宋玉滔,張建明
(江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中大量的手持設(shè)備、車載設(shè)備等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。首先,這些節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域廣、本身能量受限,使感知節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、通信、存儲(chǔ)能力非常有限,無(wú)法自主實(shí)現(xiàn)完善的安全防護(hù),且節(jié)點(diǎn)群數(shù)目龐大不易管理控制,易有疏漏。第二,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化,將面臨路徑破損、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間縮短的問(wèn)題,最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)無(wú)法有效處理數(shù)據(jù)或者死亡的現(xiàn)象,這將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性[1]。因此,設(shè)計(jì)一種基于可靠性的簇頭選舉機(jī)制來(lái)減少或者避免此類情況的發(fā)生成為影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的核心問(wèn)題。
為了降低通信能耗、提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性往往選舉一些具備高能量和計(jì)算能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn):Ghiasi 等人提出了一種能量有效的優(yōu)化成簇方法[2],該方法使得每個(gè)簇中最多只有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。林海等人提出一種利用能量預(yù)測(cè)的分簇算法[3],每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)下一周期自己的剩余能量,并得出閾值,根據(jù)該閾值決定是否當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)。為了使簇負(fù)載均衡且能量消耗小,Yu 等人提出了一種能量有效的動(dòng)態(tài)分簇技術(shù)以最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期[4]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息計(jì)算自身成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率。Qin等人研究了簇頭選舉策略,提出一種基于投票的分簇算法[5]。這些研究以及應(yīng)用都是從如何選舉出高性能的簇頭為出發(fā)點(diǎn),而未考慮簇頭的工作狀態(tài)問(wèn)題。一旦簇頭節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)無(wú)法有效處理數(shù)據(jù)或者死亡的現(xiàn)象,造成網(wǎng)絡(luò)通信中斷,將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。為了解決這一問(wèn)題本文提出一種基于簇頭熱備機(jī)制的簇頭算法(Election of Cluster Head Mechanism of Based on Hot Standby,EHS)。該算法在傳統(tǒng)簇頭選舉算法中引入熱備機(jī)制,在選舉出高性能的簇頭節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,充分考慮節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的同時(shí)有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。
雙機(jī)熱備就是對(duì)于重要的服務(wù),使用兩臺(tái)服務(wù)器(s1,s2)共同執(zhí)行同一操作。當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),可以由另一臺(tái)服務(wù)器承擔(dān)服務(wù)任務(wù),從而在不需要人工干預(yù)的情況下,自動(dòng)保證系統(tǒng)能持續(xù)提供服務(wù)[6]。根據(jù)兩臺(tái)服務(wù)器工作方式的不同可將雙機(jī)熱備分成三種不同的工作模式:主備模式、互備模式、雙工模式。
1)主備模式是中小系統(tǒng)最常用的模式[7],是指一臺(tái)服務(wù)器A 處于某種業(yè)務(wù)的激活狀態(tài)(即Active 狀態(tài)),另一臺(tái)服務(wù)器B 處于該業(yè)務(wù)的備用狀態(tài)(即Standby 狀態(tài))。當(dāng)A 發(fā)生故障,B 會(huì)立即激活接管A 的業(yè)務(wù)。
2)互備模式是在雙機(jī)熱備的基礎(chǔ)上,兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的業(yè)務(wù)在兩臺(tái)機(jī)器上同時(shí)運(yùn)行,但彼此設(shè)為備機(jī),當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),另一臺(tái)服務(wù)器可以在短時(shí)間內(nèi)將故障服務(wù)器的業(yè)務(wù)接管過(guò)來(lái),從而保證了應(yīng)用的持續(xù)性。
3)雙工模式是兩臺(tái)服務(wù)器均為活動(dòng),同時(shí)接管相同的業(yè)務(wù),保證整體的性能,也實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡和互為備份。
熱備機(jī)制常被用于計(jì)算機(jī)服務(wù)器等一些大型系統(tǒng)中,有效的熱備機(jī)制可以有效防止了系統(tǒng)崩潰給企業(yè)帶來(lái)的巨大損失,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和容錯(cuò)能力。但是熱備機(jī)制還沒(méi)有被用于簇頭選舉算法中,熱備機(jī)制在影響簇頭節(jié)點(diǎn)性能方面的研究是一個(gè)應(yīng)該被考慮的方向。
由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身能量有限,如果采用互備模式和雙工模式,兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)將會(huì)消耗簇頭過(guò)多的能量,當(dāng)一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),另一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)無(wú)法確保有充足的能量保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行所以相對(duì)于其它模式而言,在提高網(wǎng)絡(luò)冗余度和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性方面主備模式在進(jìn)行適應(yīng)簇頭熱備時(shí)更具優(yōu)勢(shì)?;跓醾錂C(jī)制的簇頭選舉算法就是將常用于計(jì)算機(jī)服務(wù)器等一些大型系統(tǒng)中的熱備機(jī)制與傳統(tǒng)的簇頭選舉算法相結(jié)合,將傳統(tǒng)的單簇頭工作模式提升至雙簇頭主備工作模式。通過(guò)主備簇頭的合作和適時(shí)切換提高簇頭的可靠性進(jìn)而提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。
在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中,感知層中的感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)外部世界的感知和識(shí)別。傳感技術(shù)主要是利用傳感器和由它們組成的網(wǎng)絡(luò),通過(guò)各種節(jié)點(diǎn)采集被感知對(duì)象的信息,節(jié)點(diǎn)獲取的信息通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一跳或者多跳路由傳送給sink 節(jié)點(diǎn),然后由sink 節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳輸層中的互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或者無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器,進(jìn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用,如圖1 所示。
圖1 熱備模式數(shù)據(jù)傳輸模型Fig.1 Model of data transmission based-on hot standby
在物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有以下特征:
1)假定有一個(gè)可靠的鏈路層協(xié)議,為了防止單點(diǎn)故障,簇一旦形成,所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)共享的雙向無(wú)線信道進(jìn)行通信;
2)首選簇頭是自己推選出來(lái)的,允許在第一輪設(shè)置簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)采取自薦方式,并假設(shè)這個(gè)階段沒(méi)有低性能節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)的職能為數(shù)據(jù)融合向sink 節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)并且存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)發(fā)向簇頭節(jié)點(diǎn)的信息和選舉信息;
3)服務(wù)簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)本簇內(nèi)成員的基本節(jié)點(diǎn)信息,并且可以運(yùn)用選舉算法發(fā)起選舉行為和發(fā)送、接收狀態(tài)信息報(bào)文。
參照LEACH 算法,本文算法將網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程分成輪,每輪包括建立期和穩(wěn)定期,在建立期執(zhí)行分簇協(xié)議和主備簇頭的選舉;穩(wěn)定期分成若干幀,在每一幀,一是成員節(jié)點(diǎn)向群首服務(wù)簇頭發(fā)送數(shù)據(jù),群首合并后經(jīng)過(guò)一跳或者多跳路由傳送給sink 節(jié)點(diǎn),然后由sink 節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳輸層中的互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或者無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器;二是服務(wù)簇頭與備用簇頭互相監(jiān)聽(tīng)確定是否進(jìn)行服務(wù)簇頭切換和備用簇頭重選舉。
如果備份簇頭的服務(wù)性能水平與服務(wù)簇頭的服務(wù)性能水平相差不大,這種接管不會(huì)給任何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)明顯上的影響。主從熱備份模式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,對(duì)簇頭信息機(jī)制限制較少。備用簇頭保持在線狀態(tài)運(yùn)行可以使服務(wù)簇頭應(yīng)用切換過(guò)來(lái)后備用簇頭立即提供服務(wù)。從而縮短服務(wù)切換時(shí)間,提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。該模式穩(wěn)定期流程,如圖2 所示。
圖2 熱備模式工作流程Fig.2 Work flow based-on hot standby
偽碼描述:
在網(wǎng)絡(luò)建立期根據(jù)LEACH 協(xié)議采用分布式的方式完成簇頭的選舉,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)簇?cái)?shù),設(shè)最優(yōu)的簇?cái)?shù)K,一般為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的5%[8]。根據(jù)閾值T(n)的計(jì)算公式[9]:
其中,p 是期望的簇頭數(shù)在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比;r*mod(1/p)為本周期內(nèi)當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);λ為加權(quán)因子,其值隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和應(yīng)用場(chǎng)景的的不同而不同,0<λ≤1,本文取0.01;Ep(n)為節(jié)點(diǎn)剩余能量率;ω為距離因子。Ep(n)的定義如下:
其中Er(n)為節(jié)點(diǎn)剩余能量;Eo代表簇內(nèi)的平均能量。ω的定義如下:
其中di為節(jié)點(diǎn)到sink 節(jié)點(diǎn)的近似距離;dmin為節(jié)點(diǎn)至sink 節(jié)點(diǎn)的最近距離;dmax為節(jié)點(diǎn)至sink 節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)0~1 的隨機(jī)數(shù),如果小于T(n)且距離Sink 節(jié)點(diǎn)距離較近的點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)。在產(chǎn)生簇頭節(jié)點(diǎn)以后,普通節(jié)點(diǎn)選擇距離與之通信消耗能量最低的一個(gè)簇頭,申請(qǐng)加入其所在的群。簇頭根據(jù)收到的加入請(qǐng)求生成一個(gè)TDMA調(diào)度表,指定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)在哪個(gè)時(shí)段發(fā)送數(shù)據(jù),然后把調(diào)度表發(fā)給群內(nèi)節(jié)點(diǎn)。這樣針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)已分成K個(gè)簇群且已選舉出對(duì)應(yīng)的K個(gè)簇頭作為服務(wù)簇頭。
基于普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離與之通信消耗能量最低的一個(gè)簇頭加入簇群,所以備用簇頭的選舉采用簇內(nèi)選舉機(jī)制[10],根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量的Er(i)值和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)集合NVi 選舉出備用簇頭。其中服務(wù)簇頭節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)并監(jiān)聽(tīng)備用簇頭的工作狀態(tài),備用簇頭用來(lái)監(jiān)視服務(wù)簇頭的工作狀態(tài)并且存儲(chǔ)與服務(wù)簇頭同樣的節(jié)點(diǎn)信息。
在系統(tǒng)正常情況下,服務(wù)簇頭和備用簇頭通過(guò)無(wú)線雙向信道進(jìn)行通信。服務(wù)簇頭在對(duì)外提供服務(wù)的同時(shí),按一定規(guī)則周期性的發(fā)送狀態(tài)信息報(bào)文給備用簇頭,設(shè)該周期為T,備用簇頭實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息報(bào)文,并應(yīng)答ACK 確認(rèn)幀。如果服務(wù)簇頭能夠正常收到ACK 確認(rèn)幀,則說(shuō)明備用簇頭處于正常工作狀態(tài)。如果簇頭不能夠正常收到ACK 確認(rèn)幀,將備用簇頭故障標(biāo)志變量faultNum 加1,當(dāng)faultNum 大于設(shè)定的閾值maxFaultNum 的時(shí)候,則判定備用簇頭出現(xiàn)異常。簇頭節(jié)點(diǎn)在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)立即發(fā)起一次備用簇頭選舉行為,重新選舉出后備簇頭,確保下一次切換的可靠性。同時(shí)備用簇頭按一定規(guī)則周期性的發(fā)送狀態(tài)信息報(bào)文給服務(wù)簇頭,服務(wù)簇頭實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)備用簇頭發(fā)過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息報(bào)文,并應(yīng)答ACK 確認(rèn)幀。如果簇頭不能夠正常收到ACK 確認(rèn)幀,將服務(wù)簇頭故障標(biāo)志變量faultNum 加1,當(dāng)faultNum 大于設(shè)定的閾值maxFaultNum 的時(shí)候,則判定服務(wù)簇頭異常,備用簇頭首先提升為服務(wù)簇頭并接管本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)處理任務(wù),發(fā)布通告消息告知其它節(jié)點(diǎn)自己是新簇頭,普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己與簇頭的距離選擇加入哪個(gè)簇并告知該簇頭。然后在簇內(nèi)發(fā)起簇頭選舉行為,選舉出一個(gè)新的簇頭作為后備簇頭。
使用NS2 作為基本的仿真平臺(tái),通過(guò)與LEACH-ECHC算法相比較,評(píng)定本文基于雙簇頭熱備機(jī)制的簇頭選舉算法在保證網(wǎng)絡(luò)可靠性方面的性能。設(shè)置假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均勻分布,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)有60個(gè),被安排在直徑為50 m 圓形區(qū)域內(nèi),節(jié)點(diǎn)每秒鐘產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包并且節(jié)點(diǎn)僅僅在自己的時(shí)間表內(nèi)向簇頭傳輸信息。簇頭節(jié)點(diǎn)向sink 節(jié)點(diǎn)每5 秒鐘發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包,簇頭選舉行為每5 分鐘進(jìn)行一次,備用簇頭選舉行為在服務(wù)簇頭產(chǎn)生之后由服務(wù)簇頭立即進(jìn)行。
使用NS2 仿真結(jié)果如圖3 所示。
圖3 sink 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收對(duì)比(100 小時(shí))Fig.3 Data receiving comparison of sink nodes(100 hours)
在抽樣時(shí)間為100個(gè)小時(shí)期間內(nèi),記錄利用EHS 算法和LEACH-ECHCCHE 算法進(jìn)行簇頭選舉時(shí),sink 節(jié)點(diǎn)所接收到的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總量。仿真環(huán)境中各個(gè)簇頭之間向sink 節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式發(fā)送數(shù)據(jù),以盡量避免擁塞對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。從圖中可以看出,在100個(gè)小時(shí)的抽樣時(shí)間內(nèi),簇頭節(jié)點(diǎn)共向sink 節(jié)點(diǎn)發(fā)送72 000個(gè)數(shù)據(jù)包,利用文中提出的基于熱備機(jī)制的簇頭選舉算法可以接收到67 210個(gè)數(shù)據(jù)包,而利用LEACH-ECHC 算法可以收到64 005個(gè)數(shù)據(jù)包,通過(guò)數(shù)據(jù)量可以計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)在分別使用兩種算法時(shí)的平均無(wú)故障時(shí)間(Mean Time Between Failures,簡(jiǎn)稱MTBF)??傻茫?/p>
文中提出的EHS 算法由于引入了簇頭熱備機(jī)制,在服務(wù)簇頭出現(xiàn)異常時(shí)后備簇頭能夠及時(shí)地代替服務(wù)簇頭繼續(xù)提供服務(wù),有效的保證了數(shù)據(jù)的接收、融合、轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù),所以從一定程度上提高了簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力。由仿真可見(jiàn),EHS 算法較LEACH-ECHC 算法在抽樣100個(gè)小時(shí),發(fā)送數(shù)據(jù)量為72 000個(gè)數(shù)據(jù)包的情況下,EHS 算法少丟包3205個(gè)數(shù)據(jù)包,丟包率下降4.45%,在抽樣100 小時(shí)內(nèi)平均無(wú)故障時(shí)間提高了226 min,由此可知EHS 算法在網(wǎng)絡(luò)連通性和保證網(wǎng)絡(luò)的平均無(wú)故障時(shí)間方面都有一定的優(yōu)化,一定程度上增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
針對(duì)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中由于簇頭節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定,影響數(shù)據(jù)的傳輸和網(wǎng)絡(luò)的可靠性這一問(wèn)題,提出一種基于熱備機(jī)制的簇頭選舉算法。文章從兩個(gè)方面取得了研究進(jìn)展:1)引入雙簇頭熱備機(jī)制,有效降低了單點(diǎn)出錯(cuò)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響,增強(qiáng)了簇頭服務(wù)能力;2)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)感知層的特點(diǎn),對(duì)比選取了主從熱備模式。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),證明所提出的選舉算法是可行的,在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,在保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性方面較CHE 算法效果顯著。在本算法應(yīng)用中,針對(duì)能量的消耗以及能量消耗問(wèn)題需要進(jìn)一步分析和測(cè)試,這正是下一步要研究的目標(biāo)。
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