基于哈希算法的工业互联网低功耗数据链时隙分配系统

马孟

（郑州机动车质量监测认证技术研究中心有限公司，河南郑州 451450）

工业互联网可以将人、机、物、系统等多个对象连接起来，构建全面服务体系，既实现了数字化工业的全面推进，也为互联网应用技术的发展提供了保障[1]。随着工业互联网的日益复杂化，低功耗数据链路体系内信息样本的传输能力受到严重影响，使得网络主机对数据参量的配准能力出现明显下降。基于伪随机序列加扰法的导频分配方法，统计数据信息流量的传输水平，不能将平台主机对数据样本的接收吞吐量维持在较高水平，因此在提升工业互联网数据链路体系对传输信息配准能力方面的作用效果并不能满足实际应用需求[2]。

哈希函数是以哈希表为基础构建的散列函数，能够把任意长度的输入参量变换成固定长度的输出参量，该输出参量即为散列值指标。对于哈希函数的转换思想，可以理解为压缩映射关系，即控制散列值空间常量，使其数值水平远小于空间常量标准值[3]。由于数据样本输出值并不唯一，哈希函数很难通过散列值指标判断输出信息的可靠性。面对大数据网络空间，求解哈希函数表达式，还需确定散列值指标与标准输出参量指标之间的数值映射关系[4]。计算得出的散列值指标，只能对应一个输出数据，因此哈希函数表达式具有较强的独立性与完整性。为此，设计基于哈希算法的工业互联网低功耗数据链时隙分配系统。

1 哈希算法

1.1 压缩函数

压缩函数决定了哈希算法对于数据信息样本的处理能力。在工业互联网环境中，主机元件对低功耗数据链时隙系数的调节遵循哈希算法原则。在求解压缩函数表达式时，应对数据信息样本传输参量分别取值。压缩意在缩短哈希算法表达式的编码长度，在数据样本存储量较大的情况下，哈希算法表达式越短，其对信息参量的编码能力越强[5-6]。

由于压缩函数表达式必须匹配哈希算法编码原则，为避免平台主机对数据样本的接收能力受到影响，待处理数据参量不能在同一时间全部输入工业互联网低功耗数据链路体系。

1.2 海绵结构

海绵结构是哈希算法的主体编码部分，由数据吸入、数据挤出两个阶段组成，为适应低功耗数据链路对于时隙指标的分配需求，数据样本首先经过吸入流程，再经过挤出流程，得到工业互联网主机所需的压缩输出结果，两个处理阶段对数据样本的编码都满足同一压缩函数表达式[7-8]。

设g1,g2,…,gn表示n个待编码的工业互联网数据样本，且取值恒不等于自然数零，f表示数据吸入条件，χ表示数据基础条件，α表示时隙指标赋值系数。在上述物理量的支持下，可将基于哈希算法的海绵结构定义式为：

在工业互联网低功耗数据链路体系内，海绵结构直接对数据信息样本编码处理，随着样本输入值改变，输出结果的数值水平不断变化。

2 数据链时隙分配系统执行方案

2.1 汇接控制器

汇接控制器负责对工业互联网低功耗数据链路体系内暂存的信息样本分拣，在保证时隙分配标准的前提下，实现对数据参量的存储处理，解决平台主机对数据样本接收吞吐量不足的问题[9]。在汇接控制器元件内，每一个低功耗数据链路时隙指标都对应一个独立的配值结果，即使在数据样本量非常庞大的情况下，工业互联网主机也会通过扩充数据库容量的方式，保障时隙指标与配值结果之间的单一对应关系。

在工业互联网主机IP 地址保持恒定的情况下，汇接控制器通过更改时隙指标赋值的方式，调整数据信息样本的配准输出结果，但整个调整过程中，任何数据参量的调节与运算必须满足哈希算法原则[10]。为使海绵结构能够对工业互联网低功耗数据链路内的传输信息样本准确编码，在设置汇接控制器元件时，要求互联网主机内不能出现两个完全一致的时隙指标配值结果。

2.2 数据循环结构

数据循环结构借助TDMA 信道接入工业互联网体系，可以通过调节低功耗数据链路的方式，完成对系统时隙参量的分配处理。哈希算法作用下，TDMA信道对低功耗数据链时隙的分配，要求数据样本的单位传输流量不得超过工业互联网体系的额定承载能力，所以数据循环结构在处理信息样本时，必须对所涉及数据参量实施首尾相连的压缩处理[11-12]。循环中心是圆形数据循环结构的圆心所在位置，数据循环结构由内圆、外圆两部分共同组成，所以其中心所在节点必须完全重合。数据循环结构布局形式如图1所示。

图1 数据循环结构布局形式

为避免信息样本在工业互联网低功耗数据链路中出现错序传输行为，循环结构内的数据传输方向必须保持一致（图1 中的数据传输方向k1—k2—……—kn）。

2.3 静态时隙分配

静态时隙分配是指工业互联网主机静态分配低功耗数据链路内的时隙指标，在汇接控制器、数据循环结构的作用下，静态时隙指标的取值占比越大，表示低功耗数据链路对于工业互联网信息样本的静态传输能力越强。由于分配系统主机的运行状态受到哈希算法的直接约束，静态时隙分配结果取值不具备无限增大的能力[13-14]。

设i1表示信息样本在低功耗数据链路内的静态分配系数，Y1表示数据样本的静态单位传输量，e1表示时隙指标的静态累积量。在上述物理量的支持下，可将静态时隙分配表达式定义为：

其中，ΔT表示静态时隙通路的单位开放时长，ϕ表示静态数据配比参量。考虑到工业互联网低功耗数据链路的闭合时长有限，所以ΔT指标的取值不宜过大。

2.4 动态时隙交换

动态时隙交换指工业互联网主机动态交换低功耗数据链路内的时隙指标[15]。与静态时隙分配原则相比，动态时隙交换对汇接控制器、数据循环结构之间配合程度的要求更高。在哈希算法作用下，只有工业互联网信道未被完全占据，才能确保数据信息样本由初始寄存节点传输至目标分配节点[16]。

设w表示动态数据配比参量，i2表示信息样本在低功耗数据链路内的动态分配系数，Y2表示数据样本的动态单位传输量，e2表示时隙指标的动态累积量。将动态时隙交换表达式定义为：

由于静态时隙分配原则、动态时隙交换原则对于工业互联网低功耗数据链时隙指标的影响能力不同，所以P1、P2指标的计算取值为P1≠P2。

3 实验与结果分析

3.1 实验准备

利用EH-OS-M19 主机建立两个长度、频率、时延量都完全相等的报文队列，其中一个队列用于负载实验组数据样本，另一个队列用于负载对照组数据样本。将筛选出的工业互联网主机报文分别输入实验组、对照组报文队列中，再借助DS-96128NH24/I 链路主机筛选数据样本，直至输出数据信息能够满足统一的数据链路时隙分配原则，具体实验原理如图2 所示。

图2 实验原理

该次实验所采用实验设备的具体型号如表1所示。

表1 实验设备型号

为保证实验结果的公平性，实验组、对照组使用的实验设备完全一致。

3.2 实验步骤

该次实验的具体实施流程如下：

步骤一：选择基于哈希算法[17-19]的工业互联网低功耗数据链时隙分配系统作为实验组处理技术，利用该系统控制DS-96128N-H24/I 主机，使得主机元件能够准确记录EH-OS-M19 设备对于数据样本的接收吞吐量，所得数据记为实验组变量；

步骤二：选择基于伪随机序列加扰法的导频分配系统作为对照组处理技术，利用该系统控制DS-96128N-H24/I 主机，使得主机元件能够准确记录EH-OS-M19 设备对于数据样本的接收吞吐量，所得数据记为对照组变量；

步骤三：对比实验组、对照组变量数据，总结实验规律。

3.3 实验结果

平台主机对数据样本的接收吞吐量可以描述工业互联网数据链路体系对传输信息的配准能力，在报文队列保持完整的情况下，平台主机对数据样本的接收吞吐量越大，工业互联网数据链路体系对传输信息的配准能力越强。

图3 反映了实验组、对照组接收吞吐量指标的数值变化情况。

图3 接收吞吐量

分析图3 可知，随着工业互联网时延水平增大，平台主机对数据样本的理想接收吞吐量始终保持相对稳定的数值状态，其稳定数值为8.5×1010MB/s。当工业互联网时延等于1 s 时，实验组平台主机对于数据样本的接收吞吐量为8.4×1010MB/s，小于理想数值；当工业互联网时延处于2～5 s 内，实验组平台主机对于数据样本的接收吞吐量始终保持为8.8×1010MB/s，与理想数值相比，增大了0.3×1010MB/s。整个实验过程中，对照组平台主机对于数据样本的接收吞吐量始终保持不断增大的变化态势，当工业互联网时延等于5 s 时，对照组吞吐量达到最大值7.8×1010MB/s，与理想数值相比，下降了0.7×1010MB/s，且低于实验组最大值水平。

综上可知，在基于哈希算法的工业互联网低功耗数据链时隙分配系统的作用下，平台主机提高了数据样本的接收吞吐量水平。在提升工业互联网数据链路体系对传输信息的配准能力方面，具有较为突出的作用。

4 结束语

该文设计的工业互联网低功耗数据链时隙分配系统，在现有研究的基础上联合哈希算法，建立压缩函数，通过约束海绵结构作用能力，联合汇接控制器、数据循环结构，实现静态时隙分配与动态时隙分配。测试结果表明，设计系统应用后，提升了工业物联网平台主机对数据样本的接收吞吐量水平，对增强工业互联网数据链路体系对传输信息的配准能力具有明显促进作用。