云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸方法

陳 飛，李新建，潘 偉

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430030）

面臨海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜f兆以太網(wǎng)鏈路承擔(dān)著較大的傳輸壓力，尤其對于現(xiàn)有容量及功耗有限的計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的復(fù)雜性以及安全性等方面，都存在諸多問題[1]。在接入網(wǎng)數(shù)據(jù)存在異?；蜓舆t的情況下，如何有效地提高傳輸速度，減少數(shù)據(jù)傳輸時延，使數(shù)據(jù)傳輸更安全，是當(dāng)前亟待解決的問題[2]。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，相關(guān)學(xué)者對低時延加密數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]提出基于LEACH的低延遲分簇算法，在LEACH 協(xié)議支持下，利用平均周期法計(jì)算延遲。使用MATLAB 進(jìn)行仿真，使網(wǎng)絡(luò)能耗更加均勻，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)低延遲傳輸效率；在節(jié)點(diǎn)感知狀態(tài)下，通過網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)擁塞機(jī)制，聚合擁塞嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)信息，保證數(shù)據(jù)成功傳輸。文獻(xiàn)[4]提出移動延遲容忍傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法，基于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知，構(gòu)建移動延遲容忍傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞預(yù)測機(jī)制，對節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息聚合，提出擁塞控制策略。

雖然上述兩種方法能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)低延遲傳輸，但在數(shù)據(jù)傳輸過程中易出現(xiàn)傳輸信號同步碰撞問題，會增大信號傳輸延時。為避免出現(xiàn)該問題，提出了云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸方法。

1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸延時特征分析

在云計(jì)算環(huán)境下，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸策略的傳輸延時較長，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到新的數(shù)據(jù)塊后立即將數(shù)據(jù)推送至相鄰節(jié)點(diǎn)，從而降低了傳輸延遲[5]。但該方案使得節(jié)點(diǎn)在接收來自不同鄰節(jié)點(diǎn)的重復(fù)數(shù)據(jù)時，容易出現(xiàn)同步傳輸信號沖突的問題，從而造成帶寬浪費(fèi)。為此，需對云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲特征進(jìn)行分析。

1.1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)延遲特征分析

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，相鄰節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)與接收，并篩選可傳輸數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)接收過程中，依據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，將其存入到緩存隊(duì)列中，等待傳遞[6-8]。為了使信息方便交換，局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)會定期發(fā)送，保證多條傳輸信息能夠同時封裝在同一個數(shù)據(jù)包中[9]，在周期xT內(nèi)完成信息傳輸與接收，其中，x為數(shù)據(jù)塊跳動次數(shù)，T為數(shù)據(jù)塊單次跳動的延遲周期。

數(shù)據(jù)塊跳動的延遲如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)塊跳動的延遲

根據(jù)圖1 中數(shù)據(jù)塊跳動的詳細(xì)過程可知，在t1時新的數(shù)據(jù)塊到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。由于局域網(wǎng)數(shù)據(jù)僅在每個周期開始時發(fā)送，所以該信息不會被立即發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B，該過程等待時間為tp。

局域網(wǎng)數(shù)據(jù)在時刻t2被發(fā)送出去后，經(jīng)過時延td1后，新的數(shù)據(jù)塊到達(dá)節(jié)點(diǎn)B。時延td1中包含了發(fā)送和傳輸?shù)臅r延數(shù)據(jù)，發(fā)送時延數(shù)據(jù)大小取決于傳輸數(shù)據(jù)包的長度和節(jié)點(diǎn)A的上行帶寬；傳輸時延數(shù)據(jù)大小取決于A、B兩點(diǎn)間的路徑長度。

t3時刻決定了節(jié)點(diǎn)B是否可以直接從節(jié)點(diǎn)A接收全部數(shù)據(jù)，此時，節(jié)點(diǎn)B以同樣規(guī)則在t4時傳輸數(shù)據(jù)。

在t5時，節(jié)點(diǎn)A將接收前4 個時刻的請求數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包傳送到緩存隊(duì)列中[10-12]。緩存隊(duì)列需將數(shù)據(jù)塊傳送給節(jié)點(diǎn)B，該傳輸過程存在緩存隊(duì)列排隊(duì)延遲tw，數(shù)據(jù)包較大，不可忽略不計(jì)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)B接收到全部數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)包到達(dá)A、B兩點(diǎn)間的時刻即為時刻t7[13]。tp和tr是節(jié)點(diǎn)傳輸周期T上的隨機(jī)變量，彼此獨(dú)立。

對節(jié)點(diǎn)B使用云服務(wù)策略發(fā)送上行帶寬數(shù)據(jù)。同一段時間內(nèi)，原始數(shù)據(jù)比在某一時刻到達(dá)節(jié)點(diǎn)A的時間早，數(shù)據(jù)包被優(yōu)先發(fā)送出去。因此，數(shù)據(jù)塊跳動的延遲t1-delay可以表示為：

式（1）中，E表示節(jié)點(diǎn)間距長度，表示一個節(jié)點(diǎn)到另一個節(jié)點(diǎn)的延遲；l表示數(shù)據(jù)塊長度；u表示節(jié)點(diǎn)平均帶寬。

1.2 面向子流的數(shù)據(jù)塊分布特征分析

在周期T內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，雖可減少調(diào)度過程出現(xiàn)的跳動延遲，但是同時會產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)[14]。如果節(jié)點(diǎn)A將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到全部數(shù)據(jù)塊后，可立即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)B，此時跳動的延遲就會降低到。節(jié)點(diǎn)A將節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰節(jié)點(diǎn)，減少了調(diào)試延遲。但是，收到數(shù)據(jù)塊的相鄰節(jié)點(diǎn)如果直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，會導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)接收到重復(fù)的數(shù)據(jù)，浪費(fèi)了上行帶寬[15]。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)B確定相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)情況，不需要接收請求包就可以直接訪問相鄰子流。在此過程中，節(jié)點(diǎn)B只在發(fā)送一次請求信息之后等待接收傳輸數(shù)據(jù)。將原始請求信息分成K等分，每個部分是從1 開始計(jì)數(shù)的序列號。假定整個流程分為多個部分，圖2 清楚地顯示了所有子流程中數(shù)據(jù)塊的分布。

圖2 子流中包含的數(shù)據(jù)塊

由圖2 可知，節(jié)點(diǎn)A在特定的周期內(nèi)，將所有的數(shù)據(jù)傳送到節(jié)點(diǎn)B，然后通過相鄰的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)形成傳輸子流，從而避免了子流的交叉問題。

2 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸流程設(shè)計(jì)

結(jié)合局域網(wǎng)數(shù)據(jù)延遲特征和面向子流的數(shù)據(jù)塊分布特征，設(shè)計(jì)云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸流程，如下所示：

步驟一：對節(jié)點(diǎn)資源需求和數(shù)據(jù)延遲傳輸進(jìn)行了分析，給出了分析結(jié)果。計(jì)算過程如下：計(jì)算數(shù)據(jù)從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)再返回到發(fā)送主機(jī)節(jié)點(diǎn)的單向時間，然后根據(jù)單向時間計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r間[16]。

結(jié)合圖1 數(shù)據(jù)塊跳動的延遲，定義t1、t2、t3、t4四個時間標(biāo)簽，其中t1表示節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送時刻，t2表示節(jié)點(diǎn)B的接收時刻，t3表示節(jié)點(diǎn)B往返發(fā)送時刻，t4表示返回到達(dá)節(jié)點(diǎn)A的時刻，t1和t4由發(fā)送端節(jié)點(diǎn)A標(biāo)識，t2和t3由接收端節(jié)點(diǎn)B標(biāo)識，往返時延TR計(jì)算公式如式（2）所示：

式（2）中，(t3-t2) 表示接收到數(shù)據(jù)并處理的時間，該時間比傳輸時間要小。此時的(t3-t2)近似等于0。

步驟二：采用冗余傳輸機(jī)制將重要時序觸發(fā)流數(shù)據(jù)信息，同時復(fù)制AB兩個信道，在兩個信道相同的發(fā)送時間內(nèi)觸發(fā)流數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)雙冗余備份。終端根據(jù)響應(yīng)時間的要求，將信息分為重要信息包和次級信息包。采用一組雙冗余的方式傳送重要消息，次要消息需要在分類后，在應(yīng)用AB信道的基礎(chǔ)上，通過終端分布傳輸和調(diào)度小數(shù)據(jù)包。

步驟三：在數(shù)據(jù)傳輸中，采用處理數(shù)據(jù)冗余調(diào)度的方法，需要對加密數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝檢查，使每一層連接的數(shù)據(jù)都有加密處理效果。第一次添加調(diào)度數(shù)據(jù)形成消息時，將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，然后封裝發(fā)送。

步驟四：按照一對一組織數(shù)據(jù)傳輸方式，構(gòu)建偽連接，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)度部門間數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換。在一定時間范圍內(nèi)配置實(shí)時數(shù)據(jù)，確定每個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口，使得每個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口在電源管理單元間起到數(shù)據(jù)查詢作用。

每個數(shù)據(jù)包都具備一個組織標(biāo)志，該標(biāo)志由三部分組成的，分別是命令幀、配置幀、數(shù)據(jù)幀，以此擴(kuò)展額外傳送的信息。為了實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸，需在第三方系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間設(shè)立傳輸機(jī)制，如圖3 所示。

圖3 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸流程

由圖3 可知，該機(jī)制是在兩個數(shù)據(jù)包之間增加2 ms 時間間隔，通過設(shè)立第三方系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的傳輸機(jī)制，改變了數(shù)據(jù)交換模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸方法實(shí)驗(yàn)裝置，以USRP-2854為數(shù)據(jù)接收端，以SX1276為數(shù)據(jù)發(fā)送端。將LoRa 模塊和傳感器作為信號發(fā)送源，其工作頻率為900 MHz，信號帶寬為500 kHz。

3.2 局域網(wǎng)信號能量疊加

為了確保遠(yuǎn)距離下多個節(jié)點(diǎn)傳送信號能量不會出現(xiàn)疊加情況，分別在50 m 和100 m 環(huán)境下進(jìn)行了信號碰撞實(shí)驗(yàn)，如圖4 所示。

圖4 50 m和100 m環(huán)境下信號碰撞能量分析

由圖4 可知，在50 m 至100 m 的節(jié)點(diǎn)上發(fā)送傳輸信號時，信號衰減明顯，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，信號能量也有明顯增強(qiáng)。

3.3 擴(kuò)頻因子與速率

模擬單個節(jié)點(diǎn)的通信情況，首先設(shè)傳輸節(jié)點(diǎn)到基站的距離是節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的最遠(yuǎn)距離，基于該情況下的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)頻因子設(shè)為12，圖5 為理想通信速率隨擴(kuò)頻因子變化曲線。

圖5 理想通信速率隨擴(kuò)頻因子變化情況

由圖5可知，隨著擴(kuò)頻系數(shù)的增加，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)的低延遲傳輸速率提高，通信速率降低，碰撞情況也隨之減小。當(dāng)擴(kuò)頻因子為7、8、9、10、11、12時，理想通信速率分別為14 500、13 000、8 900、6 850、4 000、1 800。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述數(shù)據(jù)，分別使用基于LEACH 低延遲分簇算法、移動延遲容忍傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法和云計(jì)算環(huán)境中傳輸方法對比分析50 m 和100 m 環(huán)境下信號碰撞能量變化情況，如表1 所示。

表1 三種方法信號碰撞能量變化情況對比分析

由表1 可知，使用兩種傳統(tǒng)方法在不同環(huán)境下信號碰撞能量與理想數(shù)據(jù)不一致，而使用云計(jì)算環(huán)境中傳輸方法在不同環(huán)境下信號碰撞能量與理想數(shù)據(jù)一致。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證云計(jì)算環(huán)境中的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)低延遲傳輸方法可行性，將三種方法的通信速率進(jìn)行對比分析，如表2 所示。

表2 三種方法通信速率對比分析

由表2 可知，使用基于LEACH 低延遲分簇算法通信速率與理想數(shù)據(jù)不一致，最大誤差為2 000 bit/s；使用移動延遲容忍傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法通信速率與理想數(shù)據(jù)不一致，最大誤差為1 000 bit/s；使用云計(jì)算環(huán)境中傳輸方法通信速率與理想數(shù)據(jù)不一致，但誤差較小，最大誤差為550 bit/s。通過上述分析結(jié)果可知，該方法數(shù)據(jù)低延遲傳輸速率與理想傳輸速率誤差最小。

4 結(jié)束語

局域網(wǎng)云計(jì)算環(huán)境下，采用低延遲數(shù)據(jù)傳輸方法設(shè)計(jì)加密方案，結(jié)合數(shù)據(jù)冗余，減少了數(shù)據(jù)傳輸時延，提高了數(shù)據(jù)吞吐率，增強(qiáng)了加密的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文方法有效地降低了數(shù)據(jù)丟失率，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。