[发明专利]基于分布式的自适应心跳方法和系统

说明书

本发明涉及一种维持物联网设备网络连接的基于分布式的自适应心跳方法，包括：物联网设备通过所属局域网建立并维持与物联网云平台的网络连接，初始化自适应参数；物联网设备向所属局域网发送自适应参数请求广播，根据该局域网中其他设备响应的自适应参数共享广播，更新所述自适应参数及自适应心跳周期；通过指数增长方式或线性增长方式，确定需进行探测的多个探测值，并将这些探测值划分为多个周期探测任务，分配给该局域网中的多个物联网设备进行探测。本发明解决了物联网设备获取自适应心跳周期过程中探测次数多、耗时长的问题，提出一种高效的探测终止策略来平衡探测误差与探测效率。

技术领域

本发明针对维持物联网设备网络连接问题，提出了一种基于分布式的自适应心跳方法，通过同一局域网中的物联网设备之间协同合作获取最优的心跳周期。

背景技术

随着物联网水平化接入协议(如CoAP，MQTT，LwM2M，EBHTTP等)的逐步成熟与实用化，将设备接入云平台(如Xively，Waston IoT，OneNET，YeeLink等)以对设备进行实时访问逐步成为一种主流架构。

由于现有互联网基础设施的限制(如IP地址和端口资源有限)，绝大多数物联网设备通常位于企业局域网或家庭局域网中，没有独立的公网IP，需采用网络地址转换(NAT)的方式经过端口映射建立网络连接接入到互联网，而基于安全考虑，企业网络或者小区网络往往设有防火墙，这些防火墙会定期剔除不常用的端口映射信息，当物联网设备在一个NAT老化时间周期(agingT)内未使用该端口映射与外界进行通信，则该端口映射信息将失效，外界将不能采用该映射与设备通信，即该网络连接断开。

因此为了保证物联网云平台与设备之间的双向实时访问，设备与平台间需要定时发送心跳包，以维持物联网设备网络连接。现有多数物联网系统(如Xively，Waston IoT，OneNET，YeeLink等)采用统一且固定的心跳周期(如使用TCP长连接，采用固定周期的心跳机制来维持长连接)，为保证对不同网络环境的适应性，一般将心跳周期设置成一个较小的时间，以保证设备网络连接不会失效。采用这种统一且固定心跳周期的心跳方式的物联网系统，在设备数较少的物联网发展初期，能够提供稳定的物联网服务。随着物联网设备快速增长，这种维持网络连接的方式将占用大量云平台资源(服务器内存、CPU时间、Internet带宽等)，进而影响云平台的其它服务功能。

针对上述问题，目前国内外已有部分研究成果，例如《一种基于自适应心跳机制的MQTT通信协议的研究与应用》(温彬民，华南理工大学，2015)中通过对MQTT使用的心跳策略进行研究，提出了自适应心跳机制，该机制使用二分法快速查找最优的心跳值，可以探测物联网设备当前所处网络环境的NAT老化时间周期(agingT)，并根据该周期动态调整设备心跳周期来维持网络连接，使得设备心跳开销最小，然而由于其探测过程采用固定阈值作为探测终止条件，当NAT老化时间周期(agingT)较大时，网络探测的探测次数较多，且所耗费时间也较长，并且由于其用于设备访问及周期探测的连接为同一条，若探测结果为失效，相应地该连接即为失效，则平台无法使用该连接访问物联网设备。另一个问题就是使用二分法来确定探测值时，探测开始阶段探测值为，相对于初始心跳值MinT来说探测值较大，需要较长的时间才可能更新心跳，期间发送的心跳包数较多，心跳开销较大。

而《A Cost-Effective Method to Keep Availability of Many Cloud-Connected Devices》(Ajitomi D,Kawazoe H,Minami K,et al.InternationalConference on Cloud Computing.IEEE,2015:1-8.)中提出的一种自适应心跳方法中，通过建立一条额外的连接用于NAT老化时间周期(agingT)探测，因此用于设备访问的连接能够持续有效，不会影响设备的访问。然而该方法中用于网络探测的探测值是固定的，虽然能将探测次数控制在固定次数以内，且能对探测耗时进行控制，但其所探测出的NAT老化时间周期(agingT)误差太大，由此所得的自适应心跳周期往往不是最优的。