基于哈希算法的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)

馬孟

（鄭州機動車質(zhì)量監(jiān)測認證技術(shù)研究中心有限公司，河南鄭州 451450）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以將人、機、物、系統(tǒng)等多個對象連接起來，構(gòu)建全面服務體系，既實現(xiàn)了數(shù)字化工業(yè)的全面推進，也為互聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的發(fā)展提供了保障[1]。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的日益復雜化，低功耗數(shù)據(jù)鏈路體系內(nèi)信息樣本的傳輸能力受到嚴重影響，使得網(wǎng)絡主機對數(shù)據(jù)參量的配準能力出現(xiàn)明顯下降。基于偽隨機序列加擾法的導頻分配方法，統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息流量的傳輸水平，不能將平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量維持在較高水平，因此在提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路體系對傳輸信息配準能力方面的作用效果并不能滿足實際應用需求[2]。

哈希函數(shù)是以哈希表為基礎構(gòu)建的散列函數(shù)，能夠把任意長度的輸入?yún)⒘孔儞Q成固定長度的輸出參量，該輸出參量即為散列值指標。對于哈希函數(shù)的轉(zhuǎn)換思想，可以理解為壓縮映射關(guān)系，即控制散列值空間常量，使其數(shù)值水平遠小于空間常量標準值[3]。由于數(shù)據(jù)樣本輸出值并不唯一，哈希函數(shù)很難通過散列值指標判斷輸出信息的可靠性。面對大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡空間，求解哈希函數(shù)表達式，還需確定散列值指標與標準輸出參量指標之間的數(shù)值映射關(guān)系[4]。計算得出的散列值指標，只能對應一個輸出數(shù)據(jù)，因此哈希函數(shù)表達式具有較強的獨立性與完整性。為此，設計基于哈希算法的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)。

1 哈希算法

1.1 壓縮函數(shù)

壓縮函數(shù)決定了哈希算法對于數(shù)據(jù)信息樣本的處理能力。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，主機元件對低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙系數(shù)的調(diào)節(jié)遵循哈希算法原則。在求解壓縮函數(shù)表達式時，應對數(shù)據(jù)信息樣本傳輸參量分別取值。壓縮意在縮短哈希算法表達式的編碼長度，在數(shù)據(jù)樣本存儲量較大的情況下，哈希算法表達式越短，其對信息參量的編碼能力越強[5-6]。

由于壓縮函數(shù)表達式必須匹配哈希算法編碼原則，為避免平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的接收能力受到影響，待處理數(shù)據(jù)參量不能在同一時間全部輸入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路體系。

1.2 海綿結(jié)構(gòu)

海綿結(jié)構(gòu)是哈希算法的主體編碼部分，由數(shù)據(jù)吸入、數(shù)據(jù)擠出兩個階段組成，為適應低功耗數(shù)據(jù)鏈路對于時隙指標的分配需求，數(shù)據(jù)樣本首先經(jīng)過吸入流程，再經(jīng)過擠出流程，得到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機所需的壓縮輸出結(jié)果，兩個處理階段對數(shù)據(jù)樣本的編碼都滿足同一壓縮函數(shù)表達式[7-8]。

設g1,g2,…,gn表示n個待編碼的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)樣本，且取值恒不等于自然數(shù)零，f表示數(shù)據(jù)吸入條件，χ表示數(shù)據(jù)基礎條件，α表示時隙指標賦值系數(shù)。在上述物理量的支持下，可將基于哈希算法的海綿結(jié)構(gòu)定義式為：

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路體系內(nèi)，海綿結(jié)構(gòu)直接對數(shù)據(jù)信息樣本編碼處理，隨著樣本輸入值改變，輸出結(jié)果的數(shù)值水平不斷變化。

2 數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)執(zhí)行方案

2.1 匯接控制器

匯接控制器負責對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路體系內(nèi)暫存的信息樣本分揀，在保證時隙分配標準的前提下，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)參量的存儲處理，解決平臺主機對數(shù)據(jù)樣本接收吞吐量不足的問題[9]。在匯接控制器元件內(nèi)，每一個低功耗數(shù)據(jù)鏈路時隙指標都對應一個獨立的配值結(jié)果，即使在數(shù)據(jù)樣本量非常龐大的情況下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機也會通過擴充數(shù)據(jù)庫容量的方式，保障時隙指標與配值結(jié)果之間的單一對應關(guān)系。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機IP 地址保持恒定的情況下，匯接控制器通過更改時隙指標賦值的方式，調(diào)整數(shù)據(jù)信息樣本的配準輸出結(jié)果，但整個調(diào)整過程中，任何數(shù)據(jù)參量的調(diào)節(jié)與運算必須滿足哈希算法原則[10]。為使海綿結(jié)構(gòu)能夠?qū)I(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)的傳輸信息樣本準確編碼，在設置匯接控制器元件時，要求互聯(lián)網(wǎng)主機內(nèi)不能出現(xiàn)兩個完全一致的時隙指標配值結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)借助TDMA 信道接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，可以通過調(diào)節(jié)低功耗數(shù)據(jù)鏈路的方式，完成對系統(tǒng)時隙參量的分配處理。哈希算法作用下，TDMA信道對低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙的分配，要求數(shù)據(jù)樣本的單位傳輸流量不得超過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的額定承載能力，所以數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)在處理信息樣本時，必須對所涉及數(shù)據(jù)參量實施首尾相連的壓縮處理[11-12]。循環(huán)中心是圓形數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心所在位置，數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)由內(nèi)圓、外圓兩部分共同組成，所以其中心所在節(jié)點必須完全重合。數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)布局形式如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)布局形式

為避免信息樣本在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路中出現(xiàn)錯序傳輸行為，循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方向必須保持一致（圖1 中的數(shù)據(jù)傳輸方向k1—k2—……—kn）。

2.3 靜態(tài)時隙分配

靜態(tài)時隙分配是指工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機靜態(tài)分配低功耗數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)的時隙指標，在匯接控制器、數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用下，靜態(tài)時隙指標的取值占比越大，表示低功耗數(shù)據(jù)鏈路對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息樣本的靜態(tài)傳輸能力越強。由于分配系統(tǒng)主機的運行狀態(tài)受到哈希算法的直接約束，靜態(tài)時隙分配結(jié)果取值不具備無限增大的能力[13-14]。

設i1表示信息樣本在低功耗數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)的靜態(tài)分配系數(shù)，Y1表示數(shù)據(jù)樣本的靜態(tài)單位傳輸量，e1表示時隙指標的靜態(tài)累積量。在上述物理量的支持下，可將靜態(tài)時隙分配表達式定義為：

其中，ΔT表示靜態(tài)時隙通路的單位開放時長，?表示靜態(tài)數(shù)據(jù)配比參量。考慮到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈路的閉合時長有限，所以ΔT指標的取值不宜過大。

2.4 動態(tài)時隙交換

動態(tài)時隙交換指工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機動態(tài)交換低功耗數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)的時隙指標[15]。與靜態(tài)時隙分配原則相比，動態(tài)時隙交換對匯接控制器、數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)之間配合程度的要求更高。在哈希算法作用下，只有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信道未被完全占據(jù)，才能確保數(shù)據(jù)信息樣本由初始寄存節(jié)點傳輸至目標分配節(jié)點[16]。

設w表示動態(tài)數(shù)據(jù)配比參量，i2表示信息樣本在低功耗數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)的動態(tài)分配系數(shù)，Y2表示數(shù)據(jù)樣本的動態(tài)單位傳輸量，e2表示時隙指標的動態(tài)累積量。將動態(tài)時隙交換表達式定義為：

由于靜態(tài)時隙分配原則、動態(tài)時隙交換原則對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙指標的影響能力不同，所以P1、P2指標的計算取值為P1≠P2。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗準備

利用EH-OS-M19 主機建立兩個長度、頻率、時延量都完全相等的報文隊列，其中一個隊列用于負載實驗組數(shù)據(jù)樣本，另一個隊列用于負載對照組數(shù)據(jù)樣本。將篩選出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機報文分別輸入實驗組、對照組報文隊列中，再借助DS-96128NH24/I 鏈路主機篩選數(shù)據(jù)樣本，直至輸出數(shù)據(jù)信息能夠滿足統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路時隙分配原則，具體實驗原理如圖2 所示。

圖2 實驗原理

該次實驗所采用實驗設備的具體型號如表1所示。

表1 實驗設備型號

為保證實驗結(jié)果的公平性，實驗組、對照組使用的實驗設備完全一致。

3.2 實驗步驟

該次實驗的具體實施流程如下：

步驟一：選擇基于哈希算法[17-19]的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)作為實驗組處理技術(shù)，利用該系統(tǒng)控制DS-96128N-H24/I 主機，使得主機元件能夠準確記錄EH-OS-M19 設備對于數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量，所得數(shù)據(jù)記為實驗組變量；

步驟二：選擇基于偽隨機序列加擾法的導頻分配系統(tǒng)作為對照組處理技術(shù)，利用該系統(tǒng)控制DS-96128N-H24/I 主機，使得主機元件能夠準確記錄EH-OS-M19 設備對于數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量，所得數(shù)據(jù)記為對照組變量；

步驟三：對比實驗組、對照組變量數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗規(guī)律。

3.3 實驗結(jié)果

平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量可以描述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路體系對傳輸信息的配準能力，在報文隊列保持完整的情況下，平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量越大，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路體系對傳輸信息的配準能力越強。

圖3 反映了實驗組、對照組接收吞吐量指標的數(shù)值變化情況。

圖3 接收吞吐量

分析圖3 可知，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延水平增大，平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的理想接收吞吐量始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)，其穩(wěn)定數(shù)值為8.5×1010MB/s。當工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延等于1 s 時，實驗組平臺主機對于數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量為8.4×1010MB/s，小于理想數(shù)值；當工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延處于2～5 s 內(nèi)，實驗組平臺主機對于數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量始終保持為8.8×1010MB/s，與理想數(shù)值相比，增大了0.3×1010MB/s。整個實驗過程中，對照組平臺主機對于數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量始終保持不斷增大的變化態(tài)勢，當工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延等于5 s 時，對照組吞吐量達到最大值7.8×1010MB/s，與理想數(shù)值相比，下降了0.7×1010MB/s，且低于實驗組最大值水平。

綜上可知，在基于哈希算法的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)的作用下，平臺主機提高了數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量水平。在提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路體系對傳輸信息的配準能力方面，具有較為突出的作用。

4 結(jié)束語

該文設計的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)鏈時隙分配系統(tǒng)，在現(xiàn)有研究的基礎上聯(lián)合哈希算法，建立壓縮函數(shù)，通過約束海綿結(jié)構(gòu)作用能力，聯(lián)合匯接控制器、數(shù)據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)靜態(tài)時隙分配與動態(tài)時隙分配。測試結(jié)果表明，設計系統(tǒng)應用后，提升了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺主機對數(shù)據(jù)樣本的接收吞吐量水平，對增強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路體系對傳輸信息的配準能力具有明顯促進作用。