面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)切換CoAP模式

金 智，劉 蓉

面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)切換CoAP模式

金 智，劉 蓉

（長(zhǎng)沙醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410219）

為了平衡物聯(lián)網(wǎng)時(shí)延與數(shù)據(jù)包傳輸可靠性之間的關(guān)系，根據(jù)受限制的應(yīng)用協(xié)議(CoAP)中確認(rèn)模式和非確認(rèn)模式的特點(diǎn)，對(duì)CoAP模式進(jìn)行研究：依據(jù)無(wú)線信道條件，推導(dǎo)CoAP的2個(gè)模式下的數(shù)據(jù)包丟失率的表達(dá)式；利用最大似然估計(jì)算法估計(jì)參數(shù)，并計(jì)算確認(rèn)模式和非確認(rèn)模式下的數(shù)據(jù)包丟失率；最后依據(jù)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)包丟失率的要求，采用動(dòng)態(tài)CoAP模型達(dá)到平衡傳輸時(shí)延和吞吐量的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，推導(dǎo)的數(shù)據(jù)包丟失率表達(dá)式能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，同時(shí)，動(dòng)態(tài)CoAP模式能夠有效地平衡傳輸時(shí)延和吞吐量性能。

物聯(lián)網(wǎng)；受限制的應(yīng)用協(xié)議；數(shù)據(jù)包丟失率；確認(rèn)模式；非確認(rèn)模式

0 引言

作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks, WSNs）的特殊應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)（internet of things, IoT）[1-2]涉及到處理物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層信息傳輸問題的技術(shù)。IoT系統(tǒng)主要包含4類節(jié)點(diǎn)：傳感節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)（actuator nodes, ACNs）、網(wǎng)關(guān)（gateways）、服務(wù)器、客戶端。傳感節(jié)點(diǎn)和ACNs常部署于網(wǎng)絡(luò)的邊緣環(huán)境，而邊緣環(huán)境的無(wú)線信道易受多徑衰落[3-4]影響，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。

此外，為了延長(zhǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的電池壽命需要低功率消耗；但低功率消耗會(huì)導(dǎo)致低的信噪比（signal-noise ratio, SNR），這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失[5-6]。因此，傳感節(jié)點(diǎn)的能效問題也是影響數(shù)據(jù)包傳輸性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

目前有幾種協(xié)議處理節(jié)點(diǎn)能耗問題，如消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queue telemetry transport, MQTT）、可擴(kuò)展消息出席協(xié)議（extensive messaging and presence protocol, XMPP）、高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（advanced message queuing protocol, AMQP）和受限制的應(yīng)用協(xié)議（constrained application protocol, CoAP）[7-9], 其中CoAP協(xié)議廣泛應(yīng)用于能量受限的網(wǎng)絡(luò)。

CoAP協(xié)議給終端間提供了請(qǐng)求和響應(yīng)模式，并支持服務(wù)、資源發(fā)現(xiàn)模式。此外，CoAP協(xié)議很容易與超級(jí)文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol, HTTP）相融合。

相比上述的其他協(xié)議，CoAP協(xié)議最顯著的不同在于：CoAP協(xié)議引用用戶報(bào)協(xié)議（user datagram protocol, UDP）。CoAP協(xié)議依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)包丟失率要求，引入了不可靠模式和可靠模式。然而，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕煽磕Ｊ剑?，可能加大了重傳次?shù)，就會(huì)增加節(jié)點(diǎn)能耗和傳輸時(shí)延。

盡管傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)都要求低時(shí)延和低數(shù)據(jù)包率；但是在不同應(yīng)用環(huán)境，對(duì)時(shí)延要求不同。例如：對(duì)于無(wú)人機(jī)應(yīng)用，飛機(jī)的飛行路徑是建立在多個(gè)傳感器所感測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，而這些數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間直接影響它的飛行路徑；而對(duì)于電網(wǎng)應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)包丟失率的要求高于傳輸時(shí)延。

本文基于無(wú)線信道，結(jié)合CoAP傳輸模式，推導(dǎo)數(shù)據(jù)包丟失概率的閉合表達(dá)式，并將數(shù)據(jù)包丟失率要求（閾值）作為輸入?yún)?shù)，再依據(jù)此參數(shù)動(dòng)態(tài)選擇可靠傳輸模式和非可靠傳輸模式，進(jìn)而平衡時(shí)延和數(shù)據(jù)包傳輸可靠性之間的關(guān)系。

1 動(dòng)態(tài)切換CoAP模式

1.1 信道模型

作為應(yīng)用層協(xié)議，CoAP協(xié)議運(yùn)行于UDP之上，而不是像HTTP協(xié)議運(yùn)行于傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol, TCP）之上。同時(shí)，CoAP協(xié)議通過優(yōu)化數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度，克服對(duì)HTTP協(xié)議受環(huán)境限制的不足，但CoAP協(xié)議不是盲目地壓縮HTTP協(xié)議。圖1顯示了HTTP和CoAP協(xié)議棧。CoAP協(xié)議在邏輯上可分為Message和Request/ Respone 2層。

圖1 HTTP和CoAP協(xié)議棧

此外，CoAP提供2類傳輸模式[10-11]：①非確認(rèn)模式（non-confirmable），只提供最大能力傳輸數(shù)據(jù)包，但不保證數(shù)據(jù)包能可靠傳輸；②確認(rèn)模式，只有接收了終端的確認(rèn)包才考慮傳輸數(shù)據(jù)包。相比于非確認(rèn)模式，確認(rèn)模式提高了數(shù)據(jù)包傳輸率。

考慮動(dòng)態(tài)的無(wú)線信道環(huán)境時(shí)，假定無(wú)線信道環(huán)境具有2類狀態(tài)：①低丟失率（low loss, LL）；②高丟失率（high loss, HL）。在低丟失率狀態(tài)下信道環(huán)境較好，其數(shù)據(jù)包的傳輸環(huán)境優(yōu)于高丟失率狀態(tài)環(huán)境。依據(jù)馬爾可夫（Markov）模型，這2個(gè)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換模型如圖2所示。

圖2 2個(gè)狀態(tài)間的Markov模型

1.2 非確認(rèn)模式

在非確認(rèn)模式下，CoAP協(xié)議單向地、固定間隔地傳輸數(shù)據(jù)，如圖3所示。服務(wù)器以固定間隔地傳輸數(shù)據(jù)包，并且不關(guān)心客戶端是否收到數(shù)據(jù)包。

圖3 非確認(rèn)模式下的消息傳輸

1.3 確認(rèn)模式

圖4顯示了CoAP協(xié)議在確認(rèn)模式下的數(shù)據(jù)包傳輸過程。假定服務(wù)器先傳輸了con（MID）= 0x2015，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，未能收到確認(rèn)包ACK，因此，服務(wù)器再重傳，并將時(shí)限擴(kuò)大一步。重復(fù)執(zhí)行，直到收到確認(rèn)包。但重傳次數(shù)超過上限，則停止數(shù)據(jù)包的傳輸。

圖4 確認(rèn)模式下的消息傳輸

義為

1.4 動(dòng)態(tài)模式的切換

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

考慮如圖5所示的網(wǎng)絡(luò)模型，其中傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)為20。傳感節(jié)點(diǎn)每50 s讀取環(huán)境數(shù)據(jù)。依據(jù)文獻(xiàn)[18]設(shè)定仿真。每次仿真獨(dú)立重復(fù)10次，取平均值作為最終的仿真數(shù)據(jù)。

2.1 非確認(rèn)模式

首先，分析推導(dǎo)在非確認(rèn)模式、確認(rèn)模式下的數(shù)據(jù)包丟失率（式（12）、式（13））的正確性。將實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)標(biāo)記為Experimental，而通過本文所推導(dǎo)的數(shù)據(jù)標(biāo)記為Theoretical。

表1、表2分別表示了非確認(rèn)模式下Theoretical、Experimental的數(shù)據(jù)包丟失率（Packet Loss Ratio, PLR）。從這2表可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與由推導(dǎo)式（12）計(jì)算的PLR相近，特別是在的低值范圍，2項(xiàng)數(shù)據(jù)相近。但是，隨著值的增大，誤差逐漸增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)較大。這也說明，值越大，對(duì)PLR的影響越大。

表1 非確認(rèn)模式下的PLR（理論值）

表2 非確認(rèn)模式下的PLR（實(shí)驗(yàn)值）

2.2 確認(rèn)模式

表3、表4分別顯示了在確認(rèn)模式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)的PLR。

相比于非確認(rèn)模式，確認(rèn)模式下的PLR明顯下降。然而，隨著值的增加，數(shù)據(jù)包丟失率迅速增加，原因在于：值越大，信道環(huán)境越差，加大了數(shù)據(jù)包丟失率。

表3 確認(rèn)模式下的PLR（理論值）

表4 確認(rèn)模式下的PLR（實(shí)驗(yàn)值）

2.3 數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延

圖5 數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延

2.4 吞吐量

本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析確認(rèn)模式、非確認(rèn)模式和動(dòng)態(tài)模式下的吞吐量，如圖6所示。

圖6 吞吐量

圖5、圖6數(shù)據(jù)表明，動(dòng)態(tài)模式能夠有效地平衡傳輸時(shí)延與吞吐量之間的關(guān)系，即通過動(dòng)態(tài)地切換CoAP的傳輸模式，可平衡時(shí)延和吞吐量。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模式，其能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)預(yù)測(cè)確認(rèn)和非確認(rèn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)包丟失率。再將所估計(jì)的數(shù)據(jù)包丟失率與數(shù)據(jù)包丟失率閾值進(jìn)行比較，并動(dòng)態(tài)切換確認(rèn)模式和非確認(rèn)模式，從而平衡吞吐量和傳輸時(shí)延的性能。

將本文所推導(dǎo)的模式進(jìn)一步擴(kuò)展，并計(jì)算應(yīng)用層的時(shí)延，進(jìn)而分析QoS性能，這將是后期研究工作的方向。

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Discussion on dynamic CoAP mode in internet of things

JIN Zhi, LIU Rong

（School of Information Engineering, Changsha Medical University, Changsha 410219, China）

In order to balance the relationship between the delay and packet transmission reliability in internet of things, according to the characteristics of non-confirmable mode and confirmable mode in the constrained application protocol (CoAP), the paper studied on the CoAP mode: according to the condition of wireless channel, the expressions of data packet loss rate in the two modes of CoAP were deduced; the parameters were estimated by maximum likelihood estimation (MLE), and the data packet loss rates under the two modes were calculated then; finally the dynamic CoAP mode was used to balance the delay and data throughput with the requirement of the application layer on packet loss rate. Experimental result showed that the formula of packet loss rate could match the experimental data, meanwhile, dynamic CoAP mode could effectively balance the delay and throughput performance.

internet of things; constrained application protocol; packet loss rate; confirmable mode; non-confirmable mode

P228

A

2095-4999(2019)04-0024-06

金智, 劉蓉.面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)切換CoAP模式[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(4): 24-29.（JIN Zhi, LIU Rong.Discussion on dynamic CoAP mode in internet of things[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 24-29.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190405.

2019-05-07

湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（18A496）。

金智（1979—），女，長(zhǎng)沙人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)、面向服務(wù)計(jì)算。

劉蓉（1979—），女，長(zhǎng)沙人，碩士，副教授，研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理、信息安全、軟件工程。