王建設(shè) 王艷麗

摘 要： 針對傳統(tǒng)傳輸控制系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)吞吐量低、往返時延高等問題，提出并設(shè)計了基于數(shù)據(jù)快速活膚的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)。根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點設(shè)計模塊總體框圖，并對初始化模塊、任務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像傳輸模塊展開分析。在傳統(tǒng)擁塞避免算法基礎(chǔ)上，對快速恢復(fù)算法進行優(yōu)化，由此完成傳輸控制系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計可大大提高網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量，降低往返時延值，改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸控制性能。

關(guān)鍵詞： 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 鏈路傳輸; 控制系統(tǒng); 任務(wù)調(diào)度; 時延; 吞吐量

中圖分類號： TN711?34; TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0049?05

Abstract： Since the traditional transmission control system has the problems of low network throughput and high round?trip delay， a data rapid capture based transmission control system of heterogeneous network link is proposed and designed. According to the characteristics of heterogeneous network， the overall diagram of the module is designed， and the initialization module， task scheduling module， data transmission module， image transmission module are analyzed. On the basis of traditional congestion avoidance algorithm， the fast recovery algorithm is optimized to design the transmission control system. The experimental results show that the system design can improve the average network throughput greatly， reduce the round?trip delay value， and improve the network transmission control performance.

Keywords： heterogeneous network; link transmission; control system; task scheduling; time delay; throughput

0 引 言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多樣性特點給網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)計與實現(xiàn)帶來了諸多困難，隨著網(wǎng)絡(luò)在軍事行動、城市安全與醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，多個網(wǎng)絡(luò)融合在鏈路傳輸性能和質(zhì)量方面存在的問題顯得尤為突出。從社會角度看，根據(jù)目前現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系特點，每種不同網(wǎng)絡(luò)具有特定資源組成方式，基于該方式下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與業(yè)務(wù)不能滿足服務(wù)多樣化的需求;從個人角度看，單純TCP協(xié)議已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母邩藴室?，為此，將多個網(wǎng)絡(luò)進行融合是一個新的機遇與挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)跨越式未來奠定基礎(chǔ)[1]。

信息化時代是一個互聯(lián)網(wǎng)相互融合的時代，經(jīng)過融合后的網(wǎng)絡(luò)將為社會各個方面帶來極大的推進作用，針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征，改善網(wǎng)絡(luò)性能是一件有意義的事。傳統(tǒng)傳輸控制系統(tǒng)存在平均吞吐量低、往返時延值大等問題。為了彌補該系統(tǒng)缺陷，設(shè)計異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)可改善網(wǎng)絡(luò)性能，以便用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況進行自由控制。

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點，設(shè)計該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下鏈路傳輸控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上對平臺進行初始化設(shè)計，并分別對模塊功能展開分析，進而詳細設(shè)計控制框架，實現(xiàn)傳輸控制系統(tǒng)的良好應(yīng)用。

1.1 總體設(shè)計

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸在操作平臺下可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各個模塊的設(shè)計，針對數(shù)據(jù)采集與封裝，對網(wǎng)絡(luò)層次上下鏈路進行透明化處理，并在數(shù)據(jù)鏈路之間進行轉(zhuǎn)換。因此，按照該結(jié)構(gòu)劃分為初始化模塊、任務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像傳輸模塊。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

由圖1可知：初始化模塊主要負責為其他模塊和驅(qū)動進行服務(wù);任務(wù)調(diào)度模塊需利用嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核作為調(diào)度機制，促使任務(wù)完成得更加有條理;數(shù)據(jù)傳輸模塊負責為上層提供一致接口，為底層鏈路進行透明化處理;圖像傳輸模塊主要負責對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸，由于該數(shù)據(jù)具有特殊性，因此只能覆蓋在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸。

1.1.1 初始化模塊

初始化步驟為：

1） 寄存器初始化處理。寄存器進行初始化處理時所涉及的每一個寄存器內(nèi)存映射方式都具有自定義函數(shù)，對時鐘進行中斷控制和相關(guān)寄存器地址空間映射控制等。該函數(shù)可將每一個物理內(nèi)存地址映射為虛擬空間地址，即為時鐘的一個內(nèi)核指針[2]。

2） 端口初始化處理。利用系統(tǒng)提供的內(nèi)核函數(shù)完成端口引腳功能設(shè)置;再次向內(nèi)核申請中斷設(shè)置，促使系統(tǒng)時鐘可進行循環(huán)控制。

3） MAC層狀態(tài)初始化處理。媒體介入控制層（MAC）主要負責完成時鐘和各個任務(wù)狀態(tài)初始化處理，以此完成串行外設(shè)接口功能設(shè)置。

4） 任務(wù)調(diào)度初始化處理。通過對定時器初始化處理，可實現(xiàn)對媒體介入控制層協(xié)議中各個任務(wù)的調(diào)度[3]。

1.1.2 任務(wù)調(diào)度模塊

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)涉及功能模塊以及調(diào)度任務(wù)，都需要各個功能模塊協(xié)調(diào)配合，進而確保不同功能模塊及調(diào)度任務(wù)都可以高效有序完成。引入內(nèi)核線程，并利用嵌入式調(diào)度機制改善該模塊運行狀態(tài)，為系統(tǒng)工作效率起到了促進作用，也為其他功能模塊帶來了簡潔調(diào)度功能，促使任務(wù)在簡單程序中快速完成[4]。內(nèi)核線程的創(chuàng)建與使用都是由內(nèi)核進行直接控制的，將內(nèi)核看成一個分身，由分身來處理任務(wù)，為線程的引入提供了方便、簡單的技術(shù)手段。該線程可通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)相同進程空間任務(wù)的快速調(diào)度;也可直接調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，直接對數(shù)據(jù)進行訪問。該模塊既包含內(nèi)核線程所有相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，還包含調(diào)度信息、處理器信息和信號處理信息。

1.1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊作為鏈路傳輸技術(shù)中的重要組成成分之一，需要完成數(shù)據(jù)實時發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)接收時，需對適配層進行解封，進而提取出IPv6數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議棧進行處理;數(shù)據(jù)發(fā)送時需經(jīng)過統(tǒng)一封裝，并采用內(nèi)核套接字形式完成協(xié)議棧中數(shù)據(jù)的封裝與處理。在此過程中，需借助Linux 2.4.x系統(tǒng)引入的Netfilter子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)包不同層次間的傳遞[5]。

1.1.4 圖像傳輸模塊

圖像傳輸模塊主要是覆蓋在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的，盡量避免異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)造成的擁塞，對圖片傳輸與視頻輸出分別進行處理。由于視頻傳輸對數(shù)據(jù)包到達目的地址順序要求極為嚴格，因此采用TCP套接字實現(xiàn)視頻的秩序傳輸;圖片傳輸需將ARM節(jié)點作為連接客戶端，將服務(wù)器作為服務(wù)器端，用戶需通過界面改善數(shù)據(jù)采集速度。設(shè)計圖片傳輸流程如圖2所示。

由圖2可知：創(chuàng)建套接字種類，并進行連接;發(fā)送圖片文件名稱;讀取文件，并關(guān)閉文件和套接字。在服務(wù)器終端接收圖像文件，綁定本地地址，并監(jiān)聽端口信息。將當前圖像根據(jù)時間進行重命名，并記錄接收時間，對圖像數(shù)據(jù)進行儲存[6]。最終圖像將以數(shù)據(jù)形式儲存在服務(wù)器中，可根據(jù)發(fā)送信息進行查詢。

1.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸性能的實現(xiàn)

在目前有線網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)輸出控制系統(tǒng)取得了較大成功，為面向運輸服務(wù)提供了一個可靠的系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，對擁塞進行控制，可預(yù)防大量數(shù)據(jù)的隨意注入，進而減輕鏈路負載[7]。但是傳統(tǒng)設(shè)計方法無法在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行應(yīng)用，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致出現(xiàn)擁塞窗口值減半，吞吐量下降，進而嚴重破壞網(wǎng)絡(luò)性能。為此，提出一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制性能分析算法來控制網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，進而實現(xiàn)對擁塞窗口的合理調(diào)整與控制。

1.2.1 傳統(tǒng)擁塞避免算法分析

如果網(wǎng)絡(luò)狀況較差，說明擁塞值大于啟動門限值，擁塞窗口負荷較重，在此情況下使用擁塞避免算法可將窗口延伸，即每增加一次傳輸就相當于發(fā)送一個擁塞窗口[8]。當TCP協(xié)議出現(xiàn)在以穩(wěn)定速率進行數(shù)據(jù)發(fā)送的情況時，整個擁塞窗口為穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。

由圖3可知：[cw]為穩(wěn)定窗口擁塞值;[w]為穩(wěn)定窗口擁塞最大值;[w1]為啟動門限值;[a]為增加因子;[t]為穩(wěn)定狀態(tài)下?lián)砣翱谥芷谥怠砣翱谠谡顟B(tài)下會隨著時間的增加出現(xiàn)鋸齒形變化，并保持該變化規(guī)律隨著時間的增加而增長。如果窗口值達到[w，]那么該網(wǎng)絡(luò)需對主機連續(xù)3次發(fā)送數(shù)據(jù)，目的是避免擁塞情況的發(fā)生，當窗口值降為[w1，]那么該窗口可采用擁塞避免算法促使窗口值下降。該固定模式不能滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，長期下來會造成擁塞周期過短，導(dǎo)致窗口震蕩，在一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)性能。

1.2.2 快速恢復(fù)算法的優(yōu)化

快速恢復(fù)算法是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)而主機接收不到，則認為該數(shù)據(jù)已丟失，那么利用改變窗口擁塞值和啟動門限值方法提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量[9?10]。該算法要求主機接收端只要有錯誤報文出現(xiàn)，就立刻向主機發(fā)送報文段號信息，如圖4所示。

由圖4可知：主機發(fā)送端對[m2]進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，也會立刻發(fā)送其他報文，因此，接收端需按順序確認信息，并向上層完整交付。該方式可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對快速回復(fù)算法進行優(yōu)化，可改善網(wǎng)絡(luò)性能。

2 實 驗

為了驗證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行了如下實驗。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模擬理論選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路，通過對新協(xié)議進行初步驗證可及時對實驗出現(xiàn)的問題進行解決，具有成本低、穩(wěn)定性強、靈活可靠的特點，有易于與其他協(xié)議進行比較的優(yōu)勢，采用網(wǎng)絡(luò)模擬方法進行該實驗成為當代通信領(lǐng)域研究中不可或缺的重要階段。

2.1 實驗環(huán)境設(shè)置

采用NS?2.34軟件作為實驗工具，并在嵌入式系統(tǒng)下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

由圖5可知：[S1～S4]為結(jié)構(gòu)的發(fā)送端，R為節(jié)點，BS為基站，[D1～D4]為結(jié)構(gòu)的接收端?；綛S與接收端之間有鏈路連接線，R?BS為瓶頸鏈路。實驗所選擇的拓撲結(jié)構(gòu)具有啞鈴式拓撲形式，最為實用。

實驗環(huán)境配置為：有線端具有4個節(jié)點分別為[S1，][S2，][S3]和[S4，]而在無線端同樣具有4個節(jié)點分別為[A1，][A2，][A3]和[A4]。將有線端和無線端進行分層處理，獲得詳細地址，即無線端節(jié)點地址與基站地址一致;有線端通過基站與無線端4個節(jié)點進行連接。節(jié)點進行緩沖的最大數(shù)量為10個儲存包，[S1]向[D1]發(fā)送的數(shù)據(jù)流具有TCP協(xié)議屬性的數(shù)據(jù)流，在第5 s開始發(fā)送數(shù)據(jù)。S2?D2，S3?D3，S4?D4在UDP背景下發(fā)送數(shù)據(jù)流，并分別在10 s，15 s和20 s以勻速發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 實驗驗證結(jié)果與分析

采用本文設(shè)計的方法最為穩(wěn)定，且代表性最強，因此，選用該方法為實驗對比對象。通過實驗對S1?D1通過數(shù)據(jù)流分別使用傳統(tǒng)設(shè)計方法和本文設(shè)計方法對網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量、往返時延進行對比分析。其中，平均吞吐量可直接反映出系統(tǒng)性能，如果對本文設(shè)計方法驗證之后，發(fā)現(xiàn)平均吞吐量提高，那么可說明異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計較為合理。為了精準驗證系統(tǒng)的有效性，需要設(shè)置在不同誤碼率下進行對比實驗。

2.2.1 平均吞吐量對比結(jié)果與分析

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可進行模擬實驗，拓撲結(jié)構(gòu)中S2?D2，S3?D3，S4?D4均在UDP背景下發(fā)送數(shù)據(jù)流，在同一拓撲結(jié)構(gòu)下設(shè)置背景流不變，并將誤碼率設(shè)置為0，S1?D1分別采用傳統(tǒng)設(shè)計方法與本文設(shè)計方法的平均吞吐量進行對比實驗，實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：當誤碼率為0時，使用本文設(shè)計方法的平均吞吐量大于傳統(tǒng)設(shè)計方法。在實驗最初階段，網(wǎng)絡(luò)寬帶充足、鏈路空閑較多、狀況良好、沒有誤碼情況發(fā)生，因此在一段時間內(nèi)不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。使用傳統(tǒng)設(shè)計方法在短時間內(nèi)吞吐量增長速度基本穩(wěn)定，都能在該時間區(qū)域完成網(wǎng)絡(luò)吞吐量的改變。但是，隨著時間的增加，網(wǎng)絡(luò)寬帶數(shù)量降低，鏈路處于空閑狀態(tài)減少，導(dǎo)致因出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞而吞吐量降低，即使在該情況下，使用本文設(shè)計方法的下降速度要小于傳統(tǒng)設(shè)計方法。

2.2.2 往返時延對比結(jié)果與分析

將數(shù)據(jù)從發(fā)送端主機到主機接收來自接收端的確認信息，總共經(jīng)歷的時間統(tǒng)稱為往返時延。隨著往返時延的逐漸增大，可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀況較差，可能發(fā)生擁塞的概率增加，此時應(yīng)減小數(shù)據(jù)發(fā)送速率。相反，隨著往返時延值逐漸降低，可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀況良好，限制寬帶數(shù)量較多，此時應(yīng)增加數(shù)據(jù)發(fā)送速率。S1?D1分別采用傳統(tǒng)設(shè)計方法與本文設(shè)計方法的往返時延進行對比實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知：在50 s之前，使用傳統(tǒng)設(shè)計方法的往返時延值大于本文設(shè)計方法的往返時延值，并都處于增長趨勢;在50 s之后，隨著網(wǎng)絡(luò)背景的加入，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。傳統(tǒng)設(shè)計方法往返時延值較大，說明該網(wǎng)絡(luò)狀況較差、數(shù)據(jù)容易丟失。由此可知：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計的往返時延大部分小于傳統(tǒng)設(shè)計方法，使用該系統(tǒng)促使發(fā)送端主機能更快地發(fā)送數(shù)據(jù)，進而提高平均吞吐量。

綜上所述，通過上述實驗內(nèi)容可知：隨著時間的增加，網(wǎng)絡(luò)寬帶數(shù)量降低、鏈路處于空閑狀態(tài)減少，導(dǎo)致因出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞而吞吐量降低，即使在該情況下，使用本文設(shè)計方法的下降速度要小于傳統(tǒng)設(shè)計方法;異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計的往返時延大部分小于傳統(tǒng)設(shè)計方法，使用該系統(tǒng)促使發(fā)送端主機能更快地發(fā)送數(shù)據(jù)，進而提高平均吞吐量，系統(tǒng)性能良好。

3 結(jié) 語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求越來越高，由純粹的有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為無線與有線相互融合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，為了滿足更多用戶對資源獲取的需求，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能成為該領(lǐng)域的研究重要內(nèi)容。傳統(tǒng)系統(tǒng)在改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能方面存在一定局限性，而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸控制系統(tǒng)具有較高的平均吞吐量，且往返時延值較小，大大改善了網(wǎng)絡(luò)性能。

注：本文通訊作者為王艷麗。

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