面向物联网应用的动态切换CoAP模式

金 智，刘 蓉

面向物联网应用的动态切换CoAP模式

金 智，刘 蓉

（长沙医学院 信息工程学院，长沙 410219）

为了平衡物联网时延与数据包传输可靠性之间的关系，根据受限制的应用协议(CoAP)中确认模式和非确认模式的特点，对CoAP模式进行研究：依据无线信道条件，推导CoAP的2个模式下的数据包丢失率的表达式；利用最大似然估计算法估计参数，并计算确认模式和非确认模式下的数据包丢失率；最后依据应用对数据包丢失率的要求，采用动态CoAP模型达到平衡传输时延和吞吐量的目的。实验结果表明，推导的数据包丢失率表达式能够与实验数据相匹配，同时，动态CoAP模式能够有效地平衡传输时延和吞吐量性能。

物联网；受限制的应用协议；数据包丢失率；确认模式；非确认模式

0 引言

作为无线传感网络（wireless sensor networks, WSNs）的特殊应用，物联网（internet of things, IoT）[1-2]涉及到处理物理层、网络层、传输层和应用层信息传输问题的技术。IoT系统主要包含4类节点：传感节点和执行节点（actuator nodes, ACNs）、网关（gateways）、服务器、客户端。传感节点和ACNs常部署于网络的边缘环境，而边缘环境的无线信道易受多径衰落[3-4]影响，最终导致数据包丢失。

此外，为了延长传感节点的电池寿命需要低功率消耗；但低功率消耗会导致低的信噪比（signal-noise ratio, SNR），这会导致数据包丢失[5-6]。因此，传感节点的能效问题也是影响数据包传输性能的一个关键因素。

目前有几种协议处理节点能耗问题，如消息队列遥测传输（message queue telemetry transport, MQTT）、可扩展消息出席协议（extensive messaging and presence protocol, XMPP）、高级消息队列协议（advanced message queuing protocol, AMQP）和受限制的应用协议（constrained application protocol, CoAP）[7-9], 其中CoAP协议广泛应用于能量受限的网络。

CoAP协议给终端间提供了请求和响应模式，并支持服务、资源发现模式。此外，CoAP协议很容易与超级文本传输协议（hypertext transfer protocol, HTTP）相融合。

相比上述的其他协议，CoAP协议最显著的不同在于：CoAP协议引用用户报协议（user datagram protocol, UDP）。CoAP协议依据对数据包丢失率要求，引入了不可靠模式和可靠模式。然而，为了提高数据传输的可靠性（可靠模式），可能加大了重传次数，就会增加节点能耗和传输时延。

尽管传输数据包时都要求低时延和低数据包率；但是在不同应用环境，对时延要求不同。例如：对于无人机应用，飞机的飞行路径是建立在多个传感器所感测的数据基础上的，而这些数据的传输时间直接影响它的飞行路径；而对于电网应用，对数据包丢失率的要求高于传输时延。

本文基于无线信道，结合CoAP传输模式，推导数据包丢失概率的闭合表达式，并将数据包丢失率要求（阈值）作为输入参数，再依据此参数动态选择可靠传输模式和非可靠传输模式，进而平衡时延和数据包传输可靠性之间的关系。

1 动态切换CoAP模式

1.1 信道模型

作为应用层协议，CoAP协议运行于UDP之上，而不是像HTTP协议运行于传输控制协议（transmission control protocol, TCP）之上。同时，CoAP协议通过优化数据报长度，克服对HTTP协议受环境限制的不足，但CoAP协议不是盲目地压缩HTTP协议。图1显示了HTTP和CoAP协议栈。CoAP协议在逻辑上可分为Message和Request/ Respone 2层。

图1 HTTP和CoAP协议栈

此外，CoAP提供2类传输模式[10-11]：①非确认模式（non-confirmable），只提供最大能力传输数据包，但不保证数据包能可靠传输；②确认模式，只有接收了终端的确认包才考虑传输数据包。相比于非确认模式，确认模式提高了数据包传输率。

考虑动态的无线信道环境时，假定无线信道环境具有2类状态：①低丢失率（low loss, LL）；②高丢失率（high loss, HL）。在低丢失率状态下信道环境较好，其数据包的传输环境优于高丢失率状态环境。依据马尔可夫（Markov）模型，这2个状态间的转换模型如图2所示。

图2 2个状态间的Markov模型

1.2 非确认模式

在非确认模式下，CoAP协议单向地、固定间隔地传输数据，如图3所示。服务器以固定间隔地传输数据包，并且不关心客户端是否收到数据包。

图3 非确认模式下的消息传输

1.3 确认模式

图4显示了CoAP协议在确认模式下的数据包传输过程。假定服务器先传输了con（MID）= 0x2015，在规定的时间内，未能收到确认包ACK，因此，服务器再重传，并将时限扩大一步。重复执行，直到收到确认包。但重传次数超过上限，则停止数据包的传输。

图4 确认模式下的消息传输

义为

1.4 动态模式的切换

2 实验与结果分析

考虑如图5所示的网络模型，其中传感节点数为20。传感节点每50 s读取环境数据。依据文献[18]设定仿真。每次仿真独立重复10次，取平均值作为最终的仿真数据。

2.1 非确认模式

首先，分析推导在非确认模式、确认模式下的数据包丢失率（式（12）、式（13））的正确性。将实验得出的数据标记为Experimental，而通过本文所推导的数据标记为Theoretical。

表1、表2分别表示了非确认模式下Theoretical、Experimental的数据包丢失率（Packet Loss Ratio, PLR）。从这2表可知，实验数据与由推导式（12）计算的PLR相近，特别是在的低值范围，2项数据相近。但是，随着值的增大，误差逐渐增加，实验数据的波动较大。这也说明，值越大，对PLR的影响越大。

表1 非确认模式下的PLR（理论值）

表2 非确认模式下的PLR（实验值）

2.2 确认模式

表3、表4分别显示了在确认模式下的实验数据、理论推导的PLR。

相比于非确认模式，确认模式下的PLR明显下降。然而，随着值的增加，数据包丢失率迅速增加，原因在于：值越大，信道环境越差，加大了数据包丢失率。

表3 确认模式下的PLR（理论值）

表4 确认模式下的PLR（实验值）

2.3 数据包传输时延

图5 数据包传输时延

2.4 吞吐量

本次实验进一步分析确认模式、非确认模式和动态模式下的吞吐量，如图6所示。

图6 吞吐量

图5、图6数据表明，动态模式能够有效地平衡传输时延与吞吐量之间的关系，即通过动态地切换CoAP的传输模式，可平衡时延和吞吐量。

3 结束语

本文推导了数学模式，其能够依据网络层参数预测确认和非确认应用层数据包丢失率。再将所估计的数据包丢失率与数据包丢失率阈值进行比较，并动态切换确认模式和非确认模式，从而平衡吞吐量和传输时延的性能。

将本文所推导的模式进一步扩展，并计算应用层的时延，进而分析QoS性能，这将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, 刘蓉.面向物联网应用的动态切换CoAP模式[J].导航定位学报,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

湖南省教育厅重点项目（18A496）。

金智（1979—），女，长沙人，硕士，副教授，研究方向为无线网络、面向服务计算。

刘蓉（1979—），女，长沙人，硕士，副教授，研究方向为项目管理、信息安全、软件工程。