虞翔++夏春梅

摘 要： 針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的實(shí)際需求，詳細(xì)分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)，提出實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)通路分離的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高靈活、低時(shí)延傳輸數(shù)據(jù)的目標(biāo)。研究結(jié)果表明，在24 GB內(nèi)側(cè)服務(wù)器上能達(dá)到9萬(wàn)個(gè)TCP連接，端至端傳輸時(shí)延平均控制在10～18 ms，上述方案能很好地滿足實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的需求。

關(guān)鍵詞： 通用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)； 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)； 傳輸路徑； 傳輸時(shí)延

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0037?03

Realization path of real?time data transmission for general IOT service

YU Xiang， XIA Chunmei

（Baoshan University， Baoshan 678000， China）

Abstract： Aiming at the actual demand of the Internet of Things （IOT） service platform， the architecture of the IOT system is analyzed in detail. The design scheme of separating the real?time data path from non?real?time data path is proposed to realize the target of data transmission with high flexibility and low delay. The research results show that the platform can connect 90 000 TCPs in 24 GB inside server， the average end?to?end transmission delay is controlled within 10～18 ms， and the scheme can meet the demand of the actual IOT service platform.

Keywords： general IOT service； real?time data； transmission path； transmission delay

0 引 言

近些年，物聯(lián)網(wǎng)獲得快速的發(fā)展，并逐步形成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)業(yè)產(chǎn)業(yè)化。物聯(lián)網(wǎng)采用新型傳感設(shè)備，例如，紅外感應(yīng)器、GPS定位系統(tǒng)等，是把互聯(lián)網(wǎng)與物品相互連接的網(wǎng)絡(luò)。它根據(jù)預(yù)先制定的通信實(shí)施信息交換，通過(guò)對(duì)物品的識(shí)別、定位跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但因物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備、應(yīng)用平臺(tái)異構(gòu)性較強(qiáng)，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用出現(xiàn)碎片化、擴(kuò)展性差等問(wèn)題，為物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)極大困難。針對(duì)上述問(wèn)題，本次開(kāi)發(fā)一套支持物聯(lián)網(wǎng)雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南?nèi)核，并對(duì)其性能展開(kāi)測(cè)試和驗(yàn)證，能為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)提供一定借鑒和參考。

1 概述物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件情況

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)主要?jiǎng)澐譃楦兄獙印?yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層三個(gè)層次。其中，傳輸層借助互聯(lián)網(wǎng)，依據(jù)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把信息數(shù)據(jù)分別傳輸給信息對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)中心；應(yīng)用層利用與平臺(tái)有關(guān)的技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施解析和處理，從而獲取物品相關(guān)的各類(lèi)信息，達(dá)到監(jiān)測(cè)或控制物品的效果[1]。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件

完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)其硬件架構(gòu)如圖2所示，主要包括與物理環(huán)境相交互的無(wú)線傳輸部分，如執(zhí)行器、無(wú)線傳輸器等。此時(shí)，服務(wù)中心主要提供接入Web應(yīng)用、接入的網(wǎng)關(guān)等服務(wù)，上述服務(wù)均利用內(nèi)部消息總線實(shí)施連接，并借助消息總線實(shí)現(xiàn)消息的負(fù)載均衡機(jī)制、發(fā)布/訂閱機(jī)制[2]。

1.2 設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)

服務(wù)端采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)操作，通過(guò)Eclipse，maven等工具編寫(xiě)所需的軟件模塊。對(duì)復(fù)雜軟件進(jìn)行分解時(shí)，設(shè)計(jì)者最常用的技術(shù)就是對(duì)其分層，分層旨在對(duì)不同職責(zé)的組間實(shí)施分裂，組成一套層與層之間低耦合的軟件系統(tǒng)。本次軟件架構(gòu)也不例外，為滿足實(shí)時(shí)發(fā)布信息和交流應(yīng)用的要求，該架構(gòu)主要?jiǎng)澐譃楸憩F(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中，表現(xiàn)層就是用戶界面視圖，是用戶和系統(tǒng)展開(kāi)交互的橋梁，它包括各種移動(dòng)終端界面、Web頁(yè)面等。用戶利用可視化界面向系統(tǒng)輸入各項(xiàng)操作質(zhì)量，上述指令以請(qǐng)求的方法傳輸至應(yīng)用層。應(yīng)用層的主要功能為接收并響應(yīng)用戶請(qǐng)求，如果用戶發(fā)出請(qǐng)求，由它接收并傳遞至服務(wù)層。設(shè)計(jì)的Real?time Service通信模塊旨在接收、處理Gateway Service模塊傳送而來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸Gateway實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶對(duì)其進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，它是一個(gè)高性能的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的效果[3]。

2 設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通路

2.1 設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)通路

服務(wù)中心主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通路和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通路兩條數(shù)據(jù)通路組成，依次對(duì)傳輸數(shù)據(jù)實(shí)施實(shí)時(shí)顯示處理。遵循應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，按照實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通路分開(kāi)設(shè)計(jì)的方案，單一記錄詳細(xì)的數(shù)據(jù)，以此滿足系統(tǒng)報(bào)警和監(jiān)控的需求[4]。同時(shí)，為支撐UIO測(cè)試的實(shí)際需求，其能夠提供雙向數(shù)據(jù)傳輸，見(jiàn)圖3。

2.2 設(shè)計(jì)分布式消息總線

現(xiàn)階段，面向服務(wù)的架構(gòu)廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)中，用戶由客戶端向管理服務(wù)器發(fā)出信息操作命令。信息操作hill包含本級(jí)信息指令、上下級(jí)信息操作指令。本級(jí)和上線階段數(shù)據(jù)交換服務(wù)即數(shù)據(jù)交換總線需要實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)消息總線服務(wù)模型見(jiàn)圖4。消息總線是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)的動(dòng)脈，是完成各項(xiàng)服務(wù)之間實(shí)施通信的關(guān)鍵技術(shù)[5]。分布式通信模式主要分類(lèi)如下：

（1） 請(qǐng)求回應(yīng)：這種模型從請(qǐng)求端發(fā)布請(qǐng)求信息，并期待回應(yīng)端可以及時(shí)對(duì)請(qǐng)求信息予以回應(yīng)。

（2） 發(fā)布訂閱模型：在該模型中，發(fā)布端僅單向發(fā)出數(shù)據(jù)，并不關(guān)心是否把所有信息均傳送到訂閱端。如果發(fā)布端開(kāi)始發(fā)出相應(yīng)的信息，訂閱端沒(méi)有連接上來(lái)，這些信息會(huì)直接面臨丟棄。必須注意，訂閱端只有接收信息的功能，不能實(shí)施相應(yīng)的反饋。

本次研究的消息總線基于Java的Vertx技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并充分運(yùn)用Vertx自帶的分布式部署能力對(duì)整個(gè)后端服務(wù)實(shí)施開(kāi)發(fā)操作。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包含以下模塊各部分之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳輸，如Gateway Service與Simulation之間利用TCP通信協(xié)議。

3 檢測(cè)端到端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸性能

3.1 創(chuàng)設(shè)合理的測(cè)試環(huán)境

本次設(shè)計(jì)中，在同一局域網(wǎng)下配備4臺(tái)主機(jī)，具體設(shè)備見(jiàn)表1。對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能實(shí)施檢測(cè)時(shí)，要充分考慮數(shù)據(jù)服務(wù)器的接入和時(shí)延參數(shù)變化情況。因此，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)相同局域網(wǎng)下不同主機(jī)的運(yùn)行情況展開(kāi)測(cè)試，模擬其分布式運(yùn)行環(huán)境。如果連接數(shù)不斷增加，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)也會(huì)隨之改變。

本次實(shí)驗(yàn)共展開(kāi)11次測(cè)試，試驗(yàn)編號(hào)為1～11，準(zhǔn)確記錄每一次實(shí)驗(yàn)的往返時(shí)間數(shù)值，計(jì)算相應(yīng)的平均值，具體結(jié)果見(jiàn)圖5，橫軸、縱軸分別表示試驗(yàn)編號(hào)、平均時(shí)延。由圖5可知，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)值在10～18 ms之間波動(dòng)，最小值出現(xiàn)在7 ms、最大值在29 ms，出現(xiàn)這種情況與數(shù)據(jù)傳輸是否擁擠有關(guān)。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的接入能力

接入能力測(cè)試部署見(jiàn)圖6，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)體系內(nèi)，每一次客戶端Gateway Simulator應(yīng)用程序不斷提升連接訪問(wèn)服務(wù)器。

在相同的局域網(wǎng)環(huán)境下，系統(tǒng)配備4臺(tái)主機(jī)，其中，3臺(tái)為客戶端發(fā)布請(qǐng)求連接；另一臺(tái)作為客戶連接服務(wù)程序。共展開(kāi)8次測(cè)試，圖7表示單位時(shí)間每毫秒服務(wù)器的連接數(shù)。

表2詳細(xì)記錄通過(guò)8次實(shí)驗(yàn)客戶端能夠連接的數(shù)量，以此檢驗(yàn)系統(tǒng)的可接入能力。由表2數(shù)據(jù)可知，最好狀態(tài)下約有9萬(wàn)連接數(shù)量，其他時(shí)間約8萬(wàn)。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的主要功能是多傳感器數(shù)據(jù)的匯集、處理、優(yōu)化、控制等，系統(tǒng)如何在保持高并發(fā)基礎(chǔ)上及時(shí)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，成為研究者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。本次研究從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)入手，深入分析其軟件和硬件架構(gòu)，提出實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通路相互分離的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，24 GB內(nèi)側(cè)服務(wù)器上約有9萬(wàn)個(gè)TCP連接，端對(duì)端傳輸時(shí)延平均處于10～18 ms，所設(shè)計(jì)的方案能滿足實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的實(shí)際需求。

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