移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的無(wú)線通信技術(shù)

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摘要：在計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無(wú)線通信已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠郑嗟挠脩粝矚g在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行無(wú)線通信和多媒體應(yīng)用。筆者提出了一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)分析不同路徑的可用寬帶大小，來(lái)調(diào)配當(dāng)前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進(jìn)行對(duì)應(yīng)的路徑管理和分配。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)適應(yīng)實(shí)時(shí)寬帶變化，利用該技術(shù)能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)利用率、提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；自適應(yīng)；路徑管理；可用帶寬

1引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無(wú)線通信已成為了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，更多的用戶喜歡在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行無(wú)線通信和多媒體應(yīng)用，因此，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的無(wú)線通信技術(shù)也受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[1]。在當(dāng)前這種動(dòng)態(tài)變化的多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無(wú)線環(huán)境中，采用何種方式為用戶提供高質(zhì)量、穩(wěn)定度高、連續(xù)的業(yè)務(wù)是需要考慮的一個(gè)重大問(wèn)題[2]。在無(wú)線通信技術(shù)中加入自適應(yīng)技術(shù)，更能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況和用戶的實(shí)際需求調(diào)整業(yè)務(wù)質(zhì)量，為用戶提供更好的通信服務(wù)。

2多路并行傳輸技術(shù)

傳統(tǒng)的單路無(wú)線通信方式已無(wú)法滿足當(dāng)前人們?cè)谝曨l應(yīng)用方面的需求，同時(shí)由于現(xiàn)在的終端設(shè)備一般都采用多種網(wǎng)絡(luò)接口，如3G、4G、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等，利用多路并行傳輸技術(shù)，將通信數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸成為了一種必然趨勢(shì)[3]。采用多路并行傳輸技術(shù)，不僅能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)利用率，同時(shí)還能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.1多路并行傳輸協(xié)議MPTCP

MPTCP協(xié)議是TCP協(xié)議的擴(kuò)展協(xié)議[4]，能夠支持多路并行傳輸、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)利用率和可靠性。MPTCP使用了子流（Subflow）的概念，子流指的是源地址與目的地址之間的通信路徑。MPTCP能夠確定子流中的源地址和目的地址位置和端口號(hào)[5]，還能夠?qū)ψ恿鬟M(jìn)行具體管理，例如創(chuàng)建、修改和刪除子流。該協(xié)議采用的調(diào)度算法是RoundRobin輪詢機(jī)制[6]。MPTCP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是沒(méi)有將多條路徑在不同方面的差異考慮在內(nèi)[7]。因此，就需要具體改善該協(xié)議的分組調(diào)度、子流管理等方面內(nèi)容。

2.2可用帶寬估計(jì)算法

路徑帶寬表征的是在當(dāng)前路徑下每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)所能夠提供的最大傳輸速率，通常是將所有路徑中帶寬最小的路徑作為路徑帶寬。路徑的可用帶寬表示的是當(dāng)前路徑在這一時(shí)刻能夠?yàn)樗铇I(yè)務(wù)提供低于其他業(yè)務(wù)速率的最大傳輸速率[8]。由此可見(jiàn)，路徑帶寬和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況直接影響該路徑的可用帶寬，并且可用帶寬的值與時(shí)間有關(guān)，因此，對(duì)可用帶寬的測(cè)量需要考慮多方面的因素[9]。

3基于MPTCP的多路并行傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)多路并行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)分析不同路徑的可用寬帶大小，來(lái)調(diào)配當(dāng)前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進(jìn)行對(duì)應(yīng)的路徑管理和分配。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)適應(yīng)實(shí)時(shí)寬帶變化，利用該技術(shù)能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)利用率[10]。

3.1基于可用帶寬估計(jì)的自適應(yīng)調(diào)度算法

本文采用的算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出流媒體服務(wù)器包含了三個(gè)主要模塊，分別為子流管理、分組調(diào)度和路徑監(jiān)控。接收端的兩個(gè)模塊分別起到緩存管理和流量控制的作用。路徑狀況監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)Ω鱾€(gè)路徑的流量信息和寬帶大小進(jìn)行監(jiān)控。流量管理模塊能夠動(dòng)態(tài)管理子流，根據(jù)可用寬帶的大小和限制額度來(lái)對(duì)子流進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度。分組調(diào)度模塊能夠根據(jù)子流可用帶寬大小對(duì)其進(jìn)行分組，然后為每個(gè)子流分配適當(dāng)?shù)姆纸M數(shù)。接收端的緩存管理作用是對(duì)已收到的分組進(jìn)行排序處理，然后根據(jù)排序調(diào)整輸出隊(duì)列的大小，流量控制的作用是控制子流輸出的流量和時(shí)間。本文研究的自適應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)主要涉及發(fā)送端的子流管理和接收端的排序接受方面。

3.2發(fā)送端子流管理和分組調(diào)度

（1）子流管理作用。發(fā)送端能夠根據(jù)路徑情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，選擇最佳的傳輸路徑。在這里假設(shè)當(dāng)前一共有k條子流路徑S1,S2,…,Sn，而這些路徑中只有一部分路徑能夠符合傳輸要求。首先需要做的就是先要確定哪些子流路徑能夠進(jìn)行傳輸，采用可用帶寬來(lái)評(píng)定該路徑是否能夠傳輸。假定每個(gè)子流路徑的可用寬帶為Bi，帶寬上限和下限門限分別為Bh和Bl。Bh代表的是一路傳輸視頻不會(huì)產(chǎn)生丟包的閾值。當(dāng)該路徑的可用帶寬Bi大于Bh時(shí)，就能夠?qū)⑦@條路徑歸為可用路徑，同時(shí)也不需要檢查剩余路徑的帶寬情況，并可以將剩余路徑從可用路徑集中移除，這樣就可以直接利用該路徑傳輸所需數(shù)據(jù)，剩余路徑可以用于傳輸其他數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前路徑的可用帶寬小于Bh但是大于Bi，代表該路徑能夠滿足多路并行傳輸?shù)男枨?。Bl表征的是某一條路徑在滿足傳輸需求時(shí)丟包率低于1%。當(dāng)該路徑的可用帶寬Bi小于Bl時(shí)，表示該路徑無(wú)法滿足傳輸數(shù)據(jù)的需求，丟包率較高，也就是說(shuō)該路徑不應(yīng)加入可用路徑中，或者應(yīng)從可用路徑集中移除。根據(jù)上述規(guī)則可以得到可用路徑集P1,P2,…,Pr，對(duì)應(yīng)的可用帶寬分別為B1,B2,…,Br。對(duì)于路徑可用帶寬的估計(jì)采用TCPWestwood算法，可以計(jì)算得到單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送端發(fā)送的分組個(gè)數(shù)，然后乘以分組的大小，就能夠得到最終的可用帶寬值。同時(shí)為了能夠根據(jù)帶寬情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，需要采集不同時(shí)間的多個(gè)帶寬值，最后計(jì)算得到的可用帶寬表示為Bi=a*Bi+(1-a)*Bi，其中a=0.875。（2）分組調(diào)度作用。當(dāng)多路進(jìn)行同時(shí)傳輸時(shí)，能夠選取可用路徑集中的若干條路徑并行傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)需要根據(jù)各個(gè)路徑的可用帶寬情況合理分配分組數(shù)，路徑的可用帶寬較大時(shí)，將為其分配較多的分組數(shù)，同理當(dāng)可用帶寬較小時(shí)，分組數(shù)降低，保證傳輸過(guò)程中各個(gè)路徑的負(fù)載均衡，使得整個(gè)傳輸?shù)膩G包率和重傳率大大降低。在這里設(shè)定數(shù)據(jù)采用恒定不變的速率進(jìn)行發(fā)送，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量恒定為N，并且設(shè)定每個(gè)分組的長(zhǎng)度相同并且固定，第一步需要計(jì)算得到每條可用路徑帶寬之間的比值，并進(jìn)行歸一化B1:B2…:Br=t1:t2…:tr，歸一化之后，可用帶寬比值之和為t1+t2+…tr=1。假設(shè)每個(gè)路徑的N個(gè)分組都需要n輪調(diào)度，在每一輪調(diào)度的過(guò)程中都分配了1rskksMN個(gè)分組，其中k=1,2,…,n，而且所有調(diào)度包含的分組數(shù)總和為N。調(diào)度利用均勻輪詢調(diào)度的方式，能夠很大程度上提高接收端進(jìn)行排序的效率。根據(jù)每輪發(fā)送的分組數(shù)量Mk，可以得到路徑s的第j輪發(fā)送的分組個(gè)數(shù)，可以用下面的公式表示：1*1,2,,1,2,,sjsknssjkNtMknNNsr（1）在這里需要使得每輪調(diào)度的分組數(shù)低于發(fā)送窗口大小。而且如果其中一條路徑?jīng)]有按照規(guī)定時(shí)間接收到其中某一個(gè)分組的確認(rèn)ACK消息時(shí)，就會(huì)對(duì)當(dāng)前可用的路徑進(jìn)行輪詢操作，當(dāng)某個(gè)發(fā)送窗口沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)優(yōu)先分配該分組，將其分配到緩沖區(qū)域進(jìn)行發(fā)送處理。如果發(fā)送窗口不為空，就會(huì)對(duì)當(dāng)前各個(gè)路徑的rtt值進(jìn)行比較，將這個(gè)分組分配到rtt值最小的傳輸線路上，采用這種方式就能夠在最短時(shí)間內(nèi)將需要重新發(fā)送的分組，利用延時(shí)最小的路徑進(jìn)行發(fā)送，從而避免丟包，降低系統(tǒng)的緩存成本。當(dāng)全部分組確認(rèn)消息都已接收到之后，就會(huì)將這一輪詢的分組刪除，然后進(jìn)行下一輪的調(diào)度過(guò)程。

3.3接收端緩存開(kāi)銷與流量控制

（1）緩沖開(kāi)銷作用。接收端能夠利用緩沖隊(duì)列使得已發(fā)送的分組能夠成功到達(dá)接收端的緩存部位，并且使得接收端的緩存盡可能小，從而能夠降低成本、節(jié)約傳輸資源。通常情況下，將接收端的緩存大小設(shè)定為BuffersSize=max2**iiBWrtt，其中BWi表示的是對(duì)應(yīng)子流的帶寬，rttmax表示的是可用傳輸子流rtt中的最大值。（2）流量控制與分組交付。通常情況下，都會(huì)盡可能提高傳輸速率，但是在實(shí)際過(guò)程中，一旦發(fā)送端的發(fā)送速率過(guò)快，接收端就無(wú)法及時(shí)接收數(shù)據(jù)，這就使得分組丟失。當(dāng)某一條路徑產(chǎn)生分組丟失現(xiàn)象時(shí)，采用并行多路傳輸?shù)氖侄?，其他路徑的?shù)據(jù)就要等待該路徑重傳接收之后才能夠進(jìn)行交付。如果發(fā)送端的速率一直居高不下，就會(huì)使得分組丟失過(guò)多，大量積壓在接收端的緩存當(dāng)中。這時(shí)就需要通過(guò)流量控制來(lái)保障分組發(fā)送的數(shù)據(jù)不超過(guò)一定限度。以往采用最多的TCP協(xié)議是利用滑動(dòng)窗口的機(jī)制控制流量，其機(jī)理就是使得發(fā)送方的發(fā)送窗口數(shù)低于接收方已設(shè)定的接收窗口數(shù)。但是采用TCP窗口滑動(dòng)機(jī)制仍然存在隊(duì)頭堵塞和糊涂窗口的問(wèn)題。為了能夠使得流量控制更加符合實(shí)際需求，并解決TCP滑動(dòng)窗口機(jī)制現(xiàn)存的這些問(wèn)題，采用如下方法：當(dāng)某條傳輸速率的接收緩存將要溢出時(shí)，即便分組是雜亂無(wú)章的，依舊向總接受隊(duì)列提交分組請(qǐng)求。并且在此時(shí)將sack中的awnd設(shè)置為原緩存大小的β。在這里，采用平滑控制的方式，具體算法流程如下：算法流程1路徑s接收到分組seq2ifseq==nextExpSeq：3將該分組從路徑S的接收緩沖中放入接收隊(duì)列中4nextExpSeq=nextExpSeq+15elseifseq>nextExpSeq6ifls≥αLs7將該緩沖區(qū)中的δ個(gè)分組移至輸出隊(duì)列8awnd=(ls－Ls)*β9else：10將該分組放入路徑S的接收緩沖中11awnd=ls－Ls12endif13else：14丟棄當(dāng)前分組15endif16必要時(shí)發(fā)送ack確認(rèn)，包含awnd值其中seq表示分組隊(duì)列的序號(hào)，nextseq表示下一次分組隊(duì)列的序號(hào)，Ls表示總緩沖隊(duì)列，ls表示當(dāng)前隊(duì)列的分組，接收端確認(rèn)窗口的大小為awnd。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)分析不同路徑的可用寬帶大小，來(lái)調(diào)配當(dāng)前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進(jìn)行對(duì)應(yīng)的路徑管理和分配。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)適應(yīng)實(shí)時(shí)寬帶變化，利用該技術(shù)能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高網(wǎng)絡(luò)利用率，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式提供了可行的無(wú)線通信方式，能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

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作者:溫思行 單位:東莞供電局