光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度研究

李莉

摘要：傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法只注重傳輸時(shí)延、節(jié)點(diǎn)能耗均衡性和優(yōu)先性中的一方面，調(diào)度性能不佳。為此，提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法。構(gòu)建融合樹(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)GRDAT方法實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。為了降低沖突現(xiàn)象的發(fā)生，通過(guò)節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)的廣播進(jìn)行調(diào)度，給出光纖網(wǎng)絡(luò)融合的詳細(xì)過(guò)程。把含有差異性云數(shù)據(jù)的激活鏈路集看作調(diào)度對(duì)象，通過(guò)設(shè)置閾值把優(yōu)先級(jí)高的鏈路歸至調(diào)度對(duì)象，通過(guò)修正閾值保證加權(quán)時(shí)延與能量消耗間的平衡。利用融合樹(shù)結(jié)構(gòu)中鏈路間的沖突關(guān)系，建立鏈路沖突矩陣。依據(jù)沖突矩陣，通過(guò)構(gòu)建近似最大加權(quán)獨(dú)立集獲取時(shí)隙中的通信鏈路集合，實(shí)現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠降低光纖網(wǎng)絡(luò)資源占用率和擁塞率，提高平均吞吐率，調(diào)度性能優(yōu)。

關(guān)鍵詞：光纖網(wǎng)絡(luò)；融合；云數(shù)據(jù)；差異化；調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）17-0008-04

1 引言

在光纖網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量、處理能力和通信帶寬等資源有限，而光纖網(wǎng)絡(luò)融合為解決上述資源限制的有效方式，通過(guò)融合不同光纖網(wǎng)絡(luò)信息，可降低傳輸數(shù)據(jù)量，達(dá)到節(jié)省資源的目的[1，2]。但光纖網(wǎng)絡(luò)融合后數(shù)據(jù)存在差異化，且實(shí)際應(yīng)用時(shí)，希望把采集信息以最快的速度傳輸至決策者。因此，研究光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法具有重要意義[3]。

通常通過(guò)以下幾個(gè)方面衡量光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法的有效性：通過(guò)調(diào)度減少因沖突導(dǎo)致的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延升高；使節(jié)點(diǎn)間能耗平衡，從而增加光纖網(wǎng)絡(luò)使用壽命；針對(duì)存在差異的云數(shù)據(jù)需區(qū)別處理，使高優(yōu)先級(jí)云數(shù)據(jù)被優(yōu)先調(diào)度[3，4]。但當(dāng)前常用方法大多只針對(duì)其中一個(gè)方面進(jìn)行研究，如優(yōu)先級(jí)方法只考慮優(yōu)先處理方面，忽略了另兩方面；遺傳方法將調(diào)度時(shí)延最低作為約束條件，沒(méi)有考慮優(yōu)先性，調(diào)度結(jié)果均不佳[5]。

針對(duì)上述方法的弊端，提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法調(diào)度性能優(yōu)。

2 光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度

2.1構(gòu)建融合樹(shù)

在光纖網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)利用反向組播樹(shù)的形式從分散的節(jié)點(diǎn)逐步匯集數(shù)據(jù)并傳輸。如圖 1所示，C、D、E、F四個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到某事件，若傳輸數(shù)據(jù)的路徑形成一顆反向組播樹(shù)，則將該樹(shù)稱作數(shù)據(jù)融合樹(shù)，樹(shù)中所有節(jié)點(diǎn)都可對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合 [6]。

在構(gòu)建數(shù)據(jù)融合樹(shù)時(shí)，引入Steiner樹(shù)，下面給出其定義[7]。給出圖[B=U，S]，其中[U]用于描述圖[B]的節(jié)點(diǎn)集，[S]用于描述圖[B]的邊集。用[m=U]描述圖[B]的節(jié)點(diǎn)數(shù)，用[S]描述圖[B]的[S]鏈路數(shù)，則邊的費(fèi)用函數(shù)可描述成[c：S→V]。組播節(jié)點(diǎn)集[E]為[U]的子集，[n=E]，則Steiner樹(shù)可定義成從圖[B]中找出覆蓋[E]中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小生成樹(shù)，也就是令樹(shù)的費(fèi)用達(dá)到最小。最小生成樹(shù)即為Steiner樹(shù)，用[RsUR，Sv]進(jìn)行描述，[E]代表[U]的子集，[Sv]代表[S]的子集。

在Steiner樹(shù)中，將歸屬于[E]的節(jié)點(diǎn)稱作組播節(jié)點(diǎn)，將屬于[UR]但不屬于[E]的節(jié)點(diǎn)稱作非組播節(jié)點(diǎn)或非Steiner節(jié)點(diǎn)。

在對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合時(shí)，所有數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)均最低的DC路由可變成最小Steiner樹(shù)。

2.2光纖網(wǎng)絡(luò)融合

本節(jié)在構(gòu)建融合樹(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)GRDAT方法實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。該方法要求所有節(jié)點(diǎn)均以某種特定格式交換配置消息[Pk]，主要包括節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)[Ak]、節(jié)點(diǎn)在融合樹(shù)的父節(jié)點(diǎn)[Qk]、節(jié)點(diǎn)剩余能量[Wk]、與匯聚節(jié)點(diǎn)間的路徑長(zhǎng)度[Lk]、節(jié)點(diǎn)分組標(biāo)識(shí)[Ik]、節(jié)點(diǎn)[k]傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延[Tk]和信息[Pk]傳輸時(shí)間戳[TPk]。配置消息[Pk]可描述成[Pk=Ak，Qk，Wk，Lk，Ik，Tk，TPk]。

為了降低沖突現(xiàn)象的發(fā)生，通過(guò)節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)的廣播進(jìn)行調(diào)度，GRDAT為所有光纖網(wǎng)絡(luò)[m]關(guān)聯(lián)了一個(gè)定時(shí)器[tm]，[tm]的初始值用[t0m]進(jìn)行描述，其為剩余能量[Wm]的單調(diào)遞增函數(shù)，定義[t0m= 1Wm]。

為了給源節(jié)點(diǎn)構(gòu)建至匯聚節(jié)點(diǎn)的兩條路徑CD和EF，所有節(jié)點(diǎn)均需選擇兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)，依次用[Qcd]和[Qef]進(jìn)行描述[8]。

（6）如果節(jié)點(diǎn)[v]一段時(shí)間內(nèi)未接收新的配置消息，則向其當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)發(fā)送選擇通知；

（7）父節(jié)點(diǎn)接收通知消息后，按照時(shí)間戳求出傳輸延遲，對(duì)和最小延遲選擇通知相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并記錄子節(jié)點(diǎn)量[10]；

（8）重復(fù)上述過(guò)程，直至所有節(jié)點(diǎn)都將其配置消息廣播了一次，通過(guò)Steiner樹(shù)實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。

2.3云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度

光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度最終目的是為光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配傳輸時(shí)隙，使傳輸時(shí)延盡可能少，節(jié)點(diǎn)能耗盡可能均衡。本節(jié)云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度主要包括兩個(gè)階段：利用融合樹(shù)結(jié)構(gòu)中鏈路間的沖突關(guān)系，建立鏈路沖突矩陣；依據(jù)沖突矩陣，通過(guò)構(gòu)建近似最大加權(quán)獨(dú)立集獲取時(shí)隙中的通信鏈路集合，實(shí)現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度[11]。在此之前，給出以下定義。

上述輸出結(jié)果即為光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)從資源占用率、平均吞吐率和光纖網(wǎng)絡(luò)擁塞率三個(gè)方面，將優(yōu)先級(jí)方法和遺傳方法作為對(duì)比，對(duì)本文方法調(diào)度性能進(jìn)行測(cè)試。

3.1 資源占用率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇2017年9月1日～2017年9月30日，此期間在光纖網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級(jí)方法和遺傳方法，對(duì)30天光纖網(wǎng)絡(luò)的資源占用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3和表1所示。

分析圖3和表1可知，2017年9月1日，光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行本文方法后，資源占用率從74.43%降低至52.68%，降低了21.75%，且資源占用率整體呈下降趨勢(shì)；而光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行優(yōu)先級(jí)方法后，資源占用率從74.43%變成71.69%，雖然有所下降，但下降幅度小，且變化趨勢(shì)無(wú)規(guī)律，波動(dòng)較大；運(yùn)行遺傳方法后，資源占用率從74.43%降低至62.75%，降低幅度高于優(yōu)先級(jí)方法，但低于本文方法，且波動(dòng)較大。說(shuō)明采用本文方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)資源占用率明顯降低，且變化平穩(wěn)。

3.2 平均吞吐率測(cè)試

2017年9月1日開(kāi)始運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級(jí)方法和遺傳方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率變化情況用圖4和表2進(jìn)行描述。

分析圖4和表2可知，實(shí)驗(yàn)期間，運(yùn)行本文方法的光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率從3.826%升高至4.931%，提升比例高達(dá)28.88%；而運(yùn)行優(yōu)先級(jí)方法的光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率從3.826%變化至3.911%，提升比例僅為2.22%；按照同樣的方式可知遺傳方法的提升比例為3.5%，明顯低于本文方法，說(shuō)明本文方法能夠提高光纖網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，調(diào)度性能高。

3.3 擁塞率

運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級(jí)方法和遺傳方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)擁塞率變化情況用圖5和表3進(jìn)行描述。

分析圖5和表3可知，2017年9月1日開(kāi)始運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級(jí)方法和遺傳方法后，本文方法擁塞率下降了0.025%，優(yōu)先級(jí)方法擁塞率下降了0.012%，遺傳方法擁塞率下降程度最低，只下降了0.009%，本文方法擁塞率降低程度最高，說(shuō)明本文方法調(diào)度性能佳，可提高光纖網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法。構(gòu)建融合樹(shù)，通過(guò)GRDAT方法實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。依據(jù)沖突矩陣，通過(guò)構(gòu)建近似最大加權(quán)獨(dú)立集獲取時(shí)隙中的通信鏈路集合，實(shí)現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提方法調(diào)度性能優(yōu)。

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