利用改進型命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)高效轉發(fā)策略

羅少甫 陳 磊

1(重慶航天職業(yè)技術學院基礎學科部 重慶 400021)2(重慶大學大數(shù)據(jù)與軟件學院 重慶 400044)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)作為實現(xiàn)海量傳感器、通信設備和異構通信系統(tǒng)互聯(lián)互通的關鍵技術，其主要功能為實時收集并共享傳感器采集到的海量狀態(tài)信息，通過先進大數(shù)據(jù)分析技術提取蘊含價值，進而服務于各類高級應用場景，如決策分析、智能服務、智慧城市等[1-3]。

考慮到部署建設物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟技術成本，物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點的電池能量、存儲容量、計算速度和通信帶寬等一般是有限的。故其數(shù)據(jù)處理與通信能力十分有限，從而決定了在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中應用的所有解決方案都必須考慮到資源約束的限制[4]。然而，隨著傳感器節(jié)點部署規(guī)模、數(shù)據(jù)類型以及異構網(wǎng)絡規(guī)模不斷增加，人們對物聯(lián)網(wǎng)高效、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸要求越來越高，因此，研究設計適用于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)路由轉發(fā)策略受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。

基于內容/位置數(shù)字化尋址，以主機為中心的傳統(tǒng)TCP/IP轉發(fā)機制由于高度依賴數(shù)據(jù)存儲標識而存在移動性、可擴展性和安全性差等缺點，故而不適用于海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸轉發(fā)[5]。近年來，以數(shù)據(jù)為中心的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Named Data Network,NDN)轉發(fā)策略受到了眾多學者的廣泛關注[6]。NDN技術框架下，物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)轉發(fā)不再以IP尋址，而是通過引入Interest報文和Data報文的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)，請求節(jié)點和路由節(jié)點的請求、查詢等操作均以報文的名稱而不是報文的地址進行，由于不依賴IP，NDN轉發(fā)機制也被認為是解決IP地址資源有限的有效技術手段之一。

現(xiàn)有基于NDN的轉發(fā)策略研究主要以有線場景和無約束限制的無線場景展開，而對于能量和網(wǎng)絡資源受限的無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉發(fā)策略的研究尚處于起步階段。例如：文獻[7]提出了一種基于接口等級的NDN自適應路由轉發(fā)策略，對NDN中的未決請求表(Pending Interest Table，PIT)、轉發(fā)信息庫(Forwarding Information Base,FIB)以及內容存儲庫(Content Store,CS)進行了細化和擴展，但其假設通信節(jié)點的網(wǎng)絡資源和能量是不受限的，無法直接應用于無線物聯(lián)網(wǎng)場景；文獻[8]借鑒蟻群優(yōu)化技術，提出了針對NDN的蟻群QoS感知轉發(fā)策略，將Interest報文和Data報文分別視為前向和后向螞蟻探測實時網(wǎng)絡QoS參數(shù)更新網(wǎng)絡接口排序，但文中同樣沒有考慮通信節(jié)點網(wǎng)絡資源和剩余能量約束，且蟻群優(yōu)化算法存在計算量較大、求解時間長的缺陷。文獻[9]針對車輛網(wǎng)這一無線傳感器網(wǎng)絡典型應用場景，為提升數(shù)據(jù)傳輸實時性，提出了面向車載命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉發(fā)模型，設計了路間節(jié)點算法和路口節(jié)點算法來判斷節(jié)點自身是否適合轉發(fā)Interest報文，從而有效降低了數(shù)據(jù)端到端平均延時，并均衡了整個車聯(lián)網(wǎng)的傳輸能力，但文中同樣沒有考慮到通信節(jié)點的能量約束。

針對現(xiàn)有NDN轉發(fā)策略存在的缺點，本文提出了一種考慮鄰節(jié)點空間信息和能量信息的新型NDN路由轉發(fā)策略，提升NDN網(wǎng)絡對各類物聯(lián)網(wǎng)應用場景的適應性。主要的創(chuàng)新點總結如下：

1) 現(xiàn)有NDN轉發(fā)策略往往由某一節(jié)點發(fā)出Interest報文開始觸發(fā)，然而實際應用場景中，大量監(jiān)測數(shù)據(jù)存在周期性主動上報的情形。因此，本文提出的NDN轉發(fā)策略將涵蓋這兩種報文轉發(fā)模式，故而可擴展性和適用性更強。

2) 現(xiàn)有NDN轉發(fā)策略大多未曾考慮到計算節(jié)點的能量資源約束，故網(wǎng)絡能耗較高而生命周期較短。而本文提出的改進NDN轉發(fā)策略則主動對傳感器節(jié)點的剩余能量和節(jié)點空間信息考慮在內實現(xiàn)路由策略優(yōu)化設計，從而提高了物聯(lián)網(wǎng)的生命周期。

1 基于NDN的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)轉發(fā)模型

1.1 NDN通信技術簡介

如圖1所示，NDN中數(shù)據(jù)包的轉發(fā)交互通過Interest報文和Data報文實現(xiàn)[10]。通信節(jié)點為接收數(shù)據(jù)，首先向NDN路由器發(fā)送包含有所需數(shù)據(jù)名稱的Interest報文，每個Interest報文僅能匹配一個數(shù)據(jù)包，從而保證數(shù)據(jù)內容的唯一性。

圖1 NDN中Interest報文處理過程

對于NDN路由轉發(fā)節(jié)點而言，則需要進行如圖2所示三個方面的維護工作：

1) 未決請求表(Pending Interest Table，PIT)：用于跟蹤轉發(fā)的Interest報文；

2) 轉發(fā)信息庫(Forwarding Information Base,FIB)：將Interest報文請求的內容轉發(fā)給該通信節(jié)點；

3) 內容存儲庫(Content Store,CS)：用于緩存Interest報文請求的內容以便后續(xù)通信節(jié)點對該數(shù)據(jù)的請求。

圖2 NDN數(shù)據(jù)結構

當NDN路由轉發(fā)節(jié)點收到Interest報文時，首先在其CS上查找，若CS中已緩存有所需的Data報文，則在同一接口上傳輸該Data報文；若CS中沒有Interest報文匹配的內容，則將Interest存儲在PIT中并創(chuàng)建包含有Interest報文名稱的條目，且為其預留一組接口一遍接收匹配的Data報文。隨后，Interest報文將基于FIB繼續(xù)轉發(fā)至上游鄰點進行查詢。當在上游NDN節(jié)點中查詢到匹配的Data報文時，將該數(shù)據(jù)轉發(fā)到下游PIT接口中后刪除該PIT條目，并將數(shù)據(jù)緩存在CS中。若最終不存在匹配的PIT條目，則將該Interest數(shù)據(jù)包丟棄。

1.2 傳統(tǒng)轉發(fā)策略

目前，廣泛應用在物聯(lián)網(wǎng)的NDN轉發(fā)策略為基于盲洪泛路由算法的法定向擴散NDN策略(Directed Diffusion-NDN,DD-NDN)[11-12]。其轉發(fā)策略的基本步驟為：

1) 匯聚節(jié)點無目的(即盲轉發(fā)方式)地將Interest報文廣播到其覆蓋范圍內的所有傳感器節(jié)點。當節(jié)點收到Interest報文時，啟動計時器功能，若接收節(jié)點在計時器設定范圍內沒有從鄰節(jié)點偵聽到相同的Interest報文，則將該報文轉發(fā)，否則將丟棄該報文。

2) 當Interest報文到達內容的提供方時，返回的Data報文將包含一個附加字段，該字段攜帶轉發(fā)Data報文的節(jié)點的標識符ID，該ID將存儲在一個名為下一跳表(Next Hop Table,NHT)的表中。

3) 在盲轉發(fā)階段之后，當匯聚節(jié)點在發(fā)送另一個Interest報文之前，首先檢查NHT中是否存在可能的下一跳。若存在匹配項，則將Interest報文中包含該ID，且只具有該ID的節(jié)點才能轉發(fā)該Interest報文；否則DD-NDN協(xié)議將回退到盲轉發(fā)算法。

分析傳統(tǒng)DD-NDN算法可知，由于引入了NHT，該方案最大限度地減少了參與轉發(fā)過程的節(jié)點數(shù)量。傳統(tǒng)DD-NDN轉發(fā)方法忽略了周期性數(shù)據(jù)向通信節(jié)點發(fā)送的情形。此外，由于隨著物聯(lián)網(wǎng)中通信節(jié)點和數(shù)據(jù)量的增大，使用盲洪泛法將顯著增加網(wǎng)絡能耗，不利于延長其整體生命周期[13]。

2 方法設計

2.1 應用場景

考慮如下部署物聯(lián)網(wǎng)以監(jiān)測物理設備或外部環(huán)境的應用場景：監(jiān)控區(qū)域可以是單個的建筑物甚至整個智能城市，被監(jiān)測的對象包含有自動化系統(tǒng)以控制相關參數(shù)(如溫度、濕度、能耗等)。傳感器節(jié)點通過采集控制目標的狀態(tài)生成傳感數(shù)據(jù)。

為不失一般性，設傳感器網(wǎng)絡中部署的接收器的數(shù)量為n，滿足n∈{1,2,…,N}。實際工程中，傳感器和接收器之間將采用兩種傳輸模式：

1) 基于推送(push)的模式(第一種傳輸模式)：傳感器節(jié)點周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，而不從接收器接收先前的顯式Interest報文。

2) 基于拉動(pull)的模式(第二種傳輸模式)：接收器可以發(fā)出Interest報文以查詢特定參數(shù)的相關數(shù)據(jù)。

此外，設傳感器節(jié)點是靜止的，其位置以及匯聚節(jié)點的位置是已知的。

2.2 考慮空間與能量信息的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)轉發(fā)策略

物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的典型工作模式是將數(shù)據(jù)從多個傳感器節(jié)點(即數(shù)據(jù)源)發(fā)送到接收器，而不是在任何一對節(jié)點之間進行通信。而NDN中不依賴于地址的通信模式自然適合于以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)。實際上，如前述分析，NDN通信模型自然支持pull模式的通信傳輸方式，即除非請求節(jié)點明確發(fā)送Interest報文以請求相關Data報文，否則傳感器節(jié)點不會主動發(fā)送數(shù)據(jù)。此種傳輸模式雖然能夠顯著減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸量以延長物聯(lián)網(wǎng)的生命周期，但由于傳感器節(jié)點無法主動上報數(shù)據(jù)，故傳統(tǒng)DD-NDN轉發(fā)策略不能支持各種高級應用，如狀態(tài)信息更改上報或緊急情況預警等。然而，若使NDN網(wǎng)絡支持push傳輸模式，則會帶來數(shù)據(jù)量上升和網(wǎng)絡能耗過大的缺陷。因此，本文設計了一種考慮鄰節(jié)點空間信息和能量信息的改進NDN轉發(fā)策略，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高效轉發(fā)，NDN網(wǎng)絡支持采用push傳輸模式的如下兩個應用目標：

1) 傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)浇邮掌鞴?jié)點，而無須事先發(fā)送Interest報文；

2) 傳感器節(jié)點通知其對匯聚節(jié)點的存在。

2.2.1轉發(fā)策略總體設計

本文采用具有能量意識的貪婪轉發(fā)策略將消息傳輸?shù)絻热菡埱蠓健＞唧w內容為：匯聚節(jié)點覆蓋范圍內的鄰節(jié)點通過發(fā)送“Hello包”的方式來發(fā)送該節(jié)點的身份、位置和剩余能量信息。為最小化網(wǎng)絡擁塞，“Hello包”的發(fā)送僅在鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)階段進行一次。此后，每個傳感器節(jié)點將使用發(fā)現(xiàn)階段中基于push的Interest報文將其坐標和對應生成的數(shù)據(jù)類型發(fā)送到接收器節(jié)點。最后，本文轉發(fā)策略中的每個節(jié)點都擁有自己的鄰節(jié)點和數(shù)據(jù)源節(jié)點列表。每當一個接收節(jié)點請求特定數(shù)據(jù)內容時，本文轉發(fā)策略總是試圖尋找與該接收節(jié)點最近的、剩余能量更大的鄰居，并將該Data報文通過該節(jié)點轉發(fā)，此過程稱為數(shù)據(jù)交換階段。為保持最低功耗的同時維持每個節(jié)點的鄰節(jié)點列表動態(tài)更新，在傳感器節(jié)點傳輸Data報文時附加該節(jié)點的能量信息，而不是在鄰節(jié)點之間定期交換。

綜上，本文轉發(fā)策略包含以下4個環(huán)節(jié)：1) 數(shù)據(jù)命名；2) 鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)；3) 數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)現(xiàn)；4) 數(shù)據(jù)交換。

2.2.2數(shù)據(jù)命名方案

作為NDN通信技術中最重要環(huán)節(jié)之一，數(shù)據(jù)命名方案的優(yōu)劣性直接影響了路由轉發(fā)策略的性能。因此，數(shù)據(jù)命名方案必須準確地描述數(shù)據(jù)傳感任務，即：1) 完全表達自己所需信息的接收器；2) 用于準確描述傳感數(shù)據(jù)的傳感器。數(shù)據(jù)命名方案包含兩個環(huán)節(jié)：

1) 數(shù)據(jù)源節(jié)點的命名方案。數(shù)據(jù)源節(jié)點的命名規(guī)則如下所示：

/匯聚節(jié)點ID/位置/數(shù)據(jù)源節(jié)點坐標/數(shù)據(jù)前綴

其中：

匯聚節(jié)點ID——數(shù)據(jù)源節(jié)點返回作為對Interest報文響應的Data報文的前綴。

位置——傳感器所在的地理區(qū)域標識符，可采用GPS坐標、邏輯名稱等進行唯一性標識。例如，在建筑物中，房間可以具有特定的唯一名稱，例如room10或area-5。

數(shù)據(jù)源節(jié)點坐標——數(shù)據(jù)源節(jié)點的地理坐標標識符。

數(shù)據(jù)前綴——數(shù)據(jù)源節(jié)點從接收器接收Interest報文時響應的數(shù)據(jù)名稱。

例如，當為特定區(qū)域area-1溫度監(jiān)測的傳感器想要宣告其數(shù)據(jù)內容存在于宿源(即匯聚節(jié)點)S0時，將發(fā)送如下數(shù)據(jù)包：

/S0/AREA1/X/Y/Z//area1/temperature

2) 數(shù)據(jù)交換的命名方案。圖3(a)和(b)分別為push和pull傳輸模式下數(shù)據(jù)源節(jié)點和接收器之間的數(shù)據(jù)交換過程。根據(jù)2.1節(jié)所述的數(shù)據(jù)傳輸方式，需要定義兩種不同的命名方案。

(a) 基于拉動的數(shù)據(jù) (b) 基于推送的數(shù)據(jù)圖3 數(shù)據(jù)包在消費者(C)和生產者(P)之間的流動

push模式：此種模式下，傳感器通過將特定的Interest報文推送到匯聚節(jié)點來自動傳播收集數(shù)據(jù)。命名方案設計如下：

/位置/類型/接收器坐標/數(shù)據(jù)

其中：類型指的是傳感任務的名稱，例如溫度、濕度等。

pull模式：此種模式下，傳感器在收到Interest報文前不會主動發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)。命名方案設計如下：

/位置/類型/數(shù)據(jù)源節(jié)點坐標

2.2.3鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)機制設計

在鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)階段，每個節(jié)點將僅用于交換位置和剩余能量信息的“Hello包”廣播到其鄰節(jié)點。該交換過程僅作為配置并存儲鄰節(jié)點信息的列表的第一步且僅進行一次，創(chuàng)建的鄰節(jié)點列表包含以下字段：鄰節(jié)點ID、位置和剩余能量。為此，“Hello包”對應的Interest報文需添加兩個名為Interest REnergy和Interest SenderID的新字段，從而收集鄰節(jié)點的剩余能量信息。

圖4為“Hello包”的廣播流程。節(jié)點A希望通過發(fā)送一個限制為1跳(可由特殊字段進行制定)的“Hello包”向其鄰點宣告其存在，該數(shù)據(jù)包包含其ID、位置和剩余能量。收到該數(shù)據(jù)包的每個節(jié)點將在其配置的鄰節(jié)點列表中創(chuàng)建包含節(jié)點A的相關信息的條目。

圖4 Hello數(shù)據(jù)包廣播

為最大限度地降低功耗，所設計的轉發(fā)策略將不定期廣播“Hello包”，如果節(jié)點收到Interest報文，且此報文發(fā)送者ID與鄰節(jié)點列表中任何條目都不對應，或傳感器將Interest報文推送到接收器且鄰節(jié)點列表為空時，該節(jié)點將啟動鄰居發(fā)現(xiàn)機制。

如圖5所示，節(jié)點B將Interest報文傳輸?shù)狡鋫鬏敺秶鷥鹊乃泄?jié)點(如節(jié)點A和節(jié)點G)。若節(jié)點A發(fā)現(xiàn)節(jié)點B為在其鄰節(jié)點列表中列出，節(jié)點A將廣播“Hello包”而接收該包的每個節(jié)點將驗證節(jié)點A的信息是否在鄰節(jié)點列表中列出。若“Hello包”發(fā)送方的ID已存在于接收節(jié)點的鄰節(jié)點表中，則該數(shù)據(jù)包將被忽略；否則該節(jié)點將繼續(xù)向鄰節(jié)點廣播“Hello包”。上述過程表示在圖6中，其中節(jié)點B接收節(jié)點A的“Hello包”，驗證得知節(jié)點A的ID并未在其鄰節(jié)點列表中列出，故而節(jié)點B發(fā)送“Hello包”以宣告其存在于節(jié)點A中。

圖5 接收來自未知鄰點的興趣

圖6 來自節(jié)點A的Hello數(shù)據(jù)包廣播和回復

2.2.4數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)現(xiàn)機制設計

傳統(tǒng)基于盲洪泛算法的DD-NDN路由轉發(fā)策略顯然存在網(wǎng)絡能耗過高的缺點，故采用基于push的Interest報文傳輸模式使數(shù)據(jù)源節(jié)點向接收器節(jié)點宣布其存在。當鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程完成后，每個節(jié)點都有關于其鄰節(jié)點的信息列表，此時數(shù)據(jù)源節(jié)點會向接收器發(fā)送Interest報文，以貪婪轉發(fā)的方式通知其位置和數(shù)據(jù)內容，而接收器則將數(shù)據(jù)越節(jié)點發(fā)送的信息存儲在一個名為Producers的列表中。

圖7為數(shù)據(jù)源節(jié)點的發(fā)現(xiàn)過程，其中節(jié)點P想要將其數(shù)據(jù)前綴告知宿節(jié)點(S0)。節(jié)點P將數(shù)據(jù)前綴通知宿節(jié)點S0，它發(fā)送一個下一跳ID的Interest報文，下一跳節(jié)點采用類似的轉發(fā)過程最終傳輸?shù)絽R聚節(jié)點S0，在S0存儲在Producers列表中。

圖7 數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程

2.2.5數(shù)據(jù)交換機制設計

在預設的靜態(tài)物聯(lián)網(wǎng)場景中，一旦數(shù)據(jù)源節(jié)點將其信息傳輸?shù)浇邮掌鳎阌|發(fā)數(shù)據(jù)查詢過程。如圖8所示，為減少通信過程涉及到的節(jié)點數(shù)量，接收器首先選擇與之空間距離最近的數(shù)據(jù)源節(jié)點，然后通過選擇滿足特定條件的鄰節(jié)點來發(fā)送Interest報文。當傳感器節(jié)點接收到Interest報文時，它執(zhí)行下一跳檢查以驗證它是否被選擇為轉發(fā)器。若節(jié)點不是預期的轉發(fā)器，則丟棄該Interest報文。反之，如果選擇傳感器節(jié)點作為轉發(fā)器，則檢查Interest報文請求的數(shù)據(jù)內容，如果收到的Interest報文是pull模式，則轉發(fā)過程繼續(xù)；如果Interest報文是push模式，則從報文中提取數(shù)據(jù)，并在繼續(xù)轉發(fā)過程之前將其添加到內容存儲庫CS中。

圖8 Interest報文處理過程

圖9為節(jié)點A向節(jié)點D發(fā)送Interest報文的過程。考慮到節(jié)點B是A的所有鄰點中與D最近的節(jié)點，為支持更高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)并平衡通信節(jié)點之間的能耗，轉發(fā)節(jié)點的選擇應綜合考慮通信節(jié)點之間的空間距離與能耗，選擇的判據(jù)為如下目標函數(shù)取最大值：

(1)

式中：Ji為第i個候選轉發(fā)節(jié)點的目標函數(shù)值；β∈[0,1]為權重系數(shù)；Ei和Eini分別為第i個候選節(jié)點的剩余能量和節(jié)點初始剩余能量；LΣ分別為接收節(jié)點與數(shù)據(jù)源節(jié)點之間的總距離；Lio為第i個候選轉發(fā)節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離。顯然，β接近于0時，更靠近接收節(jié)點的節(jié)點被選擇轉發(fā)Interest報文的概率更高。隨著β的增加，節(jié)點剩余能量在傳輸節(jié)點的選擇中將發(fā)揮更大的作用，從而有助于降低網(wǎng)絡能耗。

圖9 貪婪轉發(fā)示例

為更好地解釋所提的轉發(fā)方案，考慮如圖10所示的示例，接收節(jié)點C具有如表1所示的鄰節(jié)點列表。

圖10 Interest報文轉發(fā)過程

表1 接收節(jié)點鄰節(jié)點列表

令Eini=10 J，LΣ=25 m，β=0.7，根據(jù)式(1)，F(xiàn)A=0.32，F(xiàn)B=0.412，故而選擇節(jié)點A作為轉發(fā)器，然后C廣播一個包含所選轉發(fā)節(jié)點ID的Interest報文，名稱格式為：

/room1/temperature/Producer Coordinates

當節(jié)點A收到Interest報文時，它將檢查下一跳是否與其ID相對應。若不是，Interest報文將被丟棄；否則，A將驗證數(shù)據(jù)報文類型并將其轉發(fā)到下一跳。如果C沒有聽到相同的Interest報文，節(jié)點A的ID將從C的鄰節(jié)點表中刪除，并且將重新傳輸Interest報文。

3 仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境

在NDNSim仿真環(huán)境下進行實驗，為驗證提出的轉發(fā)策略的可行性與優(yōu)越性，將其與文獻[12]提出的DD-NDN轉發(fā)策略進行對比。同時設置兩個場景進行適應性分析，如圖11所示，場景1中N個傳感器節(jié)點分布在500 m×500 m的晶格拓撲上，而場景2中，傳感器節(jié)點通過均勻分布隨機部署，接收節(jié)點則位于拓撲的中間。仿真參數(shù)如表2所示，仿真結果以20次獨立運行結果的平均值為準。

(a) 晶格拓撲 (b) 隨機拓撲圖11 網(wǎng)絡拓撲

表2 模擬參數(shù)

續(xù)表2

設匯聚節(jié)點定期發(fā)送特定任務的Interest報文，間隔時間為60 s。為了評估仿真中的能耗，采用如下能耗模型[14]。

發(fā)送過程能耗：

(2)

接收過程能耗：

REi=αelek

(3)

式中：TEi,j為節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)送一個k比特數(shù)據(jù)包所消耗的能量；αele表示節(jié)點接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時電路單位比特耗能，取αele=50 μJ/bit；αamp為發(fā)送節(jié)點放大器所消耗能量系數(shù)，取αamp=100 pJ/(bit·m2)。

為衡量轉發(fā)策略的優(yōu)劣性，選用文獻[15]中的5個性能指標進行評估：

1) 網(wǎng)絡能量消耗——傳感器節(jié)點的總功耗；

2) 網(wǎng)絡生命周期——第一個傳感器節(jié)點剩余能量為0時網(wǎng)絡的運行時長；

3) 丟包數(shù)——丟棄的Interest報文和Data報文的總數(shù)；

4) 跳數(shù)——接收節(jié)點和數(shù)據(jù)源節(jié)點之間必須通過的中間節(jié)點數(shù)；

5) 數(shù)據(jù)檢索延遲——接收節(jié)點發(fā)送Interest報文到數(shù)據(jù)源節(jié)點返回Data報文的時間。

3.2 仿真結果與討論

3.2.1跳數(shù)、數(shù)據(jù)檢索延遲和丟包性能

圖12和圖13為晶格拓撲網(wǎng)絡和隨機拓撲網(wǎng)絡下匯聚節(jié)點數(shù)量為1和4時，節(jié)點總數(shù)量從60變化到120時平均跳數(shù)的變化情況。結果表明，本文轉發(fā)策略比DD-NDN的平均跳數(shù)至少下降了11.11%。類似地，圖14和圖15為相同仿真條件下的平均檢索延遲隨監(jiān)測任務數(shù)量的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，本文轉發(fā)策略相較于DD-NDN方案縮短了20.40%以上。由于本文轉發(fā)策略在每一跳轉發(fā)節(jié)點的選擇上都選擇更靠近接收節(jié)點的鄰節(jié)點，故而在跳數(shù)和檢索延遲上具有更明顯的優(yōu)勢。

圖12 晶格網(wǎng)絡拓撲下平均跳數(shù)

圖13 隨機網(wǎng)絡拓撲下平均跳數(shù)

圖14 晶格拓撲中的平均檢索延遲

圖15 隨機拓撲中的平均檢索延遲

此外，圖16和圖17為兩種轉發(fā)策略下，兩個網(wǎng)絡拓撲場景的丟包數(shù)量隨監(jiān)測任務數(shù)量的變化情況。可以看出，當監(jiān)測任務從1變化到16時，本文轉發(fā)策略的丟包數(shù)增幅較DD-NDN轉發(fā)策略慢82.14%以上。結果表明，本文方案在數(shù)據(jù)包從源到目的節(jié)點的傳輸過程具有更高的可靠性。

圖16 晶格網(wǎng)絡拓撲下丟包數(shù)

圖17 隨機網(wǎng)絡拓撲下丟包數(shù)

3.2.2網(wǎng)絡能耗與生命周期性能

圖18-圖21為不同網(wǎng)絡拓撲所提轉發(fā)策略和DD-NDN轉發(fā)策略在網(wǎng)絡能耗與網(wǎng)絡生命周期方面的性能隨著監(jiān)測任務數(shù)量的變化趨勢。顯然，更多的監(jiān)測任務需要傳輸更多的Interest報文和Data報文，即網(wǎng)絡能耗和監(jiān)測任務數(shù)量呈正相關的關系。當任務量由1增加到16時，本文轉發(fā)策略的網(wǎng)絡能耗增幅比DD-NDN轉發(fā)策略下降了72.97%以上，而網(wǎng)絡生命周期則延長了24.14%以上。這說明，與DD-NDN相比，本文轉發(fā)策略在總能耗和網(wǎng)絡壽命方面具有更好的性能。

圖18 晶格拓撲中總能耗

圖19 晶格拓撲中的網(wǎng)絡生命周期

圖20 晶格拓撲中總能耗

圖21 隨機拓撲中的網(wǎng)絡生命周期

4 結 語

傳統(tǒng)的基于定向擴散的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(DD-NDN)轉發(fā)策略未考慮數(shù)據(jù)轉發(fā)過程中的網(wǎng)絡能耗問題，不能完全適用于能量受限的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)傳輸。因此，本文提出了考慮鄰節(jié)點能量和空間信息的改進物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)轉發(fā)策略，其在數(shù)據(jù)檢索效率、傳輸可靠性、網(wǎng)

絡能耗與網(wǎng)絡生命周期方面具有更好的性能。未來將進一步考慮節(jié)點的移動、休眠等更為實際的場景下的數(shù)據(jù)轉發(fā)策略研究。