一种海洋数据传输优化方法与流程

1.本发明涉及数据传输的技术领域，尤其涉及一种海洋数据传输优化方法。


背景技术：

2.海洋数据是海洋信息化的重要支撑，海洋大数据也作为一种战略资源，已成为实现海洋强国的重要基础。现有海底探测得到的数据主要是通过卫星的方式进行传输，但是卫星传输成本高，速率低，流量小，难以满足个体和小型研究团体需求，针对该问题提出一种海洋数据传输优化方法，通过将海洋区域转换为自组织网络，利用无线通信方法实现海洋数据传输。


技术实现要素：

3.本发明提供一种海洋数据传输优化方法，目的在于(1)建立海洋自组织网络，利用海洋自组织网络实现海洋数据传输；(2)利用改进的遗传算法进行传输路径优化。
4.实现上述目的，本发明提供的一种海洋数据传输优化方法，包括以下步骤：
5.s1：在海洋投掷带有无线通信功能的浮标，将数据传输点以及数据接收点之间的浮标所形成的网络区域作为海洋自组织网络，通过paxos算法推选出核心浮标作为海洋自组织网络的核心节点；
6.s2：海洋自组织网络中的其余节点通过广播的形式向核心节点发送报文，报文每经过一个节点，则将该节点的网络地址添加到报文数据区中，直至报文发送到核心节点，核心节点根据接收到的节点网络地址构建网络拓扑，并向其他节点广播当前网络拓扑结构；
7.s3：当海洋自组织网络节点接收到数据传输命令时，则根据当前网络拓扑，利用改进的遗传算法进行传输路径优化，得到最优传输路径；
8.s4：根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，如果在传输过程中数据丢失则说明网络拓扑发生变化，则返回步骤s2。
9.作为本发明的进一步改进方法：
10.所述s1步骤中利用paxos算法推选出海洋自组织网络的核心浮标，将核心浮标作为海洋自组织网络的核心节点，包括：
11.将海洋自组织网络中的浮标作为海洋自组织网络中的节点，利用paxos算法推选出海洋自组织网络的核心节点，所述paxos算法的流程为：
12.1)海洋自组织网络中的任意节点i进入核心节点选举流程后，向核心节点选举消息队列发送选举开始请求，进入核心节点选举流程的节点状态为选举状态，其余节点为投票状态，所述核心节点选举消息队列中存在已参与选举节点的运行id
ex
，本次选举节点的运行idi，以及本次选举节点的轮次e；在本发明一个具体实施例中，运行idi记录了节点运行时间长度，id
ex
记录了已参与核心节点选举的最大运行时间长；
13.2)进入核心节点选举流程的节点i判断核心节点选举消息队列中的轮次e是否与自身记录的轮次ei相同，若小于则认定该消息队列已经过期并进行丢弃处理，若大于则更
新自身所保存的轮次；判断本次参与选举的节点i的运行idi是否大于等于id
ex
，若idi＜id
ex
，则本次参与选举的节点i退出核心节点选举流程，节点状态变为投票状态；
14.3)节点i向节点状态为投票状态的节点发送自身的投票信息，并将所发送的投票信息保存在消息队列中，所述投票信息包括自身的网络地址以及运行idi；其余节点将投票结果发送到消息队列；
15.4)读取消息队列中其他节点发送给自身的选票消息并判断是否收到了全部的选票，并判断所有其他节点均认为自身为核心节点，如果是则更新自己的状态为核心节点状态，并向其他节点发送自身的网络地址；否则返回步骤1)，直到选举得到核心节点。
16.在本发明一个具体实施例中，核心节点会定期向非核心节点发送自身的心跳信息，非核心节点接收到核心节点的心跳信息后发送心跳信息的回传信息，所述回传信息为自身节点的存活状态，若核心节点在时间t内没有发送自身的心跳信息，则将该节点的状态设置为投票状态，重新开始选举核心节点。
17.所述s2步骤中海洋自组织网络中的其余节点通过广播的形式向核心节点发送报文，包括：
18.海洋自组织网络中的非核心节点向核心节点发送报文，所述报文的结构为：
19.{tcp,con＝0,bro＝2,sen＝0,data}
20.其中：
21.tcp表示报文采用tcp协议的序列号；
22.con表示确认位，con＝1表示当前报文需要确认，con＝0表示当前报文不需要确认；
23.bro表示广播位，bro＝2表示当前报文经过节点后需要转发到邻近节点；
24.sen表示报文的数据区域data中存储的数据信息类别，sen＝0表示报文存储的数据信息为网络地址连接情况。
25.所述s2步骤中报文将经过节点的网络地址添加到报文数据区中，直至报文发送到核心节点，核心节点根据接收到的节点网络地址构建网络拓扑，包括：
26.报文将经过节点的网络地址添加到报文数据区中，则报文数据区内存储了海洋自组织网络中节点的网络地址连接情况，直至报文发送到核心节点，所述网络地址连接情况为：
27.ip
ij
＝{d
ij
,r
ij
,ipi,ipj}
28.其中：
29.ip
ij
表示海洋自组织网络中节点i与节点j的网络地址连接情况；
30.d
ij
表示节点i与节点j之间的距离；
31.r
ij
表示节点i与节点j的通信情况，r
ij
＝0表示节点i与节点j可以相互通信，r
ij
＝1表示数据仅可由节点i传输到节点j，r
ij
＝-1表示数据仅可由节点i传输到节点j；
32.ipj表示节点j的网络地址，ipi表示节点i的网络地址；
33.核心节点根据接收到的网络地址连接情况构建网络拓扑，所述网络拓扑结构为有向图网络g(e,v)，其中e表示海洋自组织网络中的节点，v表示海洋自组织网络中可以通信节点形成的有向边。
34.所述s3步骤中利用改进的遗传算法进行传输路径优化，包括：
35.利用改进的遗传算法对海洋数据传输路径进行优化，所述改进的遗传算法流程为：
36.1)将海洋自组织网络中节点在网络拓扑中的坐标作为遗传算法中的个体(xs,ys)，其中(xs,ys)表示任意节点s在网络拓扑图中的坐标，设置初始个体为最接近海洋数据传输始点的节点u的坐标(xu,yu)；
37.2)以节点u为起始，采用轮盘赌法从可以与节点u进行数据传输的节点中选择下一个个体，则每个个体m被选择的概率为：
[0038][0039]fm
＝qm/αm[0040]
其中：
[0041]fm
为个体m的适应度值，∑
ufm
表示可以与节点u进行数据传输的所有节点的适应度值之和；
[0042]
qm表示个体m所对应节点的电量；
[0043]
αm表示个体m所对应节点向核心节点发送回传信息的时间；
[0044]
3)以所选择的下一个个体为起始，采用轮盘赌法从可以与所选择个体进行数据传输的种群中选择下一个个体；重复该步骤，直到选择的个体坐标为传输目标节点在网络拓扑中的坐标(xn,yn)；
[0045]
4)得到一组个体坐标集合为：
[0046]
l＝{(xu,yu),
…
,(xn,yn)}
[0047]
在本发明一个具体实施例中，一组个体坐标集合即表示一组传输路径；
[0048]
计算该坐标集合对应的适应度值：
[0049][0050]
其中：
[0051]hij
表示个体坐标集合l中任意两个相邻坐标的欧式距离，则∑
i,jhij
表示遗传算法一组解的传输路径；
[0052]
g表示该组解中，从海洋数据传输始点(xu,yu)到达传输目标节点(xn,yn)的所需时间；
[0053]
5)重复步骤2)-4)，直到达到预设的遗传算法迭代次数max，得到max组传输路径，将适应度值最大的传输路径作为优化后的最优传输路径。
[0054]
所述s4步骤中根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，包括：
[0055]
以海洋数据传输始点为起始点，向最优传输路径始点(xu,yu)传输海洋数据，并沿着最优传输路径传输海洋数据，直到海洋数据到达传输目标节点位置(xn,yn)。
[0056]
所述s4步骤中若在传输过程中数据丢失则说明网络拓扑发生变化，返回步骤s2重新进行数据传输，包括：
[0057]
设置数据传输时间阈值为从发送数据传输命令开始计时，若经过时间后，传输目标节点未接收到传输数据，表示数据丢失，此时海洋自组织网络的网络拓扑发生变化，则返回步骤s2重新构建网络拓扑，当构建完成网络拓扑后计算得到海洋数据的最优传输路
径，并根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，直到传输目标节点在指定时间阈值内接收到传输数据。
[0058]
相对于现有技术，本发明提出一种海洋数据传输优化方法，该技术具有以下优势：
[0059]
首先，本方案提出一种海洋自组织网络建立方法，通过将海洋自组织网络中的浮标作为海洋自组织网络中的节点，利用paxos算法推选出海洋自组织网络的核心节点，核心节点会定期向非核心节点发送自身的心跳信息，从而保证核心节点始终有效，非核心节点接收到核心节点的心跳信息后发送心跳信息的回传信息，所述回传信息为自身节点的存活状态，若核心节点在时间t内没有发送自身的心跳信息，则将该节点的状态设置为投票状态，重新开始选举核心节点。海洋自组织网络中的非核心节点向核心节点发送报文，所述报文的结构为：
[0060]
{tcp,con＝0,bro＝2,sen＝0,data}
[0061]
其中：tcp表示报文采用tcp协议的序列号；con表示确认位，con＝1表示当前报文需要确认，con＝0表示当前报文不需要确认；bro表示广播位，bro＝2表示当前报文经过节点后需要转发到邻近节点；sen表示报文的数据区域data中存储的数据信息类别，sen＝0表示报文存储的数据信息为网络地址连接情况。报文将经过节点的网络地址添加到报文数据区中，则报文数据区内存储了海洋自组织网络中节点的网络地址连接情况，直至报文发送到核心节点，所述网络地址连接情况为：
[0062]
ip
ij
＝{d
ij
,r
ij
,ipi,ipj}
[0063]
其中：ip
ij
表示海洋自组织网络中节点i与节点j的网络地址连接情况；d
ij
表示节点i与节点j之间的距离；r
ij
表示节点i与节点j的通信情况，r
ij
＝0表示节点i与节点j可以相互通信，r
ij
＝1表示数据仅可由节点i传输到节点j，r
ij
＝-1表示数据仅可由节点i传输到节点j；ipj表示节点j的网络地址，ipi表示节点i的网络地址；核心节点根据接收到的网络地址连接情况构建网络拓扑，所述网络拓扑结构为有向图网络g(e,v)，其中e表示海洋自组织网络中的节点，v表示海洋自组织网络中可以通信节点形成的有向边，实现海洋网络拓扑结构的建立，可根据所建立的网络拓扑，实现海洋数据在不同节点上的传输。
[0064]
同时，本方案提出一种传输路径的优化方案，通过利用改进的遗传算法对海洋数据传输路径进行优化，将海洋自组织网络中节点在网络拓扑中的坐标作为遗传算法中的个体(xs,ys)，其中(xs,ys)表示任意节点s在网络拓扑图中的坐标，设置初始个体为最接近海洋数据传输始点的节点u的坐标(xu,yu)；以节点u为起始，采用轮盘赌法从可以与节点u进行数据传输的节点中选择下一个个体，则每个个体m被选择的概率为：
[0065][0066]fm
＝qm/αm[0067]
其中：fm为个体m的适应度值；qm表示个体m所对应节点的电量；αm表示个体m所对应节点向核心节点发送回传信息的时间；以所选择的下一个个体为起始，采用轮盘赌法从可以与所选择个体进行数据传输的种群中选择下一个个体；重复该步骤，直到选择的个体坐标为传输目标节点在网络拓扑中的坐标(xn,yn)；得到一组个体坐标集合为：
[0068]
l＝{(xu,yu),
…
,(xn,yn)}
[0069]
计算该坐标集合对应的适应度值：
[0070][0071]
其中：h
ij
表示个体坐标集合l中任意两个相邻坐标的欧式距离，则∑
i,j h
ij
表示遗传算法一组解的传输路径；g表示该组解中，从海洋数据传输始点(xu,yu)到达传输目标节点(xn,yn)的所需时间；重复上述步骤，直到达到预设的遗传算法迭代次数max，得到max组传输路径，将适应度值最大的传输路径作为优化后的最优传输路径，相较于传统方案，本方案利用遗传算法得到若干可行的传输路径，并计算各传输路径的适应度值，适应度值越大表明传输距离以及传输时间较短，选择适应度值最大的传输路径作为优化后的最优传输路径。
附图说明
[0072]
图1为本发明一实施例提供的一种海洋数据传输优化方法的流程示意图；
[0073]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0074]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0075]
s1：在海洋投掷带有无线通信功能的浮标，将数据传输点以及数据接收点之间的浮标所形成的网络区域作为海洋自组织网络，通过paxos算法推选出核心浮标作为海洋自组织网络的核心节点。
[0076]
所述s1步骤中利用paxos算法推选出海洋自组织网络的核心浮标，将核心浮标作为海洋自组织网络的核心节点，包括：
[0077]
将海洋自组织网络中的浮标作为海洋自组织网络中的节点，利用paxos算法推选出海洋自组织网络的核心节点，所述paxos算法的流程为：
[0078]
1)海洋自组织网络中的任意节点i进入核心节点选举流程后，向核心节点选举消息队列发送选举开始请求，进入核心节点选举流程的节点状态为选举状态，其余节点为投票状态，所述核心节点选举消息队列中存在已参与选举节点的运行id
ex
，本次选举节点的运行idi，以及本次选举节点的轮次e；在本发明一个具体实施例中，运行idi记录了节点运行时间长度，id
ex
记录了已参与核心节点选举的最大运行时间长；
[0079]
2)进入核心节点选举流程的节点i判断核心节点选举消息队列中的轮次e是否与自身记录的轮次ei相同，若小于则认定该消息队列已经过期并进行丢弃处理，若大于则更新自身所保存的轮次；判断本次参与选举的节点i的运行idi是否大于等于id
ex
，若idi＜id
ex
，则本次参与选举的节点i退出核心节点选举流程，节点状态变为投票状态；
[0080]
3)节点i向节点状态为投票状态的节点发送自身的投票信息，并将所发送的投票信息保存在消息队列中，所述投票信息包括自身的网络地址以及运行idi；其余节点将投票结果发送到消息队列；
[0081]
4)读取消息队列中其他节点发送给自身的选票消息并判断是否收到了全部的选票，并判断所有其他节点均认为自身为核心节点，如果是则更新自己的状态为核心节点状态，并向其他节点发送自身的网络地址；否则返回步骤1)，直到选举得到核心节点。
[0082]
在本发明一个具体实施例中，核心节点会定期向非核心节点发送自身的心跳信息，非核心节点接收到核心节点的心跳信息后发送心跳信息的回传信息，所述回传信息为
自身节点的存活状态，若核心节点在时间t内没有发送自身的心跳信息，则将该节点的状态设置为投票状态，重新开始选举核心节点。
[0083]
s2：海洋自组织网络中的其余节点通过广播的形式向核心节点发送报文，报文每经过一个节点，则将该节点的网络地址添加到报文数据区中，直至报文发送到核心节点，核心节点根据接收到的节点网络地址构建网络拓扑，并向其他节点广播当前网络拓扑结构。
[0084]
所述s2步骤中海洋自组织网络中的其余节点通过广播的形式向核心节点发送报文，包括：
[0085]
海洋自组织网络中的非核心节点向核心节点发送报文，所述报文的结构为：
[0086]
{tcp,con＝0,bro＝2,sen＝0,data}
[0087]
其中：
[0088]
tcp表示报文采用tcp协议的序列号；
[0089]
con表示确认位，con＝1表示当前报文需要确认，con＝0表示当前报文不需要确认；
[0090]
bro表示广播位，bro＝2表示当前报文经过节点后需要转发到邻近节点；
[0091]
sen表示报文的数据区域data中存储的数据信息类别，sen＝0表示报文存储的数据信息为网络地址连接情况。
[0092]
所述s2步骤中报文将经过节点的网络地址添加到报文数据区中，直至报文发送到核心节点，核心节点根据接收到的节点网络地址构建网络拓扑，包括：
[0093]
报文将经过节点的网络地址添加到报文数据区中，则报文数据区内存储了海洋自组织网络中节点的网络地址连接情况，直至报文发送到核心节点，所述网络地址连接情况为：
[0094]
ip
ij
＝{d
ij
,r
ij
,ipi,ipj}
[0095]
其中：
[0096]
ip
ij
表示海洋自组织网络中节点i与节点j的网络地址连接情况；
[0097]dij
表示节点i与节点j之间的距离；
[0098]rij
表示节点i与节点j的通信情况，r
ij
＝0表示节点i与节点j可以相互通信，r
ij
＝1表示数据仅可由节点i传输到节点j，r
ij
＝-1表示数据仅可由节点i传输到节点j；
[0099]
ipj表示节点j的网络地址，ipi表示节点i的网络地址；
[0100]
核心节点根据接收到的网络地址连接情况构建网络拓扑，所述网络拓扑结构为有向图网络g(e,v)，其中e表示海洋自组织网络中的节点，v表示海洋自组织网络中可以通信节点形成的有向边。
[0101]
s3：当海洋自组织网络节点接收到数据传输命令时，则根据当前网络拓扑，利用改进的遗传算法进行传输路径优化，得到最优传输路径。
[0102]
所述s3步骤中利用改进的遗传算法进行传输路径优化，包括：
[0103]
利用改进的遗传算法对海洋数据传输路径进行优化，所述改进的遗传算法流程为：
[0104]
1)将海洋自组织网络中节点在网络拓扑中的坐标作为遗传算法中的个体(xs,ys)，其中(xs,ys)表示任意节点s在网络拓扑图中的坐标，设置初始个体为最接近海洋数据传输始点的节点u的坐标(xu,yu)；
[0105]
2)以节点u为起始，采用轮盘赌法从可以与节点u进行数据传输的节点中选择下一个个体，则每个个体m被选择的概率为：
[0106][0107]fm
＝qm/αm[0108]
其中：
[0109]fm
为个体m的适应度值，∑
ufm
表示可以与节点u进行数据传输的所有节点的适应度值之和；
[0110]
qm表示个体m所对应节点的电量；
[0111]
αm表示个体m所对应节点向核心节点发送回传信息的时间；
[0112]
3)以所选择的下一个个体为起始，采用轮盘赌法从可以与所选择个体进行数据传输的种群中选择下一个个体；重复该步骤，直到选择的个体坐标为传输目标节点在网络拓扑中的坐标(xn,yn)；
[0113]
4)得到一组个体坐标集合为：
[0114]
l＝{(xu,yu),
…
,(xn,yn)}
[0115]
在本发明一个具体实施例中，一组个体坐标集合即表示一组传输路径；
[0116]
计算该坐标集合对应的适应度值：
[0117][0118]
其中：
[0119]hij
表示个体坐标集合l中任意两个相邻坐标的欧式距离，则∑
i,jhij
表示遗传算法一组解的传输路径；
[0120]
g表示该组解中，从海洋数据传输始点(xu,yu)到达传输目标节点(xn,yn)的所需时间；
[0121]
5)重复步骤2)-4)，直到达到预设的遗传算法迭代次数max，得到max组传输路径，将适应度值最大的传输路径作为优化后的最优传输路径。
[0122]
s4：根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，如果在传输过程中数据丢失则说明网络拓扑发生变化，则返回步骤s2。
[0123]
所述s4步骤中根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，包括：
[0124]
以海洋数据传输始点为起始点，向最优传输路径始点(xu,yu)传输海洋数据，并沿着最优传输路径传输海洋数据，直到海洋数据到达传输目标节点位置(xn,yn)。
[0125]
所述s4步骤中若在传输过程中数据丢失则说明网络拓扑发生变化，返回步骤s2重新进行数据传输，包括：
[0126]
设置数据传输时间阈值为从发送数据传输命令开始计时，若经过时间后，传输目标节点未接收到传输数据，表示数据丢失，此时海洋自组织网络的网络拓扑发生变化，则返回步骤s2重新构建网络拓扑，当构建完成网络拓扑后计算得到海洋数据的最优传输路径，并根据计算得到的最优传输路径进行数据传输，直到传输目标节点在指定时间阈值内接收到传输数据。
[0127]
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
[0128]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0129]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。