数据通信下的物联网交互技术研究论文
摘要:随着现代船用电子信息系统的发展，各电子设备之间及与设备与信息中心的数据交互越加频繁，交互量越来越大，传统的基于无线通信架构的数据通信系统已经越来越不能满足海上大量数据的交互性能要求。物联网是一种全新的互联结构，其数据采集﹑传输是基于ＲFID射频技术﹑传感器技术及无线传感网络技术，能够高效的对船用通信数据进行处理。本文研究海上无线通信网络与物联网结构，提出基于物联网结构的拥塞算法，极大提高了海上通信网络系统容量。
关键词:物联网;拥塞控制;无线通信
引言
船用电子信息系统应用类型越来越多，如海上气象检测系统﹑船舶跟踪识别系统﹑船舶避碰系统及信息中心等，其对数据传输及处理量呈指数级增加，如何高效的对大数据进行通信传输﹑处理关系着整个船舶电子设备的运行效率。传统的海上数据通信有基于3G，4G无线通信网络，光纤网络及无线局域网络3种，随着采集数据类型及数据量的增加，已经越来越不能满足海上大量数据的交互要求。物联网是一种全新的互联结构，其数据采集﹑传输是基于ＲFID射频技术﹑传感器技术及无线传感网络技术［1］，能够高效的对船用通信数据进行处理。本文研究现有的海上无线数据通信架构，重点研究数据通信中的拥塞控制算法，对现有的先入先出(FIFO)进行改进，提出一种新的加权平均队列算法，有效平衡船用电子设备的网络带宽资源，提高其利用率。
1基于无线局域网的物联网结构
基于海上无线局域网的物联网结构采用ＲFID射频芯片对船舶电子设备进行数据采集，在物联网结构中对这些数据进行融合，最后将数据进行分装并发送至无线局域网，同时通过无线局域网中的路由器与VPND虚拟网络进行连接［2］。基于海上无线局域网物联网数据平台结构如图1所示。基于海上无线局域网物联网数据平台分为以下3个区域:1)A为核心交换区，通过区域无线局域网与运营服务商进行连接，并对数据进行分组转化，在整个网络中处于核心地位。2)B为物联网接入区，将A区传输的数据在物联网中进行接入，必须要保证的是数据接口的统一及各种软硬件的兼容性。3)C为基于VPND虚拟网络的控制平台，为船舶各电子设备提供服务。
2基于物联网通信的拥塞控制算法
2.1基于TCP/IP协议的带宽控制本文的海上数据通信利用TCP/IP协议，在传输层面对TCP包的大小及数量进行控制，具体的有分组调度控制﹑队列管理控制及拥塞控制等。在基于TCP/IP传输中，首先需要确定对方CPU﹑内存等处理能力，也即一次能处理的信息数据块大小，然后对发送及接收信号的窗口进行调节，改变信号传输率及TCP包的大小，对通信流量进行控制。在此，每次信号传输之前需要对窗口进行设置，以控制传输速率与流量［3］。基于TCP/IP协议物联网拥塞控制主要包含以流量限制、传输恢复、初始化限额启动及失败重传4个步骤。在每个阶段，对传输窗口大小都有不同的调节机制来调节网络带宽﹑传输速率及一次性传输信息量大小;同时，需要保证一定的网络带宽利用率，本文通过在接收端和发送端增加缓进行控制。在海上物联网通信系统中，通过构建以太网络对流量进行控制策略如下:1)数据链路层。数据链路层为TCP/IP协议最底层，通过流量控制﹑纠错控制﹑重传机制及握手机制来确保双方通信的畅通及准确。2)网络层。网络层位于TCP/IP协议的中间层，通常的网络控制策略有分组调度策略﹑虚拟电路分组管理策略﹑分组排队策略等。3)传输层。传输层位于TCP/IP协议上层，如上所述，控制方法有拥塞控制流量策略﹑带宽控制策略﹑缓存队列控制等。
2.2拥塞控制算法
海上物联网通信中的拥塞控制算法通过中心监控设备对船用各电子设备的数据交互进行监控，整个算法包括以下3个核心模块:1)管控中心控制模块管控中心控制模块通过监控中心对船用电子设备的数据传输﹑接收及处理等信息进行统计分析，对出现数据通信阻塞的节点进行管理。管理中心控制模块需要充分利用现有的网络带宽资源，周期性(每180s)与各监控设备进行连接，当各应用层发生故障时，则对其进行置位［4］。2)算法初始及启动模块由管控中心对算法模块进行初始化及启动，具体步骤如下:①首先进行通信网络状态及性能测试，管控中心获取物联网数据通信各网管的数据传输信息，每30s进行一次测试，统计数据报的延迟时间来调整窗口的大小，避免拥塞。②对船用各电子设备进行负载均衡，通过统计计算网格参数，如数据传输时间﹑窗口调整延迟﹑数据处理时间等动态信息，并通过负载均衡算法进行动态调整。3)发送模快本文算法主要通过发送端对发送流量的控制进行拥塞管理，具体是将发送模块置于通信网络的各处网格中，通过ALC对实际系统访问控制列表进行流量的控制。
2.3拥塞配置管理
当对数据进行分组时，其效率比PVC的发送速率更高，在其连接处会出现数据拥塞;同样，当一个信息处理系统对数据的处理速率比其接收数据慢时，也会出现数据拥塞，其核心是通过资源调度策略来对流量进行控制，解决方法有:对TCP包进行分类管理﹑采用缓存队列等方式，本文采用建立缓存队列方式，下面进行详细介绍。队列调度算法有:先入先出(FIFO)、优先队列(PQ)及定制队列(CQ)几种［5］，本文首先详细介绍先入先出(FIFO)的原理。在此基础上对其进行改进，提出了一种加权平均队列算法。FIFO调度算法按照时间的先后顺序，也即先进队列的数据报文在分组转发中优先传输，所以数据包的长度决定了整个队列的性能，包括整个通信系统的丢包率及通信延迟。发送端和接收端只有一个端口用于之间的数据传输，当队列达到一定长度时，系统带宽被完全占用，必须对FIFO队列进行配置，确保通信畅通。对船舶电子设备按照不同的数据类型及业务类型设置不同的队列，使不同类型﹑不同业务种类的数据进入不同的FIFO队列，从而可以通过多个端口进行并行传输。对FIFO队列进行改进，目的是使其网络资源在船舶电子系统得到均衡利用，并对所有数据传输信道的延迟进行均衡。具体措施是按照报文的`长短对数据报进行划分，增加不同系统的带宽负载增加权重系数，加权平均队列算法对高优先权数据报优先调度，并分配高于低优先级的网络带宽;同时，依据各系统的数据通信流量调整其连接会话的优先权重系数，使所有系统需要传输的数据报文能均值至缓冲队列中，从而达到平衡各信息系统数据传输流量的目的，并使各系统的数据传输延迟最小。加权平均队列原理如图3所示。假设现在船用电子系统种类为5，那么可以设置5个不同优先级别的队列，其权重系数分别为1，2，3，4，5，假设数据通信总带宽为15，则各类型数据占用带宽比分别为115，215，315，415，515，算法可以通过流的抖动及窗口设置实现负载均衡。
3拥塞控制算法优缺点比较
1)FIFO调度算法优点:算法复杂度简单，并不需进行网络配置。缺点:对于UDP非流控制数据报文，其约束性条件不能满足带宽的最大利用。
2)优先队列(PQ)算法优点:对于实时性要求较高的业务实时性能较好。缺点:较高优先级的数据占用较低优先级的带宽，影响优先级低的业务性能。
3)加权平均队列算法优点:对各种不同业务处理较为平衡，带宽资源利用率较高。缺点:算法复杂度较高。
4结语
本文重点对基于物联网结构的海上通信模型进行研究，对现有的数据拥塞控制算法进行改进，有效提高了网络带宽的利用率。
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