趙 琦, 張新有

(西南交通大學(xué) 計算機(jī)與人工智能學(xué)院, 成都 611756)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增多, 人們對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等要求越來越高. 為了應(yīng)對這一狀況, 研發(fā)人員們提出了各式各樣行之有效的方法. 從硬件層面上, 研發(fā)高帶寬流量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如千兆, 萬兆網(wǎng)卡等;從軟件層面上, 開發(fā)新的通信協(xié)議, 或?qū)⒍鄺l網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合成單條鏈路, 讓其擁有更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等. 由于更換網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備成本較高, 且容易遇到設(shè)備不兼容等問題, 相對而言, 鏈路聚合成本更低,對設(shè)備硬件不需要做改動, 是滿足高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)鏈路應(yīng)用需求最經(jīng)濟(jì)實用的方式.

當(dāng)前移動用戶占據(jù)了很大的比例, 一般的移動設(shè)備通常只搭載單張無線網(wǎng)卡或者使用不同類型網(wǎng)絡(luò)的多張網(wǎng)卡, 但同一時刻僅能使用單條網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行通信傳輸[1]. 且受環(huán)境條件的影響, 實際使用速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論速率. 本文針對移動設(shè)備的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合研究, 基于應(yīng)用層提出了為移動設(shè)備提供更快網(wǎng)絡(luò)傳輸、且經(jīng)濟(jì)性, 可行性均比較高的解決方案.

1 技術(shù)分析

1.1 鏈路聚合

鏈路聚合是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域中一個專用術(shù)語, 主要的操作方式是將不同的物理接口匯聚在一起, 虛擬成為一個邏輯接口, 再使用這個邏輯接口連接網(wǎng)絡(luò), 由于該邏輯接口是由多個物理接口匯聚而成, 因此擁有更高的帶寬. 鏈路聚合通常和負(fù)載均衡算法配套使用, 負(fù)載均衡算法能根據(jù)當(dāng)前每條物理鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀況將數(shù)據(jù)包分發(fā)給不同的鏈路來達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量.由于鏈路聚合是通過多個物理端口匯聚而成, 因此聚合的鏈路還擁有更高的冗余, 在某條鏈路斷開的情況下其他鏈路能保持工作, 獲得更高的可靠性[2]. 因此, 鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現(xiàn)鏈路傳輸彈性和工程冗余等方面是一項很重要的技術(shù)[3].

1.2 異構(gòu)無線鏈路聚合

在傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的鏈路聚合過程中, 需要參與匯聚的物理端口類型相同, 網(wǎng)絡(luò)類型相同, 而異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同, 網(wǎng)絡(luò)類型不同, 速率不同, 且網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)變化的特點, 因此不能簡單地依靠聚合多個物理端口實現(xiàn). 在業(yè)內(nèi)也有不少機(jī)構(gòu)對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合進(jìn)行研究, 典型的有兩種路線: 一是通過對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的信號進(jìn)行調(diào)制, 如華為某款型號手機(jī)使用了一種叫載波聚合的信號調(diào)制技術(shù), 將不同連續(xù)信道進(jìn)行合并, 再把各信道的無線信號進(jìn)行調(diào)制, 讓無線信道帶寬增加, 使得流量信號作為WiFi信號的補(bǔ)充,實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合[4], 該方式需要專用的無線天線設(shè)備, 成本較高. 另一種路線是開發(fā)新的無線通信協(xié)議,文獻(xiàn)[5]中描述了一種通過開發(fā)專門的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議來規(guī)范網(wǎng)絡(luò)鏈路中的數(shù)據(jù)包達(dá)到數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)鏈路聚合的目的. 該方式需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配合, 與市面上主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不兼容, 僅能夠小范圍專用設(shè)備應(yīng)用. 文獻(xiàn)[6]描述了一種現(xiàn)階段應(yīng)用于部分高端手機(jī)上的Link Turbo技術(shù), 可實現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)和流量網(wǎng)路的鏈路聚合, 但該技術(shù)不僅需要修改系統(tǒng)內(nèi)核并適配專業(yè)的芯片, 還需要運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和后端資源服務(wù)器設(shè)備添加通信協(xié)議棧支持, 現(xiàn)階段并沒有廣泛使用.通常上述兩種技術(shù)路線是封閉的, 第三方開發(fā)人員無法進(jìn)行功能擴(kuò)充.

2 方案設(shè)計與實現(xiàn)

通過對移動設(shè)備的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合進(jìn)行技術(shù)分析, 可知要實現(xiàn)鏈路聚合, 現(xiàn)有的技術(shù)路線均存在一些難以解決的問題, 如果從信號調(diào)制的方向, 需要移動設(shè)備搭載專業(yè)的天線設(shè)備以及其他配套設(shè)備, 成本過高[7].如果開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 也即是從數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行聚合, 則市面上常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無法匹配該協(xié)議并支撐網(wǎng)絡(luò).

TCP/IP作為一個有著廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇, 將網(wǎng)絡(luò)劃分成5層, 即物理層, 數(shù)據(jù)鏈路層, 網(wǎng)際層, 運(yùn)輸層和應(yīng)用層, 層次結(jié)構(gòu)屏蔽了層次實現(xiàn)的細(xì)節(jié), 讓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單和實用[8,9]. 在5層協(xié)議結(jié)構(gòu)中, 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般工作在物理層, 數(shù)據(jù)鏈路層, 網(wǎng)絡(luò)層; 如果異構(gòu)無線鏈路在這3層進(jìn)行聚合, 就需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配合,甚至對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行更改, 這樣會造成應(yīng)用環(huán)境要求高,成本上升等問題. 而在應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)實現(xiàn), 可以避免更改基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施. 因此可以從應(yīng)用層著手, 開發(fā)一款異構(gòu)無線鏈路聚合的代理軟件, 通過某種有效的方式來控制各鏈路的傳輸工作, 實現(xiàn)異構(gòu)無線鏈路聚合的目的.

2.1 方案設(shè)計

Android智能手機(jī)通常搭載了接收WiFi信號的無線網(wǎng)卡和接收移動流量信號專用的3G/4G網(wǎng)卡, 并可以分別接入兩種不同類型的網(wǎng)絡(luò), 根據(jù)實際使用需求在兩種網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行靈活切換, 滿足本文所需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備條件.

從應(yīng)用層出發(fā)實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合, 最適宜的方式是開發(fā)一款基于安卓手機(jī)的APP. 將移動設(shè)備從移動網(wǎng)絡(luò)基站接收到的流量網(wǎng)絡(luò)鏈路和從無線路由器接收到的WiFi網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行應(yīng)用層上的代理鏈路聚合. 為了測試鏈路聚合的傳輸速度與常規(guī)的單一網(wǎng)絡(luò)傳輸速度相比的優(yōu)勢, 可以從一個FTP服務(wù)器下載多個文件, 通過在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行多次測試, 比較單一的數(shù)據(jù)流量網(wǎng)絡(luò), WiFi網(wǎng)絡(luò)和聚合網(wǎng)絡(luò)的流量以及耗時來論證應(yīng)用層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合的可行性與優(yōu)勢, 無線鏈路聚合示意圖如圖1所示.

圖1 異構(gòu)無線鏈路聚合示意圖

2.2 軟件設(shè)計

通過對需求進(jìn)行分析, 本文設(shè)計的APP主要有3個模塊: 網(wǎng)絡(luò)狀況判斷模塊, 下載模塊, 結(jié)果展示模塊. 軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)狀況判斷模塊主要用于判斷當(dāng)前設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)狀況, 并反饋給下載模塊, 為下載模塊初始化相應(yīng)下載鏈路提供依據(jù). 下載模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況, 初始化移動流量下載鏈路, 或者同時初始化移動流量下載鏈路和WiFi下載鏈路. 獲取到文件列表后, 下載模塊根據(jù)選定的下載方式對文件進(jìn)行下載. 下載完成后, 通過結(jié)果展示模塊展示下載文件完成情況, 該軟件的流程圖如圖3所示.

圖3 軟件流程圖

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)判斷模塊

安卓的開發(fā)庫提供了ConnectivityManager函數(shù)庫, 可以用于判斷當(dāng)前設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)類型[10]. 一般情況下, 設(shè)備是默認(rèn)連接了移動流量網(wǎng)絡(luò)的, 如果設(shè)備僅開啟了流量網(wǎng)絡(luò), 則僅能通過移動流量網(wǎng)絡(luò)下載, 如果設(shè)備連接了WiFi網(wǎng)絡(luò), 則可以通過WiFi網(wǎng)絡(luò)下載以及聚合網(wǎng)絡(luò)下載, 網(wǎng)絡(luò)狀況判斷模塊流程圖如圖3虛框所示.

為了實現(xiàn)這一功能, 其中關(guān)鍵代碼如下:

ConnectivityManager connMgr = (ConnectivityManager) DownLoad-Activity.this.getApplicationContext( ).getSystemService(Context.CONNECTIVITY_SERVICE); //獲取管理類對象NetworkInfo gprsinfo=connMgr.getActiveNetworkInfo();int type=gprsinfo.getType(); //獲取網(wǎng)絡(luò)類型參數(shù), 0為流量網(wǎng)絡(luò), 1為WiFi網(wǎng)絡(luò)if(type==0) //若連接類型為流量網(wǎng)絡(luò){ bindService(gprs_intent, gprs_conn,Context.BIND_AUTO_CREATE);} //初始流量下載鏈路else if(type==1) //若連接類型為WiFi網(wǎng)絡(luò){bindService(gprs_intent,gprs_conn, Context.BIND_AUTO_CREATE); //初始流量下載鏈路bindService(wifi_intent, wifi_conn,Context.BIND_AUTO_CREATE); //初始WiFi下載鏈路}

2.2.2 下載模塊

APP成功判斷網(wǎng)絡(luò)類型并連接到服務(wù)器后, 將獲取的服務(wù)器文件列表顯示出來, 用戶選定要下載的文件后即可下載. 該模塊提供了3種下載方式也即3個下載按鈕以方便比較耗時大小. 點擊相應(yīng)的下載按鈕即可進(jìn)行下載, 移動流量下載對應(yīng)單一流量網(wǎng)絡(luò)下載, WiFi下載對應(yīng)單一WiFi網(wǎng)絡(luò)下載, 聚合下載對應(yīng)聚合網(wǎng)絡(luò)下載.

使用單一鏈路下載是通過監(jiān)測選定的鏈路空閑狀態(tài), 若鏈路沒有下載任務(wù), 則按照下載文件列表依次分配一個文件進(jìn)行下載, 并將鏈路狀態(tài)置為忙碌, 當(dāng)分配的單個文件下載完成, 鏈路狀態(tài)置為空閑, 立刻分配下一個文件, 單鏈路下載流程圖如圖4所示.

圖4 單一鏈路下載流程圖

使用聚合網(wǎng)絡(luò)下載是通過監(jiān)測子鏈路狀態(tài), 使用輪詢法分配各子鏈路下載不同文件實現(xiàn)鏈路聚合的負(fù)載均衡[11], 例如需要下載文件1, 文件2, 文件3, 文件1正在由WiFi鏈路下載, 如果此時移動流量鏈路空閑,那么向流量鏈路發(fā)送下載文件2的命令, 利用流量鏈路開始下載文件2并將鏈路狀態(tài)置為忙碌, 此時兩條子鏈路均為忙碌. 程序會反復(fù)獲取鏈路狀態(tài), 若文件2下載開始后不久, WiFi鏈路下載完文件1, WiFi鏈路置為空閑, 則立刻向WiFi鏈路發(fā)送下載文件3的命令,使用該鏈路下載文件3, WiFi鏈路狀態(tài)置為忙碌, 直到下載全部文件, 聚合網(wǎng)絡(luò)下載流程圖如圖5.

圖5 聚合網(wǎng)絡(luò)下載流程圖

2.2.3 結(jié)果展示模塊

為了便于獲取實驗結(jié)果數(shù)據(jù), APP下載全部文件后, 展示模塊將展示下載文件的總數(shù), 下載成功文件總數(shù), 下載全部文件的總耗時, 單個文件下載的耗時, 單個文件下載使用的網(wǎng)絡(luò)鏈路, 其中如果選擇了聚合網(wǎng)絡(luò)下載, 還會顯示每條子鏈路下載的文件總數(shù)和每條子鏈路的總耗時(如圖6).

圖6 展示模塊示意圖

3 測試與分析

3.1 FTP下載測試

在實際文件傳輸過程中, 應(yīng)用程序一般會使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的需求將大文件分割成許多的小文件塊, 將其填入文件發(fā)送流隊列[12], 當(dāng)鏈路空閑時, 將文件塊從文件發(fā)送流隊列中取出送入發(fā)送鏈路. 本文為了模擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對文件的分塊操作, 在服務(wù)器上放置了40個大小范圍為[2.5, 8] MB, 平均大小為5 MB的圖片文件.

不同的環(huán)境下, 數(shù)據(jù)流量信號和WiFi信號強(qiáng)度不同, 一般情況下, 信號強(qiáng)度和傳輸速率成正比. 在手機(jī)系統(tǒng)中, 信號強(qiáng)度范圍是[–30, –120] dbm, 信號強(qiáng)度大于–70 dbm為信號強(qiáng), 小于–70 dbm為信號弱, 為了實驗數(shù)據(jù)更貼合實際情況, 我們使用了專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)測速軟件來測試各鏈路信號強(qiáng)度, 以–70 dbm為分界線, 選取了WiFi信號強(qiáng)流量信號弱的環(huán)境, 流量信號強(qiáng)WiFi信號弱的環(huán)境, WiFi信號與流量信號強(qiáng)度都比較強(qiáng)的環(huán)境分別對單一數(shù)據(jù)流量鏈路下載, 單一WiFi鏈路下載, 聚合網(wǎng)絡(luò)下載各進(jìn)行了15次FTP下載測試, 將各下載方式耗時數(shù)據(jù), 聚合鏈路下載中每條子鏈路下載文件數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計.

3.1.1 WiFi信號較強(qiáng), 流量信號較弱環(huán)境

在該環(huán)境下, WiFi信號的強(qiáng)度較強(qiáng), 流量信號強(qiáng)度較弱, 各鏈路下載耗時統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示.

在使用聚合鏈路時, 各子鏈路下載的文件數(shù)目如圖8所示.

圖8 聚合網(wǎng)絡(luò)子鏈路下載文件數(shù)目

3.1.2 流量信號較強(qiáng), WiFi信號較弱環(huán)境

在流量信號較強(qiáng), WiFi信號偏弱的環(huán)境下, 測試結(jié)果如圖9所示.

圖9 流量信號較強(qiáng)環(huán)境下耗時統(tǒng)計

在該環(huán)境下使用聚合鏈路時, 各子鏈路下載文件數(shù)目統(tǒng)計如圖10所示.

圖10 聚合網(wǎng)絡(luò)子鏈路下載文件數(shù)

3.1.3 WiFi信號與流量信號強(qiáng)度都比較強(qiáng)的環(huán)境

該環(huán)境下, WiFi信號與流量信號強(qiáng)度均比較強(qiáng), 測試結(jié)果如圖11所示.

圖11 信號強(qiáng)度都比較強(qiáng)環(huán)境下耗時統(tǒng)計

在該環(huán)境下, 使用聚合鏈路下載時各子鏈路下載文件數(shù)目如圖12所示.

圖12 聚合網(wǎng)絡(luò)子鏈路下載文件數(shù)

3.2 測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果可以看出, 兩種無線鏈路在同一環(huán)境下均存在速率波動, 尤其以信號強(qiáng)度低的網(wǎng)絡(luò)波動更為突出. 但是在信號強(qiáng)度均為弱情況下, 流量信號的波動程度比較小. 單一流量鏈路耗時的波動區(qū)間比起單一WiFi鏈路波動區(qū)間更小, 在流量信號強(qiáng)度低的環(huán)境下, 波動區(qū)間仍然能保持在平均水平基礎(chǔ)上[–100,+200] s左右, 這是由于移動流量的信號基站的發(fā)射功率更大, 信號更穩(wěn)定, 覆蓋范圍更廣; 而在WiFi信號偏弱的時候, 單一WiFi鏈路下載波動區(qū)間較大, 在這種環(huán)境下, 波動區(qū)間能達(dá)到平均水平基礎(chǔ)上[–50, +400]秒左右, 這是因為發(fā)射WiFi信號的無線路由器功率較小, 受綜合因素影響較大. 聚合鏈路的傳輸速度在某一種信號偏弱的環(huán)境下與較強(qiáng)信號的鏈路相比雖然有一定程度的優(yōu)勢, 但是相差不大. 聚合鏈路與強(qiáng)鏈路耗時相比少花費(fèi)100–120 s, 傳輸速度提升僅6%–10%左右.這是由于在這種環(huán)境下的聚合網(wǎng)絡(luò)中, 信號較強(qiáng)的鏈路承擔(dān)了較多的下載任務(wù), 從聚合網(wǎng)絡(luò)下子鏈路下載文件數(shù)目上就可以看出來, 信號強(qiáng)的子鏈路下載了85%–88%的文件, 這就使得聚合鏈路的傳輸速度接近于強(qiáng)鏈路, 這與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合匯聚了兩個差別較大的物理端口造成的結(jié)果近乎一致.

在兩種信號強(qiáng)度相差不大的環(huán)境下, 兩種鏈路網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度比較穩(wěn)定, 兩種單一鏈路傳輸速度近乎一致, 但單一流量鏈路的耗時數(shù)據(jù)波動區(qū)間略小于單一WiFi鏈路耗時數(shù)據(jù)波動區(qū)間. 兩種單一鏈路總耗時均在1 655 s左右浮動, 這種環(huán)境下聚合網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度提升明顯, 較單一鏈路傳輸速度提升了37%左右,基本耗時平均分布在1 020–1 100 s左右. 從各子鏈路下載文件數(shù)目上來看, 各子鏈路均承擔(dān)了大約一半的下載任務(wù), 使得傳輸速度有了較大的提升, 這種情況類似于傳統(tǒng)鏈路聚合中匯聚了兩個相同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的物理端口, 是一種接近理想狀態(tài)下鏈路聚合的情況.

4 結(jié)論

實驗證明, 應(yīng)用層鏈路聚合能充分發(fā)揮各鏈路的潛力, 是一種能顯著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的技術(shù). 與傳統(tǒng)的鏈路聚合在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)相比, 應(yīng)用層實現(xiàn)鏈路聚合同樣能實現(xiàn)相同的功能. 在異構(gòu)無線鏈路聚合的研究中, 調(diào)制信號或者開發(fā)協(xié)議都有著一定的局限性,而從應(yīng)用層開發(fā)實現(xiàn)異構(gòu)無線鏈路聚合, 既能滿足提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和質(zhì)量的需求, 又有著成本低, 應(yīng)用范圍廣的特點, 可以充分發(fā)揮出設(shè)備能連接的異構(gòu)無線鏈路的能力. 為了模擬實際傳輸過程中將大文件切割成文件塊進(jìn)行傳輸, 我們設(shè)置了許多大小相差不大的小文件進(jìn)行下載. 在未來的研究工作中, 會考慮開發(fā)一個根據(jù)鏈路狀況對大文件進(jìn)行動態(tài)合理分割, 并根據(jù)鏈路實時質(zhì)量將文件塊合理分發(fā)給各子鏈路的算法[13],由于無線鏈路存在信號不穩(wěn)定的情況, 算法還應(yīng)兼顧丟失數(shù)據(jù)重傳等功能, 使應(yīng)用層的異構(gòu)無線鏈路聚合進(jìn)一步滿足高傳輸速度, 高可靠性的需求.