趙英姿

有損網(wǎng)絡(luò)中基于計時器的節(jié)點故障檢測模型研究

趙英姿

當(dāng)前大多數(shù)不可靠故障檢測器利用可靠的通信鏈路來通知完全連通網(wǎng)絡(luò)中的故障，且在部署時沒有考慮能量、存儲和帶寬方面的資源約束，不適用于有損網(wǎng)絡(luò)。基于此，提出一種低功耗有損網(wǎng)絡(luò)故障檢測模型ALLONE。該模型在考慮無線鏈路間歇性故障的條件下，利用自適應(yīng)計時器實現(xiàn)節(jié)點故障檢測。此外，提出兩種計時器調(diào)整技術(shù)，實現(xiàn)多應(yīng)用場景下ALLONE的運行性能調(diào)整。在Omnet++/Mixim框架下對模型和方法進(jìn)行評估。仿真結(jié)果表明，與其他方法相比，其方法提高了故障檢測和恢復(fù)率，降低了報文丟失率和故障陽性檢測率，沒有增加能耗開銷。

故障檢測；有損網(wǎng)絡(luò)；資源約束；計時器

0 引言

不可靠故障檢測器是分布式系統(tǒng)的一個重要服務(wù)。Chandra和Toueg等人[1]闡述了故障檢測的重要意義，將故障檢測器定義為每個進(jìn)程的啟示程序（Oracle），可定期提供一個可能已經(jīng)發(fā)生故障的進(jìn)程列表。王明等[2]提出一種自適應(yīng)心跳檢測器（SA-HD，Self-Adaptive Heartbeat Detector）。SA-HD采用了基于拉式（pull）的自適應(yīng)心跳算法，在考慮故障檢測性能的同時也考慮了心跳檢測所占用的網(wǎng)絡(luò)資源對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。饒翔等[3]提出一種基于故障注入測試的故障特征提取方法，該方法主要由3步組成：（1）過濾噪聲日志；（2）構(gòu)造1個故障識別器識別不同故障的早期特征；（3）為每類故障構(gòu)造限狀態(tài)追蹤器追蹤該故障的后期傳播狀態(tài)，從而在故障被識別出來后持續(xù)跟蹤故障傳播狀態(tài)。文獻(xiàn)[4]針對現(xiàn)有方法在滿足網(wǎng)格特定需求方面的缺陷，提出設(shè)計動態(tài)自適應(yīng)故障檢測服務(wù)的手段，通過對分布式系統(tǒng)中已有動態(tài)自適應(yīng)故障服務(wù)的分析，設(shè)計了解決的辦法。然而，上述檢測方案大多假設(shè)通過一種機制，利用可靠的通信鏈路來通知完全連通網(wǎng)絡(luò)中的故障。另外，檢測器在部署時也沒有考慮能量、存儲和帶寬方面的資源約束。因此，不適用于有損網(wǎng)絡(luò)。為此，本文重點研究MANET、MESH和WSN等低功耗有損網(wǎng)絡(luò)（LLN）的故障檢測問題。旨在改進(jìn)LLN的故障檢測模式，并提出一種新的故障檢測器ALLONE（低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)故障檢測器）。在考慮無線鏈路間歇性故障的情況下，利用自適應(yīng)計時器實現(xiàn)節(jié)點故障檢測。進(jìn)程故障的檢測只基于節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的本地感知，與全局信息交換無關(guān)。被交換的疑似故障列表捎帶到LLN應(yīng)用的周期性數(shù)據(jù)報文中?；贠mnet++/Mixim展開仿真實驗，評估本文方法的檢測和精度性能。結(jié)果表明，與其他方法相比，本文方法提高了故障檢測和恢復(fù)率，降低了報文丟失率和故障陽性檢測率，而且并沒有增加能耗開銷。

1 問題分析

設(shè)一個系統(tǒng)包括兩個進(jìn)程：進(jìn)程Pj必須周期性地向Pi發(fā)送數(shù)據(jù)報文。首先假設(shè)鏈路可靠性較高，這意味著在正常進(jìn)程間傳播的報文總是能被正確傳輸。故障檢測時間（Tj）定義為：如果Tj在接收到期望報文前到期，則Pi懷疑Pj故障。根據(jù)應(yīng)用參數(shù)（比如周期性發(fā)送間隔，傳輸延時等），可對Tj數(shù)值初始化。

然而，如果除了進(jìn)程故障外還有可能發(fā)生報文丟棄和鏈路故障，則上述情況將會不同。實際上，就上述Tj而言，當(dāng)Pj仍在正常運行但由于間歇性故障（有損鏈路、擁塞等）導(dǎo)致報文丟失時，Pi便有可能出錯。此外，在整個網(wǎng)絡(luò)壽命期間，報文丟失模式也不穩(wěn)定。隨著障礙物、地理特征、抑制、部署和機動性不同，上述情況也會發(fā)生變化。為此，本文根據(jù)Pj的動態(tài)有損模式來更新Tj。此外，如果網(wǎng)絡(luò)包括2個以上進(jìn)程，則每個節(jié)點的故障檢測器必須在本地檢測出故障，然后將故障情況通知給其他相鄰節(jié)點。所支持的機制必須考慮能耗、帶寬和存儲空間等資源約束。實際上，通知故障情況會導(dǎo)致額外能耗和網(wǎng)絡(luò)流量。

本文研究基于直接相鄰節(jié)點間本地交互的自適應(yīng)性計時器使用問題。利用一種隨機策略，在考慮丟失率、鏈路狀態(tài)和傳輸時延等因素的情況下確定計時器T 。該計時器是在兩個連續(xù)相鄰節(jié)點間而不是任意一對節(jié)點間定義，這樣可以提高T 數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。此時T數(shù)值取決于本地可預(yù)測的傳輸延時，且不需要知道整個系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。本地故障懷疑信息將在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。每個進(jìn)程可以查詢一個故障檢測模塊，且該模塊可以提供信息明確其相鄰節(jié)點中哪些進(jìn)程發(fā)生故障。這一信息的格式往往是疑似故障的列表形式。利用相鄰區(qū)域交互，將該列表捎帶進(jìn)周期性數(shù)據(jù)報文中，可避免使用專門信令報文導(dǎo)致的額外開銷。

2 系統(tǒng)模型

2.1 故障模型

假設(shè)進(jìn)程有可能發(fā)生故障。此外，相鄰節(jié)點間的鏈路為有損鏈路：在傳輸過程中報文可能會丟失。這往往是由傳輸鏈路故障導(dǎo)致，這些傳輸鏈路故障往往是間歇性故障。因此，如果進(jìn)程沒有成功發(fā)送部分報文，則這一報文丟失現(xiàn)象定義為間歇性故障。然而，如果進(jìn)程故障，則進(jìn)程永遠(yuǎn)不再屬于網(wǎng)絡(luò)，并且要把這一情況告知所有相鄰節(jié)點。于是，即使故障檢測器在鏈路故障時懷疑進(jìn)程故障，則當(dāng)鏈路恢復(fù)時也有能力檢測出錯誤的故障判斷。為了容忍LLN中的間歇性故障，本文使用文獻(xiàn)[5，6]提出的突發(fā)報文丟失模型。連續(xù)報文丟失數(shù)量可表示為BL（突發(fā)長度）變量的幾何分布，該分布明確了處于Bad狀態(tài)（即連續(xù)報文丟失）的時間長度。定義故障檢測器必須能夠容忍的突發(fā)丟失上限（BLL）為：

2.2 數(shù)據(jù)采集模型

考慮基于周期性報文傳輸?shù)膬煞N通信模型：檢索驅(qū)動和時間驅(qū)動。其中，檢索驅(qū)動模型又稱為檢索響應(yīng)路由模型，以網(wǎng)絡(luò)偵詢?yōu)榛A(chǔ)，進(jìn)程依次向所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（相鄰節(jié)點）發(fā)起查詢。目的進(jìn)程在協(xié)議參數(shù)事先定義好的時間間隔內(nèi)做出響應(yīng)。例如，DSR[7]和AODV[8]均為基于查詢的協(xié)議。另一方面，時間驅(qū)動模型使用周期性數(shù)據(jù)傳輸方法。路由協(xié)議為每輪數(shù)據(jù)傳輸定義了一個時間隙或一個時間間隔。許多主動式協(xié)議（例如DSDV[9]、OSR[10])使用時間驅(qū)動模型來構(gòu)建和維護(hù)路由。

3 ALLONE：故障檢測算法

算法根據(jù)通信模型的周期性模式按輪運行。在每一輪中，節(jié)點向其相鄰節(jié)點發(fā)送報文，直到有可能故障為止。本文模型的基本原則是：將疑似故障捎帶進(jìn)當(dāng)前數(shù)據(jù)/路由報文，并?逐Su條s傳p播e信c息t。e因d此i， 將表S示u進(jìn)s程pPeic t包e含其d疑i似 故列障表相加鄰到節(jié)每點個的報列文表中。。進(jìn)程Pi的ALLONE模塊如圖1所示：

圖1 ALLONE模型

它由兩個主要組件（發(fā)送和接收）和一個任務(wù)構(gòu)成：對每個消息MSG，ALLONE檢查MSG是否屬于發(fā)送組件（即Pi 生成的將要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)報文）。如果屬于，則Pi中MSG包含Suspectedi 集合（第4行）。在將信息捎帶處理后，Pi向neighborsi 中的相應(yīng)節(jié)點發(fā)送新的報文?MSGs（第5行）。然后，Pi 為每個正常已知相鄰節(jié)點初始化一個新的計時器，即節(jié)點Pj等待下一報文，計時器為Tj。如果有Tj到期，則Pi懷疑Pj在任務(wù)T1中故障。然后，疑似信息插入Suspected（i第20行）。如果有另一個MSG需要發(fā)送，則該疑似信息包含在下一數(shù)據(jù)報文中。計時器調(diào)度具有動態(tài)特性，取決于網(wǎng)絡(luò)的隨機變化。下一節(jié)將闡述如何調(diào)節(jié)計時器。另一方面，如果Pi接收到來自相鄰節(jié)點Pj 的MSG（第8行），則ALLONE運行第2個組件（即接收組件），根據(jù)接收到的報文中捎帶的的疑似故障集合來更新疑似故障集合。它還努力尋找先前被錯判的疑似故障，以便能從疑似列表中將相應(yīng)節(jié)點去除。首先，Pi將數(shù)據(jù)報文發(fā)送給其應(yīng)用層。然后，檢索相關(guān)信息，即源節(jié)點Pj的集合Suspected（j第11和12行）。因為Pi已經(jīng)成功地從Pj處接收到報文，所以中止計時器? Tj（第13行）。Pi 檢查Pj 在最近是否被懷疑，以便將其從Suspectedj集合中刪除（第14和15行）。此后，Pi 利用接收到的Pj 報文中關(guān)于疑似故障和錯判故障的相關(guān)信息來更新自己的列表。因此，Pi包括Pj通知的每一個疑似故障進(jìn)程。此外，如果Pj通知Pm先前被錯判為疑似故障進(jìn)程，則Pi將Pm 從其Suspectedi 中刪除（第16-18行）。如果Suspectedi 不包括Pm 但后者仍在Suspectedi 列表中，則檢測出錯判。

4 計時器調(diào)整技術(shù)

本節(jié)闡述如何調(diào)度ALLONE中的故障檢測計時器（圖1第7行）。本文提出的計時器T 應(yīng)該在考慮傳輸故障、通信協(xié)議內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特征的條件下進(jìn)行動態(tài)更新。為此，本文提出基于這一機制的兩種計時器調(diào)整方法。第1種方法通知所有故障且虛警率較低，因此，稱為精度感知隨機自適應(yīng)計時器A-SAT。第2種方法以最短時間通知各種進(jìn)程故障以進(jìn)行實時監(jiān)控。很顯然，這可能增加虛警率。然而，該機制的目的是實現(xiàn)實時檢測。于是，本文將其稱為完整性感知隨機自適應(yīng)計時器C-SAT。兩種方法的計時器設(shè)置和更新算法如圖2所示：

圖2 計時器自適應(yīng)算法

在開始時，由于沒有之前的通信過程供我們獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以根據(jù)傳輸間隔和延時的假設(shè)值來設(shè)置首個T值（第1行）。然后，應(yīng)用運行期間利用關(guān)于被接收數(shù)據(jù)報文的有效丟失率來更新T。也就是說，如果錯誤檢測率WDR超過能夠容忍的錯誤檢測率TWR（第2和3行），則T將會增加，其中TWR是用于控制故障檢測器精度的閾值。如果到達(dá)該閾值，則ALLONE必須在通知故障前增加等待時間。然而，如果T允許滿足預(yù)期TWR值，那么若它還沒有達(dá)到預(yù)先定義的可靠性閾值（第4到5行），我們通過降低其數(shù)值來增加故障通知性能。在應(yīng)用中引入是為了明確允許快速檢測時故障檢測器的預(yù)期可靠性。很顯然，算法希望提高檢測速度的同時降低差錯率，如圖3所示。算法性能取決于預(yù)定義參數(shù)及Decrease(T)和 Increase(T)函數(shù)。下面將闡述如何根據(jù)應(yīng)用要求采用不同方式實現(xiàn)時間增加/下降功能。

4.1 精度感知方法(A-SAT)

本文希望通過A-SAT方法，提高故障通知的精確性。這種方法的目的是降低錯判率。為此，使用文獻(xiàn)[11]中的乘性相加加性相減算法（MIAD）。MIAD將計時器數(shù)值的指數(shù)增加特點與線性下降特點融合起來，以滿足故障檢測最低可靠性要求：

假設(shè)故障檢測器已經(jīng)發(fā)生了多起錯誤，于是虛警率超過能夠容忍的閾值（WDR>TWR）。根據(jù)算法如圖3所示：

圖3計時器更新進(jìn)程

我們增加計時器數(shù)值。因為A-SAT希望降低錯誤數(shù)量，所以將計時器乘以以放大其數(shù)值。此外，參數(shù)a取決于程序運行期間觀察到的本地隨機信息，即WDR和TWR。因此，計時器的指數(shù)上升取決于導(dǎo)致其增加的有效虛警率。然而，在decrease(T)函數(shù)中，使用參數(shù)β降低計時器數(shù)值。根據(jù)故障檢測期間的本地通知延時來推導(dǎo)β數(shù)值（通知延時是指故障出現(xiàn)至故障被檢測出來之間的時間）。請注意，如果故障檢測器的可靠性低于可靠性閾值要求，則觸發(fā)decrease(T)函數(shù)。出于簡便考慮，將可靠性定義為正確故障判斷的比例，即1-WDR。通過在控制虛警率時猛烈增加計時器數(shù)值，A-SAT增加其等待時間，以容忍更多的間歇性故障，避免錯誤判斷。每當(dāng)故障檢測率下降時，根據(jù)通知延時的均值來降低計時器數(shù)值，以迅速克服可靠性較低的問題。

4.2 完整性感知(C-SAT)

本文提出完整性感知隨機自適應(yīng)技術(shù)（C-SAT）以實現(xiàn)故障的迅速檢測。目的是迅速通知任何故障。為此，我們使用文獻(xiàn)[11]中的加性增加乘性相減方法（AIMD）。與MIAD方法不同，AIMD融合了計時器的線性上升和指數(shù)性下降特點，如下式所示：

對于AIMD和A-SAT，計時器的增加和下降函數(shù)分別取決于故障通知的可靠性和虛警率。C-SAT猛烈降低計時器數(shù)值來迅速檢測出任何故障。為此，將T與根據(jù)有效虛警率而確定的參數(shù)相乘。做出這種選擇，是因為C-SAT通過降低計時器數(shù)值來迅速檢測出故障。同時，為了避免誤判，當(dāng)?shù)竭_(dá)可靠性要求時，C-SAT增加T值。為此，將T與參數(shù)相加，參數(shù)取決于應(yīng)用運行期間的隨機信息（比如導(dǎo)致先前部分誤判的傳輸延時平均周期數(shù)值）。

5 性能評估

本節(jié)評估了動態(tài)故障檢測器ALLONE和計時器調(diào)整方法的性能。首先，比較本文基于計時器的廣義模型與無計時器的故障檢測器。然后，衡量計時器更新的重要性，以及兩種動態(tài)調(diào)整方法（即C-SAT和A-SAT）的影響。為此，選擇文獻(xiàn)[12]中的HeartBeat（HB）作為無計時器故障檢測器?；贠mnet++/Mixim展開仿真實驗，仿真模型總結(jié)如表1所示：

表1 仿真模型

為了闡述使用自適應(yīng)故障檢測器的結(jié)果，本文主要利用兩種場景考察多次仿真的結(jié)果。在場景1改變隨機部署的節(jié)點數(shù)量（20-200個節(jié)點）；在場景2改變相同網(wǎng)絡(luò)條件下的故障數(shù)量（所有節(jié)點的10%-50%）。為了獲得周期性數(shù)據(jù)通信模型，采用文獻(xiàn)[8]中的有向擴(kuò)散路由協(xié)議DD。在本文仿真測試中，比較DD-HB（利用無計時器故障檢測器進(jìn)行增強的DD協(xié)議），F(xiàn)aT2D[2]（利用靜態(tài)計時器故障檢測器進(jìn)行增強的DD協(xié)議），以及ALLONE的兩個版本：ALLONE-ASAT和ALLONE-CSAT。這兩個版本的主要區(qū)別就是使用的計時器調(diào)整技術(shù)不同。

5.1 性能指標(biāo)：

本文實驗主要考察3種類型6大指標(biāo)：

（1）故障檢測器的屬性：在該類型下，主要測試精度和完整性屬性。于是，可以根據(jù)虛警率（精度）和故障檢測率（完整性）方面的性能表現(xiàn)對本文方法進(jìn)行分類。

（2）檢測和恢復(fù)性能：每種檢測機制的目的均是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的故障，恢復(fù)路由路徑，避免故障的影響。為此，使用檢測和恢復(fù)周期及報文丟失率兩個指標(biāo)。這些測量值可以衡量檢測技術(shù)的速度及其對數(shù)據(jù)報文丟失的影響。

（3）資源管理：因為LLN是資源受限型網(wǎng)絡(luò)，所以有必要評估并比較每種技術(shù)的能耗和開銷（網(wǎng)絡(luò)中的報文量）。

5.2 結(jié)果分析

完整性性能如圖4所示：

圖4 故障檢測計時器對完整性的影響

兩種ALLONE方法的結(jié)果要優(yōu)于基于計時器的靜態(tài)FaT2D算法。此外，C-SAT的完整率最高（70%-95%）。很顯然，這是因為C-SAT中的計時器進(jìn)行了調(diào)整，以實現(xiàn)所有故障的迅速檢測。然而，無計時器HB算法只能檢測出網(wǎng)絡(luò)中所有故障的50%。因為，采集的來自所有節(jié)點的信息在送給應(yīng)用前HB無法做出決策，所以檢測方法的速度非常慢。檢測時間如圖5所示：

圖5 故障檢測計時器對檢測和恢復(fù)時間的影響

從圖5中可以顯著看出這點。如上文所述，HB需要等待較長時間才能決策是否出現(xiàn)節(jié)點故障。為此，它的檢測時間要長于基于計時器的FaT2D、C-SAT和A-SAT。然而，如果考察這3種算法的檢測和恢復(fù)時間，會發(fā)現(xiàn)C-SAT的性能最優(yōu)。請注意，檢測和恢復(fù)時間相加便確定了故障處理的整個時間（先是檢測和通知，然后是抑制和路徑恢復(fù)）。HB沒有定義任何恢復(fù)機制。

另一方面，3種算法中A-SAT的精度最高如圖6所示：

圖6 故障檢測計時器對精度的影響

很明顯，這是因為A-SAT中利用公式進(jìn)行了計時器更新，以實現(xiàn)差錯率最小化。尤其地，HB在這方面的性能也較優(yōu)，因為它宣布進(jìn)程為故障進(jìn)程所需時間較長。因此，它可避免出現(xiàn)差錯。

對LLN來說，能耗、內(nèi)存空間和帶寬是重要約束，因此需要評估故障檢測機制對電池使用量和開銷的影響。

即使C-SAT和A-SAT部署了專門的計時器更新機制，但是與靜態(tài)計時器相比，電池能耗的差異很小，如圖7所示：

圖7 故障檢測計時器對能耗的影響

這一結(jié)果非常有前景，因為部署專門的故障檢測機制導(dǎo)致的額外開銷可以彌補節(jié)點故障后無用傳輸導(dǎo)致的開銷，如圖8所示。

圖8 故障檢測計時器對開銷的影響

此外，使用本地交互和在數(shù)據(jù)報文中捎帶確認(rèn)故障通知，顯著降低了網(wǎng)絡(luò)開銷。與無計時器HB相比，這些特征顯著提升了故障檢測性能。實際上，HB方法將額外的報文轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，以便傳輸故障檢測信息（即每個節(jié)點的計數(shù)器），而部署的所有基于計時器的方法使用數(shù)據(jù)報文來傳輸這些信息。此外，報文只傳輸給直接相鄰節(jié)點。它在數(shù)據(jù)傳輸過程中將會到達(dá)其他節(jié)點。與靜態(tài)計時器FaT2D相比，C-SAT和A-SAT兩種計時器調(diào)整方法不會導(dǎo)致額外的能耗。

6 總結(jié)

本文提出一種新的故障檢測機制ALLONE。ALLONE的特征如下：（1）它考慮了能源約束（能量，內(nèi)存，帶寬），是一種低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的廣義故障檢測模型；（2）報文交換模式基于相鄰節(jié)點間的本地信息交換，而不是基于系統(tǒng)中的全局節(jié)點信息交換；（3）可以容忍間歇性故障，通過一種交互式動態(tài)計時器對故障檢測步驟進(jìn)行調(diào)整。

此外，引入A-SAT和C-SAT兩種計時器調(diào)整策略，使得本文可以根據(jù)應(yīng)用要求來調(diào)整ALLONE的運行性能。如果降低虛警率更為重要，則應(yīng)使用A-SAT，對密集型網(wǎng)絡(luò)來說尤其如此。相反，如果檢測所有故障比避免差錯更為重要，則最優(yōu)選擇是C-SAT。兩種方法均可提升檢測時間和數(shù)據(jù)傳輸方面的性能。此外，仿真結(jié)果還表明，將故障檢測信息捎帶進(jìn)數(shù)據(jù)報文及利用自適應(yīng)計時器，可以節(jié)約能耗和帶寬。

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TP393

A

2015.03.28）

1007-757X(2015)07-0034-04

趙英姿（1971-），女，陜西洛川人，東莞理工學(xué)校，高級講師，研究方向：移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、軟件工程，東莞，523000