數(shù)據(jù)傳輸模式自適應(yīng)切換的設(shè)計與實現(xiàn)

左佳麗，屈軍鎖，寧　哲

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安　710061）

數(shù)據(jù)傳輸模式自適應(yīng)切換的設(shè)計與實現(xiàn)

左佳麗，屈軍鎖，寧哲

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710061）

給出一種采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器過程中，互聯(lián)網(wǎng)和GSM兩種模式之間自動切換的機制，以處理業(yè)務(wù)運營中的不同情況；若采集器無互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，則啟動GSM模式，即通過短信發(fā)送數(shù)據(jù)；若有互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，則啟動互聯(lián)網(wǎng)模式；并在互聯(lián)網(wǎng)模式下，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對采用的通信協(xié)議（TCP/UDP）進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；為滿足即時性要求，選擇UDP作為通信協(xié)議，但當(dāng)通信時延超過限定值時，則切換至TCP協(xié)議；為滿足可靠性要求，選擇TCP作為通信協(xié)議，但當(dāng)接收的連接數(shù)將超過服務(wù)器最大承載量時，切換至UDP協(xié)議；另在互聯(lián)網(wǎng)模式下，若長期得不到采集器響應(yīng)，則切換至GSM模式；在JAVA開發(fā)環(huán)境下對該機制進(jìn)行設(shè)計，并通過socket Tool工具對其功能進(jìn)行驗證；結(jié)果顯示，自適應(yīng)融合模型能根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求進(jìn)行模式間切換，運行平穩(wěn)。

數(shù)據(jù)傳輸；模式切換；自適應(yīng)

0　引言

互聯(lián)網(wǎng)模式，傳輸速度較快，但受到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)范圍覆蓋的限制。同時GSM［5］通信模式雖除去了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的限制，但傳輸過程繁瑣，時延較大。將這兩種模式結(jié)合，滿足多種環(huán)境下采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的的需求，保證數(shù)據(jù)能持續(xù)傳輸。并且在互聯(lián)網(wǎng)模式下，根據(jù)不同的采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同需求，區(qū)分為UDP/TCP傳輸協(xié)議，UDP［6］協(xié)議傳輸速度較快，但難以滿足對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性（傳輸?shù)耐暾?、可靠性以及流量控制）要求較高的業(yè)務(wù)。TCP［7］協(xié)議傳輸過程比較穩(wěn)定，但傳輸時間長，增加數(shù)據(jù)開銷，滿足不了即時業(yè)務(wù)。這兩種協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)模式下，相互轉(zhuǎn)化，以適應(yīng)采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多樣化需求。

現(xiàn)有研究方式都是在某一種模式下，通過一些參數(shù)或者流程的改進(jìn)，使其某一性能更好，以適應(yīng)某一具體環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。例如基于傳統(tǒng)TCP改進(jìn)的HSTCP［8］，增加可靠機制的UDP［9］以及安全改進(jìn)的GSM［10］等。但無法滿足業(yè)務(wù)多樣性以及實際運營狀況的需求。

基于現(xiàn)有的采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信現(xiàn)狀，對這兩種模式分別進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)并將它們?nèi)诤希?1］。實現(xiàn)兩種模式間根據(jù)實際情況進(jìn)行自適應(yīng)［12］切換。并在互聯(lián)網(wǎng)模式下實現(xiàn)UDP與TCP協(xié)議的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。以應(yīng)對業(yè)務(wù)中突發(fā)的狀態(tài)，比如，采集器長期沒有響應(yīng)；某一時段的通信時延劇增；或是某一時段連接數(shù)劇增等情況。使業(yè)務(wù)處于一種持續(xù)的穩(wěn)定的通信狀態(tài)。

在實現(xiàn)的過程中，為了使整個通信過程更加穩(wěn)定，設(shè)計了一套通信的數(shù)據(jù)幀格式。并在java環(huán)境下，針對模式間切換的條件與方式，進(jìn)行了多次測試。利用通信時延以及連接數(shù)來衡量業(yè)務(wù)狀態(tài)，并以此作為切換通信模式的條件，通過服務(wù)器發(fā)送指令進(jìn)行模式切換。實驗結(jié)果表明，業(yè)務(wù)能夠在不同的突發(fā)狀態(tài)下，完成模式間的切換，進(jìn)行持續(xù)平穩(wěn)通信。

1　通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)幀格式

1.1業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

主要討論采集器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器的過程，涉及業(yè)務(wù)的通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，整個系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)與GSM模式融合，各種業(yè)務(wù)可根據(jù)自身的情況，選擇其對應(yīng)的模式將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器采用與之相對應(yīng)的模式，將接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，存儲到數(shù)據(jù)庫。同時采集器還能定時給服務(wù)器匯報自身的狀態(tài)。服務(wù)器也能通過一些命令，控制采集器的相應(yīng)操作（復(fù)位等）。

1.2通信的數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

數(shù)據(jù)幀格式，即雙方在信息傳輸時，所遵循的規(guī)則和約定。多種模式的通信方式實現(xiàn)，雖然獲取數(shù)據(jù)的方式不一樣，但在服務(wù)器，獲取的數(shù)據(jù)都是統(tǒng)一用來為上層服務(wù)的。為了屏蔽這一底層獲取數(shù)據(jù)方式的不同，讓每一種通信模式遵守統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，這樣服務(wù)器就能對所有獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的操作。采用的數(shù)據(jù)格式（十六進(jìn)制）具體順序如下：

1）幀頭：FE；一個字節(jié)。

2）幀類型：在本文中，01-UDP，02-TCP，03-GSM，一個字節(jié)。

3）設(shè)備編號：默認(rèn)為該采集儀的ip地址或電話號碼，4個字節(jié)。

4）長度個數(shù)：命令碼字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)+校驗和字節(jié)數(shù)+幀尾字節(jié)數(shù)，一個字節(jié)。

5）命令碼：上位機的控制命令用，缺省為00。比如切換模式、復(fù)位等等。一個字節(jié)

6）數(shù)據(jù)域：輸入數(shù)據(jù)：w-水分值，t-溫度值，s-狀態(tài)等，N字節(jié)。

7）校驗和：前面所有數(shù)據(jù)的累加和，一個字節(jié)。

8）幀尾：FF，一個字節(jié)。

根據(jù)以上格式，形成一條完整的信息，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。并且可在不明?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的情況下，通過幀頭和幀尾判定數(shù)據(jù)的具體位置，準(zhǔn)確的找到所需的數(shù)據(jù)。

2　互聯(lián)網(wǎng)模式下UDP/TCP協(xié)議間切換

2.1基于UDP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)模式

UDP是面向非連接的協(xié)議，通信時不需要建立連接，因此數(shù)據(jù)的傳輸是不可靠的，但使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣鹊玫酱蠓鹊奶嵘?。一般用于多點通信和實時的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。比如語音廣播、視頻、RTP（實時傳送協(xié)議）、RIP（路由信息協(xié)議）、DNS（域名解析）等。

具體實現(xiàn)時，在服務(wù)器相應(yīng)端口開啟服務(wù)，偵聽端口是否有數(shù)據(jù)到達(dá)。而客戶端知道服務(wù)器的IP和端口號，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。整個過程操作簡單，處理快捷。

基于該協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)模式可用于硬件采集器性能比較穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境趨于穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)境中。例如電梯監(jiān)控、智能家居等這種易于采集數(shù)據(jù)、易于網(wǎng)絡(luò)布局，傳輸距離不是很遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)。

2.2基于TCP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)模式

TCP主要是面向連接的協(xié)議，它包含連接的建立（三次握手）和拆除，傳輸可靠。一般用于網(wǎng)頁 （http）、郵件（SMTP）、遠(yuǎn)程連接 （Telnet）、文件 （FTP）等。具體實現(xiàn)時，增加TCP建立連接，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及處理。

由于TCP協(xié)議具有更高的穩(wěn)定性，因此基于該協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)模式業(yè)務(wù)，可適當(dāng)降低硬件采集器的穩(wěn)定性要求。適用于硬件采集器性能一般，所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基本保持穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)境中。例如交通信息監(jiān)測、電力信息監(jiān)測等這種可整體網(wǎng)絡(luò)布局，傳輸距離在一定范圍之內(nèi)的業(yè)務(wù)。

2.3UDP與TCP協(xié)議間切換

首先若在互聯(lián)網(wǎng)模式下初始狀態(tài)基于UDP協(xié)議，業(yè)務(wù)運行時，采集器會定時給服務(wù)器發(fā)送采集到的信息。服務(wù)器每次收到采集器的信息時，會同時存儲數(shù)據(jù)、采集端IP、以及接收時間等信息。通過當(dāng)前時間與從某采集器接收到的最后一條信息的時間比較，超出了預(yù)定的發(fā)送時間間隔次數(shù)，則通過服務(wù)器主動發(fā)起查詢指令，等待其響應(yīng)。若依然沒有響應(yīng)，則認(rèn)為該協(xié)議失效。服務(wù)器再嘗試向采集器發(fā)送指令，使其切換到TCP協(xié)議。UDP協(xié)議切換至TCP協(xié)議的具體流程如圖2所示。

圖2　初始狀態(tài)為UDP的協(xié)議切換流程圖

其次如果初始狀態(tài)為TCP協(xié)議，服務(wù)器會始終計算同一時間段（這里設(shè)置為1秒）處理的連接數(shù)，倘若所需數(shù)據(jù)處理的并發(fā)數(shù)將要超出服務(wù)器同時處理的線程數(shù)時，則由服務(wù)器向采集器發(fā)送切換指令，使其轉(zhuǎn)換成UDP協(xié)議。具體過程如圖3所示。

圖3　初始狀態(tài)為TCP的協(xié)議切換流程圖

這樣就完成了互聯(lián)網(wǎng)模式下，傳輸協(xié)議TCP/UDP之間的轉(zhuǎn)換。

3　互聯(lián)網(wǎng)模式與GSM模式間切換

3.1GSM模式

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的GSM模式極大的增加了物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的范圍和領(lǐng)域。該模式在采集器互聯(lián)網(wǎng)不可達(dá)的情況下，通過電話號碼識別身份，利用短信將采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，是進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的一個較好的備用通信選項。

該模式中將采集器/服務(wù)器與GSM模塊（SIM300）通過串口連接。服務(wù)器/采集器通過AT指令來實現(xiàn)對串口的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送，并通過串口監(jiān)聽數(shù)據(jù)。服務(wù)器將獲取的數(shù)據(jù)傳遞給后臺數(shù)據(jù)庫，然后保存在數(shù)據(jù)庫中，供監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計和分析。圖4描述了GSM模式的通信過程。

圖4　GSM模式的通信流圖

GSM短信模塊需要在服務(wù)器以及采集器額外的增加SIM300短信模塊，比較繁瑣。但在無互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，是一個有效的替代方式。

該模式適用于采集器涉及范圍較廣，無法保證互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，但是有GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的業(yè)務(wù)環(huán)境。例如土壤墑情監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等這種范圍大、距離遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)。

3.2模式間切換

互聯(lián)網(wǎng)模式和GSM模式相互切換，以互聯(lián)網(wǎng)模式為主，GSM模式為備用方式，確保數(shù)據(jù)能夠持續(xù)的被傳送到服務(wù)器。

若在互聯(lián)網(wǎng)模式下，在規(guī)定的時間內(nèi)得不到采集端的響應(yīng)，則認(rèn)為通過互聯(lián)網(wǎng)信模式失效，通過模式設(shè)置，使其模式切換為GSM模式，完成數(shù)據(jù)傳輸。這里所說的規(guī)定時間與互聯(lián)網(wǎng)模式下的UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP的時間設(shè)定是不同的，這個時間一般來說都會比協(xié)議轉(zhuǎn)換判定的時間要長。在確認(rèn)互聯(lián)網(wǎng)暢通了之后，再發(fā)送指令，使其切換到初始的互聯(lián)網(wǎng)模式。具體過程如圖5所示。

圖5　互聯(lián)網(wǎng)模式與GSM模式切換具體流程

采集器與服務(wù)器一直保持著雙向通信，可以讓服務(wù)器隨時了解采集器的狀態(tài)，從而根據(jù)實際情況控制采集器的通信模式的切換。

4　系統(tǒng)測試及分析

為了對系統(tǒng)整體的性能有所把握，并檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，接下來對系統(tǒng)進(jìn)行測試并對結(jié)果進(jìn)行分析。

整體的程序都是在JAVA的開發(fā)環(huán)境下，運用JAVA的myeclipse開發(fā)工具。圖6為測試時采用的架構(gòu)。

圖6　測試架構(gòu)

4.1互聯(lián)網(wǎng)模式下協(xié)議間切換測試

首先測試初始狀態(tài)為UDP協(xié)議。由于測試環(huán)境的限制，在近距離的范圍內(nèi)，通信本身很難有超過預(yù)設(shè)時延的可能，所以測試時，采用人工定時向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，所謂時延，則是人工控制在某些時段不發(fā)送數(shù)據(jù)，以此來讓服務(wù)器檢測時延的長短。

測試時，設(shè)置每次的通信間隔為10 s，通信時延的閥值為3個通信間隔，即30 s。使用六臺PC機，利用socket Tool工具，模擬采集器，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，過程中，讓某一臺PC超過30 s不發(fā)數(shù)據(jù)?？梢钥吹綀D7所示的，該采集器收到一個查詢的指令check。

圖7　某一采集器的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收情況

此時繼續(xù)不給予回應(yīng)，再過30 s，如圖8所示，通信模式由UDP切換到了TCP。此時，給予服務(wù)器回應(yīng)，開始了TCP模式，如圖8。

圖8　某采集器的協(xié)議切換過程

接著測試初始狀態(tài)為協(xié)議。一臺服務(wù)能夠同時建立的TCP連接數(shù)可能受到其物理內(nèi)存的限制，一般為內(nèi)存的1/ 4，即1 GB內(nèi)存的機器，大約可以處理5萬個連接，但是還需要考慮每個連接的具體情況。由于測試條件的有限，此處設(shè)置連接數(shù)超過5時，發(fā)送指令使其轉(zhuǎn)換成UDP協(xié)議。

在測試時，使6臺PC通過socket Tool工具同時連接服務(wù)，從圖9可以看出由于6個超出了預(yù)設(shè)的最大連接數(shù)5，所以在TCP下無法連接上服務(wù)器。

圖9　某一采集器TCP連接情況顯示

緊接著看到協(xié)議由TCP切換到了UDP，開始了數(shù)據(jù)傳輸。同圖8。

從以上測試結(jié)果得出，互聯(lián)網(wǎng)模式下的TCP/UDP協(xié)議間切換達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.2互聯(lián)網(wǎng)模式與GSM模式間切換測試

若互聯(lián)網(wǎng)模式下的服務(wù)器長期得不到采集器的響應(yīng)，則模式切換到了GSM，即通過短信發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖10所示。

圖10　互聯(lián)網(wǎng)模式切換至GSM模式

上述實驗結(jié)果表明，兩種模式間的切換也滿足預(yù)期的要求。至此兩種模式有效結(jié)合，二者相互切換，滿足采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多種環(huán)境需求。

5　結(jié)束語

從以上論述可以看出，提出的這種數(shù)據(jù)傳輸模式自適應(yīng)切換的機制，即互聯(lián)網(wǎng)模式下，在采用TCP協(xié)議時，如果某個時間點的業(yè)務(wù)連接數(shù)驟然增大，嚴(yán)重影響到業(yè)務(wù)的實時性時，可將該協(xié)議靈活的暫時調(diào)整為UDP，克服數(shù)據(jù)傳輸瓶頸；同樣，倘若UDP協(xié)議的通信時延在某一時間段內(nèi)居高不下，也可將其暫時的調(diào)整為TCP協(xié)議，建立可靠連接，彌補丟包的缺陷，使數(shù)據(jù)傳輸過程趨于穩(wěn)定；此外，在互聯(lián)網(wǎng)的信息無法獲取時，立即啟用GSM模式，將采集的信息以短信的方式發(fā)送給服務(wù)器。具有一定的理論以及實踐基礎(chǔ)。并且經(jīng)過實踐驗證，具有一定的實用價值。

［1］周洪波.物聯(lián)網(wǎng)：技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和模式［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］邢曉江，王建立，李明棟.物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)及關(guān)鍵技術(shù) ［J］.中興通訊技術(shù)，2010，16（2）：27-30.

［3］Atzori L，Iera A，Morabito G.The Internet of Things：A survey［J］.Computer Networks，2010，54（15）：2787-2805.

［4］潘慧芳，周興社，楊剛.基于混合通信模式的消息中間件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2006，32（3）：116-118.

［5］尹華一，張長勝，胡愛軍.基于Web的GSM短信服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)［J］.網(wǎng)絡(luò)與通信，2008，24（3）：121-123.

［6］王繼剛，顧國昌，徐立峰.可靠UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的研究與設(shè)計［J］.計算機工程與應(yīng)用，2006，（15）：113-116.

［7］Henna，Shagufta.A Throughput Analysis of TCP Variants in Mobile Wireless Networks［A］.Third International Conference on Next Generation Mobile Applications，Services and Technologies［C］.Cardiff，Wales：IEEE，2009：279-284.

［8］王國棟，任勇毛，李俊.TCP改進(jìn)協(xié)議在高速長距離網(wǎng)絡(luò)中的性能研究［J］.通信學(xué)報，2014，35（4）：81-88.

［9］王玨，何秋燕，王露凱.基于UDP改進(jìn)的可靠傳輸協(xié)議研究與實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2015，11（9）：71-73.

［10］林雪紅，吳偉陵.GSM向3 G演進(jìn)系統(tǒng)安全的改進(jìn)［J］.電訊技術(shù).2004，（5）：50-52.

［11］劉君強，彭智勇.信息集成系統(tǒng)中的模式融合問題研究［J］.計算機工程，2007，33（16）：1-3.

［12］黃伯平，趙蔚，余延冬.自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)參考模型比較分析研究［J］.中國電化教育，2009，（8）：97-101.

Design and Implement ation of Adaptive Mode Switching About Data Transmission

Zuo Jiali，Qu Junsuo，Ning Zhe
（School of Communication and Information Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an710061，China）

To deal with the different actual business operations，during the data transmission from collector to server，an adaptive switch approach between Internet model and GSM mode is given.If the collector can't connect to the Internet，start the GSM mode，it sends data via SMS to the server.If the collector can get connection to the Internet，select UDP communication protocol to meet the real-time requirements，but when the communication delay exceeds the threshold，switch to TCP protocol.Select TCP communication mode to meet reliability requirements，but when the receive connection number of server is about to exceed the carrying capacity，switching to UDP protocol.In Internet mode，if it can't get the response from collector for a long time，then switch to GSM mode.Design the approach in the JAVA environment and verify its function by socket Tool.The results show that the approach can switch modes depending on the needs of different business，and running smoothly.

data transmission；mode switch；adaptive

1671-4598（2016）05-0195-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.055

TP393

A

2015-11-02；

2015-12-07。

陜西省科技廳科學(xué)研究計劃資助項目（2012K06-50）。

左佳麗（1989-），女，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用方向的研究。

屈軍鎖（1968-），男，教授，主要從事寬帶通信與信息化方向的研究。