基于Android設備的異構無線鏈路聚合軟件①

趙 琦, 張新有

(西南交通大學 計算機與人工智能學院, 成都 611756)

隨著網絡技術的發展及網絡應用的增多, 人們對網絡傳輸速度等要求越來越高. 為了應對這一狀況, 研發人員們提出了各式各樣行之有效的方法. 從硬件層面上, 研發高帶寬流量的網絡設備如千兆, 萬兆網卡等;從軟件層面上, 開發新的通信協議, 或將多條網絡鏈路聚合成單條鏈路, 讓其擁有更高的網絡帶寬和更好的網絡質量等. 由于更換網絡硬件設備成本較高, 且容易遇到設備不兼容等問題, 相對而言, 鏈路聚合成本更低,對設備硬件不需要做改動, 是滿足高質量網絡鏈路應用需求最經濟實用的方式.

當前移動用戶占據了很大的比例, 一般的移動設備通常只搭載單張無線網卡或者使用不同類型網絡的多張網卡, 但同一時刻僅能使用單條網絡鏈路進行通信傳輸[1]. 且受環境條件的影響, 實際使用速率遠遠達不到理論速率. 本文針對移動設備的異構無線網絡鏈路聚合研究, 基于應用層提出了為移動設備提供更快網絡傳輸、且經濟性, 可行性均比較高的解決方案.

1 技術分析

1.1 鏈路聚合

鏈路聚合是網絡技術領域中一個專用術語, 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絡, 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. 鏈路聚合通常和負載均衡算法配套使用, 負載均衡算法能根據當前每條物理鏈路的網絡狀況將數據包分發給不同的鏈路來達到最優的網絡傳輸質量.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、實現鏈路傳輸彈性和工程冗余等方面是一項很重要的技術[3].

1.2 異構無線鏈路聚合

在傳統有線網絡的鏈路聚合過程中, 需要參與匯聚的物理端口類型相同, 網絡類型相同, 而異構無線網絡存在網絡設備不同, 網絡類型不同, 速率不同, 且網絡狀況動態變化的特點, 因此不能簡單地依靠聚合多個物理端口實現. 在業內也有不少機構對異構無線網絡鏈路聚合進行研究, 典型的有兩種路線: 一是通過對異構無線網絡的信號進行調制, 如華為某款型號手機使用了一種叫載波聚合的信號調制技術, 將不同連續信道進行合并, 再把各信道的無線信號進行調制, 讓無線信道帶寬增加, 使得流量信號作為WiFi信號的補充,實現異構網絡鏈路聚合[4], 該方式需要專用的無線天線設備, 成本較高. 另一種路線是開發新的無線通信協議,文獻[5]中描述了一種通過開發專門的數據鏈路層協議來規范網絡鏈路中的數據包達到數據鏈路層實現鏈路聚合的目的. 該方式需要專業的網絡設備配合, 與市面上主流的網絡設備不兼容, 僅能夠小范圍專用設備應用. 文獻[6]描述了一種現階段應用于部分高端手機上的Link Turbo技術, 可實現WiFi網絡和流量網路的鏈路聚合, 但該技術不僅需要修改系統內核并適配專業的芯片, 還需要運營商的網絡設備和后端資源服務器設備添加通信協議棧支持, 現階段并沒有廣泛使用.通常上述兩種技術路線是封閉的, 第三方開發人員無法進行功能擴充.

2 方案設計與實現

通過對移動設備的無線異構網絡鏈路聚合進行技術分析, 可知要實現鏈路聚合, 現有的技術路線均存在一些難以解決的問題, 如果從信號調制的方向, 需要移動設備搭載專業的天線設備以及其他配套設備, 成本過高[7].如果開發網絡協議, 也即是從數據鏈路層進行聚合, 則市面上常規的網絡設備無法匹配該協議并支撐網絡.

TCP/IP作為一個有著廣泛應用的網絡協議簇, 將網絡劃分成5層, 即物理層, 數據鏈路層, 網際層, 運輸層和應用層, 層次結構屏蔽了層次實現的細節, 讓網絡結構更加簡單和實用[8,9]. 在5層協議結構中, 網絡設備一般工作在物理層, 數據鏈路層, 網絡層; 如果異構無線鏈路在這3層進行聚合, 就需要相應的網絡設備進行配合,甚至對網絡設備進行更改, 這樣會造成應用環境要求高,成本上升等問題. 而在應用層進行開發實現, 可以避免更改基礎網絡設施. 因此可以從應用層著手, 開發一款異構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, 實現異構無線鏈路聚合的目的.

2.1 方案設計

Android智能手機通常搭載了接收WiFi信號的無線網卡和接收移動流量信號專用的3G/4G網卡, 并可以分別接入兩種不同類型的網絡, 根據實際使用需求在兩種網絡中進行靈活切換, 滿足本文所需要的網絡設備條件.

從應用層出發實現異構無線網絡鏈路聚合, 最適宜的方式是開發一款基于安卓手機的APP. 將移動設備從移動網絡基站接收到的流量網絡鏈路和從無線路由器接收到的WiFi網絡鏈路進行應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的單一網絡傳輸速度相比的優勢, 可以從一個FTP服務器下載多個文件, 通過在不同網絡環境下進行多次測試, 比較單一的數據流量網絡, WiFi網絡和聚合網絡的流量以及耗時來論證應用層異構無線網絡鏈路聚合的可行性與優勢, 無線鏈路聚合示意圖如圖1所示.

圖1 異構無線鏈路聚合示意圖

2.2 軟件設計

通過對需求進行分析, 本文設計的APP主要有3個模塊: 網絡狀況判斷模塊, 下載模塊, 結果展示模塊. 軟件模塊結構如圖2所示.

圖2 軟件模塊結構

網絡狀況判斷模塊主要用于判斷當前設備連接的網絡狀況, 并反饋給下載模塊, 為下載模塊初始化相應下載鏈路提供依據. 下載模塊根據網絡狀況, 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, 下載模塊根據選定的下載方式對文件進行下載. 下載完成后, 通過結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 網絡狀態判斷模塊

安卓的開發庫提供了ConnectivityManager函數庫, 可以用于判斷當前設備連接網絡類型[10]. 一般情況下, 設備是默認連接了移動流量網絡的, 如果設備僅開啟了流量網絡, 則僅能通過移動流量網絡下載, 如果設備連接了WiFi網絡, 則可以通過WiFi網絡下載以及聚合網絡下載, 網絡狀況判斷模塊流程圖如圖3虛框所示.

為了實現這一功能, 其中關鍵代碼如下:

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(); //獲取網絡類型參數, 0為流量網絡, 1為WiFi網絡if(type==0) //若連接類型為流量網絡{ 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網絡{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成功判斷網絡類型并連接到服務器后, 將獲取的服務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. 點擊相應的下載按鈕即可進行下載, 移動流量下載對應單一流量網絡下載, WiFi下載對應單一WiFi網絡下載, 聚合下載對應聚合網絡下載.

使用單一鏈路下載是通過監測選定的鏈路空閑狀態, 若鏈路沒有下載任務, 則按照下載文件列表依次分配一個文件進行下載, 并將鏈路狀態置為忙碌, 當分配的單個文件下載完成, 鏈路狀態置為空閑, 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

使用聚合網絡下載是通過監測子鏈路狀態, 使用輪詢法分配各子鏈路下載不同文件實現鏈路聚合的負載均衡[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并將鏈路狀態置為忙碌, 此時兩條子鏈路均為忙碌. 程序會反復獲取鏈路狀態, 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鏈路發送下載文件3的命令,使用該鏈路下載文件3, WiFi鏈路狀態置為忙碌, 直到下載全部文件, 聚合網絡下載流程圖如圖5.

圖5 聚合網絡下載流程圖

2.2.3 結果展示模塊

為了便于獲取實驗結果數據, APP下載全部文件后, 展示模塊將展示下載文件的總數, 下載成功文件總數, 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絡鏈路, 其中如果選擇了聚合網絡下載, 還會顯示每條子鏈路下載的文件總數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, 應用程序一般會使用網絡協議的需求將大文件分割成許多的小文件塊, 將其填入文件發送流隊列[12], 當鏈路空閑時, 將文件塊從文件發送流隊列中取出送入發送鏈路. 本文為了模擬網絡協議對文件的分塊操作, 在服務器上放置了40個大小范圍為[2.5, 8] MB, 平均大小為5 MB的圖片文件.

不同的環境下, 數據流量信號和WiFi信號強度不同, 一般情況下, 信號強度和傳輸速率成正比. 在手機系統中, 信號強度范圍是[–30, –120] dbm, 信號強度大于–70 dbm為信號強, 小于–70 dbm為信號弱, 為了實驗數據更貼合實際情況, 我們使用了專業的網絡測速軟件來測試各鏈路信號強度, 以–70 dbm為分界線, 選取了WiFi信號強流量信號弱的環境, 流量信號強WiFi信號弱的環境, WiFi信號與流量信號強度都比較強的環境分別對單一數據流量鏈路下載, 單一WiFi鏈路下載, 聚合網絡下載各進行了15次FTP下載測試, 將各下載方式耗時數據, 聚合鏈路下載中每條子鏈路下載文件數進行了統計.

3.1.1 WiFi信號較強, 流量信號較弱環境

在該環境下, WiFi信號的強度較強, 流量信號強度較弱, 各鏈路下載耗時統計結果如圖7所示.

在使用聚合鏈路時, 各子鏈路下載的文件數目如圖8所示.

圖8 聚合網絡子鏈路下載文件數目

3.1.2 流量信號較強, WiFi信號較弱環境

在流量信號較強, WiFi信號偏弱的環境下, 測試結果如圖9所示.

圖9 流量信號較強環境下耗時統計

在該環境下使用聚合鏈路時, 各子鏈路下載文件數目統計如圖10所示.

圖10 聚合網絡子鏈路下載文件數

3.1.3 WiFi信號與流量信號強度都比較強的環境

該環境下, WiFi信號與流量信號強度均比較強, 測試結果如圖11所示.

圖11 信號強度都比較強環境下耗時統計

在該環境下, 使用聚合鏈路下載時各子鏈路下載文件數目如圖12所示.

圖12 聚合網絡子鏈路下載文件數

3.2 測試結果分析

從測試結果可以看出, 兩種無線鏈路在同一環境下均存在速率波動, 尤其以信號強度低的網絡波動更為突出. 但是在信號強度均為弱情況下, 流量信號的波動程度比較小. 單一流量鏈路耗時的波動區間比起單一WiFi鏈路波動區間更小, 在流量信號強度低的環境下, 波動區間仍然能保持在平均水平基礎上[–100,+200] s左右, 這是由于移動流量的信號基站的發射功率更大, 信號更穩定, 覆蓋范圍更廣; 而在WiFi信號偏弱的時候, 單一WiFi鏈路下載波動區間較大, 在這種環境下, 波動區間能達到平均水平基礎上[–50, +400]秒左右, 這是因為發射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境下與較強信號的鏈路相比雖然有一定程度的優勢, 但是相差不大. 聚合鏈路與強鏈路耗時相比少花費100–120 s, 傳輸速度提升僅6%–10%左右.這是由于在這種環境下的聚合網絡中, 信號較強的鏈路承擔了較多的下載任務, 從聚合網絡下子鏈路下載文件數目上就可以看出來, 信號強的子鏈路下載了85%–88%的文件, 這就使得聚合鏈路的傳輸速度接近于強鏈路, 這與傳統的有線網絡鏈路聚合匯聚了兩個差別較大的物理端口造成的結果近乎一致.

在兩種信號強度相差不大的環境下, 兩種鏈路網絡的傳輸速度比較穩定, 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據波動區間略小于單一WiFi鏈路耗時數據波動區間. 兩種單一鏈路總耗時均在1 655 s左右浮動, 這種環境下聚合網絡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目上來看, 各子鏈路均承擔了大約一半的下載任務, 使得傳輸速度有了較大的提升, 這種情況類似于傳統鏈路聚合中匯聚了兩個相同網絡狀態的物理端口, 是一種接近理想狀態下鏈路聚合的情況.

4 結論

實驗證明, 應用層鏈路聚合能充分發揮各鏈路的潛力, 是一種能顯著提高網絡傳輸能力的技術. 與傳統的鏈路聚合在數據鏈路層實現相比, 應用層實現鏈路聚合同樣能實現相同的功能. 在異構無線鏈路聚合的研究中, 調制信號或者開發協議都有著一定的局限性,而從應用層開發實現異構無線鏈路聚合, 既能滿足提高網絡傳輸速度和質量的需求, 又有著成本低, 應用范圍廣的特點, 可以充分發揮出設備能連接的異構無線鏈路的能力. 為了模擬實際傳輸過程中將大文件切割成文件塊進行傳輸, 我們設置了許多大小相差不大的小文件進行下載. 在未來的研究工作中, 會考慮開發一個根據鏈路狀況對大文件進行動態合理分割, 并根據鏈路實時質量將文件塊合理分發給各子鏈路的算法[13],由于無線鏈路存在信號不穩定的情況, 算法還應兼顧丟失數據重傳等功能, 使應用層的異構無線鏈路聚合進一步滿足高傳輸速度, 高可靠性的需求.