無線多媒體傳感器上的高效的多宿主傳輸系統(tǒng)*

段蘇峰，董 瑜

上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 200240

1 引言

近年來，無線多媒體傳感器發(fā)展迅速，它們的功能越來越強(qiáng)大，同時(shí)成本也在不斷下降。電池技術(shù)的發(fā)展提升了這些設(shè)備的壽命，也促進(jìn)了這些設(shè)備的發(fā)展[1]。無線多媒體傳感器的快速發(fā)展使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且使用這些傳感器的門檻也變得越來越低。使用傳感器廠商提供的傳感器、云服務(wù)器和客戶端可以迅速地創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。

無線傳感器的廣泛使用帶來了大量的多媒體數(shù)據(jù)，比如視頻傳感數(shù)據(jù)，這類多媒體數(shù)據(jù)一般是實(shí)時(shí)且連續(xù)的，因此保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性是十分重要的。多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中，一部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失可能會(huì)影響其他數(shù)據(jù)的可用性。傳感器由于帶寬的限制和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性等原因，在和服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)可能無法獲得穩(wěn)定的連接鏈路。無線鏈路自身的不穩(wěn)定性會(huì)造成傳感器節(jié)點(diǎn)暫時(shí)性地?zé)o法接入服務(wù)器。鏈路中一個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生問題會(huì)導(dǎo)致一條鏈路不可用，結(jié)果便是連接非正常斷開，延遲增加，用戶體驗(yàn)下降。

一些研究者針對無線傳感器的可靠性和無線傳感器上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了研究，并獲得了一些成果。無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless multimedia sensors network，WMSN）中的路由協(xié)議優(yōu)化是一種能夠控制數(shù)據(jù)流量的方法[2]。這種方法在WMSN中非常有效，但是它并不是為便攜智能設(shè)備而設(shè)計(jì)的，并且也無法避免由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)造成的網(wǎng)絡(luò)異常。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增強(qiáng)傳輸穩(wěn)定性的一種方法是當(dāng)連接斷開時(shí)系統(tǒng)盡快將連接恢復(fù)[3]。然而這種方法依然會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失和阻塞。另一種方法則是使用多連接來減少延遲并增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[4]。這種方法并沒有解決數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的連接斷開問題。通過尋找傳感器與服務(wù)器之間最短路徑來降低延遲也是增強(qiáng)穩(wěn)定性的一種方法。在分布式且相互獨(dú)立的傳感器上，這種方法很有效，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)，延遲仍然會(huì)產(chǎn)生，并且這種方法主要將關(guān)注點(diǎn)放在了提高能量的利用率上[5]。多宿主（multi-homed）也是一種可用的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?。多宿主指的是一個(gè)設(shè)備擁有多個(gè)地址以供其他設(shè)備進(jìn)行訪問，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[6-9]。但是讓每個(gè)設(shè)備持有多個(gè)地址是不現(xiàn)實(shí)的，并且讓所有的設(shè)備都支持多宿主協(xié)議也是十分困難的。

為了克服上述問題，本文為無線多媒體傳感器設(shè)計(jì)了一種全新的多宿主的連接模式。與單宿主（single-homed）無線多媒體傳感器系統(tǒng)相比，本文主要討論以下幾方面工作。

（1）為無線多媒體傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)多宿主系統(tǒng)架構(gòu)。在這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)下，一臺多媒體傳感器可以同時(shí)連接多個(gè)服務(wù)器宿主。這些宿主地址不同，傳感器可以通過多個(gè)不同的連接來傳輸數(shù)據(jù)。本文的多宿主系統(tǒng)能夠保證在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性所造成的問題可以被多連接所解決。多條連接同時(shí)斷開的概率比在單宿主中單條連接斷開的概率低。

（2）針對多宿主系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種傳輸機(jī)制。該傳輸機(jī)制可以在多種Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行改變，在無線環(huán)境下設(shè)備可以選擇多種數(shù)據(jù)傳輸方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

（3）后續(xù)的實(shí)驗(yàn)顯示出系統(tǒng)和協(xié)議可以增強(qiáng)多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在多宿主系統(tǒng)中，傳感器在相同的資源消耗的條件下可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。多宿主傳感器在相同CPU和內(nèi)存消耗下比單宿主傳感器更加穩(wěn)定。

本文組織結(jié)構(gòu)如下：第2章展示相關(guān)工作；第3章展示系統(tǒng)的架構(gòu)和連接模式下傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)制；第4章對系統(tǒng)的運(yùn)行效率進(jìn)行了分析；第5章總結(jié)全文，提出未來的研究工作。

2 相關(guān)工作

目前已經(jīng)有數(shù)項(xiàng)研究致力于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，有些研究更是通過調(diào)整路由協(xié)議來提高可靠性[2]。Lee等人提出了一個(gè)用于測量機(jī)械操作的無線傳感系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性[10]。Li等人提出了一種新穎的基于分散速率控制的擁塞避免協(xié)議，它是一種基于離散比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制方法和單神經(jīng)元相結(jié)合的自適應(yīng)速率控制算法[11]。

很多研究人員也對多連接進(jìn)行了研究，提出了一些增強(qiáng)多媒體服務(wù)的多連接機(jī)制。TCP-FIT是一個(gè)全新的TCP擁塞控制算法，在廣泛的網(wǎng)絡(luò)條件下表現(xiàn)出色[12]。TCP-ROME是一個(gè)多TCP連接的協(xié)議，使實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)能克服網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬波動(dòng)[13]。文獻(xiàn)[4]提出了一種自適應(yīng)的TCP多連接機(jī)制，以提高無線網(wǎng)絡(luò)中視頻的質(zhì)量，它可以在最大化服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)最小化視頻流的總失真。

此外，多宿主也是研究人員關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[14]主要調(diào)研了無線網(wǎng)絡(luò)中對傳輸延遲要求較高的高清晰視頻的多宿主傳輸，為了解決傳輸時(shí)遇到的問題，設(shè)計(jì)了一種新的ASCOT（delay stringent coded transmission）框架。文獻(xiàn)[15]為物聯(lián)網(wǎng)中的多宿主設(shè)備保證QoE（quality of experience）設(shè)計(jì)了一種基于Q-Learning的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口選擇機(jī)制。文獻(xiàn)[16]為無線環(huán)境下的多宿主設(shè)備設(shè)計(jì)了一種失容忍的帶寬聚合機(jī)制（loss tolerant bandwidth aggregation，LTBA），這種機(jī)制可以在突發(fā)丟失的情況下降低連續(xù)的包丟失。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

下面將介紹多宿主系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系。圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡要說明。系統(tǒng)中的服務(wù)器有多個(gè)帶有不同IP地址的宿主。系統(tǒng)中的傳感器可以同時(shí)與不同的宿主建立多條連接，并通過這些連接傳輸數(shù)據(jù)。為了安全，接收方應(yīng)該知道連接者的身份，并可以通過使用傳感器信息獲取這一身份。

Fig.1 Architecture of multi-homed system圖1 多宿主系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 多宿主機(jī)制

圖2是傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，圖3是多宿主傳感網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。多媒體數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)受到不同網(wǎng)絡(luò)之間連接穩(wěn)定性的影響。多宿主機(jī)制使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，避免了傳輸因一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定而受到影響。這種機(jī)制可以提高傳感節(jié)點(diǎn)的可靠性，降低傳輸不穩(wěn)定的概率。

Fig.2 Traditional transmission mechanism圖2 傳統(tǒng)傳輸機(jī)制

Fig.3 Multi-homed transmission mechanism圖3 多宿主傳輸機(jī)制

多宿主機(jī)制允許服務(wù)器有多個(gè)不同地址的“宿主”。傳感器節(jié)點(diǎn)可以接入多個(gè)宿主。在傳感器節(jié)點(diǎn)中，為了獲得不同的連接狀態(tài)，連接的終點(diǎn)需要是不同的宿主。

傳統(tǒng)機(jī)制的服務(wù)器只有一個(gè)接入點(diǎn)供傳感器連接。而在多宿主機(jī)制下，當(dāng)服務(wù)器與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的某條鏈路出現(xiàn)不穩(wěn)定，只要其他鏈路正常，傳感器仍然可以傳輸數(shù)據(jù)。

多宿主機(jī)制對于傳統(tǒng)傳感器仍是可用的。傳感器與服務(wù)器之間建立多條連接不是強(qiáng)制的。傳統(tǒng)的傳感器可以只建立一條連接來傳輸數(shù)據(jù)。多宿主傳感器也可以通過這種方式融入傳統(tǒng)的單宿主系統(tǒng)中。

3.2 多宿主服務(wù)器

多宿主服務(wù)器模塊是驗(yàn)證連接及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的部分，也是多宿主機(jī)制的基礎(chǔ)。圖4介紹了這一模塊的結(jié)構(gòu)。如圖所示，一個(gè)多宿主服務(wù)器有若干宿主、一個(gè)終端端口和一個(gè)后臺控制模塊。傳感器接入不同的宿主并建立連接以傳輸數(shù)據(jù)。多媒體數(shù)據(jù)通過宿主傳入服務(wù)器并在后臺控制模塊進(jìn)行處理識別。終端通過終端端口接入服務(wù)器并請求服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。合法的數(shù)據(jù)會(huì)通過終端端口被轉(zhuǎn)發(fā)給終端。

Fig.4 Multi-homed server圖4 多宿主服務(wù)器

每個(gè)宿主都有獨(dú)立的IP以接收傳感器的數(shù)據(jù)。宿主可以直接建立連接并控制連接斷開。當(dāng)一個(gè)宿主接收到一個(gè)建立新連接的請求時(shí)，會(huì)將這個(gè)請求傳給后臺控制模塊，并獲得請求驗(yàn)證結(jié)果。

終端端口是終端與服務(wù)器通信的門戶。這一模塊會(huì)直接控制與終端的通信，所有的終端都通過這一端口發(fā)送請求及接收回復(fù)。當(dāng)一個(gè)終端需要從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)時(shí)，它需要將請求發(fā)送到終端端口。同時(shí)，數(shù)據(jù)也通過這一端口傳輸給終端。

后臺控制模塊是一個(gè)多宿主服務(wù)器的控制器。作為控制器，這一模塊可以控制多宿主服務(wù)器的其他部分。它不僅可以開啟、停止其他模塊，也可以處理來自外部的請求并返回處理結(jié)果。

數(shù)據(jù)由宿主進(jìn)入系統(tǒng)并被后臺模塊處理，而終端端口不能直接從宿主獲取數(shù)據(jù)。宿主將未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺處理模塊，后臺處理模塊會(huì)檢查數(shù)據(jù)合法性。合法的數(shù)據(jù)會(huì)被記錄，并根據(jù)需求由終端端口發(fā)送到有需求的終端。

多宿主系統(tǒng)一大優(yōu)勢是它為處在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳感器提供了多種數(shù)據(jù)傳輸模式。傳感器與宿主的連接可以是多對多的，不同的宿主可以同步接收來自同一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。因?yàn)閭鞲衅髋c不同的宿主之間的連接狀態(tài)是不同的，所以傳感器與所有的宿主斷開連接的概率是較低的。當(dāng)一條連接斷開時(shí)，傳感器可以通過其他連接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。多連接是傳感器提高自身可靠性的前提條件。

系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢是當(dāng)一個(gè)宿主主動(dòng)關(guān)閉或者無法連接時(shí)，傳感器仍然是可用的。當(dāng)一個(gè)宿主關(guān)閉時(shí)，與這條宿主相連的所有連接都會(huì)立即關(guān)斷，而其他宿主可以正常工作。對于傳感器來說，它可以放棄這個(gè)異常的宿主，將數(shù)據(jù)發(fā)向其他宿主。因此一個(gè)傳感器總是可以找到接入點(diǎn)連接到服務(wù)器，減少掉線的發(fā)生。這也增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

只能保持一條連接的傳統(tǒng)傳感器也可以通過連接到一個(gè)宿主來接入服務(wù)器。一些情況下，多宿主傳感器也不需要保持多條連接。在多宿主系統(tǒng)中，傳感器所保持的連接數(shù)是可變的，傳感器的靈活性更高。

3.3 多宿主傳感器

多宿主傳感器是在Wi-Fi環(huán)境下，有電池或持續(xù)供電，可以產(chǎn)生多媒體數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸?shù)臒o線設(shè)備。圖5說明了多宿主傳感器的結(jié)構(gòu)。一個(gè)多宿主傳感器擁有一個(gè)傳輸模塊、一個(gè)數(shù)據(jù)控制模塊和若干數(shù)據(jù)源。

Fig.5 Multi-homed sensor圖5 多宿主傳感器

一個(gè)多宿主傳感器可以有多個(gè)多媒體數(shù)據(jù)源，這樣可以同時(shí)產(chǎn)生不同種類的數(shù)據(jù)。一個(gè)數(shù)據(jù)源也可以產(chǎn)生不同質(zhì)量的傳感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)控制模塊的功能是控制這些數(shù)據(jù)源，它可以管理所有的數(shù)據(jù)源，并選擇用來發(fā)送的數(shù)據(jù)。該模塊獲取數(shù)據(jù)后不能直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊是多宿主傳感器的核心。該模塊控制傳感器與其他設(shè)備包括宿主的所有通信，并且可以檢測一條連接是否可用。當(dāng)連接中斷時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)通過其他可用的連接發(fā)送，并嘗試重連當(dāng)前連接。在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，該模塊會(huì)選擇所有可用連接中的數(shù)條對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

傳統(tǒng)傳感器通常只有一條連接。網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致連接失效，這種問題會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛啵⒁饠?shù)據(jù)的丟失和延遲。多宿主傳感器通過保持多條連接來解決這一問題。與其他多連接傳感器相比，多宿主傳感器主要的區(qū)別在于可以使用多個(gè)具有不同IP的宿主進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這使得多宿主傳感器比傳統(tǒng)多連接傳感器更穩(wěn)定。雖然傳統(tǒng)多連接傳感器有多條連接，但是所有的連接都是相同的。當(dāng)傳感器連接到宿主的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所有的連接可能會(huì)受到影響。多宿主傳感器可以將歷史上連接失效的次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)將連接排序并選出最穩(wěn)定的連接。當(dāng)最穩(wěn)定的選擇失效時(shí)，多宿主傳感器也可以切換到一個(gè)相對較穩(wěn)定的連接上。

以下特征可以減少傳感器傳輸數(shù)據(jù)的延遲：

（1）多宿主服務(wù)器允許傳感器根據(jù)需求選擇最合適的宿主，這可以減少傳感器資源如帶寬的消耗。

（2）一條連接將其他連接看作熱備份，當(dāng)一條連接斷開，多宿主傳感器可以使用其他連接并重啟這條斷開的連接。

（3）連接同時(shí)斷開的概率大大降低，這會(huì)增強(qiáng)傳感器的可靠性。

3.4 多宿主終端

多宿主終端是從多宿主系統(tǒng)中接收數(shù)據(jù)的設(shè)備。終端只能從多宿主服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)，而不能直接從傳感器得到。為了安全性和靈活性考慮，終端要知道傳感器的所有連接，這意味著終端可以從傳感器信息中獲取所有的連接驗(yàn)證信息。當(dāng)一個(gè)設(shè)備只需要傳感器的部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，它可以選擇指定的連接獲取信息。

3.5 連接數(shù)量控制

并不是所有的傳感器都能安裝較大的內(nèi)存和較強(qiáng)的處理器。對那些資源較多的傳感器，可以在建立連接的時(shí)候一次性地與所有宿主建立連接，并將空閑的連接作為備份。這種連接建立方式并不適合資源較少的傳感器，部分傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也并不是非常大，不需要使用過多的連接進(jìn)行傳輸。過多的連接也占用了宿主的資源，導(dǎo)致部分傳輸數(shù)據(jù)的連接無法建立，降低了系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

為了控制傳感器的連接數(shù)量，多宿主傳感器需要自適應(yīng)地調(diào)整連接的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)可以創(chuàng)建新的連接，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)減少連接的數(shù)量。

冗余連接的主要作用是替換失效的連接，冗余連接的數(shù)目是由可能失效的連接數(shù)目決定的。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，連接的數(shù)目是由傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量決定的，此時(shí)只需要一條冗余連接。傳輸數(shù)據(jù)的連接出現(xiàn)問題時(shí)，需要使用冗余的連接替換這條出問題的連接，將出現(xiàn)問題的連接恢復(fù)后轉(zhuǎn)為新的冗余連接，同時(shí)再建立一條新的冗余連接。如果一條冗余連接出現(xiàn)問題，則拋棄這條連接?？梢钥闯觯哂噙B接的數(shù)目等于在最近一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)問題連接的數(shù)目加1。這首先保證了在最近一段時(shí)間內(nèi)有可能再次出現(xiàn)問題的連接均有一條備用連接；其次將出現(xiàn)問題的連接放到冗余連接中，可以在連接再次出現(xiàn)問題時(shí)徹底刪除這條連接，逐漸地將容易出問題的連接從系統(tǒng)中刪除。如果在足夠長的一段時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生連接失效的問題，則可以將連接的數(shù)目減半，降低系統(tǒng)的資源使用。

3.6 多連接傳輸協(xié)議

通過多連接，傳感器在不同的環(huán)境下可以選擇適合的協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。本節(jié)將介紹三種最常用的傳輸機(jī)制。為方便起見，假設(shè)一個(gè)傳感器擁有兩條連接A和B，并且可以產(chǎn)生視頻和音頻數(shù)據(jù)。

如圖6所示，第一種協(xié)議是傳感器只使用連接A傳輸數(shù)據(jù)，連接B是連接A的熱備份。除非連接A不可用，否則連接B不會(huì)被使用。這是最簡單的協(xié)議，對于傳感器來說也最容易控制。在不同的數(shù)據(jù)相關(guān)性很強(qiáng)時(shí)，傳感器可以選擇這個(gè)協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。在使用這個(gè)協(xié)議傳輸時(shí)，傳輸模塊控制起來比較簡單，數(shù)據(jù)可以按正確的順序到達(dá)，但是當(dāng)延遲發(fā)生時(shí)，傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)會(huì)受到影響，數(shù)據(jù)量較大時(shí)，一條連接傳輸?shù)呢?fù)荷也會(huì)比較大，從而影響傳輸?shù)男Ч?/p>

Fig.6 The first transmission protocol圖6 第一種傳輸協(xié)議

如圖7所示，第二種協(xié)議是傳感器用連接A和連接B分別傳輸不同的數(shù)據(jù)。如果連接A斷開，連接B會(huì)連接A的數(shù)據(jù)并等待A的重連，或者使用冗余連接替換A。這個(gè)協(xié)議中，一條連接通常只傳輸一種類型的數(shù)據(jù)，并將其他連接看作它的熱備份。在使用這個(gè)協(xié)議時(shí)，一條連接出現(xiàn)的延遲不會(huì)影響其他連接的數(shù)據(jù)傳輸。但是這種傳輸協(xié)議只是第一種傳輸協(xié)議的改進(jìn)，因此在數(shù)據(jù)量較大時(shí)依然會(huì)產(chǎn)生連接負(fù)荷較大的問題。同時(shí)如果不同類型的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)聯(lián)系，這種傳輸協(xié)議也會(huì)造成問題。

Fig.7 The second transmission protocol圖7 第二種傳輸協(xié)議

如圖8所示，第三種協(xié)議是傳感器用連接A和連接B交替?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。傳感器的數(shù)據(jù)傳輸模塊會(huì)將數(shù)據(jù)按照特征打包成組，并以組為單位使用不同連接交替?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，同一組中的數(shù)據(jù)之間相關(guān)性很強(qiáng)。這種協(xié)議結(jié)合了多連接交替?zhèn)鬏數(shù)膬?yōu)點(diǎn)，可以充分降低延遲，并提高服務(wù)質(zhì)量。但是，這種協(xié)議要求傳感器必須在傳輸數(shù)據(jù)之前在數(shù)據(jù)包上加上數(shù)據(jù)的編號以防止數(shù)據(jù)的錯(cuò)序，同時(shí)還應(yīng)該選擇傳輸速率和延遲相同的連接進(jìn)行傳輸，減少數(shù)據(jù)錯(cuò)序到達(dá)的可能。當(dāng)需要低延遲發(fā)送數(shù)據(jù)并且傳感器知曉如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組時(shí)，可以選擇這一協(xié)議。

Fig.8 The third transmission protocol圖8 第三種傳輸協(xié)議

三種協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠起到不同的效果。無線多媒體傳感器所工作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是多變的，三種協(xié)議在設(shè)計(jì)上所參考的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是不同的。

（1）第一種協(xié)議可以應(yīng)用于大部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這是因?yàn)樵诘谝环N協(xié)議下實(shí)際上進(jìn)行傳輸?shù)倪B接只存在一條，所以多連接方式傳輸?shù)男室蕾囉趥鬏敂?shù)據(jù)的連接。在第一種協(xié)議下可以通過增加作為備份的連接數(shù)來降低連接被斷開時(shí)的損失。第一種協(xié)議在使用時(shí)無需太多考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但是在傳感器硬件資源不多的情況下，第一種協(xié)議會(huì)占用較多的系統(tǒng)資源造成一定的資源浪費(fèi)。

（2）第二種協(xié)議在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)所需要的連接數(shù)和數(shù)據(jù)的種類是相同的。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的穩(wěn)定性主要依賴于傳輸這種數(shù)據(jù)的連接?？梢允褂孟竦谝环N協(xié)議的方式，通過增加備份的連接來降低連接被斷開時(shí)的損失。缺點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是和第一種協(xié)議一樣，第二個(gè)是如果兩條連接所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)，則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)不同步，從而造成所需緩存過多，也會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。

（3）第三種協(xié)議在進(jìn)行實(shí)際傳輸時(shí)可以起到提高連接傳輸能力，降低延遲的作用，但是問題也比較明顯。首先它需要使用者設(shè)計(jì)好傳輸?shù)姆纸M方式，比其他兩種協(xié)議復(fù)雜；第二它要求用于傳輸?shù)倪B接的狀況相近，降低數(shù)據(jù)的不同步性；第三它要求系統(tǒng)提供一定的緩存，對系統(tǒng)的資源有一定的要求。

4 性能分析

下面將研究多宿主無線傳感器系統(tǒng)和傳統(tǒng)無線傳感器系統(tǒng)的性能。在本文的系統(tǒng)中，在一個(gè)開源Android開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了一個(gè)傳感器測試程序。設(shè)備的系統(tǒng)版本是Android4.2，CPU型號是A20ARM Cortex-A7 Dual-core，運(yùn)行內(nèi)存為1 GB。測試網(wǎng)絡(luò)為帶寬100 Mb/s的無線網(wǎng)。用來測試的多宿主服務(wù)器是兩個(gè)地址不同的宿主A和B。實(shí)驗(yàn)用字節(jié)每秒為單位展示傳感器在穩(wěn)定和不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下傳輸數(shù)據(jù)的速率。

4.1 穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下的傳輸

本次測試在穩(wěn)定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中安裝了3個(gè)多宿主傳感器和3個(gè)傳統(tǒng)傳感器，這些傳感器采集同樣的多媒體數(shù)據(jù)并發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中沒有其他程序占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定，因此所有的傳感器可以與服務(wù)器進(jìn)行穩(wěn)定的通信。兩個(gè)相同的客戶端同時(shí)請求并接收這些傳感器產(chǎn)生的多媒體數(shù)據(jù)。

從測試結(jié)果可以看出，多宿主傳感器與傳統(tǒng)傳感器表現(xiàn)出相同的性能。文中定義的三種協(xié)議在穩(wěn)定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中表現(xiàn)出相同的傳輸性能。這一結(jié)果證明了多宿主傳感器可以在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)條件下達(dá)到傳統(tǒng)傳感器的性能，說明了多宿主傳感器可以取代傳統(tǒng)傳感器而不引起網(wǎng)絡(luò)帶寬占用的增加。

4.2 不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下的傳輸

本次測試在不穩(wěn)定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中安裝多宿主傳感器和傳統(tǒng)傳感器來傳輸這些數(shù)據(jù)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是宿主主動(dòng)關(guān)閉。傳感器會(huì)關(guān)閉與服務(wù)器其中一個(gè)宿主的所有連接。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是對指定宿主的封鎖。服務(wù)器的一個(gè)宿主到所有設(shè)備的路由都會(huì)中斷，所有的設(shè)備都不能同此宿主通信。傳感器需要時(shí)間來發(fā)現(xiàn)異常并嘗試重連。

圖9和圖10是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率。圖9是傳感器與宿主A之間的連接被切斷時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，圖10是傳感器與宿主B之間的連接被切斷時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率。實(shí)驗(yàn)中傳感器立即發(fā)現(xiàn)異常并迅速做出反應(yīng)。從圖9和圖10中可以看出，傳統(tǒng)傳感器的傳輸速率迅速降低到0，因?yàn)槠湮ㄒ坏倪B接被切斷，與服務(wù)器斷開連接。

Fig.9 Connections between homeAand sensor disconnect forwardly圖9 傳感器與宿主A之間的連接主動(dòng)斷開

Fig.10 Connections between home B and sensor disconnect forwardly圖10 傳感器與宿主B之間的連接主動(dòng)斷開

多宿主傳感器在實(shí)驗(yàn)中仍可以正常傳輸數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)傳輸速率幾乎沒有受到影響。這表示多宿主傳感器在一個(gè)宿主關(guān)閉時(shí)可以與其他宿主進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)傳感器則無法做到這一點(diǎn)。因此多宿主傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有更高的穩(wěn)定性。

圖11和圖12是第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中的傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率。圖11是傳感器與宿主A之間路由被切斷時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，圖12是傳感器與宿主B之間路由被切斷時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率。從圖11和圖12中可以看出，傳統(tǒng)傳感器在實(shí)驗(yàn)中受到了嚴(yán)重的影響，傳輸速率在實(shí)驗(yàn)中降低到0。而多宿主傳感器在實(shí)驗(yàn)中受到的影響不大，無論哪條鏈路被切斷，多宿主傳感器比傳統(tǒng)傳感器工作得都要更加穩(wěn)定，可以在攻擊發(fā)生時(shí)正常傳輸數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)丟失。在未知的網(wǎng)絡(luò)條件下，一個(gè)宿主很可能由于各種原因而暫時(shí)無法使用，多宿主傳感器可以選擇其他宿主而使得其斷開的概率降低。

Fig.11 Connections between homeAand sensor cannot transmit data normally圖11 宿主A與傳感器之間的連接無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)

Fig.12 Connections between home B and sensor cannot transmit data normally圖12 宿主B與傳感器之間的連接無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)

從測試中可以看出，多宿主傳感器比傳統(tǒng)傳感器更加穩(wěn)定。在一條連接主動(dòng)或被動(dòng)斷開時(shí)，多宿主傳感器能繼續(xù)與服務(wù)器通信，減少掉線的發(fā)生。

4.3 性能測試

本文運(yùn)行多宿主傳感器與傳統(tǒng)傳感器，并使它們正常工作。圖13顯示在這段時(shí)間CPU的占用。多宿主傳感器的CPU占用在70%處波動(dòng)，和傳統(tǒng)傳感器相近。多連接的管理并沒有額外的CPU占用。圖14顯示在這段時(shí)間內(nèi)存的占用。多宿主傳感器的內(nèi)存占用依然與傳統(tǒng)傳感器相近，都在19 MB左右。圖13和圖14表明這兩種傳感器的CPU和內(nèi)存占用沒有明顯的區(qū)別。多宿主傳感器并不需要比傳統(tǒng)傳感器占用額外的資源，便可以獲得更高的穩(wěn)定性。而在將傳統(tǒng)傳感器升級為多宿主傳感器時(shí)，也不需要安裝新的CPU和內(nèi)存。這一點(diǎn)在將便攜式智能設(shè)備作為多媒體傳感器時(shí)同樣適用。

Fig.13 CPU usage of sensors圖13 傳感器CPU占用

Fig.14 Memory usage of sensors圖14 傳感器內(nèi)存占用

5 結(jié)束語

本文介紹了一種新的在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下穩(wěn)定工作的無線多媒體傳感器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)勢是系統(tǒng)內(nèi)的傳感器更加穩(wěn)定。為了使傳感器能夠運(yùn)行多宿主模式，傳感器使用了連接數(shù)目控制機(jī)制來控制傳感器持有的連接。為了使系統(tǒng)能更加靈活地在不同環(huán)境中運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了三種傳感器傳輸協(xié)議并分析了它們的優(yōu)勢和不足。最后，進(jìn)行了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以測試系統(tǒng)的性能。從測試中可以發(fā)現(xiàn)，在本文的系統(tǒng)中，傳感器可以在不增加資源消耗的情況下完成同樣的數(shù)據(jù)傳輸工作，并擁有更高的穩(wěn)定性。目前我們正在致力于4G網(wǎng)絡(luò)下無線多媒體傳感器系統(tǒng)的研究。

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