云计算环境中的局域网数据低延迟传输方法

陈 飞，李新建，潘 伟

（湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉 430030）

面临海量数据传输的万兆以太网链路承担着较大的传输压力，尤其对于现有容量及功耗有限的计算资源和网络规模的复杂性以及安全性等方面，都存在诸多问题[1]。在接入网数据存在异常或延迟的情况下，如何有效地提高传输速度，减少数据传输时延，使数据传输更安全，是当前亟待解决的问题[2]。

针对现有技术的不足，相关学者对低时延加密数据传输方案进行了研究。文献[3]提出基于LEACH的低延迟分簇算法，在LEACH 协议支持下，利用平均周期法计算延迟。使用MATLAB 进行仿真，使网络能耗更加均匀，进而提高数据低延迟传输效率；在节点感知状态下，通过网络拥塞控制算法构建网络拥塞机制，聚合拥塞严重节点信息，保证数据成功传输。文献[4]提出移动延迟容忍传感网络拥塞控制算法，基于节点状态感知，构建移动延迟容忍传感器网络拥塞预测机制，对节点缓存队列中的数据进行信息聚合，提出拥塞控制策略。

虽然上述两种方法能够实现数据低延迟传输，但在数据传输过程中易出现传输信号同步碰撞问题，会增大信号传输延时。为避免出现该问题，提出了云计算环境中的局域网数据低延迟传输方法。

1 局域网数据传输延时特征分析

在云计算环境下，局域网数据传输策略的传输延时较长，当节点收到新的数据块后立即将数据推送至相邻节点，从而降低了传输延迟[5]。但该方案使得节点在接收来自不同邻节点的重复数据时，容易出现同步传输信号冲突的问题，从而造成带宽浪费。为此，需对云计算环境中的局域网数据低延迟特征进行分析。

1.1 局域网数据延迟特征分析

在数据传输过程中，相邻节点负责数据的收发与接收，并筛选可传输数据；在数据接收过程中，依据相邻节点传输的有效数据，将其存入到缓存队列中，等待传递[6-8]。为了使信息方便交换，局域网上的数据会定期发送，保证多条传输信息能够同时封装在同一个数据包中[9]，在周期xT内完成信息传输与接收，其中，x为数据块跳动次数，T为数据块单次跳动的延迟周期。

数据块跳动的延迟如图1 所示。

图1 数据块跳动的延迟

根据图1 中数据块跳动的详细过程可知，在t1时新的数据块到达节点A。由于局域网数据仅在每个周期开始时发送，所以该信息不会被立即发送到节点B，该过程等待时间为tp。

局域网数据在时刻t2被发送出去后，经过时延td1后，新的数据块到达节点B。时延td1中包含了发送和传输的时延数据，发送时延数据大小取决于传输数据包的长度和节点A的上行带宽；传输时延数据大小取决于A、B两点间的路径长度。

t3时刻决定了节点B是否可以直接从节点A接收全部数据，此时，节点B以同样规则在t4时传输数据。

在t5时，节点A将接收前4 个时刻的请求数据包，并将数据包传送到缓存队列中[10-12]。缓存队列需将数据块传送给节点B，该传输过程存在缓存队列排队延迟tw，数据包较大，不可忽略不计。

当节点B接收到全部数据后，数据包到达A、B两点间的时刻即为时刻t7[13]。tp和tr是节点传输周期T上的随机变量，彼此独立。

对节点B使用云服务策略发送上行带宽数据。同一段时间内，原始数据比在某一时刻到达节点A的时间早，数据包被优先发送出去。因此，数据块跳动的延迟t1-delay可以表示为：

式（1）中，E表示节点间距长度，表示一个节点到另一个节点的延迟；l表示数据块长度；u表示节点平均带宽。

1.2 面向子流的数据块分布特征分析

在周期T内发送数据，虽可减少调度过程出现的跳动延迟，但是同时会产生更多数据[14]。如果节点A将数据转发到全部数据块后，可立即将数据转发给节点B，此时跳动的延迟就会降低到。节点A将节点B转发给相邻节点，减少了调试延迟。但是，收到数据块的相邻节点如果直接进行转发，会导致相邻节点接收到重复的数据，浪费了上行带宽[15]。

根据节点B确定相邻节点的数据转发情况，不需要接收请求包就可以直接访问相邻子流。在此过程中，节点B只在发送一次请求信息之后等待接收传输数据。将原始请求信息分成K等分，每个部分是从1 开始计数的序列号。假定整个流程分为多个部分，图2 清楚地显示了所有子流程中数据块的分布。

图2 子流中包含的数据块

由图2 可知，节点A在特定的周期内，将所有的数据传送到节点B，然后通过相邻的节点转发形成传输子流，从而避免了子流的交叉问题。

2 局域网数据低延迟传输流程设计

结合局域网数据延迟特征和面向子流的数据块分布特征，设计云计算环境中的局域网数据低延迟传输流程，如下所示：

步骤一：对节点资源需求和数据延迟传输进行了分析，给出了分析结果。计算过程如下：计算数据从一台主机发送到另一台主机再返回到发送主机节点的单向时间，然后根据单向时间计算数据传输的往返时间[16]。

结合图1 数据块跳动的延迟，定义t1、t2、t3、t4四个时间标签，其中t1表示节点A的发送时刻，t2表示节点B的接收时刻，t3表示节点B往返发送时刻，t4表示返回到达节点A的时刻，t1和t4由发送端节点A标识，t2和t3由接收端节点B标识，往返时延TR计算公式如式（2）所示：

式（2）中，(t3-t2) 表示接收到数据并处理的时间，该时间比传输时间要小。此时的(t3-t2)近似等于0。

步骤二：采用冗余传输机制将重要时序触发流数据信息，同时复制AB两个信道，在两个信道相同的发送时间内触发流数据信息，实现双冗余备份。终端根据响应时间的要求，将信息分为重要信息包和次级信息包。采用一组双冗余的方式传送重要消息，次要消息需要在分类后，在应用AB信道的基础上，通过终端分布传输和调度小数据包。

步骤三：在数据传输中，采用处理数据冗余调度的方法，需要对加密数据进行封装检查，使每一层连接的数据都有加密处理效果。第一次添加调度数据形成消息时，将其发送到网络层，然后封装发送。

步骤四：按照一对一组织数据传输方式，构建伪连接，实现不同调度部门间数据的高效转换。在一定时间范围内配置实时数据，确定每个数据网关服务接口，使得每个数据网关服务接口在电源管理单元间起到数据查询作用。

每个数据包都具备一个组织标志，该标志由三部分组成的，分别是命令帧、配置帧、数据帧，以此扩展额外传送的信息。为了实现局域网数据低延迟传输，需在第三方系统和数据网关之间设立传输机制，如图3 所示。

图3 局域网数据低延迟传输流程

由图3 可知，该机制是在两个数据包之间增加2 ms 时间间隔，通过设立第三方系统和数据网关之间的传输机制，改变了数据交换模式，实现数据高效传输。

3 实 验

3.1 实验装置

设计云计算环境中的局域网数据低延迟传输方法实验装置，以USRP-2854为数据接收端，以SX1276为数据发送端。将LoRa 模块和传感器作为信号发送源，其工作频率为900 MHz，信号带宽为500 kHz。

3.2 局域网信号能量叠加

为了确保远距离下多个节点传送信号能量不会出现叠加情况，分别在50 m 和100 m 环境下进行了信号碰撞实验，如图4 所示。

图4 50 m和100 m环境下信号碰撞能量分析

由图4 可知，在50 m 至100 m 的节点上发送传输信号时，信号衰减明显，随着节点数目的增加，信号能量也有明显增强。

3.3 扩频因子与速率

模拟单个节点的通信情况，首先设传输节点到基站的距离是节点传输数据包的最远距离，基于该情况下的节点扩频因子设为12，图5 为理想通信速率随扩频因子变化曲线。

图5 理想通信速率随扩频因子变化情况

由图5可知，随着扩频系数的增加，局域网数据的低延迟传输速率提高，通信速率降低，碰撞情况也随之减小。当扩频因子为7、8、9、10、11、12时，理想通信速率分别为14 500、13 000、8 900、6 850、4 000、1 800。

3.4 实验结果与分析

基于上述数据，分别使用基于LEACH 低延迟分簇算法、移动延迟容忍传感网络拥塞控制算法和云计算环境中传输方法对比分析50 m 和100 m 环境下信号碰撞能量变化情况，如表1 所示。

表1 三种方法信号碰撞能量变化情况对比分析

由表1 可知，使用两种传统方法在不同环境下信号碰撞能量与理想数据不一致，而使用云计算环境中传输方法在不同环境下信号碰撞能量与理想数据一致。

为了进一步验证云计算环境中的局域网数据低延迟传输方法可行性，将三种方法的通信速率进行对比分析，如表2 所示。

表2 三种方法通信速率对比分析

由表2 可知，使用基于LEACH 低延迟分簇算法通信速率与理想数据不一致，最大误差为2 000 bit/s；使用移动延迟容忍传感网络拥塞控制算法通信速率与理想数据不一致，最大误差为1 000 bit/s；使用云计算环境中传输方法通信速率与理想数据不一致，但误差较小，最大误差为550 bit/s。通过上述分析结果可知，该方法数据低延迟传输速率与理想传输速率误差最小。

4 结束语

局域网云计算环境下，采用低延迟数据传输方法设计加密方案，结合数据冗余，减少了数据传输时延，提高了数据吞吐率，增强了加密的安全性。实验结果表明，该文方法有效地降低了数据丢失率，提高了数据传输的稳定性和完整性。