范 亮,王曉梅,楊東煜

(解放軍信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

一種利用最佳路徑搜索的PDU容錯定界算法

范 亮,王曉梅,楊東煜

(解放軍信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

針對在無線網(wǎng)絡(luò)中因高誤比特率而使協(xié)議數(shù)據(jù)單元定界易出錯的問題,提出一種基于最佳路徑搜索的協(xié)議數(shù)據(jù)單元容錯定界算法.通過針對兩類與協(xié)議數(shù)據(jù)單元定界相關(guān)的協(xié)議冗余的分析,在提出粗定界算法的基礎(chǔ)上,將協(xié)議數(shù)據(jù)單元定界問題轉(zhuǎn)化為路徑搜索問題,給出了一種基于最佳路徑搜索的協(xié)議數(shù)據(jù)單元容錯定界算法.以無線異步傳輸模式網(wǎng)絡(luò)中AAL5/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為例進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明,該算法能有效降低協(xié)議數(shù)據(jù)單元的定界錯誤率,能克服常規(guī)定界方法對差錯敏感的缺陷,具有良好的容錯定界能力.

無線網(wǎng)絡(luò);協(xié)議數(shù)據(jù)單元;定界;路徑搜索;容錯

無線通信技術(shù)以其方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色,但較高的信道誤比特率特性卻也廣受詬病.針對這一問題,當(dāng)前普遍采用基于通信雙方協(xié)作的反饋重傳機(jī)制(Auto Repeat reQuest,ARQ)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的差錯控制.如,文獻(xiàn)[1-4]提出將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分解為若干個數(shù)據(jù)塊,通過少量數(shù)據(jù)塊的重傳來提高傳輸?shù)目煽啃?ARQ機(jī)制具有控制和實現(xiàn)相對簡單等優(yōu)點(diǎn),但是面對流媒體等實時性要求嚴(yán)格的業(yè)務(wù)和無線數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting,DVB)等單向廣播業(yè)務(wù)時,卻難以有效應(yīng)用.

針對上述問題,學(xué)者們從接收用戶的角度出發(fā),提出了針對差錯數(shù)據(jù)的前向容錯處理的解決思路.文獻(xiàn)[5-8]通過對視頻和語音等業(yè)務(wù)中信源數(shù)據(jù)的冗余分析,采用糾錯和錯誤隱藏等技術(shù)實現(xiàn)了對差錯業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的利用.另一方面,文獻(xiàn)[9-12]討論了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所攜帶的冗余,提出了面向差錯的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容錯接收方法.上述研究成果分別有效解決了差錯數(shù)據(jù)在底層協(xié)議接收和上層協(xié)議應(yīng)用中所面臨的困難.然而,各協(xié)議層間嚴(yán)格的訪問機(jī)制卻使差錯數(shù)據(jù)難以在協(xié)議層間有效傳輸,因而極大制約了差錯數(shù)據(jù)的利用.

其中,協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit,PDU)的定界問題尤為突出,因此,文中旨在探索對差錯具有較好魯棒性的容錯定界方法.當(dāng)前協(xié)議中采用的定界機(jī)制主要包括以下幾種:字節(jié)計數(shù)法、字符填充的首尾定界符法、比特填充的首尾標(biāo)識法和違法編碼法[13].例如,在網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)協(xié)議(Internet Protocol,IP)中通過IP數(shù)據(jù)包首部的長度字段來實現(xiàn)整個分組的定界;在高級數(shù)據(jù)鏈路控制(High-level Data Link Control,HDLC)協(xié)議和點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(Point to Point Protocol,PPP)中則通過特殊字符(0x7E)來標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始與結(jié)束.但在接收數(shù)據(jù)含錯的條件下,傳統(tǒng)定界機(jī)制變得不可靠,無法正確還原出相應(yīng)的PDU,造成接收數(shù)據(jù)不可用.為此,筆者提出了一種基于路徑搜索的PDU容錯定界算法.通過對無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的協(xié)議格式的分析,給出了基于固定字段相似匹配的PDU粗定界算法.為克服在相似匹配時因載荷數(shù)據(jù)引入的“虛警”概率,在此方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將PDU定界問題轉(zhuǎn)換為路徑搜索問題,提出了基于最優(yōu)路徑搜索的容錯定界算法[14],提高了面向差錯數(shù)據(jù)的PDU容錯定界正確率.

1　協(xié)議數(shù)據(jù)定界問題

為實現(xiàn)資源復(fù)用和方便數(shù)據(jù)交換,無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通常以特定的形式進(jìn)行封裝,再通過協(xié)議接口遞交給指定的協(xié)議層,形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流,再由相應(yīng)的通信鏈路進(jìn)行傳輸.例如,數(shù)據(jù)鏈路層會將多路訪問控制(Multiple Access Control,MAC)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元轉(zhuǎn)化為比特數(shù)據(jù)流;在異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)網(wǎng)絡(luò)中,ATM適配層(ATM Adaptation Layer,AAL)協(xié)議數(shù)據(jù)單元則被轉(zhuǎn)換為信元數(shù)據(jù)流.多個PDU進(jìn)行傳輸則會經(jīng)歷如下過程:發(fā)送端將每個PDU按照特定的傳輸單位進(jìn)行封裝(分片),形成對應(yīng)的數(shù)據(jù)集;為每個數(shù)據(jù)集設(shè)置用以區(qū)分的定界標(biāo)識,將各個數(shù)據(jù)集依次聚合到特定通信鏈路上形成數(shù)據(jù)流;經(jīng)信道傳輸后,接收端依據(jù)鏈路標(biāo)識完成傳輸數(shù)據(jù)流的接收與重組;通過對數(shù)據(jù)流中PDU的定界,提取相應(yīng)數(shù)據(jù)單元遞交給上層協(xié)議.圖1為無線網(wǎng)絡(luò)PDU的傳輸示意圖.

圖1　無線網(wǎng)絡(luò)PDU的傳輸示意圖

根據(jù)上面的描述可知,PDU的定界對整個數(shù)據(jù)的正確傳輸具有重要作用.在通信資源有限的無線通信條件下接收的數(shù)據(jù)往往含錯,因此,研究面向差錯數(shù)據(jù)流的PDU的容錯定界方法具有重要意義.

2　協(xié)議單元容錯定界算法

2.1協(xié)議單元中協(xié)議字段的分類基于PDU定界的考慮,各協(xié)議字段可按照其功能歸納為如圖2所示的幾種類型,每個字段對應(yīng)為一組比特向量:固定字段K,該字段在PDU中的偏移位置固定,并且具有固定取值;長度字段L,該字段直接或者間接指示了PDU的大小,其能涵蓋多個協(xié)議層中指示數(shù)據(jù)長度的字段;數(shù)據(jù)字段D,該字段對PDU的定界不具有明顯作用,包括協(xié)議首部中部分控制字段以及載荷數(shù)據(jù);填充字段P,該字段用以調(diào)整PDU的大小,使其能夠滿足特定格式規(guī)范,通常為可選內(nèi)容.

圖2　協(xié)議數(shù)據(jù)單元中協(xié)議字段的分類

根據(jù)上述分析可知,字段K、字段L和字段P都在一定程度上攜有關(guān)于PDU起始(結(jié)束)位置的冗余信息,表現(xiàn)為以下兩點(diǎn):

(1)對PDU起始(結(jié)束)位置具有標(biāo)識作用:由于字段K和字段P為事先已知,并且在PDU中的偏移位置固定,因此,由該類型字段可實現(xiàn)對PDU的起始(終止)位置的粗略定位.由于字段P的長度通常具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,因此,后續(xù)工作主要圍繞字段K展開.

(2)對PDU的大小具有約束作用:字段L的取值在一定程度上指示了PDU的大小,為方便表示,用符號R表示這類約束關(guān)系.因此,約束關(guān)系R在一定程度上反映了PDU定界的正確性,約束關(guān)系R的合理利用,可以有效提高PDU的定界性能.

2.2基于路徑搜索的容錯定界算法

面向差錯數(shù)據(jù)流的PDU容錯定界問題的本質(zhì)是:基于各類協(xié)議冗余關(guān)系,實現(xiàn)對每個PDU起始(或終止)位置的最佳估計.

由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸具有短時突發(fā)的特性,因此,可利用時間約束條件確定1次突發(fā)數(shù)據(jù)流的起始和結(jié)束時刻,即能夠正確得到數(shù)據(jù)流中第1個PDU的起始位置和最后一個PDU的結(jié)束位置,如圖3所示.

圖3　協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)第i個PDU的起始位置在數(shù)據(jù)流中的偏移位置為xi,PDU定界問題進(jìn)一步可描述為:在差錯數(shù)據(jù)流中PDU個數(shù)N未知的條件下,基于協(xié)議冗余實現(xiàn)對位置序列x=(x0,x1,x2,x3,…,xN)的最佳估計.

由固定字段的相似匹配方法可得到一組由PDU可能的起始位置構(gòu)成的位置序列g(shù)=(g0,g1,g2,…,gM),稱為候選位置序列,其中,M是滿足匹配條件位置的個數(shù),從而實現(xiàn)對PDU的粗定界.由于數(shù)據(jù)部分具有隨機(jī)特性,在粗定界的過程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)部分被誤判為PDU的起始位置的“虛警”情形,造成PDU定界錯誤.

現(xiàn)假設(shè)通過適當(dāng)寬松匹配條件,可使得每個PDU的起始位置xi都包含于候選位置序列g(shù)中,即P(xi∈g|i=1,2,…,N)≈1成立.此時,PDU的容錯定界問題變?yōu)槿绾斡行蕹疤摼鼻樾?在序列g(shù)的子序列集合2g中找到與x最為相近的序列=(0,1,…,).由于約束關(guān)系R可度量PDU定界的正確性,因此,利用約束關(guān)系R構(gòu)建搜索度量建立目標(biāo)函數(shù),可為最佳序列的搜索提供有效的指引.

根據(jù)定義可知,2g的大小與M成指數(shù)關(guān)系,依靠遍歷的方式對序列進(jìn)行搜索,則會因運(yùn)算復(fù)雜度太高而難以實現(xiàn).若將每個候選位置gi理解為一個路徑節(jié)點(diǎn),則g的每個子序列都能由如圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一條路徑惟一表示,于是,最佳子序列的搜索問題轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴崖窂降乃阉鲉栴}.此時,結(jié)合搜索度量與高效的搜索策略,則可有效降低運(yùn)算復(fù)雜度,最終實現(xiàn)對最佳子序列的搜索.

設(shè)節(jié)點(diǎn)gi處對應(yīng)的固定字段K和長度字段L的觀測值分別為和,為實現(xiàn)最佳子序列的有效搜索,對分支度量L和路徑度量M分別進(jìn)行如下定義.

圖4　基于路徑搜索的容錯定界模型

定義1 設(shè)由節(jié)點(diǎn)gi跳轉(zhuǎn)到節(jié)點(diǎn)gj的分支度量記為Lij,其中,,表示固定字段取值為k、第i個PDU的長度Δ=gj-gi以及約束關(guān)系為R的條件下,固定字段和長度字段的觀測值分別為和的概率.

定義2 設(shè)到達(dá)節(jié)點(diǎn)gj的第k路徑gk=(g0,gr,…,gi,gj)的路徑度量記為,其中,T表示路徑gk中所包含的PDU個數(shù),r和t表示為在路徑gk中前后相鄰的候選節(jié)點(diǎn)的序號.為了描述方便,稱gr為gt的上游節(jié)點(diǎn),對應(yīng)的gt則為gr的下游節(jié)點(diǎn).根據(jù)上述定義可知,路徑度量表征了路徑gk中 PDU的平均接收似然概率.設(shè)表示到達(dá)節(jié)點(diǎn)gi的路徑gs=(g0,gr,…,gi)的路徑度量,則所滿足迭代方程為

正如前面描述的遍歷所有可行路徑會因為存儲和運(yùn)算消耗過高而十分困難,為此,文中借助路徑度量淘汰性能惡劣的路徑借以縮小遍歷空間,即在路徑更新時最多保留nmax條性能最優(yōu)的路徑(Top-N準(zhǔn)則).

根據(jù)上述定義可知,基于最佳路徑搜索的容錯定界算法的實現(xiàn)步驟如下:

(1)候選位置序列的構(gòu)建:依據(jù)固定字段對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似匹配形成候選位置節(jié)點(diǎn)序列.初始化候選序列g(shù)0={g0},搜索指針指向起始位置,并設(shè)定判決門限Pth;

(2)最佳路徑的搜索:由候選位置序列g(shù)=(g0,g1,g2,…,gM),根據(jù)搜索策略得到最佳路徑.

3　應(yīng)用實例與仿真

ATM通信網(wǎng)絡(luò)能夠兼具分組交換和電路交換的優(yōu)點(diǎn),同時無線ATM通信系統(tǒng)以其機(jī)動、靈活的特點(diǎn)在一些搶險、救災(zāi)等應(yīng)急場景具有重要應(yīng)用,因此,這里以無線ATM通信系統(tǒng)中的AAL5/IP協(xié)議為例,對所提出的容錯定界算法進(jìn)行驗證.

3.1ATM/AAL5/IP協(xié)議格式分析

在ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中,IP分組通過邏輯鏈路控制(Logical Link Control,LLC)和虛電路(Virtual Circuits,VC)復(fù)用兩種形式封裝[15].由于LLC形式下AAL5/IPv4的PDU中含有較長的固定字段(如圖5所示至少含有6 B),此時利用粗定界的方法即可取得較好的容錯定界效果.因此,為對比性能,接下來僅以VC復(fù)用形式進(jìn)行相應(yīng)研究.圖5給出了兩種形式下AAL5協(xié)議層對應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)單元(Service Data Unit,SDU)的協(xié)議格式.

圖5　兩種IP分線對應(yīng)的AAL5-SDU格式

為了使得整個數(shù)據(jù)在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳輸,AAL5-SDU還需要經(jīng)過如下處理:AAL5協(xié)議的公共部分匯聚子層(Common Part Convergence Sublayer,CPCS)在AAL5-SDU的尾部添加上填充字段(PADding,PAD)、用戶信息字段(User to User,UU)、預(yù)留字段(Common Part Indication,CPI)、長度字段(LENgth,LEN)和校驗字段(Cyclic Redundancy Check,CRC),并使CPCS-PDU的長度滿足48 B的整數(shù)倍.由于對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),AAL5協(xié)議中的SSCS協(xié)議子層通常并不使用,因此這里也不予討論.然后,拆裝(Segmentation And Reassembly,SAR)協(xié)議子層將CPCS-PDU分成若干個ATM的載荷,并根據(jù)預(yù)先建立的鏈接添加上ATM首部,為最后一個信元首部的信元載體類型(Payload Type,PT)字段中的結(jié)束標(biāo)志比特置1.整個封裝協(xié)議過程如圖6所示.

圖6　AAL5-SDU的封裝流程示意圖

根據(jù)上述解析可知,對于無線ATM網(wǎng)絡(luò)中的AAL5-PDU的定界即是對CPCS-PDU的定界.接下來對提出兩種協(xié)議冗余的具體表現(xiàn)形式進(jìn)行分析.

由實際通信中IP版本廣泛采用IPv4,并且首部長度通常為20 B以及服務(wù)類型也被設(shè)為默認(rèn)類型(即0x00),因此這些字段可歸納為固定字段K.

CPCS-PDU中的長度字段包含有IP分組中總長度(Total Length,TL)字段和CPCS尾部的LEN字段,兩者在本質(zhì)上是一致的.但文中在此僅選擇IP分組中的TL字段作為研究對象.根據(jù)協(xié)議規(guī)范可知,CPCS-PDU的長度必須為48 B的整數(shù)倍,同時在實際通信中每個PDU的長度λ都處于一定范圍內(nèi),因此,可用

來描述約束關(guān)系R,其中,σ為CPCS協(xié)議封裝的協(xié)議尾部的長度.

3.2仿真實驗結(jié)果與分析

為了驗證所提算法的有效性,以Matlab 2010b為實驗平臺進(jìn)行了如下仿真實驗.根據(jù)上節(jié)的分析內(nèi)容可知,固定字段K為k=(4 500)H,lk=16 bit,以及TL字段的長度ll=16 bit.由于數(shù)據(jù)部分具有隨機(jī)型,因此設(shè)數(shù)據(jù)中的每比特都滿足獨(dú)立同分布條件,且P(dj=0)=P(dj=1)=0.5.為簡化仿真實驗,此處將式(2)所示的依概率匹配準(zhǔn)則簡化為漢明距離準(zhǔn)則,因此,閾值Pth對應(yīng)為距離門限D(zhuǎn)th.設(shè)定界錯誤率為在差錯數(shù)據(jù)流中無法正確還原的PDU占總PDU的比率,則仿真結(jié)果如表1和表2所示,其中,p為信道誤比特率,p0為粗定界方法的漏檢率,P1為粗定界方法的定界錯誤率,P2為依據(jù)協(xié)議的常規(guī)定界方法的定界錯誤率,P3為基于最佳路徑搜索的定界算法的定界錯誤率.

表1　在信元流中含有20個PDU,Top-N為8條件下的仿真結(jié)果

表2　在信元流中含有100個PDU,Dth為2 bit條件下的仿真結(jié)果

根據(jù)表1可知,三者的定界性能都隨著誤比特率的降低而提高,而在誤比特率低于10-4時,基于路徑搜索的定界算法定界錯誤率接近于0,明顯優(yōu)于粗定界算法和常規(guī)定界算法.但此時粗定界算法的定界錯誤率卻趨于穩(wěn)定,甚至低于常規(guī)定界算法的性能,原因在于固定字段的相似匹配時數(shù)據(jù)部分會引入較大的“虛警”概率.如果降低判決閾值Pth(即將距離門限D(zhuǎn)th由2 bit降低為1 bit),則可有效降低“虛警”概率,提高粗定界性能;但基于路徑搜索的容錯定界算法的前提為每個PDU的起始位置都包含于候選序列中,因此,降低判決閾值時會引入“漏警”情形,從而影響基于路徑搜索的容錯算法的定界性能,造成錯誤率升高.根據(jù)上述分析,為保證基于路徑搜索的容錯定界算法的性能,在選擇判決閾值Pth(或Dth)時,需綜合考慮信道誤比特率p和固定字段長度lk等因素影響,保證固定字段K的檢測概率,使得每個PDU的起始位置都能以接近于1的概率包含于候選位置序列g(shù)中.

由表2的仿真結(jié)果可知,在最佳路徑搜索時,當(dāng)Top-N準(zhǔn)則保留路徑個數(shù)nmax滿足一定條件時,其容錯定界的性能不會隨nmax的增多而有明顯變化.比較表1和表2可知,基于路徑搜索的容錯定界算法的性能會隨著數(shù)據(jù)流中PDU個數(shù)的增加而下降,原因在于路徑度量表征了PDU的平均接收概率,因此,當(dāng)PDU個數(shù)較多時,平均接收概率會掩蓋路徑間的細(xì)小差異,造成性能的丟失.

4　結(jié)束語

因無線網(wǎng)絡(luò)誤比特率相對較高,傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)極易含錯,造成基于傳統(tǒng)協(xié)議規(guī)范的PDU定界算法不再可靠.針對上述問題,筆者通過對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議冗余的研究,提出一種面向差錯數(shù)據(jù)流的PDU容錯定界算法.依據(jù)各字段在定界時的作用將PDU中各個字段劃分為4種類型,利用PDU中固定字段的冗余給出了基于相似匹配的粗定界算法.為克服粗定界時出現(xiàn)“虛警”情形,在粗定界的基礎(chǔ)上將PDU定界問題轉(zhuǎn)化為路徑搜索問題,借助PDU中長度字段所攜帶的冗余建立搜索度量,給出了一種基于最佳路徑搜索的PDU容錯定界算法.最后,以ATM網(wǎng)絡(luò)中AAL5/IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元的定界問題為例,進(jìn)行了仿真實驗.仿真結(jié)果表明,所提算法能夠克服常規(guī)定界算法對差錯敏感的缺陷,有效提高了PDU定界的正確率.

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(編輯:齊淑娟)

Algorithm for error-tolerant delimitation for the protocol data unit based on best path searching

FAN Liang,WANG Xiaomei,YANG Dongyu
(College of Information Engineering,The PLA Information Engineering Univ.,Zhengzhou 450002,China)

Aiming at the error delimitation caused by the high bit error rate in a wireless network,an algorithm for error-tolerant delimitation for the Protocol Data Unit(PDU)based on best path searching is proposed.With the analysis of the protocol redundancy in delimitation,the PDU delimitating is treated as a path searching problem exploiting the rough delimitation result,then an algorithm based on best path searching is provided.Simulation and analysis of the ATM Adaption Layer 5(AAL5)and Internet Protocol (IP)protocols in the Asynchronous Transfer Mode(ATM)network show that this method can decrease the rate of error delimitation,overcoming the conventional one’s sensitivity to error and achieving a better errortolerant performance.

wireless network;protocol data unit;delimitation;path searching;error-tolerant

TP393

A

1001-2400(2016)05-0160-07

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.028

2015-06-11 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2015-12-10

西南電子電信技術(shù)研究所預(yù)研資助項目(2014024)

范 亮(1989-),男,解放軍信息工程大學(xué)碩士研究生,E-mail:fanlya6@163.com.

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.056.html