医疗健康物联网环境下通用数据交换协议的设计与仿真实现

摘要

物联网(Internet of Things，IoT)技术的兴起与飞速发展，将会彻底改变人类生活的方方面面。在物联网环境下的医疗健康领域，药品流通、健康监护、远程医疗等应用场景将会涌现出大量的新型应用，这些应用通常对数据交换有不同的需求，如服务质量(Quality of Service，QoS)、安全、隐私、用户愿付的最高价格等。而目前Internet中的数据交换模式仍是单一的“Best Effort”型服务，根本不能满足物联网环境下医疗健康应用数据交换的需求。
　　为此，本文设计了一种医疗健康物联网环境下的通用数据交换协议。协议以OpenFlow为背景，将网络分成控制平面、虚拟化平面和数据平面三部分。网络中同时存在多个相互独立、相互竞争的网络服务提供商(Internet Service Provider,ISP)共享整个数据平面的网络资源。为满足各种医疗健康应用的数据交换需求，在网络的控制平面添加了感知、效用计算、匹配、接纳控制、网络测量、路径计算、资源预留、组装服务和定价机制，在数据平面添加了监管整形、差错控制、排队调度、拥塞避免和安全机制。其中，路径计算、差错控制、排队调度、拥塞避免、安全等机制是构件化且可配置的，通过合理的配置这些构件，能够组装出不同的服务。协议需要将医疗健康应用按不同的维度分类，应用类型决定了QoS需求区间和适合的服务。当有应用接入到Internet时，首先根据应用类型和用户体验质量（Quality of Experience，QoE）需求，感知出应用的QoS需求区间，然后向各个ISP请求服务。每种应用可能有多个ISP提供的服务可以选择，其总希望选择其中“最好”的。同时，当ISP接收到多个应用的接入请求时，其总希望能从中选择一些使自己收益最大的应用。本文以经济学中的“效用”作为“最好”的度量，效用的计算考虑了QoS满意度、ISP偏好、价格满意度、性价偏好四种因素。为实现应用和服务的自适应匹配，综合考虑了用户效用和ISP收益设计了一种基于G-S的稳定匹配算法。
　　对本文所设计的通用数据交换协议进行了仿真实现，并与基准协议进行了对比分析。结果表明，本文设计的协议能较好地满足物联网环境下医疗健康应用的数据交换需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 物联网环境下的医疗健康应用

1．1．1 物联网概念

1．1．2 物联网关键技术

1．1．3 医疗健康物联网环境下的应用场景

1．1．4 医疗健康应用数据交换的需求

1．2 课题来源

1．3 本文组织结构

第2章 相关理论

2．1 QoS实现机制

2．1．1 流量监管整形

2．1．2 接纳控制

2．1．3 排队调度

2．1．4 拥塞避免

2．1．5 差错控制

2．2 软件定义网络

2．2．1 Openflow

2．2．2 FlowVisor

2．3 稳定婚姻问题及G-S算法

2．4 本章小结

第3章 通用数据交换协议设计

3．1 总体设计

3．1．1 网络构成

3．1．2 总体架构

3．1．3 工作流程

3．2 医疗健康应用类型

3．3 Center Controller设计

3．3．1 感知模块

3．3．2 效用计算模块

3．3．3 通信模块

3．4 ISP Controller设计

3．4．1 网络测量模块

3．4．2 接纳控制模块

3．4．3 路径计算模块

3．4．4 资源预留模块

3．4．5 组装服务模块

3．4．6 定价模块

3．4．7 通信模块

3．5 OF Switch设计

3．6 基于G-S的匹配算法

3．6．1 问题描述

3．6．2 匹配算法

3．7 本章小结

第4章 仿真实现

4．1 仿真环境

4．2 仿真实现

4．2．1 Center Controller实现

4．2．2 ISP Controller实现

4．2．3 OF Switch实现

4．3 性能评价

4．3．1 拓扑用例

4．3．2 应用类型

4．3．3 性能对比

4．4 本章小结

第5章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文