一种可靠数据传输技术的设计与实现

屈军锁， 左佳丽

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

一种可靠数据传输技术的设计与实现

屈军锁， 左佳丽

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

摘要:提出一种提高数据传输可靠性的机制。该机制根据业务的实时性与可靠性要求，在互联网、不同传输速率移动数据网络和短信三者之间自动选择，并将通信时延和服务器最大承载连接数作为协议切换的条件。在JAVA开发环境下对该机制进行设计开发，并搭建测试环境，使用sockettool工具对其功能进行验证。测试结果显示，该机制考虑采集端的网络状况，并克服了TCP和UDP传输协议本身的固有实时性和可靠性之间的矛盾，实现了静态、动态多路径结合的冗余数据的可靠传输。

关键词:物联网；可靠传输；模式切换；自适应

物联网是通过传感设备，按照约定协议，把各种网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-3]。其目的是实现所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。保证采集数据高可靠传输是物联网应用中最核心的问题之一[4-5]，物联网业务中数据的采集和可靠传输具有突发性、紧急性和多样性的特点。突发性是指事件通常具有随机突发的特点，当某事件发生，短时间之内部分节点会出现数据量过大的情况；紧急性是指需要在最短的时间内通知用户发生紧急事件，在尽可能短的时间内响应并采取相应措施；多样性是指应用越来越多样化，应对不同数据流给予不同划分，以保障转输可靠性需求。研究、设计数据可靠传输机制[6-8]，对提高物联网业务数据可靠传输具有重要的实用价值。

人们从多个方面对数据的可靠传输进行了研究，并提出了不同的可靠性保障机制。冗余数据传输[9]的基本思想是通过增加传输数据冗余量来换取可靠性的提高，冗余量是指将同一数据包传输多次或者多份，来保障数据能够被成功传送到目的地。冗余数据传输方法将所有数据流量集中在同一条路径上，若传输节点失效会对可靠性产生非常大的影响。如果链路传输质量较差，节点之间过多的数据重传易导致网络拥塞，使整体网络传输效率急剧下降。多路径传输[10]通过在源节点和目的节点之间构建多条传输路径，并使数据沿着多条路径向目的节点传输来增加传输的成功率。多路径传输有利于网络的负载均衡，避免了单条路径失效对网络传输的不利影响，与基于重传的单路径相比具有更高的可靠性和更强的容错能力。

本文拟设计一种静态、动态多路径结合的冗余数据可靠传输机制，通过自动切换传输模式、自动重发纠错、自动选择移动数据网络和网络负载均衡等来实现数据的可靠传输。

1数据可靠传输机制的设计

1.1物联网业务网络拓扑结构

按照技术特征区分，物联网的业务分为4类：身份相关业务、信息汇聚型业务、协同感知类业务和泛在服务[11]。

物联网业务采集并汇聚数据，通过网络进行资源调度分配，并选择恰当模式进行传输。传输网络按照技术可大致分为两大类：基于互联网和基于移动通信网络。移动通信网络可以细分为移动数据网络和传送文本数据的短信两种模式。目前公用移动通信网络包括基于时分的全球移动通信系统(GlobalSystemofMobilecommunication，GSM)和基于码分多址接入(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)网络[12]，按照传输速率可细分为：2G网络、2.5G网络、3G网络、4G网络和4G-LTE网络等。

物联网业务数据传输的网络拓扑结构如图1所示。传输资源调度模块和传输模式选择模块共同协作，根据物联网业务性质和QoS(QualityofService，网络服务质量)要求，选择与业务对应的传输模式将数据传输给数据预处理模块，最后保存到服务器数据库。设计的数据传输网络结构涵盖了互联网和移动通信网络模式之间的切换，并且具体到某一模式下，根据数据传输过程中的具体需求，调整该模式下的通信协议和传输速率等。

图1　数据传输的网络结构

1.2传输帧格式设计

为了验证整个通信过程是否稳定可靠，拟设计一套通信的数据帧格式，并在JAVA环境下，针对该传输机制中的切换条件与方式，进行测试验证。

数据帧格式是指在信息传输时，信息发送方与接收方所遵循的规则和约定。虽然，数据的传输基于多种模式，数据获取的方式不一，但在服务器中，数据都是统一为上层服务的。为屏蔽底层获取数据方式的不同，让每一种模式遵守统一的数据传输格式，实现服务器对数据进行统一操作。采用的数据格式(十六进制)具体顺序如下：

(1)帧头：FE; 1个字节。

(2)帧类型：01-UDP(UserDatagramProtocol，用户数据报协议)，02-TCP(TransmissionControlProtocol, 传输控制协议)，03-GSM; 1个字节。

(3)设备编号：默认为该采集仪的IP地址或电话号码; 4个字节。

(4)长度个数：命令码字节数+数据域字节数+校验和字节数+帧尾字节数; 1个字节。

(5)命令码：上位机的控制命令用，缺省为00。比如切换模式、复位等等; 1个字节。

(6)数据域：w-水分值，t-温度值，s-状态等;N字节。

(7)校验和：前面所有数据的累加和; 1个字节。

(8)帧尾：FF; 1个字节。

根据以上格式，形成一条完整的信息，再进行数据传输等操作。这样可根据格式判定数据的具体位置，准确的找到所需的数据。

1.3传输模式自动切换机制

当物联网终端处于多个无线接入网络重叠覆盖的区域内，通常会存在多个可用且稳定的无线网络连接。根据物联网业务不同QoS需求，可以选择不同的无线接入网络，并可根据无线网络、无线链路的实时动态变化，有针对性地选择接入不同的无线网络。

采集器包含网关以及移动通信模块，网关一直处于工作状态，随时监测周边是否有合适的互联网环境，一旦条件符合则启用互联网模式。反之，一旦互联网失效，则启用移动通信模式。或者互联网模式下，在规定的时间内得不到采集器的响应，则认为通过互联网模式失效，通过模式设置切换为移动通信模式，完成数据传输。具体过程如图2所示。

图2　互联网与移动通信模式切换流程

采集器与服务器一直保持着双向通信。服务器能随时了解采集器的状态，从而根据实际情况控制采集器的通信模式的切换，实现动态多路径结合的冗余数据可靠传输。

1.4传输协议自适应选择

在同一模式下，根据采集数据业务的不同需求及具体状况，区分为UDP和TCP传输协议，UDP协议传输速度较快，但难以满足对数据稳定性要求较高的业务。TCP协议传输过程比较稳定，但传输时间长，增加了数据开销，满足不了即时业务。

采集器会定时给服务器发送采集到的信息，如果初始状态基于UDP协议，服务器每次收到采集器的信息时，会同时存储数据、采集器IP以及接收时间等信息。通过比较当前时间与从某采集器接收到的最后一条信息的时间，如超出预定的发送时间间隔次数，则通过服务器主动发起查询指令，等待其响应；若依然没有响应时，则认为该协议失效，服务器再尝试向采集器发送指令，使其切换到TCP协议。具体流程如图3所示。

图3　UDP切换至TCP协议的流程

如果互联网模式下初始为TCP协议，服务器会始终计算同一时段处理的连接数，若所需处理的并发数将要超出服务器同时能处理线程数，则由服务器向采集器发送切换指令。TCP协议切换至UDP协议的具体流程如图4所示。

若某个时间点的采集器发起的连接数骤然增大，严重影响到业务的实时性时，可将现有的通信协议切换到UDP；若某一段时间内，数据包的丢包率大于预设的阈值，严重影响到数据的准确性时，可将其切换到TCP，实现静态多路径结合的冗余数据可靠传输。

图4　TCP切换至UDP协议的流程

1.5移动数据网络逐级选择

在没有互联网环境时，模式切换到移动通信模式，优先选择4G网络，在这一信号覆盖不足的情况下，逐步往下从3G、2G中选择一个可使用的网络。在最不理想的情况下，也可使用短信发送信息，保持数据的持续可靠传输。具体过程如图5所示。

模块首先检测出来当前可用的移动通信网络，若是4G网络，则适用于大部分数据业务；若是3G网络，考虑将数据量较大的视频数据调整为一些图片的传输，降低传输图片的频率，保证数据能够及时可靠地传输；如果是2G网络，则将数据压缩调整为一些字节信息，传达一些文本类型的数据，保障数据的传输，例如，使用短信来传递一些简短的文本信息。

图5　移动通信网络逐级选择流程

2系统测试及分析

为了对系统整体的性能有所把握，并检测整个机制的具体运行情况，对系统进行测试并对结果进行分析。搭建相应的环境，在该环境下进行设计与开发，并运行测试。整体的程序都是在JAVA的开发环境下，运用JAVA的开发工具myeclipse测试。测试采用的架构见图6。

图6系统测试架构

2.1模式切换测试

若互联网模式下的服务器长期得不到采集器的响应，则模式切换到了移动通信模式，即使用移动通信网络发送数据，如图7所示。

图7　服务器切换到移动通信模式

可以看出，互联网模式和移动通信模式间的切换满足预期的要求。至此，遂将这两种模式结合起来，二者相互切换，满足采集数据业务的多种环境需求。实现两种模式之中任一种网络环境有效情况下都能有效地传输数据，使数据传输过程的可靠性增加。

2.2传输协议切换测试

首先测试互联网模式下初始状态为UDP协议。由于测试环境的限制，在近距离范围，通信本身很难有超过预设时延的可能，所以测试时采用人工定时向服务器发送数据，以人工控制在某些时段不发送数据，以此来让服务器检测时延的长短。

测试时设置每次的通信间隔为10s，通信时延的阈值为3个通信间隔，即30s。使用6台PC机，利用sockettool工具，模拟采集器，在向服务器发送数据的过程中，让某一台PC超过30s不发数据。如图8所示，该采集器收到一个查询的指令check。

图8某一采集器的数据发送与接收情况

此时仍不予反应，再过30s，如图9所示，通信模式由UDP切换到了TCP。此时，给予服务器回应，开始了TCP模式。

图9　某采集器的协议切换效果

接着测试初始状态为TCP协议。1台服务器能够同时建立的TCP连接数受到其物理内存的限制，一般为内存的1/4，即1GB内存的机器，大约可以处理5万个连接。由于测试条件有限，此处设置连接数超过5时，便发送指令使其转换成UDP协议。

在测试时，使6台PC通过sockettool工具同时连接服务，从图10可以看出，由于6个超出了预设的最大连接数5，所以在TCP下无法连接上服务器。

图10某一采集器TCP连接情况显示

紧接着协议由TCP切换到了UDP，开始了数据传输，同图9。

测试结果显示，TCP/UDP协议间切换达到了预期目标，实现了业务正常运营中可能出现的传输量大，时延大问题的处理，传输过程更加可靠。

2.3逐级选择机制测试

以2G数据网络切换到短信模块为例。从图11可以看到，检测到2G网络，成功传输数据。

图11　2G网络的数据传输形式

此后，将2G数据网络屏蔽掉，从图12中可以看出，此时切换到短信传输，并且短信内容更加简洁。

图12　短信的传输数据形式

从以上测试可见，移动通信网络的逐级选择达到了预期效果，实现了根据具体的移动通信的网络类型，调整数据传输具体内容，达到了充分利用现有资源，及时可靠传输数据的目的。

3结语

设计与实现了一种数据可靠传输机制，其可根据业务需求进行分配管理。利用通信时延、连接数以及业务运营的环境和数据量来衡量业务状态，并以此作为切换条件，通过服务器发送指令进行模式切换。此外，在互联网的信号不稳定时，立即启用移动通信模式，并根据条件，逐级选择通信网络来传输数据，保证信息采集的持续性，使整个传输过程更加稳定可靠。

实验结果表明，设计的数据传输机制能够在不同的突发状态下，完成模式间以及模式内部协议和网络类型的切换，进行持续平稳的通信，达到可靠传输的目的。

参考文献

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[责任编辑:杨洵]

Designandimplementationofareliabletechnologyaboutdatatransmission

QUJunsuo，ZUOJiali

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121，China)

Abstract:A mechanism to improve transmission reliability is proposed for current data transmission in the Things business. In this mechanism, selection is automatically carried out among the Internet, mobile data transmission network of different rates and the message according to the requirements of real-time and reliability, while, the communication delay and the largest connections number of server are regarded as the condition of agreements switch, thus, it can implement a data reliable transmission mechanism combining static, dynamic, multipath and redundancy. The mechanism is then designed in the JAVA environment and its function is verified by sockettool. Results show that, the mechanism considers fully about the network conditions of collector, and overcomes the inherent contradictions between timeliness and reliability of TCP and UDP transport protocol.

Keywords:Internet of Things， reliable transmission， mode switching， adaptive

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.02.008

收稿日期：2015-12-05

基金项目：陕西省科技厅科学研究计划资助项目(2012K06-50)

作者简介：屈军锁 (1968-)，男，教授，从事宽带通信与信息化研究。E-mail:qujunsuo@xupt.edu.cn 左佳丽 (1989-)，女，硕士研究生，研究方向:物联网技术及应用。E-mail: 154818394@qq.com

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：2095-6533(2016)02-0040-06