利用遺傳算法進(jìn)行資源消耗量計(jì)算方案結(jié)構(gòu)圖。
圖7 遺傳算法資源消耗計(jì)算方案結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)圖中方案可以建立目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行資源消耗量求解,公式如下
(7)
通過目標(biāo)函數(shù),得到文獻(xiàn)[2]算法和文獻(xiàn)[3]算法算法的平均資源占用率為23.2%和21.5%,本文算法的平均資源占用率為10.3%,因此本文算法具有運(yùn)算低代價(jià)的優(yōu)勢(shì)。
考慮傳統(tǒng)算法在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程中融合了多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基站的數(shù)據(jù),增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性與網(wǎng)絡(luò)容量,在保障網(wǎng)絡(luò)用戶服務(wù)上有著較大的優(yōu)勢(shì),但是數(shù)據(jù)計(jì)算能力較弱,不能夠以較高的效率進(jìn)行工作;且主要根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,整體流程較為簡(jiǎn)單,不需要依靠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)運(yùn)算的過程中不能精準(zhǔn)的處理數(shù)據(jù),邏輯比較模糊,不能應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶通信端口,為此本文提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)替換算法的數(shù)學(xué)建模。本文緩沖區(qū)替換算法相對(duì)于傳統(tǒng)算法,有著運(yùn)算效率高、運(yùn)算精準(zhǔn)度高、運(yùn)算代價(jià)低等優(yōu)勢(shì),本文對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式區(qū)分,分別將不同格式的數(shù)據(jù)代入不同的運(yùn)算通道中,極大的加快了數(shù)據(jù)傳輸效率;對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸途徑進(jìn)行分析,明確了數(shù)據(jù)的傳輸路線,并制定了相關(guān)機(jī)制;在算法的實(shí)現(xiàn)過程中,建立數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)獨(dú)立的緩沖區(qū),極大的提升了算法的性能。