Docker容器下高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互方法

黃 瑞， 肖 宇， 曾偉杰， 葉 志， 劉小平

（1. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410000； 2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 供電服務(wù)中心（計(jì)量中心）， 長沙 410000； 3. 智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410000）

用戶對高速總線通信數(shù)據(jù)的傳遞速率和質(zhì)量要求越來越高，在高速總線系統(tǒng)中，通信數(shù)據(jù)量的增加導(dǎo)致數(shù)據(jù)的處理更加復(fù)雜，同時也加大了通信數(shù)據(jù)之間的交互能力[1].傳輸介質(zhì)是高速總線系統(tǒng)中一個重要的組成部分，決定著通信數(shù)據(jù)的傳輸速度和交互能力.通信數(shù)據(jù)交互是高速總線系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題，高速總線系統(tǒng)并沒有形成一種廣泛的互聯(lián)形式，其主要目的是防止網(wǎng)絡(luò)攻擊，通信數(shù)據(jù)之間采用物理的方式進(jìn)行隔離[2].目前，通信數(shù)據(jù)的交互方法存在一定差異，在交互的通信數(shù)據(jù)形式上也不同，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)共享性較差[3].由于通信數(shù)據(jù)的交互嚴(yán)重影響著高速總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，研究高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互具有重要的理論意義.

郭艷軍等[4]以多尺度地質(zhì)數(shù)據(jù)為研究對象，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)一種交互方法，在滿足計(jì)算思維的同時，還符合地質(zhì)專業(yè)的理論知識.通過構(gòu)建多尺度地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，可視化處理了多尺度地質(zhì)數(shù)據(jù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺上，驗(yàn)證了該交互方法的有效性；王亭等[5]在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲框架，將大量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲和集成，并利用BIM數(shù)字化技術(shù)搭建一個建筑設(shè)計(jì)管理云平臺，以某設(shè)備管理為案例研究對象，驗(yàn)證了該方法的應(yīng)用價值，在優(yōu)化傳統(tǒng)方法的同時，具有更高的交互性能.但是上述方法在信息交互過程中，未考慮脈沖和濾波的干擾，雖然在一定程度實(shí)現(xiàn)了交互，但是存在誤碼率較高的問題.

Docker容器具有較高的可移植性、隔離性和安全性，因此，本文利用Docker容器設(shè)計(jì)了一種高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互方法，從而提高高速總線通信數(shù)據(jù)的交互能力，提高數(shù)據(jù)交互質(zhì)量.

1 數(shù)據(jù)實(shí)時交互方法

1.1 采集高速總線通信數(shù)據(jù)

在采集高速總線通信數(shù)據(jù)時，通過計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)量，給出通信數(shù)據(jù)采集的最大化約束條件.利用高速總線節(jié)點(diǎn)接收通信數(shù)據(jù)量與跳數(shù)的關(guān)系，將通信數(shù)據(jù)采集指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集最短路徑問題，建立通信數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)函數(shù).通信數(shù)據(jù)的采集過程可以描述為：

假設(shè)通信數(shù)據(jù)采集總量為qtotal，則高速總線系統(tǒng)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)量為

（1）

式中：edh為通信數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；dt為通信數(shù)據(jù)在總線上的傳輸速率；ds為采集通信數(shù)據(jù)的速率；tsh為高速總線中通信數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行周期；ξssi為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的通信長度.

利用Docker容器對高速總線進(jìn)行虛擬化處理[6]，給出了通信數(shù)據(jù)采集的最大化約束條件為

（2）

式中：hdgh為通信數(shù)據(jù)傳輸能耗與數(shù)據(jù)傳輸距離的平方值；hsghj為總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信數(shù)據(jù)能耗與數(shù)據(jù)傳輸距離的平方值；pwer為總線節(jié)點(diǎn)接收通信數(shù)據(jù)的能耗；psgh為總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信數(shù)據(jù)的能耗；fiop為總線節(jié)點(diǎn)與通信數(shù)據(jù)之間的最短跳數(shù).

根據(jù)式（2）給出的約束條件，在高速總線節(jié)點(diǎn)接收通信數(shù)據(jù)量與跳數(shù)之間，建立了如下關(guān)系式

（3）

式中：proto為通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偰芎?；fdhj為通信數(shù)據(jù)傳輸最小跳數(shù)；pery為任意一個總線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能耗；Eper為通信數(shù)據(jù)采集量的最大化范圍；Ash為通信數(shù)據(jù)采集的波形圖范圍；yer為通信數(shù)據(jù)的物理量；αsg為總線節(jié)點(diǎn)對通信數(shù)據(jù)的下邊界約束參數(shù).

設(shè)通信數(shù)據(jù)的采樣周期為λsg，在Docker容器下，將通信數(shù)據(jù)采集指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集最短路徑問題[7]，其轉(zhuǎn)換公式為

（4）

式中：mshki為通信數(shù)據(jù)采樣窗口的寬度；Dshg為數(shù)據(jù)采集列表；Wdhk為通信數(shù)據(jù)在總線中的振幅變化參數(shù)；Ffj為通信數(shù)據(jù)在總線接口發(fā)生聚變的參數(shù)；zpo為通信數(shù)據(jù)在總線中的振幅值.

由于高速總線中的節(jié)點(diǎn)是均勻分布的[8]，將通信數(shù)據(jù)采集的時間間隔設(shè)置為udgh，構(gòu)建了通信數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)函數(shù)為

（5）

式中：quip為通信數(shù)據(jù)的采集頻率；mxj為數(shù)據(jù)采集窗口均值；ldkk為總線節(jié)點(diǎn)的能量資源.

如果通信數(shù)據(jù)在高速總線中的分布滿足式（5）的目標(biāo)函數(shù)，則可采集到通信數(shù)據(jù)，其獲取表達(dá)式為

（6）

式中，Rwer為通信數(shù)據(jù)在高速總線運(yùn)行周期內(nèi)的采集總量.

1.2 基于Docker容器控制數(shù)據(jù)傳輸效率

引入Docker容器對高速總線通信數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)行控制[9].排序k個通信數(shù)據(jù)的表達(dá)式為

wi（k）=μiHi[k]

（7）

式中：wi（k）為排序標(biāo)準(zhǔn)；μi為通信數(shù)據(jù)在Docker容器下的映射系數(shù)；Hi[k]為第i個通信數(shù)據(jù)的瞬時容量，其計(jì)算表達(dá)式為

（8）

在通信數(shù)據(jù)的實(shí)時交互中，采用Docker容器求解最優(yōu)通信數(shù)據(jù)點(diǎn)[10]，從而縮短通信時間，通信數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸時間為

（9）

式中：Tsize為通信數(shù)據(jù)在第i個總線節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臅r間；bi為數(shù)據(jù)傳輸時總線節(jié)點(diǎn)i傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)大小.

通信數(shù)據(jù)在傳輸過程中，利用Docker容器可以解決總線擁塞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸時延問題[11]，則通信數(shù)據(jù)在總線中的傳輸時間為

（10）

式中：Li為高速總線節(jié)點(diǎn)的負(fù)載；Twi為通信數(shù)據(jù)在處理時產(chǎn)生的時延；Gi為通信數(shù)據(jù)的傳輸時延.

對高速總線通信數(shù)據(jù)傳輸效率的控制主要是采用Docker容器將節(jié)點(diǎn)數(shù)字串分配給通信數(shù)據(jù)，與通信數(shù)據(jù)的傳輸特點(diǎn)相結(jié)合[12]改進(jìn)Docker容器的映射方式.將Docker容器的最優(yōu)檢索節(jié)點(diǎn)rbesti作為通信數(shù)據(jù)的初始位置，即

（11）

1.3 高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互建模

通信數(shù)據(jù)的交互建模是將數(shù)據(jù)的安全傳輸與收發(fā)作為目標(biāo)，利用數(shù)據(jù)傳輸、通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互請求、模塊分割等[13]流程實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時交互.將通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的輸入和輸出看成一個集合，即

B1（ai，aj）={（infTypeijr，Qijr|rN）}

（12）

式中：infTypeijr為通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的第r個輸入輸出依附的信息類型；Qijr為通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的第r個輸入輸出依附的信息強(qiáng)度；N為通信數(shù)據(jù)ai與aj輸入輸出的信息數(shù)量.

通信數(shù)據(jù)ai與aj輸入輸出依附大小為

（13）

式中，αijr為通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的第r個輸入輸出依附權(quán)重.

輸入輸出依附是指兩個通信數(shù)據(jù)共享相同的信息資源[14]，通信數(shù)據(jù)ai與aj依附的是一個集合，可以描述為

B2（ai，aj）={（sTypeijk，sQijk）|NDs}

（14）

式中：sTypeijk為通信數(shù)據(jù)ai與aj輸入輸出依附類別；sQijk為通信數(shù)據(jù)ai與aj輸入輸出依附重要性；NDs為通信數(shù)據(jù)ai與aj的依附數(shù)量.

通信數(shù)據(jù)ai與aj依附性表達(dá)式為

（15）

式中，βijk為通信數(shù)據(jù)ai與aj之間第k個依附權(quán)重.

根據(jù)以上推導(dǎo)，可以得到通信數(shù)據(jù)ai與aj在高速總線中的依附性為

B（ai，aj）=〈B1（ai，aj），B2（ai，aj）〉

（16）

基于依附推導(dǎo)過程[15]，將通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的依附性推導(dǎo)式描述為

|B（ai，aj）|=γ（|B1（ai，aj）|+|B1（aj，ai）|）+

μ（|B2（ai，aj）|+|B2（aj，ai）|）

（17）

式中，γ和μ為依附權(quán)重，兩者關(guān)系為γ+μ=1，且滿足0≤γ和μ≤0.

按照通信數(shù)據(jù)的交互請求與模塊間的相互關(guān)聯(lián)，將通信數(shù)據(jù)傳輸模塊組合成數(shù)據(jù)交互過程，實(shí)現(xiàn)高速總線通信數(shù)據(jù)的實(shí)時交互.

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證Docker容器高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互方法在實(shí)際應(yīng)用中的交互能力，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

在表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定通信數(shù)據(jù)ai與aj之間的依附權(quán)重γ和μ分別為3和-2，引入基于VR技術(shù)的交互方法和基于BIM與IoT的交互方法作為對比.由于高速總線非常容易受到脈沖和濾波的干擾，測試了3種方法在不同干擾模式下的通信數(shù)據(jù)誤碼率.

2.2 結(jié)果分析

在高速總線通信過程中，存在著單點(diǎn)和多點(diǎn)脈沖干擾，其中又以雙脈沖為主，因此，本文分別測試單、雙脈沖干擾下的通信數(shù)據(jù)誤碼率.在單脈沖干擾下，3種方法的通信數(shù)據(jù)誤碼率如圖1所示.

圖1 單脈沖干擾下通信數(shù)據(jù)誤碼率測試結(jié)果Fig.1 Test results for bit error rate of communication data under mono-pulse interference

從圖1可以看出，在單脈沖干擾下，當(dāng)通信數(shù)據(jù)信噪比為-8 dB時，基于VR技術(shù)的交互方法和基于BIM與IoT的交互方法得到的誤碼率是相同的，但是隨著通信數(shù)據(jù)信噪比的增加，基于BIM與IoT的交互方法得到的誤碼率在迅速下降，當(dāng)通信數(shù)據(jù)信噪比為5 dB時，誤碼率達(dá)到最低值；而Docker容器下的交互方法在測試初期得到的誤碼率為25%，比其他兩種方法的誤碼率低，當(dāng)通信數(shù)據(jù)信噪比為0 dB時，通信數(shù)據(jù)誤碼率達(dá)到了最低值4%，可以看出，所提交互方法得到的通信數(shù)據(jù)質(zhì)量更高.

在雙脈沖干擾下，3種方法的通信數(shù)據(jù)誤碼率如圖2所示.

圖2 雙脈沖干擾下通信數(shù)據(jù)誤碼率測試結(jié)果Fig.2 Test results for bit error rate of communication data under dipulse interference

從圖2結(jié)果可以看出，3種交互方法的誤碼率受雙脈沖干擾的影響比較大，但是Docker容器的交互方法仍然比其他兩種交互方法的誤碼率低.在實(shí)驗(yàn)初期，所提方法的誤碼率為25%，當(dāng)通信數(shù)據(jù)信噪比為3 dB時，通信數(shù)據(jù)誤碼率達(dá)到最低值10%，所提方法在雙脈沖干擾下的通信數(shù)據(jù)質(zhì)量也是最高的.

在高速總線通信過程中，為保證數(shù)據(jù)通信的完整性，通常使用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互，但該系統(tǒng)易受非線性濾波的干擾，因此在濾波干擾下，測試了3種方法的通信數(shù)據(jù)誤碼率，結(jié)果如圖3所示.

圖3 濾波干擾下通信數(shù)據(jù)誤碼率測試結(jié)果Fig.3 Test results for bit error rate of communication data under filtering interference

從圖3結(jié)果可以看出，3種方法受到濾波干擾的影響程度比較小，當(dāng)通信數(shù)據(jù)信噪比為-8 dB時，所提方法得到的誤碼率只有12.5%，而其他兩種方法的誤碼率都超過了30%，說明所提方法可以通過降低通信數(shù)據(jù)的誤碼率，提高通信數(shù)據(jù)的質(zhì)量.

傳輸速率在一定程度上反映了相應(yīng)方法的數(shù)據(jù)交互性能，本文設(shè)置了不同的集成節(jié)點(diǎn)，測試了3種方法的傳輸速率，如圖4所示.

圖4 傳輸速率對比結(jié)果Fig.4 Transmission rate comparison results

不同集成節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，Docker容器下的交互方法數(shù)據(jù)傳輸速率高于1 410 Mbit/s，相較于對比的2種方法而言，傳輸速率更高.其主要原因是Docker容器下的交互方法通過計(jì)算高速總線系統(tǒng)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)量，給出通信數(shù)據(jù)采集的最大化約束條件，利用高速總線節(jié)點(diǎn)接收通信數(shù)據(jù)量與跳數(shù)的關(guān)系，將通信數(shù)據(jù)采集指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集最短路徑問題，提高了傳輸速率.

3 結(jié) 論

通信技術(shù)是促進(jìn)工業(yè)發(fā)展、豐富人類日常生活的關(guān)鍵技術(shù).為了滿足高速總線通信的數(shù)據(jù)傳輸需求，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，本文基于Docker容器設(shè)計(jì)一種高速總線通信數(shù)據(jù)實(shí)時交互方法.借助Docker容器能夠快速部署數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢，所提算法提高了通信數(shù)據(jù)利用率，降低了不同干擾下的通信數(shù)據(jù)誤碼率.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，該方法受脈沖和濾波干擾的影響較小，可以提高通信數(shù)據(jù)的質(zhì)量.在今后的研究中，將進(jìn)一步深入挖掘高速總線中的通信數(shù)據(jù)特征，保證通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?