帶寬受限條件下無線自組織網同步報文合并方法

查 燕 黃旸珉 羅 濤 胡金龍

（1.中國電子科技集團公司第七研究所；2.華南理工大學計算機科學與工程學院，廣東省計算機網絡重點實驗室）

在無線自組織網絡（Ad hoc Network）中，鏈路質量受到節點地形環境，傳輸信道等因素影響，常常不能得到保證。同時，數據同步常常會產生大量的小數據同步報文，加大了網絡開銷。針對這一問題，本文提出了一種基于帶寬受限條件的無線自組織網同步報文合并方法，對實時性要求較低的小報文數據，根據歷史合并信息選擇合適的中間節點進行等待合并，并對合并后的數據進行壓縮，以降低網絡開銷。實驗結果表明本文所提出的方法可在滿足同步時延要求下降低網絡的開銷。

在數據同步的場景中，合并數據能夠減少傳輸帶寬消耗，降低網絡開銷。然而，由于無線自組織網絡內節點的移動性，網絡拓撲也會經常發生變化，如何實時地、智能地調整策略，為節點選擇合適的中轉節點進行合并，以保證數據合并策略能夠持續保持高效性是數據同步相關研究中的關鍵問題。

本文針對帶寬受限的無線自組織網絡的數據同步場景，開展了數據同步與報文合并策略的研究，提出了一種基于帶寬受限條件的無線自組織網同步報文合并方法。該方法根據各節點計算的優先得分，對各節點的歷史傳輸數據計算出其對應的優先得分，從而選擇最合適的中間合并節點，然后將實時性要求低的小報文數據發送至該中間節點時等待合并，與其它目的地址相同且同樣在這一節點等待的小報文數據進行合并和壓縮，與目的節點進行數據同步。實驗表明，本文提出的同步報文合并方法能夠很好地降低無線自組網所需帶寬及網絡開銷，有效地提高了數據同步的效率。

1 國內外研究現狀

在網絡傳輸中對不同源的數據進行合并和整合，是降低網絡開銷和提高傳輸效率的有效方法，例如，陳勝男等出了一種基于數據包合并的物理層與數據鏈路層編碼的跨層優化方案，通過將鏈路層多個數據包合并進行糾錯編碼，有效提高了傳輸效率；莊青提出了一種海量音視頻數據碎片化的數據匯聚系統和方法，采用消息隊列、內存庫、守護進程等技術，能夠高效處理、傳輸、合并海量音視頻數據，并保證其安全性和正確性；孔凡天針對無線傳感器網絡提出了一種新穎的無線傳感器網絡分層式結構模型，在網絡協議中應用了多傳感器數據融合技術達到了節省存儲資源，降低網絡帶寬占用的目的。

在帶寬受限的無線自組織網絡中，通過傳輸數據的合并和融合，可以降低網絡開銷，提高傳輸效率，但是對實時性要求較低的小報文數據，如何選擇合適的中間節點進行合并，以降低網絡開銷，仍然需要進一步的研究。

2 問題描述

數據同步節點不少于50個，絕大部分數據同步節點的鏈路帶寬在100kbps以內，時延為10ms，丟包率為5%，且網絡拓撲會不定時地因節點的移動而發生變化。對于實時性要求低的小報文數據同步業務，在能夠達到服務質量（QoS）要求的前提下，通過一定數量的最近節點歷史同步數據計算出傳輸路徑上各節點作為中轉節點時對應的優先級得分，從而選擇最優的中轉節點，并將小報文數據發送到該節點與其他目的節點地址相同且也在該節點等待的小報文數據進行合并，以最大程度降低網絡開銷和占用帶寬。

3 總體方案

本文提出的小報文合并方法流程圖如圖1所示。首先在源節點與目的節點建立數據同步前確定同步路徑，并通過對路徑上各節點根據其最近的歷史合并數據機制計算出各節點作為中轉合并節點對應的優先得分，為源節點未來一定數量的小報文數據選擇最合適的中轉節點。隨后，發送的報文數據在選擇的中轉節點處進入對應目的地址的合并隊列等待，當合并隊列內任一報文等待超過一定時間或隊列內報文數量達到一定數量時，自動合并隊列內的所有報文數據，并記錄當前隊列內的報文數和平均等待時間，與目的節點進行同步。目的節點在接收到合并數據后，將合并的相關信息通過確認報文返回給各源節點，最后各源節點記錄該信息，并用于下一次數據同步的計算。

圖1 方案流程圖

4 實驗

實驗環境為在ad hoc網絡環境下，包含10個數據同步節點，網絡拓撲結構為線型結構。所有數據節點為操作系統為Linux Ubuntu 16.04，內存為4G，4核處理器的虛擬機。各鏈路設定固定帶寬100kbps，丟包率為5%，時延10ms，分別通過網絡流量開銷、平均同步時延、合并平均等待時間、平均合并報文個數這四個評價指標衡量本文所提出的數據同步系統各項技術策略的性能。

同步報文合并方法性能測試：

5個源節點分別使用不同的同步報文合并策略，使用不同的衰減因子α，用優先得分最高的節點作為中轉節點的報文條數占每次更新計算的總報文條數的比例不同的情況下，對比在網絡流量開銷，平均同步時延，報文平均等待時間，平均報文合并個數這四項指標上的性能。性能測試結果如表1所示。

表1 同步報文合并方法參數比較性能測試結果

由表1可知，使用了同步報文合并方法能夠有效降低數據同步的整體網絡開銷，但啟發式的對比合并算法會造成同步時延的增大。而使用基于優先得分的同步報文合并方法能夠進一步降低網絡開銷和同步時延，相較于簡單的選擇源節點下一跳和隨機指定合并節點，提出的方法更具優越性，在網絡開銷，平均同步時延，合并平均等待時間，平均報文合并個數各方面指標上都表現得更好；同時，相較于只通過優先得分指定一部分報文數據的中轉節點，全部依據優先得分為報文數據指定同一中轉節點能夠在網絡開銷接近的情況下更有效地減少報文的等待時間，提升報文合并個數，進而提高同步效率，降低同步時延。

結語：本文針對帶寬受限條件的無線自組織網，提出了一種基于歷史合并信息反饋的同步報文合并方法，實現了在無線自組織網絡中對進行相同目的節點的小報文數據進行合并的中轉節點的合理選擇，有效降低了網絡開銷和占用帶寬。同時，基于實驗驗證網絡拓撲的實際測試結果也顯示出了這一方法相較于典型數據同步方式對網絡開銷和占用帶寬的降低，驗證了這一方法的可行性，對車聯網等實際應用場景中帶寬受限的無線自組織網絡的數據同步有一定的指導作用。