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物联网中考虑节点故障的报文调度方案
资料介绍
在物联网（IoT）环境中，为提升全网系统效率，提出一种考虑节点故障的报文调度方案。利用最短时间调度机制实现报文顺序重排，在节省能量和备份节点部署成本的基础上，通过备份节点选择机制寻找最佳替代节点，缩短报文响应时间。仿真结果表明，该方案能有效降低网络能量消耗及缩短 IoT 系统报文平均响应时间，并从延长网络寿命角度给出不同节点故障率条件下的 IoT最佳备份节点配置数目。
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（完整内容请下载后查看）第 ４２ 卷 ꢀ 第 １ １ 期
Ｖｏｌ． ４２ꢀ Ｎｏ． １ １
ꢀ
ꢀ
计
算
机
工
程
２０１６ 年 １ １ 月
ꢀ ꢀ
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１６
· 物 联 网 专 题 ·
文 章 编 号 ： １０００３４２８（ ２０１６） １１００３２０６ꢀ ꢀ ꢀ 文 献 标 志 码 ： Ａꢀ ꢀ ꢀ 中 图 分 类 号 ： ＴＰ３９３
物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案
１
２
胡 ꢀ 英 ， 娄 ꢀ 红
（ １ ． 湖 南 第 一 师 范 学 院 信 息 科 学 与 工 程 学 院 ， 长 沙 ４１０２０５； ２． 中 州 大 学 信 息 工 程 学 院 ， 郑 州 ４５００００）
摘 ꢀ 要 ： 在 物 联 网 （ ＩｏＴ） 环 境 中 ， 为 提 升 全 网 系 统 效 率 ， 提 出 一 种 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案 。 利 用 最 短 时 间 调
度 机 制 实 现 报 文 顺 序 重 排 ， 在 节 省 能 量 和 备 份 节 点 部 署 成 本 的 基 础 上 ， 通 过 备 份 节 点 选 择 机 制 寻 找 最 佳 替 代 节 点 ，
缩 短 报 文 响 应 时 间 。 仿 真 结 果 表 明 ， 该 方 案 能 有 效 降 低 网 络 能 量 消 耗 及 缩 短 ＩｏＴ 系 统 报 文 平 均 响 应 时 间 ， 并 从 延
长 网 络 寿 命 角 度 给 出 不 同 节 点 故 障 率 条 件 下 的 ＩｏＴ 最 佳 备 份 节 点 配 置 数 目 。
关 键 词 ： 物 联 网 ； 代 理 节 点 ； 报 文 调 度 ； 节 点 故 障 ； 备 份 节 点 ； 能 量 消 耗 ； 响 应 时 间
中 文 引 用 格 式 ： 胡 ꢀ 英 ， 娄 ꢀ 红 ． 物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案 ［ Ｊ］ ． 计 算 机 工 程 ， ２０１６， ４２（ １ １ ） ： ３２３７．
英 文 引 用 格 式 ： Ｈｕ Ｙｉｎｇ， Ｌｏｕ Ｈｏｎｇ． Ｍｅｓｓａｇｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｎｏｄｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ［ Ｊ］ ．
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１６， ４２（ １ １ ） ： ３２３７．
Ｍｅｓｓａｇｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｎｏｄｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ
ＨＵ Ｙｉｎｇ１ ， ＬＯＵ Ｈｏｎｇ２
（ １ ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｎａｎ Ｆｉｒｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｈｏｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００， Ｃｈｉｎａ）
【 Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｉｎ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ（ ＩｏＴ） ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ＩｏＴ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ
ｍｅｓｓａｇｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｎｏｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ． Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｍｅｓｓａｇｅ ｏｒｄｅｒ ｒｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｔｉｍｅ
ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｎｏｄｅ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂａｃｋｕｐ ｎｏｄｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓａｖｉｎｇ
ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｂａｃｋｕｐ ｎｏｄｅ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｆａｓｔｅｒ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｍｅｓｓａｇｅｓ ａｎｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＩｏＴ ｓｙｓｔｅｍ． Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｆｅ， ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩｏＴ ｂａｃｋｕｐ ｎｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｄｅ
ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ．
【 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ（ ＩｏＴ） ； ｐｒｏｘｙ ｎｏｄｅ； ｍｅｓｓａｇｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ； ｎｏｄｅ ｆａｉｌｕｒｅ； ｂａｃｋｕｐ ｎｏｄｅ； ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；
ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ
ＤＯＩ： １０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １０００３４２８． ２０１６． １ １ ． ００６
响 应 时 间 、 分 组 到 达 率 等 应 用 层 业 务 性 能 特 征 。
文
０ꢀ 概 述
献 ［ ５］ 提 出 一 种 面 向 ＩｏＴ 子 群 报 文 交 换 的 报 文 调 度
方 案 。 文 献 ［ ６］ 使 用 备 份 簇 首 节 点 解 决 代 理 节 点 出
现 故 障 的 问 题 ， 并 提 出 能 够 降 低 传 输 功 率 的 能 量 感
知 协 议 。 文 献 ［ ７］ 研 究 了 传 感 器 网 络 节 点 故 障 时 的
节 点 再 部 署 问 题 ， 分 析 了 应 用 层 业 务 Ｑｏｓ 质 量 、 网 络
连 接 性 和 覆 盖 范 围 。 文 献 ［ ８］ 提 出 一 种 故 障 容 忍 算
法 用 于 检 测 无 线 传 感 器 网 络 中 的 突 然 紧 急 事 件 ， 并
研 究 主 要 关 注 簇 首 的 节 点 故 障 问 题 。
物 联 网 （ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ， ＩｏＴ） 是 一 种 实 现 物
［ １ ］
物 间 信 息 交 互 的 网 络 体 系 结 构 。 通 过 设 计 合 适 的
报 文 数 据 流 顺 序 和 备 份 节 点 选 择 机 制 ， 提 升 ＩｏＴ 整
［ ２３］
体 网 络 能 量 、 运 行 成 本 和 全 寿 命 周 期 等 性 能
。 当
传 感 器 节 点 向 代 理 节 点 发 送 查 询 请 求 时 ， 查 询 响 应
由 报 文 投 递 顺 序 和 时 延 决 定 ， 合 适 的 报 文 调 度 设 计
［ ４］
将 有 助 于 减 少 时 延 和 缩 短 查 询 响 应 时 间
。 此 外 ，
针 对 节 点 出 现 突 然 故 障 的 特 殊 情 形 ， 不 仅 需 要 考 虑
设 备 节 能 ， 而 且 需 要 设 计 合 理 的 节 点 自 修 复 、 自 动 配
置 和 备 份 节 点 选 择 机 制 。
在 此 基 础 上 ， 本 文 提 出 一 种 考 虑 节 点 故 障 问 题 的
报 文 调 度 方 案 （ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ Ｃｏｎｄｅｒｓｉｎｇ
Ｎｏｄｅ Ｆａｉｌｕｒｅ， ＭＳＳＮ ） ， 包
括 最 短 时 间 调 度 机 制
目 前 ， 大 多 数 报 文 调 度 算 法 主 要 考 虑 失 效 时 间 、
（ Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｔｉｍｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ＳＴＳＭ） 和 备 份
作 者 简 介 ： 胡 ꢀ 英 （ １９７８— ） ， 女 ， 讲 师 、 硕 士 ， 主 研 方 向 为 物 联 网 、 图 像 处 理 、 智 能 计 算 ； 娄 ꢀ 红 ， 讲 师 、 硕 士 。
收 稿 日 期 ： ２０１５０９１７ꢀ ꢀ 修 回 日 期 ： ２０１５１ １ ２３ꢀ ꢀ Ｅｍａｉｌ： ｈｕｙｉｎｇ＿２０１５＠ １２６． ｃｏｍ
万方数据
第 ４２ 卷 ꢀ 第 １ １ 期
胡 ꢀ 英 ， 娄 ꢀ 红 ： 物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案
ꢀ
３３
节 点 选 择 机 制 （ Ｂａｃｋｕｐ Ｎｏｄｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，
ＢＮＳＭ） 。 在 设 计 高 效 的 报 文 调 度 机 制 的 同 时 考 虑 了
非 代 理 普 通 故 障 节 点 的 修 复 概 率 。 当 修 复 失 败 后 ， 通
过 选 择 合 适 的 备 份 节 点 以 确 保 系 统 获 得 快 速 的 响 应
时 间 和 更 长 的 网 络 存 活 时 间 。
ＩｏＴ 节 点 故 障 类 型 主 要 有 能 量 耗 尽 故 障 、 收 发 器
［ １ １ ］
硬 件 故 障 和 软 件 故 障 等
， 由 于 本 文 系 统 中 ＩｏＴ 子
群 通 过 代 理 节 点 实 现 所 有 传 感 器 发 送 信 息 到 汇 聚 节
点 的 功 能 ， 因 此 主 要 考 虑 备 份 节 点 数 目 对 网 络 性 能
［ １２］
的 影 响
。
１ꢀ 系 统 构 建 和 问 题 描 述
２ꢀ 报 文 调 度 方 案
２． １ꢀ 能 量 消 耗 模 型
图
１ 为 ＩｏＴ 网 络 体 系 结 构 ， 由 分 布 于 多 个 子 群
的 分 布 式 传 感 器 组 成 。 由 此 可 知 ， ＩｏＴ 分 为 多 个 ＩｏＴ
设
ＩｏＴ 网 络 中 有 Ｎ 个 传 感 器 节 点 随 机 分 布 在
子 群 ， 每 个 子 群 选 举 一 个 代 理 节 点 ， 子 群 内 所 有 节 点
ＩｏＴ 各 子 群 中 。 传 感 器 节 点 通 过 子 群 预 先 设 定 的 代
理 节 点 实 现 数 据 发 送 。 所 有 节 点 具 有 相 同 的 感 知 、
通 过 代 理 节 点 和 远 程 服 务 器 或 者 目 标 接 收 机 实 现 远
［ ９］
程 通 信
。 ＩｏＴ 系 统 架 构 需 要 同 时 考 虑 网 络 层 的 路
处 理 和 传 输 能 力 且 能 量 初 始 值 相 同 。 本 文 方 案 使 用
［ １３］
由 算 法 和 应 用 层 的 报 文 调 度 算 法 。
在
ＳＴＳＭ 协 议
一 阶 无 线 电 能 量 消 耗 模 型
， 设 汇 聚 节 点 远 离 传 感
中 ， 报 文 调 度 器 仅 在 代 理 节 点 上 运 行 ， 用 于 调 度 其 子
群 内 所 有 传 感 器 节 点 发 送 的 信 息 。 代 理 节 点 缓 存 众
多 来 自 子 群 传 感 器 节 点 的 请 求 ， 并 针 对 这 些 请 求 通
过 合 理 调 度 给 出 快 速 响 应 。
器 节 点 ， 为 减 少 发 往 汇 聚 节 点 的 总 数 据 量 ， 在 路 由 协
议 中 完 成 数 据 融 合 过 程 。 代 理 节 点 接 收 并 压 缩 报 文
信 息 后 ， 再 放 大 信 号 功 率 将 报 文 发 往 汇 聚 节 点 。
在 模 型 中 ， Ｅｅｌｅｃ 表 示 收 发 机 电 路 消 耗 的 能 量 ，
Ｅ
ａｍｐ 表 示 功 率 放 大 器 件 消 耗 的 能 量 。 因 此 ， 系 统 发 送
报 文 ｒ 消 耗 的 能 量 ＥＴ 为 ：
ＥＴ ＝ Ｅｅｌｅｃ · ｋ ＋ Ｅａｒｍｐ · ｋ· ｄ２
（ １ ）
（ ２）
ｒ
系 统 接 收 报 文 ｒ 消 耗 的 能 量 ＥＲ 为 ：
ｒ
ＥＲ ＝ Ｅｅｌｅｃ · ｋ
其 中 ， ｋｒ表 示 每 个 报 文 的 比 特 数 目 ； ｄ 表 示 收 发 节 点
间 距 。
２． ２ꢀ 最 短 时 间 调 度 机 制
首 先 分 析 来 自 传 感 器 节 点 的 不 同 传 感 器 报 文 周
期 。 然 后 基 于 队 列 理 论 ， 使 用 Ｍ ／ Ｍ ／ １ 队 列 分 析 业 务
量 并 判 断 报 文 轮 询 频 率 。 最 后 使 用 ＳＴＳＭ 算 法 重 排
报 文 请 求 顺 序 。
图
１ꢀ ＩｏＴ 系 统 体 系 结 构
使 用 Ｍ ／ Ｍ ／ １ 队 列 模 型 模 拟 分 析 传 感 器 节 点 报
ꢀ ꢀ 因 为 ＢＮＳＭ 是 网 络 层 的 算 法 ， 所 以 需 要 考 虑 系
统 路 由 协 议 使 用 情 况 。 备 份 节 点 选 择 机 制 是 在 ＩｏＴ
网 络 层 实 施 ， 需 要 考 虑 ＩｏＴ 网 络 层 路 由 协 议 的 选 择 ，
为 了 进 一 步 减 少 ＩｏＴ 全 网 的 能 量 消 耗 ， 从 节 能 、 可 扩
展 性 、 可 靠 性 的 分 层 路 由 协 议 角 度 ， 本 文 选 择 文
献 ［ １０］ 提 出 的 分 层 路 由 协 议 作 为 基 础 协 议 。
文 到 达 速 率 和 业 务 服 务 速 率 ， 分 别 表 示 为
和
，
λｒ
μｒ
其 中 ， ｒ 表 示 报 文 ＩＤ， 据 此 可 得 到 报 文 业 务 量 强 度 。
报 文 性 能 指 标 有 服 务 请 求 周 期 时 间 和 成 功 传 输 时
间 。 服 务 请 求 周 期 时 间 由 服 务 时 间 和 请 求 周 期 时 间
构 成 。 服 务 时 间 是 指 代 理 节 点 的 成 功 传 输 时 间 ， 而
请 求 周 期 时 间 则 由 报 文 到 达 代 理 节 点 队 列 的 速 率
确 定 。
为 提 高 网 络 可 靠 性 ， 防 止 关 键 节 点 出 现 故 障 影
响 网 络 可 靠 性 ， 引 入 备 份 节 点 ， 初 始 状 态 为 静 默 沉 睡
来 自 传 感 器 的 报 文 可 归 为 ｎ 类 ， 对 于 第 ｒ 类 报
文 ， 有 ｒ ＝ ｛ １ ， ２， … ， ｎ｝ ， 其 请 求 的 成 功 传 输 时 间 为
Ｔｔｒａｎｓｒ ， 请 求 时 间 周 期 为 ＴＲｅｑｒ ， 每 个 报 文 可 被 表 示 为
Ｍｅｓｓｒ （ ＴＲｅｑ ， Ｔｔｒａｎｓｒ ） 。 报 文 ｒ 的 到 达 速 率 和 服 务 速 率
状 态 。 当 故 障 节 点 修 复 失 败 时 ， 唤 醒 备 份 节 点 。
当
节 点 确 定 死 亡 时 ， 检 查 所 有 可 用 备 份 节 点 ， 并 选 择 距
离 死 亡 节 点 距 离 最 近 的 备 份 节 点 。 ＩｏＴ 系 统 初 始 设
定 一 定 比 例 的 备 份 节 点 数 目 ， 当 节 点 故 障 时 ， 首 先 以
一 定 的 修 复 概 率 启 动 自 修 复 进 程 ， 如 果 自 修 复 不 起
作 用 ， 则 启 动 备 份 节 点 替 代 进 程 。 本 文 方 案 旨 在 寻
找 最 佳 范 围 内 的 备 份 节 点 替 代 故 障 节 点 ， 并 通 过 最
佳 备 份 节 点 计 算 获 得 网 络 中 备 份 节 点 的 最 佳 配 置
数 目 。
分 别 为
ｒ＝ １ ／ ＴＲｅｑｒ 和
＝ １ ／ Ｔｔｒａｎｓ
μｒ
。
因 此 ， 对 于 ＩｏＴ
λｒ
ｒ
整 体 系 统 业 务 量
分 析 获 得 ， 且 有 ：
的 考 察 ， 可 通 过 报 文 ｒ 的 业 务 量
ρｒ
ρ
Ｔｔｒａｎｓ
λｒ
μｒ
ｒ
＝
＝
（ ３）
ρｒ
ＴＲｅｑ
ｒ
万方数据
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