绿色去中心化物联网的多跳数据传输虚拟化

摘要

分散式通信技术(即,ad hoc networks) provide more opportunities for emerging wireless Internet of Things (IoT) due to the flexibility and expandability of distributed architecture. However, the performance degradation of wireless communications with the increase of the number of hops becomes the main obstacle in the development of decentralized wireless IoT systems. The main challenges come from the difficulty in designing a resource and energy efficient multihop communication protocol. Transmission control protocol (TCP), the most frequently used transport layer protocol for achieving reliable end-to-end communications, cannot achieve a satisfactory result in multihop wireless scenarios as it uses end-to-end acknowledgment which could not work well in a lossy scenario. In this paper, we propose a multihop data delivery virtualization approach which uses multiple one-hop reliable transmissions to perform multihop data transmissions. Since the proposed protocol utilizes hop-by-hop acknowledgment instead of end-to-end feedback, the congestion window size at each TCP sender node is not affected by the number of hops between the source node and the destination node. The proposed protocol can provide a significantly higher throughput and shorter transmission time as compared to the end-to-end approach. We conduct real-world experiments as well as computer simulations to show the performance gain from our proposed protocol.

1.介绍

近年来，物联网(IoT)技术引起了人们极大的兴趣[1,2]。随着物联网设备数量的增加，由于部署和维护基础设施的成本，很难使用基于基础设施的无线通信(包括蜂窝网络和基于无线接入点的通信)提供所有通信。分散通信技术以其灵活性和可扩展性为新兴的无线物联网提供了一种低成本、高效的解决方案。然而，有限的无线资源对设计高效的端到端多跳传输方案提出了新的挑战。

传输控制协议(TCP) [3.,4是一种广泛使用的传输层协议，提供可靠的端到端数据传输。为了避免网络拥塞，TCP发送方节点根据目标节点确认的数据段的接收状态调整拥塞窗口大小。这背后的基本原理是TCP假定数据包丢失的主要原因是网络拥塞。然而，在无线网络中却不是这样，特别是在多跳通信中，微弱的信号强度和随机回退引起的包碰撞是造成包丢失的主要原因。

在多跳无线通信中，端到端丢包概率随跳包线性增加，导致TCP发送方的拥塞窗口较小(低吞吐量)，因此端到端延迟较大。因此，迫切需要设计一种有效的协议来处理物联网环境中的多跳数据传输。

有一些研究讨论了多跳无线网络的传输层设计[5- - - - - -14]。现有的大部分方法[5- - - - - -9专注于改进TCP的拥塞控制。这些方法不能解决TCP在多跳损耗环境中的带宽低估问题。由于这些协议需要修改TCP，实现困难是另一个问题。针对特定的物联网网络提出了一些协议[10- - - - - -14]。依赖于一些特定的协议，这些协议缺乏通用性。现有的研究亦涵盖有效使用无线资源以建立绿色物联网[15- - - - - -18]。现有的所有协议[5- - - - - -18不要充分讨论多跳分布式无线物联网环境中的端到端重传的性能下降问题。

本文主要研究多跳无线通信中无线资源的有效利用问题。对于传感器数据的采集，通常需要多跳通信。同时，源节点和目标节点之间不需要实时数据交换。例如，传感器节点可以将视频数据等大型文件上传到云服务器，用于监控。对于这类应用，主要目标是成功地用少量的无线资源传输大量的数据。这些应用程序通常需要高吞吐量，但不需要来自接收方(目标节点)的实时确认(响应)。在本文中，我们提出了一种多跳数据传输虚拟化方法，它利用一跳一跳的确认而不是端到端反馈。该协议具有较高的吞吐率和较短的传输时间，具有较高的能源效率。本文的主要贡献如下。(我)通过将多跳数据传输虚拟化为多个单跳可靠传输，提出了一种能够有效解决无线物联网环境中多跳TCP传输性能下降问题的协议。该协议很容易实现，因为它工作在TCP/IP协议栈的顶部，并且不需要对现有协议进行任何修改。(2)我们用真实设备进行实验，并启动计算机模拟来评估协议。仿真结果表明，与传统方法相比，该协议能显著提高吞吐量，减少传输时间。

本文的其余部分组织如下。部分2简要介绍了相关工作。我们在章节中对提议的协议进行了详细的描述3.并进行了理论分析4。分段给出了实验结果和仿真结果5和6,分别。最后，总结了本文的结论，并提出了今后的工作7。

2.相关工作

已经有一些研究讨论了多跳无线网络中高效数据传输的传输层解决方案。有些人试图改进TCP的拥塞控制，有些人则从头设计一种新的拥塞控制算法。现有的工作还包括一些专门为绿色物联网设计的方法。

2.1。基于TCP途径

Talau等人[5]已经提出了根据路由器队列长度调整拥塞窗口的大小的早期拥塞控制的方法。这种方法是在拥挤的场景，其中队列的长度是大的有效率。然而，是不是在讨论一个多跳损耗，减少拥塞情况的性能问题。张某等人。[6]提出了一种带宽延迟积(BDP)估计方法，然后设计了一种基于BDP估计的拥塞控制方法。BDP估计方法通过考虑MAC层的争用延迟来解决带宽高估问题。在多跳损耗网络中，由于分段损耗的高概率，网络带宽被低估。

舒伯特与班伯斯[7]提出了一种方法，在发生深度衰落时冻结拥塞窗口大小，以便在发送方保持高发送速率。多跳传输在[7]作为拥塞控制在源节点处仅进行。裘德和Kuppuswami [8]提出了一种方案，在该方案中，初始拥塞窗口大小是根据所公布的窗口大小来设置的。这不适用于中间节点不公布窗口大小的多跳TCP流。李等人[9]已经提出了改变慢速启动阈值的瞬间连接不稳定的情况下的一种方法。然而，这是很难知道特别是对于多跳通信的分部亏损的原因。所有这些协议[5- - - - - -9不适当地解决多跳无线物联网环境中的TCP性能下降问题。

2.2。专为物联网设计的拥塞控制算法

李等人[10]提出了一项“挤塞窗口适应计划”，该计划采用-基于网络条件的学习算法。由于网络条件的观测仅限于时延方差，[10不能解决无线环境损耗的问题。联络等人[11已经提出了一种社会相似性感知的拥塞避免协议，该协议通过利用相似匹配的社会属性在TCP上执行数据传输。由于节点之间的社会关系难以得到[11不能提供一个通用的解决方案。Govindan和Azad [12]已经分析了消息队列遥测传输协议（MQTT），用于无线传感器网络的内容递送概率和延迟。然而，[12没有讨论如何提高性能。

研究[13提出了一种高级拥塞控制算法的约束应用协议。的核心概念[13]是基于对往返时间的准确估计。kashoash等人[14提出了基于博弈论的IEEE 802.15.4网络拥塞控制框架GTCCF。GTCCF考虑节点优先级和应用程序优先级。这些作品(13,14不要讨论多跳损耗网络中的小拥塞窗口大小问题。

2.3。绿色物联网解决方案

Arshad等[15提供了绿色物联网技术的调查，包括节能数据中心、传感器数据的节能传输和节能政策。李等人[16]提出了一种自适应网络编码方案，以提高物联网中的传输效率。由于依赖于软件定义的无线网络技术，难以实现[16在传统网络中。刘及安萨里[17]提供了一种利用叠加频谱共享方法促进异构蜂窝网络中设备到设备物联网的体系结构。Wali等人[18提出了一种时空随机化(TS-R)技术，以减轻长期进化先进(LTE-A)单元中的无线电接入网过载问题。这些现有研究[15- - - - - -18]不下放的环境讨论绿色物联网技术。

3.提出的协议

3.1。问题定义和协议概念

TCP是一个终端到终端的基于确认的数据传送方法。在TCP中，发送者节点通过根据成功地接收到确认分组使用拥塞控制算法以适应发送速率（见图1)。拥塞控制算法由慢启动和拥塞避免两个阶段组成。在慢启动阶段，拥塞窗口大小初始化为1个最大段大小(MSS)，并在收到每个应答(ACK)包时增加1 MSS。在拥塞避免阶段，在检测到包丢失后，减少拥塞窗口的大小。

TCP连接的吞吐量受到端到端数据包丢失概率的影响。的端到端数据包丢失概率hop传输可以计算为 在哪里为每一跳的数据包丢失概率。

为了显示跳数对TCP性能的影响，在这里我们分析了TCP拥塞窗口的大小基本上决定了TCP连接的吞吐量。在TCP慢启动阶段中，拥塞窗口尺寸时的ACK的接收增加1 MSS。当终端到终端的丢失概率 ,慢启动阶段前5次往返时间(RTTs)的平均拥塞窗口为 在哪里是RTT的数目（索引）。

数据2和3.示出了端 - 端部段丢失概率和不同数目的跳对应的拥塞窗口。我们可以观察到，TCP的拥塞窗口大小与跳数的增加，导致多跳有损环境的低产量急剧下降。这说明终端到终端的重传的做法，即跳数可能会大大增加数据包丢失的可能性的问题。为了解决这个问题，我们提出了一种高效的多跳数据转发的方法，即，多跳数据传输的虚拟化，虚拟化，其对多个单跳可靠的通信多跳TCP通信。随着虚拟化，所提出的协议使得逐跳确认，而不是端对端反馈，因此通过避免带宽的低估利用无线资源更好。

3.2。多跳数据传输虚拟化

提出的多跳数据传输虚拟化方法是为了解决TCP在多跳数据丢失情况下的问题，在这种情况下，数据丢失的概率会随着跳数的增加而增加。提议的协议在传输层和应用层之间工作(见表)1)。因此，任何传输层协议(如TCP和UDP)都可以使用。然而，这里我们使用TCP来解释所提议的协议的实现，因为它是Internet中最常用的传输层协议。

如图所示4，在所提出的方法中，数据段通过一跳一跳的方法来确认。该方法工作在传输层的顶层，使用多个单跳TCP连接建立多跳端到端连接。由于每个单跳通信都是基于TCP进行的，因此每个TCP发送方节点上的拥塞窗口大小不受源节点与目标节点之间的跳数的影响。这可以促进无线资源的有效使用。由于所提出的协议不需要对TCP进行任何修改，因此每个TCP发送方节点也可以确保多流之间的公平性。正如我们从数字中观察到的1和4，与传统的多跳端到端TCP方法相比，提议的协议不会增加ACK数据包方面的开销。相反，当发生包丢失时，建议的协议可以通过从中间节点进行重传来减少数据传输开销，而普通的方法则从源节点进行数据重传。

3.3。协议的实现细节

在提议的协议中，多跳数据传输会话由一个名为“SESS_INFO”的控制消息维护，该消息包含会话ID、源IP和目标IP字段(见表)2)。会话ID字段根据流标识符生成。如图所示5，每个数据流的源节点根据路由信息将该信息传输到下一跳节点(到达目的地的路由可由任何路由协议获取，如[]19,20.])。在接收到“SESS_INFO”消息后，每个节点在本地维护会话信息。表中显示了相应的信息字段3.其中“Loc指针”表示本地存储的对应会话数据的指针(一个本地缓冲区用于存储未确认的数据)。下一跳节点然后将同样的信息发送到下游的目标节点。通过这种方式，会话信息在所有转发器节点之间进行交换。

如图所示5，节点0将数据发送到节点1，则节点1将数据转发到下一跳节点2，依此类推。每个数据流是一个单跳TCP发送，因此多跳数据流被虚拟化为多个单跳数据流。其结果是，在每个发送者节点发送速率（拥塞窗口大小TCP）提高，这意味着无线资源环境的更好的利用。

算法1和2分别显示每个源节点和转发器节点上的操作。在接收到某个流的第一个包时，源节点向下一跳节点发送相应的会话信息，特别是“SESS_INFO”消息。“SESS_INFO”消息将被进一步转发，直到到达目标节点。每个转发器节点在本地维护关于每个数据流的会话信息，并根据相应的会话信息确认接收到的数据包。

3.4。与路由代理合作

由于拓扑变化，可能会出现一些路由中断。路由错误的处理应该由路由代理来完成。然而，该协议将链路故障事件报告给路由代理，以消除路由故障对网络性能的影响。如算法所示3.，当链路发生故障时，将向路由代理报告该事件以优化端到端路由。感知到链路故障的节点通过建立到目的地的新路由在本地缓冲区中传输数据。

4.理论分析

在此，我们分析了该协议的性能，以容忍延迟的应用，如传感器数据收集。在提出的协议中，由于流量源节点不需要从目的节点确认数据包，因此可以将多跳传输分成多个单跳传输，类似于[21]。因此，所提出的协议可以减少并发传输节点的数量，从而提高无线资源的利用率。

4.1。碰撞的概率

在ieee802.11 p标准中，回退时间是一个随机数，它是从该区间内的均匀分布中抽取的其中，CW是当前的争用窗口。如果两个发送方节点位于比感知距离更近的位置，并且选择了相同的争用窗口大小，则某些接收方节点会发生冲突。由于只有当所有发送方节点选择不同的回退值时，传输才会成功，因此我们可以将冲突概率计算为 在哪里为发送方节点的数量。在多跳通信场景中，如果为交通流的数量，则碰撞概率为 。在提出的协议中，概率为 。如图所示6时，通过减少发送方节点的数量，可以获得较低的冲突概率。

4.2。端到端数据包丢失的概率

数据包可能由于碰撞或微弱的信号强度而丢失。1跳传输的丢包概率可以计算为 在哪里为信号强度弱导致的丢包概率。为-跳传输，端到端丢失概率为 在哪里为两个通信节点之间的跳数。基于(5)，我们在图中显示了TCP段丢失的概率为不同的跳数7。由于所提出的方法可以减少冲突的概率和避免使用多跳通信，TCP段丢失的概率可以显著降低。

5.实验结果

我们使用如图所示的设备进行了真实世界的实验8。每个节点配备IEEE 802.11g无线接口。为了更清楚地展示所提议协议的效果，我们使用了链拓扑，其中所有设备都部署在一条直线上。从源节点到目标节点的跳数为2。将该协议与传统TCP协议进行了比较，传统TCP协议使用端到端确认来设置拥塞窗口大小。

数字9显示不同节点间距离的TCP吞吐量。我们可以观察到，与TCP的传统端到端确认方法相比，提出的协议可以实现高达50%的吞吐量改进。这是因为提议的协议通过使用逐跳确认可以更好地利用无线资源，从而在每个节点上产生更高的发送速率(更大的拥塞窗口大小)。

6.仿真结果

为了清楚地解释所提议协议的性能，我们使用QualNet 6.1进行了计算机模拟[22]。具体仿真参数如表所示4。其他参数是QualNet 6.1的默认设置。将该协议与传统的端到端重传协议(多跳TCP)进行了比较。在下面的仿真结果中，误差条表示95%置信区间。

6.1。不同节点间距的影响

从源节点到目标节点的跳数为2。数字10显示不同节点间距离的吞吐量。与传统的端到端重传方法相比，该协议在所有场景中都能实现更大的吞吐量。通过使用多跳数据交付虚拟化方法，所提议的协议比TCP显示了高达50%的吞吐量改进，可以为终端用户提供显著更高的服务质量。数字11shows the required time for sending 10 MB data. The proposed protocol can efficiently reduce the required active time (including transmission time, contention time, and all other overheads), which is more energy and resource efficient.

6.2。不同数量啤酒花的影响

我们评估了不同节点间距离的跳数的影响。数据12,13,14相应地以短、中、长节点间距离显示不同跳数的吞吐量。

仿真结果表明，所提出的协议的吞吐量的提高依赖于节间距离和跳数两者。所提出的协议的优点变得与跳数的增加更为显着。随着跳数增加，端至端部段丢失概率增加，导致更小的拥塞窗口大小的数目。这是传统方法的吞吐量下降的主要原因。

该协议的性能增益也依赖于节点间的距离。当跳数较小时(2)，链路丢包概率越低，增益越大。然而，当跳数较大时(在10跳的情况下)，所提出的协议在节点间距离较短的情况下增益最大。这是因为较大的节点间距离会在每一跳产生较大的延迟，这是由于重传会影响总体吞吐量。

数据15,16,17显示发送10 MB数据所需的时间在短，中，和长节点间距相应。我们可以看到，所提出的方法可以缩短高达60%的时间。这一改进尤其对电池供电的无线传感器网络来说意义重大，因为我们的协议可以使任务循环更加高效。

7.结论

针对分布式物联网环境，提出了一种多跳数据传输协议。该协议使用多个单跳数据流来虚拟化多跳端到端数据传输。通过使用逐跳确认，该协议能够提供比TCP使用的传统端到端确认方法更高的吞吐量。我们进行了理论分析、实际实验和计算机模拟来评估所提协议的性能，并展示了所提协议相对于传统方法的优势。评估结果表明，在3跳场景中，所提出的协议能比端到端方法提高高达50%的吞吐量。通过缩短每个节点所需的传输时间，该协议能够为多跳分散物联网环境中的数据传输提供更节能、更经济的解决方案。

的利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

致谢

这项工作是部分由社保机构联合研究经费，JSPS KAKENHI批准号的支持。16K00121和16H02817。

参考文献

1. 王凯，王洋，孙洋，郭s.，吴杰，“绿色工业物联网建筑:节能视角”，IEEE通信杂志第54卷，no。11，第48-54页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 王国强，齐欣欣，舒丽君，d.j。邓和J. J. P. C. Rodrigues合著的《社会物联网中值得信赖的众包》IEEE无线通信杂志卷。23，没有。5，第30-36，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 罗，金，山，“带显式拥塞通知的低延迟TCP的标准化:一个调查”，IEEE网络计算卷。21，没有。1，第49-55，2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. A. Afanasyev, N. Tilley, P. Reiher，和L. Kleinrock，“TCP的主机到主机拥塞控制”，IEEE通信调查和教程卷。12，没有。3，第304-342，2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. “早期拥塞控制:一种改进自组织网络中TCP性能的新方法”，国立中山大学计算机科学与工程研究所硕士论文2016年第七届未来网络国际会议论文集(NOF 2016),2016年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. “无线自组网中基于精确带宽延迟产品的TCP拥塞控制”，北京2014第23届计算机通信与网络国际会议论文集(ICCCN 2014),2014年8月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. K.舒伯特和N. Bambos，“无线电源控制与缓缴TCP”，在IEEE国际商会的会刊， 2016年第1-6页。视图:谷歌学术搜索
8. M. J. A. Jude和S. Kuppuswami，“用于多跳无线网络的增强窗口增量和自适应恢复TCP，”IEEE电子信件第53卷，no。6，第438-440页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 李振宇，“无线多跳网络中TCP的自适应传输方案”，国立台湾科技大学资讯工程学研究所硕士论文第41届IEEE本地计算机网络会议，LCN 2016，第503-506页，阿联酋，2016年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. W.李，周楼，W Meleis和·乔杜里，“学习型和数据驱动的TCP设计，内存受限的物联网，”在第12届传感器系统分布式计算国际年会(DCOSS 2016)论文集2016年5月，第199-205页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. H. B. Liaqat, F. Xia, J. Ma, L. T. Yang, A. M. Ahmed，和N. Y. Asabere，“在特殊的社会网络中具有避免冲突的社会相似性意识TCP，”IEEE系统杂志，第99卷，第1-12页，2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 王建民，“物联网的端到端服务保障体系”，清华大学学报2015年第12届年度IEEE消费者通信和网络会议，CCNC 2015，第290-296，2015年1月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. A. Betzler, C. Gomez, I. Demirkol, J. Paradells，《物联网的CoAP拥塞控制》，IEEE通信杂志第54卷，no。7，第154-160页，2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. H. A. kashoash, M. Hafeez, A. H. Kemp，“6LoWPAN网络的拥塞控制:博弈论框架”，IEEE物联网杂志第4卷第2期3, 760-771页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. R. Arshad, S. Zahoor, M. A. Shah, A. Wahid, H. Yu，“绿色物联网:2020年及以后的节能实践调查”，IEEE访问，第5卷，第15667-15681页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 张志军，任志军，赵新民，“面向绿色物联网:基于网络编码通信和可靠存储的性能优化”，IEEE访问，第5卷，第8780-8791页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. X. Liu和N. Ansari，“用于物联网的双电池异构蜂窝网络中的绿色中继辅助D2D通信，”IEEE物联网杂志第4卷第2期5，第1707-1715页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. P. K. Wali, A. A. N，和D. Das，“LTE-Advanced中能效物联网接入的最优时空随机化技术，”IEEE车辆技术会刊第66卷，no。8, 7346-7359页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 吴，吉，刘，S. Ohzahata，和T. Kato，“面向车载ad hoc网络的实用和智能路由，”IEEE车辆技术会刊第64卷，no。12, 5503-5519页，2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 吴，陈欣欣，纪洋等，“基于模糊逻辑和rl参数自适应的vanet中的包大小感知广播”，IEEE访问卷。3，第2481至2491年，2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. “DTN能改善车-路通信的性能吗?”“在第26届IEEE个人、室内和移动无线电通信年度国际研讨会论文集，PIMRC 2015， 1934-1939页，2015年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. QualNet的，2017年，http://web.scalable-networks.com/content/qualnet。

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