無線多媒體傳感器上的高效的多宿主傳輸系統*

段蘇峰，董 瑜

上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 計算機科學與技術系，上海 200240

1 引言

近年來，無線多媒體傳感器發展迅速，它們的功能越來越強大，同時成本也在不斷下降。電池技術的發展提升了這些設備的壽命，也促進了這些設備的發展[1]。無線多媒體傳感器的快速發展使其在多個領域得到了廣泛的應用，并且使用這些傳感器的門檻也變得越來越低。使用傳感器廠商提供的傳感器、云服務器和客戶端可以迅速地創建一個監控系統。

無線傳感器的廣泛使用帶來了大量的多媒體數據，比如視頻傳感數據，這類多媒體數據一般是實時且連續的，因此保持數據傳輸的高效性和穩定性是十分重要的。多媒體數據傳輸過程中，一部分數據的丟失可能會影響其他數據的可用性。傳感器由于帶寬的限制和網絡的穩定性等原因，在和服務器進行通信時可能無法獲得穩定的連接鏈路。無線鏈路自身的不穩定性會造成傳感器節點暫時性地無法接入服務器。鏈路中一個網路節點產生問題會導致一條鏈路不可用，結果便是連接非正常斷開，延遲增加，用戶體驗下降。

一些研究者針對無線傳感器的可靠性和無線傳感器上數據傳輸的可靠性進行了研究，并獲得了一些成果。無線多媒體傳感器網絡（wireless multimedia sensors network，WMSN）中的路由協議優化是一種能夠控制數據流量的方法[2]。這種方法在WMSN中非常有效，但是它并不是為便攜智能設備而設計的，并且也無法避免由于網絡狀態造成的網絡異常。在無線傳感器網絡中增強傳輸穩定性的一種方法是當連接斷開時系統盡快將連接恢復[3]。然而這種方法依然會造成數據的丟失和阻塞。另一種方法則是使用多連接來減少延遲并增強數據傳輸的穩定性[4]。這種方法并沒有解決數據傳輸時的連接斷開問題。通過尋找傳感器與服務器之間最短路徑來降低延遲也是增強穩定性的一種方法。在分布式且相互獨立的傳感器上，這種方法很有效，但是當網絡狀況不好時，延遲仍然會產生，并且這種方法主要將關注點放在了提高能量的利用率上[5]。多宿主（multi-homed）也是一種可用的提高數據傳輸的模式。多宿主指的是一個設備擁有多個地址以供其他設備進行訪問，從而增強數據傳輸的穩定性[6-9]。但是讓每個設備持有多個地址是不現實的，并且讓所有的設備都支持多宿主協議也是十分困難的。

為了克服上述問題，本文為無線多媒體傳感器設計了一種全新的多宿主的連接模式。與單宿主（single-homed）無線多媒體傳感器系統相比，本文主要討論以下幾方面工作。

（1）為無線多媒體傳感器設計了一個多宿主系統架構。在這個系統架構下，一臺多媒體傳感器可以同時連接多個服務器宿主。這些宿主地址不同，傳感器可以通過多個不同的連接來傳輸數據。本文的多宿主系統能夠保證在不穩定網絡環境中的傳感器的穩定性和可靠性，網絡穩定性所造成的問題可以被多連接所解決。多條連接同時斷開的概率比在單宿主中單條連接斷開的概率低。

（2）針對多宿主系統設計了一種傳輸機制。該傳輸機制可以在多種Wi-Fi網絡環境下進行改變，在無線環境下設備可以選擇多種數據傳輸方式，增強了系統的靈活性。

（3）后續的實驗顯示出系統和協議可以增強多媒體數據傳輸的穩定性。在多宿主系統中，傳感器在相同的資源消耗的條件下可以增強系統的穩定性。多宿主傳感器在相同CPU和內存消耗下比單宿主傳感器更加穩定。

本文組織結構如下：第2章展示相關工作；第3章展示系統的架構和連接模式下傳輸數據的機制；第4章對系統的運行效率進行了分析；第5章總結全文，提出未來的研究工作。

2 相關工作

目前已經有數項研究致力于提高無線傳感器網絡的可靠性，有些研究更是通過調整路由協議來提高可靠性[2]。Lee等人提出了一個用于測量機械操作的無線傳感系統，以確保數據傳輸的完整性和正確性[10]。Li等人提出了一種新穎的基于分散速率控制的擁塞避免協議，它是一種基于離散比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制方法和單神經元相結合的自適應速率控制算法[11]。

很多研究人員也對多連接進行了研究，提出了一些增強多媒體服務的多連接機制。TCP-FIT是一個全新的TCP擁塞控制算法，在廣泛的網絡條件下表現出色[12]。TCP-ROME是一個多TCP連接的協議，使實時多媒體服務能克服網絡瓶頸帶寬波動[13]。文獻[4]提出了一種自適應的TCP多連接機制，以提高無線網絡中視頻的質量，它可以在最大化服務質量的同時最小化視頻流的總失真。

此外，多宿主也是研究人員關注的一個熱點領域。文獻[14]主要調研了無線網絡中對傳輸延遲要求較高的高清晰視頻的多宿主傳輸，為了解決傳輸時遇到的問題，設計了一種新的ASCOT（delay stringent coded transmission）框架。文獻[15]為物聯網中的多宿主設備保證QoE（quality of experience）設計了一種基于Q-Learning的自適應網絡接口選擇機制。文獻[16]為無線環境下的多宿主設備設計了一種失容忍的帶寬聚合機制（loss tolerant bandwidth aggregation，LTBA），這種機制可以在突發丟失的情況下降低連續的包丟失。

3 系統架構

下面將介紹多宿主系統的結構體系。圖1是系統結構的簡要說明。系統中的服務器有多個帶有不同IP地址的宿主。系統中的傳感器可以同時與不同的宿主建立多條連接，并通過這些連接傳輸數據。為了安全，接收方應該知道連接者的身份，并可以通過使用傳感器信息獲取這一身份。

Fig.1 Architecture of multi-homed system圖1 多宿主系統的架構

3.1 多宿主機制

圖2是傳統傳感網絡機制，圖3是多宿主傳感網絡機制。多媒體數據的傳輸會受到不同網絡之間連接穩定性的影響。多宿主機制使用多個網絡進行傳輸，避免了傳輸因一個網絡不穩定而受到影響。這種機制可以提高傳感節點的可靠性，降低傳輸不穩定的概率。

Fig.2 Traditional transmission mechanism圖2 傳統傳輸機制

Fig.3 Multi-homed transmission mechanism圖3 多宿主傳輸機制

多宿主機制允許服務器有多個不同地址的“宿主”。傳感器節點可以接入多個宿主。在傳感器節點中，為了獲得不同的連接狀態，連接的終點需要是不同的宿主。

傳統機制的服務器只有一個接入點供傳感器連接。而在多宿主機制下，當服務器與傳感器節點之間的某條鏈路出現不穩定，只要其他鏈路正常，傳感器仍然可以傳輸數據。

多宿主機制對于傳統傳感器仍是可用的。傳感器與服務器之間建立多條連接不是強制的。傳統的傳感器可以只建立一條連接來傳輸數據。多宿主傳感器也可以通過這種方式融入傳統的單宿主系統中。

3.2 多宿主服務器

多宿主服務器模塊是驗證連接及轉發數據的部分，也是多宿主機制的基礎。圖4介紹了這一模塊的結構。如圖所示，一個多宿主服務器有若干宿主、一個終端端口和一個后臺控制模塊。傳感器接入不同的宿主并建立連接以傳輸數據。多媒體數據通過宿主傳入服務器并在后臺控制模塊進行處理識別。終端通過終端端口接入服務器并請求服務器轉發數據。合法的數據會通過終端端口被轉發給終端。

Fig.4 Multi-homed server圖4 多宿主服務器

每個宿主都有獨立的IP以接收傳感器的數據。宿主可以直接建立連接并控制連接斷開。當一個宿主接收到一個建立新連接的請求時，會將這個請求傳給后臺控制模塊，并獲得請求驗證結果。

終端端口是終端與服務器通信的門戶。這一模塊會直接控制與終端的通信，所有的終端都通過這一端口發送請求及接收回復。當一個終端需要從服務器獲取數據時，它需要將請求發送到終端端口。同時，數據也通過這一端口傳輸給終端。

后臺控制模塊是一個多宿主服務器的控制器。作為控制器，這一模塊可以控制多宿主服務器的其他部分。它不僅可以開啟、停止其他模塊，也可以處理來自外部的請求并返回處理結果。

數據由宿主進入系統并被后臺模塊處理，而終端端口不能直接從宿主獲取數據。宿主將未經處理的數據發送到后臺處理模塊，后臺處理模塊會檢查數據合法性。合法的數據會被記錄，并根據需求由終端端口發送到有需求的終端。

多宿主系統一大優勢是它為處在不同網絡環境中的傳感器提供了多種數據傳輸模式。傳感器與宿主的連接可以是多對多的，不同的宿主可以同步接收來自同一個傳感器的數據。因為傳感器與不同的宿主之間的連接狀態是不同的，所以傳感器與所有的宿主斷開連接的概率是較低的。當一條連接斷開時，傳感器可以通過其他連接向服務器發送數據。多連接是傳感器提高自身可靠性的前提條件。

系統的另一個優勢是當一個宿主主動關閉或者無法連接時，傳感器仍然是可用的。當一個宿主關閉時，與這條宿主相連的所有連接都會立即關斷，而其他宿主可以正常工作。對于傳感器來說，它可以放棄這個異常的宿主，將數據發向其他宿主。因此一個傳感器總是可以找到接入點連接到服務器，減少掉線的發生。這也增強了整個系統的可靠性。

只能保持一條連接的傳統傳感器也可以通過連接到一個宿主來接入服務器。一些情況下，多宿主傳感器也不需要保持多條連接。在多宿主系統中，傳感器所保持的連接數是可變的，傳感器的靈活性更高。

3.3 多宿主傳感器

多宿主傳感器是在Wi-Fi環境下，有電池或持續供電，可以產生多媒體數據并進行傳輸的無線設備。圖5說明了多宿主傳感器的結構。一個多宿主傳感器擁有一個傳輸模塊、一個數據控制模塊和若干數據源。

Fig.5 Multi-homed sensor圖5 多宿主傳感器

一個多宿主傳感器可以有多個多媒體數據源，這樣可以同時產生不同種類的數據。一個數據源也可以產生不同質量的傳感數據。數據控制模塊的功能是控制這些數據源，它可以管理所有的數據源，并選擇用來發送的數據。該模塊獲取數據后不能直接向服務器發送數據。

數據傳輸模塊是多宿主傳感器的核心。該模塊控制傳感器與其他設備包括宿主的所有通信，并且可以檢測一條連接是否可用。當連接中斷時，它會將數據通過其他可用的連接發送，并嘗試重連當前連接。在有數據需要發送時，該模塊會選擇所有可用連接中的數條對數據進行傳輸。

傳統傳感器通常只有一條連接。網絡的不穩定會導致連接失效，這種問題會導致數據傳輸的中斷，并引起數據的丟失和延遲。多宿主傳感器通過保持多條連接來解決這一問題。與其他多連接傳感器相比，多宿主傳感器主要的區別在于可以使用多個具有不同IP的宿主進行數據傳輸，這使得多宿主傳感器比傳統多連接傳感器更穩定。雖然傳統多連接傳感器有多條連接，但是所有的連接都是相同的。當傳感器連接到宿主的網絡時，所有的連接可能會受到影響。多宿主傳感器可以將歷史上連接失效的次數為標準將連接排序并選出最穩定的連接。當最穩定的選擇失效時，多宿主傳感器也可以切換到一個相對較穩定的連接上。

以下特征可以減少傳感器傳輸數據的延遲：

（1）多宿主服務器允許傳感器根據需求選擇最合適的宿主，這可以減少傳感器資源如帶寬的消耗。

（2）一條連接將其他連接看作熱備份，當一條連接斷開，多宿主傳感器可以使用其他連接并重啟這條斷開的連接。

（3）連接同時斷開的概率大大降低，這會增強傳感器的可靠性。

3.4 多宿主終端

多宿主終端是從多宿主系統中接收數據的設備。終端只能從多宿主服務器獲得數據，而不能直接從傳感器得到。為了安全性和靈活性考慮，終端要知道傳感器的所有連接，這意味著終端可以從傳感器信息中獲取所有的連接驗證信息。當一個設備只需要傳感器的部分數據時，它可以選擇指定的連接獲取信息。

3.5 連接數量控制

并不是所有的傳感器都能安裝較大的內存和較強的處理器。對那些資源較多的傳感器，可以在建立連接的時候一次性地與所有宿主建立連接，并將空閑的連接作為備份。這種連接建立方式并不適合資源較少的傳感器，部分傳感器產生的數據量也并不是非常大，不需要使用過多的連接進行傳輸。過多的連接也占用了宿主的資源，導致部分傳輸數據的連接無法建立，降低了系統的可用性和穩定性。

為了控制傳感器的連接數量，多宿主傳感器需要自適應地調整連接的數量，網絡不穩定時可以創建新的連接，網絡穩定時減少連接的數量。

冗余連接的主要作用是替換失效的連接，冗余連接的數目是由可能失效的連接數目決定的。在系統啟動時，連接的數目是由傳感器產生的數據量決定的，此時只需要一條冗余連接。傳輸數據的連接出現問題時，需要使用冗余的連接替換這條出問題的連接，將出現問題的連接恢復后轉為新的冗余連接，同時再建立一條新的冗余連接。如果一條冗余連接出現問題，則拋棄這條連接。可以看出，冗余連接的數目等于在最近一段時間內出現問題連接的數目加1。這首先保證了在最近一段時間內有可能再次出現問題的連接均有一條備用連接；其次將出現問題的連接放到冗余連接中，可以在連接再次出現問題時徹底刪除這條連接，逐漸地將容易出問題的連接從系統中刪除。如果在足夠長的一段時間內沒有發生連接失效的問題，則可以將連接的數目減半，降低系統的資源使用。

3.6 多連接傳輸協議

通過多連接，傳感器在不同的環境下可以選擇適合的協議傳輸數據。本節將介紹三種最常用的傳輸機制。為方便起見，假設一個傳感器擁有兩條連接A和B，并且可以產生視頻和音頻數據。

如圖6所示，第一種協議是傳感器只使用連接A傳輸數據，連接B是連接A的熱備份。除非連接A不可用，否則連接B不會被使用。這是最簡單的協議，對于傳感器來說也最容易控制。在不同的數據相關性很強時，傳感器可以選擇這個協議來傳輸數據。在使用這個協議傳輸時，傳輸模塊控制起來比較簡單，數據可以按正確的順序到達，但是當延遲發生時，傳感器產生的所有數據會受到影響，數據量較大時，一條連接傳輸的負荷也會比較大，從而影響傳輸的效果。

Fig.6 The first transmission protocol圖6 第一種傳輸協議

如圖7所示，第二種協議是傳感器用連接A和連接B分別傳輸不同的數據。如果連接A斷開，連接B會連接A的數據并等待A的重連，或者使用冗余連接替換A。這個協議中，一條連接通常只傳輸一種類型的數據，并將其他連接看作它的熱備份。在使用這個協議時，一條連接出現的延遲不會影響其他連接的數據傳輸。但是這種傳輸協議只是第一種傳輸協議的改進，因此在數據量較大時依然會產生連接負荷較大的問題。同時如果不同類型的數據具有較強聯系，這種傳輸協議也會造成問題。

Fig.7 The second transmission protocol圖7 第二種傳輸協議

如圖8所示，第三種協議是傳感器用連接A和連接B交替傳輸數據。傳感器的數據傳輸模塊會將數據按照特征打包成組，并以組為單位使用不同連接交替傳輸數據，同一組中的數據之間相關性很強。這種協議結合了多連接交替傳輸的優點，可以充分降低延遲，并提高服務質量。但是，這種協議要求傳感器必須在傳輸數據之前在數據包上加上數據的編號以防止數據的錯序，同時還應該選擇傳輸速率和延遲相同的連接進行傳輸，減少數據錯序到達的可能。當需要低延遲發送數據并且傳感器知曉如何對數據進行分組時，可以選擇這一協議。

Fig.8 The third transmission protocol圖8 第三種傳輸協議

三種協議在不同的網絡環境下能夠起到不同的效果。無線多媒體傳感器所工作的網絡環境是多變的，三種協議在設計上所參考的網絡環境是不同的。

（1）第一種協議可以應用于大部分網絡環境，這是因為在第一種協議下實際上進行傳輸的連接只存在一條，所以多連接方式傳輸的效率依賴于傳輸數據的連接。在第一種協議下可以通過增加作為備份的連接數來降低連接被斷開時的損失。第一種協議在使用時無需太多考慮網絡環境，但是在傳感器硬件資源不多的情況下，第一種協議會占用較多的系統資源造成一定的資源浪費。

（2）第二種協議在實際進行傳輸時所需要的連接數和數據的種類是相同的。傳輸數據時的穩定性主要依賴于傳輸這種數據的連接。可以使用像第一種協議的方式，通過增加備份的連接來降低連接被斷開時的損失。缺點有兩個，一個是和第一種協議一樣，第二個是如果兩條連接所處網絡環境不同，并且傳輸的數據相關性較強，則可能會造成數據不同步，從而造成所需緩存過多，也會造成一定的資源浪費。

（3）第三種協議在進行實際傳輸時可以起到提高連接傳輸能力，降低延遲的作用，但是問題也比較明顯。首先它需要使用者設計好傳輸的分組方式，比其他兩種協議復雜；第二它要求用于傳輸的連接的狀況相近，降低數據的不同步性；第三它要求系統提供一定的緩存，對系統的資源有一定的要求。

4 性能分析

下面將研究多宿主無線傳感器系統和傳統無線傳感器系統的性能。在本文的系統中，在一個開源Android開發板實現了一個傳感器測試程序。設備的系統版本是Android4.2，CPU型號是A20ARM Cortex-A7 Dual-core，運行內存為1 GB。測試網絡為帶寬100 Mb/s的無線網。用來測試的多宿主服務器是兩個地址不同的宿主A和B。實驗用字節每秒為單位展示傳感器在穩定和不穩定網絡條件下傳輸數據的速率。

4.1 穩定網絡條件下的傳輸

本次測試在穩定的Wi-Fi網絡中安裝了3個多宿主傳感器和3個傳統傳感器，這些傳感器采集同樣的多媒體數據并發送。網絡中沒有其他程序占用網絡帶寬，并且網絡環境穩定，因此所有的傳感器可以與服務器進行穩定的通信。兩個相同的客戶端同時請求并接收這些傳感器產生的多媒體數據。

從測試結果可以看出，多宿主傳感器與傳統傳感器表現出相同的性能。文中定義的三種協議在穩定的Wi-Fi網絡環境中表現出相同的傳輸性能。這一結果證明了多宿主傳感器可以在穩定的網絡條件下達到傳統傳感器的性能，說明了多宿主傳感器可以取代傳統傳感器而不引起網絡帶寬占用的增加。

4.2 不穩定網絡條件下的傳輸

本次測試在不穩定的Wi-Fi網絡中安裝多宿主傳感器和傳統傳感器來傳輸這些數據。第一個實驗是宿主主動關閉。傳感器會關閉與服務器其中一個宿主的所有連接。第二個實驗是對指定宿主的封鎖。服務器的一個宿主到所有設備的路由都會中斷，所有的設備都不能同此宿主通信。傳感器需要時間來發現異常并嘗試重連。

圖9和圖10是第一個實驗中傳感器數據傳輸速率。圖9是傳感器與宿主A之間的連接被切斷時的數據傳輸速率，圖10是傳感器與宿主B之間的連接被切斷時的數據傳輸速率。實驗中傳感器立即發現異常并迅速做出反應。從圖9和圖10中可以看出，傳統傳感器的傳輸速率迅速降低到0，因為其唯一的連接被切斷，與服務器斷開連接。

Fig.9 Connections between homeAand sensor disconnect forwardly圖9 傳感器與宿主A之間的連接主動斷開

Fig.10 Connections between home B and sensor disconnect forwardly圖10 傳感器與宿主B之間的連接主動斷開

多宿主傳感器在實驗中仍可以正常傳輸數據，而數據傳輸速率幾乎沒有受到影響。這表示多宿主傳感器在一個宿主關閉時可以與其他宿主進行數據傳輸，傳統傳感器則無法做到這一點。因此多宿主傳感器與傳統傳感器相比具有更高的穩定性。

圖11和圖12是第二個實驗中的傳感器數據傳輸速率。圖11是傳感器與宿主A之間路由被切斷時的數據傳輸速率，圖12是傳感器與宿主B之間路由被切斷時的數據傳輸速率。從圖11和圖12中可以看出，傳統傳感器在實驗中受到了嚴重的影響，傳輸速率在實驗中降低到0。而多宿主傳感器在實驗中受到的影響不大，無論哪條鏈路被切斷，多宿主傳感器比傳統傳感器工作得都要更加穩定，可以在攻擊發生時正常傳輸數據，減少數據丟失。在未知的網絡條件下，一個宿主很可能由于各種原因而暫時無法使用，多宿主傳感器可以選擇其他宿主而使得其斷開的概率降低。

Fig.11 Connections between homeAand sensor cannot transmit data normally圖11 宿主A與傳感器之間的連接無法正常發送數據

Fig.12 Connections between home B and sensor cannot transmit data normally圖12 宿主B與傳感器之間的連接無法正常發送數據

從測試中可以看出，多宿主傳感器比傳統傳感器更加穩定。在一條連接主動或被動斷開時，多宿主傳感器能繼續與服務器通信，減少掉線的發生。

4.3 性能測試

本文運行多宿主傳感器與傳統傳感器，并使它們正常工作。圖13顯示在這段時間CPU的占用。多宿主傳感器的CPU占用在70%處波動，和傳統傳感器相近。多連接的管理并沒有額外的CPU占用。圖14顯示在這段時間內存的占用。多宿主傳感器的內存占用依然與傳統傳感器相近，都在19 MB左右。圖13和圖14表明這兩種傳感器的CPU和內存占用沒有明顯的區別。多宿主傳感器并不需要比傳統傳感器占用額外的資源，便可以獲得更高的穩定性。而在將傳統傳感器升級為多宿主傳感器時，也不需要安裝新的CPU和內存。這一點在將便攜式智能設備作為多媒體傳感器時同樣適用。

Fig.13 CPU usage of sensors圖13 傳感器CPU占用

Fig.14 Memory usage of sensors圖14 傳感器內存占用

5 結束語

本文介紹了一種新的在不穩定網絡條件下穩定工作的無線多媒體傳感器系統，設計了系統的結構并進行了實現，其優勢是系統內的傳感器更加穩定。為了使傳感器能夠運行多宿主模式，傳感器使用了連接數目控制機制來控制傳感器持有的連接。為了使系統能更加靈活地在不同環境中運行，本文設計了三種傳感器傳輸協議并分析了它們的優勢和不足。最后，進行了三項實驗以測試系統的性能。從測試中可以發現，在本文的系統中，傳感器可以在不增加資源消耗的情況下完成同樣的數據傳輸工作，并擁有更高的穩定性。目前我們正在致力于4G網絡下無線多媒體傳感器系統的研究。

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