查 燕 黄旸珉 罗 涛 胡金龙

（1.中国电子科技集团公司第七研究所；2.华南理工大学计算机科学与工程学院，广东省计算机网络重点实验室）

在无线自组织网络（Ad hoc Network）中，链路质量受到节点地形环境，传输信道等因素影响，常常不能得到保证。同时，数据同步常常会产生大量的小数据同步报文，加大了网络开销。针对这一问题，本文提出了一种基于带宽受限条件的无线自组织网同步报文合并方法，对实时性要求较低的小报文数据，根据历史合并信息选择合适的中间节点进行等待合并，并对合并后的数据进行压缩，以降低网络开销。实验结果表明本文所提出的方法可在满足同步时延要求下降低网络的开销。

在数据同步的场景中，合并数据能够减少传输带宽消耗，降低网络开销。然而，由于无线自组织网络内节点的移动性，网络拓扑也会经常发生变化，如何实时地、智能地调整策略，为节点选择合适的中转节点进行合并，以保证数据合并策略能够持续保持高效性是数据同步相关研究中的关键问题。

本文针对带宽受限的无线自组织网络的数据同步场景，开展了数据同步与报文合并策略的研究，提出了一种基于带宽受限条件的无线自组织网同步报文合并方法。该方法根据各节点计算的优先得分，对各节点的历史传输数据计算出其对应的优先得分，从而选择最合适的中间合并节点，然后将实时性要求低的小报文数据发送至该中间节点时等待合并，与其它目的地址相同且同样在这一节点等待的小报文数据进行合并和压缩，与目的节点进行数据同步。实验表明，本文提出的同步报文合并方法能够很好地降低无线自组网所需带宽及网络开销，有效地提高了数据同步的效率。

1 国内外研究现状

在网络传输中对不同源的数据进行合并和整合，是降低网络开销和提高传输效率的有效方法，例如，陈胜男等出了一种基于数据包合并的物理层与数据链路层编码的跨层优化方案，通过将链路层多个数据包合并进行纠错编码，有效提高了传输效率；庄青提出了一种海量音视频数据碎片化的数据汇聚系统和方法，采用消息队列、内存库、守护进程等技术，能够高效处理、传输、合并海量音视频数据，并保证其安全性和正确性；孔凡天针对无线传感器网络提出了一种新颖的无线传感器网络分层式结构模型，在网络协议中应用了多传感器数据融合技术达到了节省存储资源，降低网络带宽占用的目的。

在带宽受限的无线自组织网络中，通过传输数据的合并和融合，可以降低网络开销，提高传输效率，但是对实时性要求较低的小报文数据，如何选择合适的中间节点进行合并，以降低网络开销，仍然需要进一步的研究。

2 问题描述

数据同步节点不少于50个，绝大部分数据同步节点的链路带宽在100kbps以内，时延为10ms，丢包率为5%，且网络拓扑会不定时地因节点的移动而发生变化。对于实时性要求低的小报文数据同步业务，在能够达到服务质量（QoS）要求的前提下，通过一定数量的最近节点历史同步数据计算出传输路径上各节点作为中转节点时对应的优先级得分，从而选择最优的中转节点，并将小报文数据发送到该节点与其他目的节点地址相同且也在该节点等待的小报文数据进行合并，以最大程度降低网络开销和占用带宽。

3 总体方案

本文提出的小报文合并方法流程图如图1所示。首先在源节点与目的节点建立数据同步前确定同步路径，并通过对路径上各节点根据其最近的历史合并数据机制计算出各节点作为中转合并节点对应的优先得分，为源节点未来一定数量的小报文数据选择最合适的中转节点。随后，发送的报文数据在选择的中转节点处进入对应目的地址的合并队列等待，当合并队列内任一报文等待超过一定时间或队列内报文数量达到一定数量时，自动合并队列内的所有报文数据，并记录当前队列内的报文数和平均等待时间，与目的节点进行同步。目的节点在接收到合并数据后，将合并的相关信息通过确认报文返回给各源节点，最后各源节点记录该信息，并用于下一次数据同步的计算。

图1 方案流程图

4 实验

实验环境为在ad hoc网络环境下，包含10个数据同步节点，网络拓扑结构为线型结构。所有数据节点为操作系统为Linux Ubuntu 16.04，内存为4G，4核处理器的虚拟机。各链路设定固定带宽100kbps，丢包率为5%，时延10ms，分别通过网络流量开销、平均同步时延、合并平均等待时间、平均合并报文个数这四个评价指标衡量本文所提出的数据同步系统各项技术策略的性能。

同步报文合并方法性能测试：

5个源节点分别使用不同的同步报文合并策略，使用不同的衰减因子α，用优先得分最高的节点作为中转节点的报文条数占每次更新计算的总报文条数的比例不同的情况下，对比在网络流量开销，平均同步时延，报文平均等待时间，平均报文合并个数这四项指标上的性能。性能测试结果如表1所示。

表1 同步报文合并方法参数比较性能测试结果

由表1可知，使用了同步报文合并方法能够有效降低数据同步的整体网络开销，但启发式的对比合并算法会造成同步时延的增大。而使用基于优先得分的同步报文合并方法能够进一步降低网络开销和同步时延，相较于简单的选择源节点下一跳和随机指定合并节点，提出的方法更具优越性，在网络开销，平均同步时延，合并平均等待时间，平均报文合并个数各方面指标上都表现得更好；同时，相较于只通过优先得分指定一部分报文数据的中转节点，全部依据优先得分为报文数据指定同一中转节点能够在网络开销接近的情况下更有效地减少报文的等待时间，提升报文合并个数，进而提高同步效率，降低同步时延。

结语：本文针对带宽受限条件的无线自组织网，提出了一种基于历史合并信息反馈的同步报文合并方法，实现了在无线自组织网络中对进行相同目的节点的小报文数据进行合并的中转节点的合理选择，有效降低了网络开销和占用带宽。同时，基于实验验证网络拓扑的实际测试结果也显示出了这一方法相较于典型数据同步方式对网络开销和占用带宽的降低，验证了这一方法的可行性，对车联网等实际应用场景中带宽受限的无线自组织网络的数据同步有一定的指导作用。