摘要:隨著現代船用電子資訊系統的發展，各電子裝置之間及與裝置與資訊中心的資料互動越加頻繁，互動量越來越大，傳統的基於無線通訊架構的資料通訊系統已經越來越不能滿足海上大量資料的互動效能要求。物聯網是一種全新的互聯結構，其資料採集﹑傳輸是基於ＲFID射頻技術﹑感測器技術及無線感測網路技術，能夠高效的對船用通訊資料進行處理。本文研究海上無線通訊網路與物聯網結構，提出基於物聯網結構的擁塞演算法，極大提高了海上通訊網路系統容量。
關鍵詞:物聯網;擁塞控制;無線通訊
引言
船用電子資訊系統應用型別越來越多，如海上氣象檢測系統﹑船舶跟蹤識別系統﹑船舶避碰系統及資訊中心等，其對資料傳輸及處理量呈指數級增加，如何高效的對大資料進行通訊傳輸﹑處理關係著整個船舶電子裝置的執行效率。傳統的海上資料通訊有基於3G，4G無線通訊網路，光纖網路及無線區域網絡3種，隨著採集資料型別及資料量的增加，已經越來越不能滿足海上大量資料的互動要求。物聯網是一種全新的互聯結構，其資料採集﹑傳輸是基於ＲFID射頻技術﹑感測器技術及無線感測網路技術［1］，能夠高效的對船用通訊資料進行處理。本文研究現有的海上無線資料通訊架構，重點研究資料通訊中的擁塞控制演算法，對現有的先入先出(FIFO)進行改進，提出一種新的加權平均佇列演算法，有效平衡船用電子裝置的網路頻寬資源，提高其利用率。
1基於無線區域網的物聯網結構
基於海上無線區域網的物聯網結構採用ＲFID射頻晶片對船舶電子裝置進行資料採集，在物聯網結構中對這些資料進行融合，最後將資料進行分裝併發送至無線區域網，同時通過無線區域網中的路由器與VPND虛擬網路進行連線［2］。基於海上無線區域網物聯網資料平臺結構如圖1所示。基於海上無線區域網物聯網資料平臺分為以下3個區域:1)A為核心交換區，通過區域無線區域網與運營服務商進行連線，並對資料進行分組轉化，在整個網路中處於核心地位。2)B為物聯網接入區，將A區傳輸的資料在物聯網中進行接入，必須要保證的是資料介面的統一及各種軟硬體的相容性。3)C為基於VPND虛擬網路的控制平臺，為船舶各電子裝置提供服務。
2基於物聯網通訊的擁塞控制演算法
2.1基於TCP/IP協議的頻寬控制本文的海上資料通訊利用TCP/IP協議，在傳輸層面對TCP包的大小及數量進行控制，具體的有分組排程控制﹑佇列管理控制及擁塞控制等。在基於TCP/IP傳輸中，首先需要確定對方CPU﹑記憶體等處理能力，也即一次能處理的資訊資料塊大小，然後對傳送及接收訊號的視窗進行調節，改變訊號傳輸率及TCP包的大小，對通訊流量進行控制。在此，每次訊號傳輸之前需要對視窗進行設定，以控制傳輸速率與流量［3］。基於TCP/IP協議物聯網擁塞控制主要包含以流量限制、傳輸恢復、初始化限額啟動及失敗重傳4個步驟。在每個階段，對傳輸視窗大小都有不同的調節機制來調節網路頻寬﹑傳輸速率及一次性傳輸資訊量大小;同時，需要保證一定的網路頻寬利用率，本文通過在接收端和傳送端增加緩進行控制。在海上物聯網通訊系統中，通過構建乙太網絡對流量進行控制策略如下:1)資料鏈路層。資料鏈路層為TCP/IP協議最底層，通過流量控制﹑糾錯控制﹑重傳機制及握手機制來確保雙方通訊的暢通及準確。2)網路層。網路層位於TCP/IP協議的中間層，通常的網路控制策略有分組排程策略﹑虛擬電路分組管理策略﹑分組排隊策略等。3)傳輸層。傳輸層位於TCP/IP協議上層，如上所述，控制方法有擁塞控制流量策略﹑頻寬控制策略﹑快取佇列控制等。
2.2擁塞控制演算法
海上物聯網通訊中的擁塞控制演算法通過中心監控裝置對船用各電子裝置的資料互動進行監控，整個演算法包括以下3個核心模組:1)管控中心控制模組管控中心控制模組通過監控中心對船用電子裝置的資料傳輸﹑接收及處理等資訊進行統計分析，對出現數據通訊阻塞的節點進行管理。管理中心控制模組需要充分利用現有的網路頻寬資源，週期性(每180s)與各監控裝置進行連線，當各應用層發生故障時，則對其進行置位［4］。2)演算法初始及啟動模組由管控中心對演算法模組進行初始化及啟動，具體步驟如下:①首先進行通訊網路狀態及效能測試，管控中心獲取物聯網資料通訊各網管的資料傳輸資訊，每30s進行一次測試，統計資料報的延遲時間來調整視窗的大小，避免擁塞。②對船用各電子裝置進行負載均衡，通過統計計算網格引數，如資料傳輸時間﹑視窗調整延遲﹑資料處理時間等動態資訊，並通過負載均衡演算法進行動態調整。3)傳送模快本文演算法主要通過傳送端對傳送流量的控制進行擁塞管理，具體是將傳送模組置於通訊網路的各處網格中，通過ALC對實際系統訪問控制列表進行流量的控制。
2.3擁塞配置管理
當對資料進行分組時，其效率比PVC的傳送速率更高，在其連線處會出現資料擁塞;同樣，當一個資訊處理系統對資料的處理速率比其接收資料慢時，也會出現資料擁塞，其核心是通過資源排程策略來對流量進行控制，解決方法有:對TCP包進行分類管理﹑採用快取佇列等方式，本文采用建立快取佇列方式，下面進行詳細介紹。佇列排程演算法有:先入先出(FIFO)、優先佇列(PQ)及定製佇列(CQ)幾種［5］，本文首先詳細介紹先入先出(FIFO)的原理。在此基礎上對其進行改進，提出了一種加權平均佇列演算法。FIFO排程演算法按照時間的先後順序，也即先進佇列的資料報文在分組轉發中優先傳輸，所以資料包的長度決定了整個佇列的效能，包括整個通訊系統的丟包率及通訊延遲。傳送端和接收端只有一個埠用於之間的資料傳輸，當佇列達到一定長度時，系統頻寬被完全佔用，必須對FIFO佇列進行配置，確保通訊暢通。對船舶電子裝置按照不同的資料型別及業務型別設定不同的佇列，使不同型別﹑不同業務種類的資料進入不同的FIFO佇列，從而可以通過多個埠進行並行傳輸。對FIFO佇列進行改進，目的是使其網路資源在船舶電子系統得到均衡利用，並對所有資料傳輸通道的延遲進行均衡。具體措施是按照報文的`長短對資料報進行劃分，增加不同系統的頻寬負載增加權重係數，加權平均佇列演算法對高優先權資料報優先排程，並分配高於低優先順序的網路頻寬;同時，依據各系統的資料通訊流量調整其連線會話的優先權重係數，使所有系統需要傳輸的資料報文能均值至緩衝佇列中，從而達到平衡各資訊系統資料傳輸流量的目的，並使各系統的資料傳輸延遲最小。加權平均佇列原理如圖3所示。假設現在船用電子系統種類為5，那麼可以設定5個不同優先級別的佇列，其權重係數分別為1，2，3，4，5，假設資料通訊總頻寬為15，則各型別資料佔用頻寬比分別為115，215，315，415，515，演算法可以通過流的抖動及視窗設定實現負載均衡。
3擁塞控制演算法優缺點比較
1)FIFO排程演算法優點:演算法複雜度簡單，並不需進行網路配置。缺點:對於UDP非流控制資料報文，其約束性條件不能滿足頻寬的最大利用。
2)優先佇列(PQ)演算法優點:對於實時性要求較高的業務實時效能較好。缺點:較高優先順序的資料佔用較低優先順序的頻寬，影響優先順序低的業務效能。
3)加權平均佇列演算法優點:對各種不同業務處理較為平衡，頻寬資源利用率較高。缺點:演算法複雜度較高。
4結語
本文重點對基於物聯網結構的海上通訊模型進行研究，對現有的資料擁塞控制演算法進行改進，有效提高了網路頻寬的利用率。