考虑节点负载的光纤通道多路数据混合传输方法

屈金娇，吴欣华，陈雅萍

（第904 医院，江苏 无锡 214044）

为了满足器件中采用光纤作为通信媒介的现实需求，需要采用光纤实现多通道低速率数据和高速数字影像信息的混合传输。为了实现对目标的捕捉，各个子系统都要进行协同工作，因而要进行海量的数据传输，在这些数据的传输过程中，包含了多路低速数据和摄像机所提供的高速度的数字图像。在采用光纤作为数据传输媒介的情况下，其数据传输能力得到了极大提高，但是网络中存在随机性，使得数据传输时延高。

文献[1]提出了基于异构云计算的调度算法，该算法采用线性化的方式对各层次的节点进行划分，并利用其所剩的能量来选取各层次的节点，从而达到减少能耗和延长网路寿命的目的。但是，由于其要对全网的所有数据进行采集，因此在大容量的情况下，会产生较大的通信费用；文献[2]提出了能量多路径路由机制，该方法可以很好地平衡网络能量消耗，延长网络使用寿命，但是这种方法并没有考虑到网络中的远程跳跃次数，并且必须定期地从目标网络向源节点进行查询，以保持其活跃度，并提高网络资源消耗。为此，提出了考虑节点负载的光纤通道多路数据混合传输方法。

1 考虑节点负载的多路传输节点选择

为了改善光纤通信网络节点存活时间，使其达到负荷均衡，采用多路径路由算法，将负荷调节为多条路由，使各节点之间的能耗达到平衡[3]。在此基础上，充分利用了节点的剩余能量，使得所要传输的信息尽可能地避免剩余能量较少的节点，以提高光纤通信网络节点存活周期。

在源节点要将数据包传送给目标节点时，将泛洪报文传递至全网，在泛洪报文被中间节点接收时，中间节点会充分地使用随后接收到的同一泛洪报文[4-6]。当下次泛洪报文在距上一次泛洪报文到来之前，已经超过预定的限制值时，丢弃该泛洪报文，或将符合式（1）的泛洪报文记录下来。

式中，RX、RJ、ΔR分别表示节点可以接受的新跳数、旧跳数和跳数差。跳跃差异的数值较大，可以发现较多路径，但是要传送较多消息，需要增大路由负荷。如果选择数值越低，那么所传输消息就越少，所发现路径也就越少，因此依据实际的网络条件，选择适当的跳跃值[7]。

假定目标节点在一定时期内收到来自源节点泛洪过来的多条路由请求报文，根据基于请求报文所给出的数据，构建一个网络结构，从而在源端与目标端之间形成一条最短跳跃次数和最大延迟的主要通路[8-10]。然后，将与主要通路节点无关的备用通路作为第一条替换通路，再将与主要通路及备份路径均数无关的备用通路作为第二条替换通路，依此类推[11]。采用临界能耗均值的方法，在t时刻内计算所有路由路径关键能量值，公式为：

式中，n表示路由路径数量。通过该值可确定整个光纤通道能量消耗情况，该值越大，说明节点剩余能量也就越大，通道可用路由越多[12]。根据光纤通道整体能耗情况选择传输路径，关键能量满足式（3）：

式中，α表示预先设定的阈值，在传输路径能量资源充足情况下，选择跳数小的路径减少网络能量消耗。

2 光纤通道多路数据混合传输

2.1 传输路径建立

在光纤通道中时间轴被分为许多帧，每帧都是由一定数据固定时长组成的，每帧固定时间用于能量消耗大的数据传输，其余用于能量消耗小的数据传输[13]。基于可变边界的时间轴多路复用帧结构如图1 所示。

图1 基于可变边界时间轴多路复用帧结构

图1 中，md表示能耗数据包所用的时段数；xk表示第k个能耗数据可用时段数；s表示数据时段间距[14]。对于能耗大数据段和能耗数据段的间距，计算公式为：

根据分段随机存取协议，间距上没有冲突，在该基础上，构建了一个起始传输通道，在接收到来自该节点的请求信息后，将该路径创建信息通知给邻近节点，启动路径建立过程[15]。

在进行路径过滤时，要防止选择的路径中的一个节点因能源不足而无法承受所指定的负荷，所以要将路径上所有节点能量均计算在内。估计每次询问所消耗的能源总量和传输单元的能源消耗，得出一个请求的总能源消耗，如下：

式中，E表示总负载，Qn表示传输单位数据所耗费的能量[16]。当使用多条通道进行数据传送时，为了均衡能量，必须保证每个通道的最小能量在经过一次查询后都尽量保持一致，由此可以估计出每条路径的最小能量为：

为了达到负载均衡，应该使每个路径的网络在经过一次查询之后，均保持最小的功率，从而利用能源均衡方法为每个通道分配工作量，并估计每个通道所承载的数据传输量：

根据上述计算结果，先检验具有最小能量交叉处的路线，以便迅速地找到合适的路线数目，其基本方法：将不适宜的路线按照其最低能量值进行降序排列，将不适宜的路线交错点按照能量值进行升序排列，进而确定每个相交的最大可容许的路径数目。若以上所示的不存在交叉或无通路，则该方法终止；如果没有，重复执行以下步骤，直至完成全部交错点的检测。

2.2 多路数据混合传输方案设计

充分考虑节点负载，将传输路径上节点剩余能量作为多路选择依据，尽量避开低能量节点，选取最优路径。对于节点i能量消耗，计算公式为：

如果多个路线的开销值都是一样的，那么就可以选择最小的路线，因为它是以最大的剩余能源为最优路线，因此可以避免节点被过度使用。

当设备各个子系统之间传送的多路低速率信息和其他设备所传送的信息进行混合传输时，其方案是利用时分多路和WDM 的混合形式，将装置内的讯息混成一条信息，经由光传送模组将信息转变成信号，再经由光导通信模组传送信息，而信息则先由受光模组将信息转变成信号形式，再采用时分复用和波分复用相混合的方法，将信息恢复成原始的多路信息。因此，低速率数据信息采用时分多工/多路传输，多路高速信息的传送是由高速串行/并行变换装置完成的，采用WDM/DMA 模式，可以将低速和高速信息进行混合传输。混合传输系统结构如图2所示。

图2 多路数据混合传输方案设计

图2 中多路低速率数据信息通过时分复用装置被复接成一条连续线路，通过串行/并行变换装置将高速信息整合成一条线路，其两路的信息通过发光模组进行电光变换，然后通过WDM 变换成一条线的光学信号，通过该光路复用器将其转化成一条光路，在接收机上进行相应光电变换和分离，从而完成信息的混合传输。

3 实验

3.1 通信模拟

为验证考虑节点负载的光纤通道多路数据混合传输方法的有效性，在GPRS 中，利用Ater+GAter 的BSC 与MFS 进行了实验。GAter 通道与Ater 接口可以共享一个PCM 连接。实验在相同的BSC-MFS 接口上传送数据信号的同时，还要求传输话音信号。

3.2 传输时延

式中，z表示多路径条数。对于传输时延，分别使用文献[1]方法、文献[2]方法和所研究方法进行对比分析，结果如图3 所示。

图3 不同方法传输时延对比分析

由图3 可知，使用文献[1]方法最高时延达到7.3 s，使用文献[2]方法最高时延达到4.7 s，使用所研究方法最高时延达到0.5 s。通过该分析结果可知，使用所研究方法传输时延较低，说明传输通道顺畅。

3.3 节点存活率

在光纤通道多路数据混合传输过程中，每隔一段时间就会将数据传输给目标服务器，以标识节点处于存活状态。如果超过传输间隔目标服务器依然没有接收到数据，那么可认为该节点已经处于死亡状态。如果光纤通道中存在大量死亡节点，那么无法有效进行多路数据混合传输。为了验证所研究方法能够有效传输数据，以14 条传输路径为例，将其与文献[1]方法和文献[2]方法节点存活率进行对比分析，对比结果如图4 所示。

图4 不同方法节点存活率对比分析

由图4 可知，使用文献[1]方法、文献[2]方法时，死亡节点明显比所研究方法多，其中，所研究方法的节点存活率为0.96。

4 结束语

为了使节点能量均衡，采用关键路径优先原则，研究了一种考虑节点负载的光纤通道多路数据混合传输方法，该方法首先检测出能量最小的临界点，然后对其进行快速选择，利用能量平衡法对各个传输路径进行了划分。通过对多路数据网络仿真，证明了该方法的正确性和可靠性。