基于哈希算法的工業互聯網低功耗數據鏈時隙分配系統

馬孟

（鄭州機動車質量監測認證技術研究中心有限公司，河南鄭州 451450）

工業互聯網可以將人、機、物、系統等多個對象連接起來，構建全面服務體系，既實現了數字化工業的全面推進，也為互聯網應用技術的發展提供了保障[1]。隨著工業互聯網的日益復雜化，低功耗數據鏈路體系內信息樣本的傳輸能力受到嚴重影響，使得網絡主機對數據參量的配準能力出現明顯下降。基于偽隨機序列加擾法的導頻分配方法，統計數據信息流量的傳輸水平，不能將平臺主機對數據樣本的接收吞吐量維持在較高水平，因此在提升工業互聯網數據鏈路體系對傳輸信息配準能力方面的作用效果并不能滿足實際應用需求[2]。

哈希函數是以哈希表為基礎構建的散列函數，能夠把任意長度的輸入參量變換成固定長度的輸出參量，該輸出參量即為散列值指標。對于哈希函數的轉換思想，可以理解為壓縮映射關系，即控制散列值空間常量，使其數值水平遠小于空間常量標準值[3]。由于數據樣本輸出值并不唯一，哈希函數很難通過散列值指標判斷輸出信息的可靠性。面對大數據網絡空間，求解哈希函數表達式，還需確定散列值指標與標準輸出參量指標之間的數值映射關系[4]。計算得出的散列值指標，只能對應一個輸出數據，因此哈希函數表達式具有較強的獨立性與完整性。為此，設計基于哈希算法的工業互聯網低功耗數據鏈時隙分配系統。

1 哈希算法

1.1 壓縮函數

壓縮函數決定了哈希算法對于數據信息樣本的處理能力。在工業互聯網環境中，主機元件對低功耗數據鏈時隙系數的調節遵循哈希算法原則。在求解壓縮函數表達式時，應對數據信息樣本傳輸參量分別取值。壓縮意在縮短哈希算法表達式的編碼長度，在數據樣本存儲量較大的情況下，哈希算法表達式越短，其對信息參量的編碼能力越強[5-6]。

由于壓縮函數表達式必須匹配哈希算法編碼原則，為避免平臺主機對數據樣本的接收能力受到影響，待處理數據參量不能在同一時間全部輸入工業互聯網低功耗數據鏈路體系。

1.2 海綿結構

海綿結構是哈希算法的主體編碼部分，由數據吸入、數據擠出兩個階段組成，為適應低功耗數據鏈路對于時隙指標的分配需求，數據樣本首先經過吸入流程，再經過擠出流程，得到工業互聯網主機所需的壓縮輸出結果，兩個處理階段對數據樣本的編碼都滿足同一壓縮函數表達式[7-8]。

設g1,g2,…,gn表示n個待編碼的工業互聯網數據樣本，且取值恒不等于自然數零，f表示數據吸入條件，χ表示數據基礎條件，α表示時隙指標賦值系數。在上述物理量的支持下，可將基于哈希算法的海綿結構定義式為：

在工業互聯網低功耗數據鏈路體系內，海綿結構直接對數據信息樣本編碼處理，隨著樣本輸入值改變，輸出結果的數值水平不斷變化。

2 數據鏈時隙分配系統執行方案

2.1 匯接控制器

匯接控制器負責對工業互聯網低功耗數據鏈路體系內暫存的信息樣本分揀，在保證時隙分配標準的前提下，實現對數據參量的存儲處理，解決平臺主機對數據樣本接收吞吐量不足的問題[9]。在匯接控制器元件內，每一個低功耗數據鏈路時隙指標都對應一個獨立的配值結果，即使在數據樣本量非常龐大的情況下，工業互聯網主機也會通過擴充數據庫容量的方式，保障時隙指標與配值結果之間的單一對應關系。

在工業互聯網主機IP 地址保持恒定的情況下，匯接控制器通過更改時隙指標賦值的方式，調整數據信息樣本的配準輸出結果，但整個調整過程中，任何數據參量的調節與運算必須滿足哈希算法原則[10]。為使海綿結構能夠對工業互聯網低功耗數據鏈路內的傳輸信息樣本準確編碼，在設置匯接控制器元件時，要求互聯網主機內不能出現兩個完全一致的時隙指標配值結果。

2.2 數據循環結構

數據循環結構借助TDMA 信道接入工業互聯網體系，可以通過調節低功耗數據鏈路的方式，完成對系統時隙參量的分配處理。哈希算法作用下，TDMA信道對低功耗數據鏈時隙的分配，要求數據樣本的單位傳輸流量不得超過工業互聯網體系的額定承載能力，所以數據循環結構在處理信息樣本時，必須對所涉及數據參量實施首尾相連的壓縮處理[11-12]。循環中心是圓形數據循環結構的圓心所在位置，數據循環結構由內圓、外圓兩部分共同組成，所以其中心所在節點必須完全重合。數據循環結構布局形式如圖1所示。

圖1 數據循環結構布局形式

為避免信息樣本在工業互聯網低功耗數據鏈路中出現錯序傳輸行為，循環結構內的數據傳輸方向必須保持一致（圖1 中的數據傳輸方向k1—k2—……—kn）。

2.3 靜態時隙分配

靜態時隙分配是指工業互聯網主機靜態分配低功耗數據鏈路內的時隙指標，在匯接控制器、數據循環結構的作用下，靜態時隙指標的取值占比越大，表示低功耗數據鏈路對于工業互聯網信息樣本的靜態傳輸能力越強。由于分配系統主機的運行狀態受到哈希算法的直接約束，靜態時隙分配結果取值不具備無限增大的能力[13-14]。

設i1表示信息樣本在低功耗數據鏈路內的靜態分配系數，Y1表示數據樣本的靜態單位傳輸量，e1表示時隙指標的靜態累積量。在上述物理量的支持下，可將靜態時隙分配表達式定義為：

其中，ΔT表示靜態時隙通路的單位開放時長，?表示靜態數據配比參量。考慮到工業互聯網低功耗數據鏈路的閉合時長有限，所以ΔT指標的取值不宜過大。

2.4 動態時隙交換

動態時隙交換指工業互聯網主機動態交換低功耗數據鏈路內的時隙指標[15]。與靜態時隙分配原則相比，動態時隙交換對匯接控制器、數據循環結構之間配合程度的要求更高。在哈希算法作用下，只有工業互聯網信道未被完全占據，才能確保數據信息樣本由初始寄存節點傳輸至目標分配節點[16]。

設w表示動態數據配比參量，i2表示信息樣本在低功耗數據鏈路內的動態分配系數，Y2表示數據樣本的動態單位傳輸量，e2表示時隙指標的動態累積量。將動態時隙交換表達式定義為：

由于靜態時隙分配原則、動態時隙交換原則對于工業互聯網低功耗數據鏈時隙指標的影響能力不同，所以P1、P2指標的計算取值為P1≠P2。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗準備

利用EH-OS-M19 主機建立兩個長度、頻率、時延量都完全相等的報文隊列，其中一個隊列用于負載實驗組數據樣本，另一個隊列用于負載對照組數據樣本。將篩選出的工業互聯網主機報文分別輸入實驗組、對照組報文隊列中，再借助DS-96128NH24/I 鏈路主機篩選數據樣本，直至輸出數據信息能夠滿足統一的數據鏈路時隙分配原則，具體實驗原理如圖2 所示。

圖2 實驗原理

該次實驗所采用實驗設備的具體型號如表1所示。

表1 實驗設備型號

為保證實驗結果的公平性，實驗組、對照組使用的實驗設備完全一致。

3.2 實驗步驟

該次實驗的具體實施流程如下：

步驟一：選擇基于哈希算法[17-19]的工業互聯網低功耗數據鏈時隙分配系統作為實驗組處理技術，利用該系統控制DS-96128N-H24/I 主機，使得主機元件能夠準確記錄EH-OS-M19 設備對于數據樣本的接收吞吐量，所得數據記為實驗組變量；

步驟二：選擇基于偽隨機序列加擾法的導頻分配系統作為對照組處理技術，利用該系統控制DS-96128N-H24/I 主機，使得主機元件能夠準確記錄EH-OS-M19 設備對于數據樣本的接收吞吐量，所得數據記為對照組變量；

步驟三：對比實驗組、對照組變量數據，總結實驗規律。

3.3 實驗結果

平臺主機對數據樣本的接收吞吐量可以描述工業互聯網數據鏈路體系對傳輸信息的配準能力，在報文隊列保持完整的情況下，平臺主機對數據樣本的接收吞吐量越大，工業互聯網數據鏈路體系對傳輸信息的配準能力越強。

圖3 反映了實驗組、對照組接收吞吐量指標的數值變化情況。

圖3 接收吞吐量

分析圖3 可知，隨著工業互聯網時延水平增大，平臺主機對數據樣本的理想接收吞吐量始終保持相對穩定的數值狀態，其穩定數值為8.5×1010MB/s。當工業互聯網時延等于1 s 時，實驗組平臺主機對于數據樣本的接收吞吐量為8.4×1010MB/s，小于理想數值；當工業互聯網時延處于2～5 s 內，實驗組平臺主機對于數據樣本的接收吞吐量始終保持為8.8×1010MB/s，與理想數值相比，增大了0.3×1010MB/s。整個實驗過程中，對照組平臺主機對于數據樣本的接收吞吐量始終保持不斷增大的變化態勢，當工業互聯網時延等于5 s 時，對照組吞吐量達到最大值7.8×1010MB/s，與理想數值相比，下降了0.7×1010MB/s，且低于實驗組最大值水平。

綜上可知，在基于哈希算法的工業互聯網低功耗數據鏈時隙分配系統的作用下，平臺主機提高了數據樣本的接收吞吐量水平。在提升工業互聯網數據鏈路體系對傳輸信息的配準能力方面，具有較為突出的作用。

4 結束語

該文設計的工業互聯網低功耗數據鏈時隙分配系統，在現有研究的基礎上聯合哈希算法，建立壓縮函數，通過約束海綿結構作用能力，聯合匯接控制器、數據循環結構，實現靜態時隙分配與動態時隙分配。測試結果表明，設計系統應用后，提升了工業物聯網平臺主機對數據樣本的接收吞吐量水平，對增強工業互聯網數據鏈路體系對傳輸信息的配準能力具有明顯促進作用。