异构网络链路传输控制系统设计

王建设 王艳丽

摘 要： 针对传统传输控制系统存在网络吞吐量低、往返时延高等问题，提出并设计了基于数据快速活肤的异构网络链路传输控制系统。根据异构网络特点设计模块总体框图，并对初始化模块、任务调度模块、数据传输模块、图像传输模块展开分析。在传统拥塞避免算法基础上，对快速恢复算法进行优化，由此完成传输控制系统的设计。实验结果证明，该系统设计可大大提高网络平均吞吐量，降低往返时延值，改善了网络传输控制性能。

关键词： 异构网络; 链路传输; 控制系统; 任务调度; 时延; 吞吐量

中图分类号： TN711?34; TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

异构网络结构的复杂性与多样性特点给网络融合设计与实现带来了诸多困难，随着网络在军事行动、城市安全与医疗卫生等领域应用越来越广泛，多个网络融合在链路传输性能和质量方面存在的问题显得尤为突出。从社会角度看，根据目前现有网络体系特点，每种不同网络具有特定资源组成方式，基于该方式下的网络结构与业务不能满足服务多样化的需求;从个人角度看，单纯TCP协议已经无法满足网络传输的高标准要求，为此，将多个网络进行融合是一个新的机遇与挑战，为实现跨越式未来奠定基础[1]。

信息化時代是一个互联网相互融合的时代，经过融合后的网络将为社会各个方面带来极大的推进作用，针对异构网络特征，改善网络性能是一件有意义的事。传统传输控制系统存在平均吞吐量低、往返时延值大等问题。为了弥补该系统缺陷，设计异构网络链路传输控制系统可改善网络性能，以便用户根据网络状况进行自由控制。

1 异构网络链路传输控制系统的实现

根据异构网络特点，设计该网络结构下链路传输控制系统，在该系统上对平台进行初始化设计，并分别对模块功能展开分析，进而详细设计控制框架，实现传输控制系统的良好应用。

1.1 总体设计

异构网络链路传输在操作平台下可实现网络各个模块的设计，针对数据采集与封装，对网络层次上下链路进行透明化处理，并在数据链路之间进行转换。因此，按照该结构划分为初始化模块、任务调度模块、数据传输模块、图像传输模块。异构网络链路传输控制系统的总体设计如图1所示。

由图1可知：初始化模块主要负责为其他模块和驱动进行服务;任务调度模块需利用嵌入式系统内核作为调度机制，促使任务完成得更加有条理;数据传输模块负责为上层提供一致接口，为底层链路进行透明化处理;图像传输模块主要负责对图像数据进行传输，由于该数据具有特殊性，因此只能覆盖在网络中进行传输。

1.1.1 初始化模块

初始化步骤为：

1） 寄存器初始化处理。寄存器进行初始化处理时所涉及的每一个寄存器内存映射方式都具有自定义函数，对时钟进行中断控制和相关寄存器地址空间映射控制等。该函数可将每一个物理内存地址映射为虚拟空间地址，即为时钟的一个内核指针[2]。

2） 端口初始化处理。利用系统提供的内核函数完成端口引脚功能设置;再次向内核申请中断设置，促使系统时钟可进行循环控制。

3） MAC层状态初始化处理。媒体介入控制层（MAC）主要负责完成时钟和各个任务状态初始化处理，以此完成串行外设接口功能设置。

4） 任务调度初始化处理。通过对定时器初始化处理，可实现对媒体介入控制层协议中各个任务的调度[3]。

1.1.2 任务调度模块

异构网络链路传输控制系统涉及功能模块以及调度任务，都需要各个功能模块协调配合，进而确保不同功能模块及调度任务都可以高效有序完成。引入内核线程，并利用嵌入式调度机制改善该模块运行状态，为系统工作效率起到了促进作用，也为其他功能模块带来了简洁调度功能，促使任务在简单程序中快速完成[4]。内核线程的创建与使用都是由内核进行直接控制的，将内核看成一个分身，由分身来处理任务，为线程的引入提供了方便、简单的技术手段。该线程可通过调用函数实现相同进程空间任务的快速调度;也可直接调用内核函数，直接对数据进行访问。该模块既包含内核线程所有相关的数据信息，还包含调度信息、处理器信息和信号处理信息。

1.1.3 数据传输模块

数据传输模块作为链路传输技术中的重要组成成分之一，需要完成数据实时发送与接收。数据接收时，需对适配层进行解封，进而提取出IPv6数据包，并将该数据包提交给协议栈进行处理;数据发送时需经过统一封装，并采用内核套接字形式完成协议栈中数据的封装与处理。在此过程中，需借助Linux 2.4.x系统引入的Netfilter子系统完成数据包不同层次间的传递[5]。

1.1.4 图像传输模块

图像传输模块主要是覆盖在网络中实现的，尽量避免异构网络造成的拥塞，对图片传输与视频输出分别进行处理。由于视频传输对数据包到达目的地址顺序要求极为严格，因此采用TCP套接字实现视频的秩序传输;图片传输需将ARM节点作为连接客户端，将服务器作为服务器端，用户需通过界面改善数据采集速度。设计图片传输流程如图2所示。

由图2可知：创建套接字种类，并进行连接;发送图片文件名称;读取文件，并关闭文件和套接字。在服务器终端接收图像文件，绑定本地地址，并监听端口信息。将当前图像根据时间进行重命名，并记录接收时间，对图像数据进行储存[6]。最终图像将以数据形式储存在服务器中，可根据发送信息进行查询。

1.2 异构网络链路传输性能的实现

在目前有线网络中，传统输出控制系统取得了较大成功，为面向运输服务提供了一个可靠的系统。在该网络数据传输过程中，对拥塞进行控制，可预防大量数据的随意注入，进而减轻链路负载[7]。但是传统设计方法无法在异构网络环境中进行应用，由于网络环境复杂，导致出现拥塞窗口值减半，吞吐量下降，进而严重破坏网络性能。为此，提出一种基于异构网络传输控制性能分析算法来控制网络拥塞问题，进而实现对拥塞窗口的合理调整与控制。

1.2.1 传统擁塞避免算法分析

如果网络状况较差，说明拥塞值大于启动门限值，拥塞窗口负荷较重，在此情况下使用拥塞避免算法可将窗口延伸，即每增加一次传输就相当于发送一个拥塞窗口[8]。当TCP协议出现在以稳定速率进行数据发送的情况时，整个拥塞窗口为稳定状态，如图3所示。

由图3可知：[cw]为稳定窗口拥塞值;[w]为稳定窗口拥塞最大值;[w1]为启动门限值;[a]为增加因子;[t]为稳定状态下拥塞窗口周期值。拥塞窗口在正常状态下会随着时间的增加出现锯齿形变化，并保持该变化规律随着时间的增加而增长。如果窗口值达到[w，]那么该网络需对主机连续3次发送数据，目的是避免拥塞情况的发生，当窗口值降为[w1，]那么该窗口可采用拥塞避免算法促使窗口值下降。该固定模式不能满足异构网络状态，长期下来会造成拥塞周期过短，导致窗口震荡，在一定程度上影响了网络性能。

1.2.2 快速恢复算法的优化

快速恢复算法是异构网络出现拥塞时，发送端发送数据而主机接收不到，则认为该数据已丢失，那么利用改变窗口拥塞值和启动门限值方法提高网络吞吐量[9?10]。该算法要求主机接收端只要有错误报文出现，就立刻向主机发送报文段号信息，如图4所示。

由图4可知：主机发送端对[m2]进行数据发送时，也会立刻发送其他报文，因此，接收端需按顺序确认信息，并向上层完整交付。该方式可提高网络吞吐量，在异构网络环境下，对快速回复算法进行优化，可改善网络性能。

2 实 验

为了验证异构网络链路传输控制系统设计的合理性进行了如下实验。根据网络模拟理论选择网络设备和链路，通过对新协议进行初步验证可及时对实验出现的问题进行解决，具有成本低、稳定性强、灵活可靠的特点，有易于与其他协议进行比较的优势，采用网络模拟方法进行该实验成为当代通信领域研究中不可或缺的重要阶段。

2.1 实验环境设置

采用NS?2.34软件作为实验工具，并在嵌入式系统下构建网络拓扑结构，如图5所示。

由图5可知：[S1～S4]为结构的发送端，R为节点，BS为基站，[D1～D4]为结构的接收端。基站BS与接收端之间有链路连接线，R?BS为瓶颈链路。实验所选择的拓扑结构具有哑铃式拓扑形式，最为实用。

实验环境配置为：有线端具有4个节点分别为[S1，][S2，][S3]和[S4，]而在无线端同样具有4个节点分别为[A1，][A2，][A3]和[A4]。将有线端和无线端进行分层处理，获得详细地址，即无线端节点地址与基站地址一致;有线端通过基站与无线端4个节点进行连接。节点进行缓冲的最大数量为10个储存包，[S1]向[D1]发送的数据流具有TCP协议属性的数据流，在第5 s开始发送数据。S2?D2，S3?D3，S4?D4在UDP背景下发送数据流，并分别在10 s，15 s和20 s以匀速发送数据。

2.2 实验验证结果与分析

采用本文设计的方法最为稳定，且代表性最强，因此，选用该方法为实验对比对象。通过实验对S1?D1通过数据流分别使用传统设计方法和本文设计方法对网络平均吞吐量、往返时延进行对比分析。其中，平均吞吐量可直接反映出系统性能，如果对本文设计方法验证之后，发现平均吞吐量提高，那么可说明异构网络链路传输控制系统设计较为合理。为了精准验证系统的有效性，需要设置在不同误码率下进行对比实验。

2.2.1 平均吞吐量对比结果与分析

根据网络拓扑结构可进行模拟实验，拓扑结构中S2?D2，S3?D3，S4?D4均在UDP背景下发送数据流，在同一拓扑结构下设置背景流不变，并将误码率设置为0，S1?D1分别采用传统设计方法与本文设计方法的平均吞吐量进行对比实验，实验结果如图6所示。

由图6可知：当误码率为0时，使用本文设计方法的平均吞吐量大于传统设计方法。在实验最初阶段，网络宽带充足、链路空闲较多、状况良好、没有误码情况发生，因此在一段时间内不会出现数据丢失现象。使用传统设计方法在短时间内吞吐量增长速度基本稳定，都能在该时间区域完成网络吞吐量的改变。但是，随着时间的增加，网络宽带数量降低，链路处于空闲状态减少，导致因出现网络拥塞而吞吐量降低，即使在该情况下，使用本文设计方法的下降速度要小于传统设计方法。

2.2.2 往返时延对比结果与分析

将数据从发送端主机到主机接收来自接收端的确认信息，总共经历的时间统称为往返时延。随着往返时延的逐渐增大，可发现网络状况较差，可能发生拥塞的概率增加，此时应减小数据发送速率。相反，随着往返时延值逐渐降低，可发现网络状况良好，限制宽带数量较多，此时应增加数据发送速率。S1?D1分别采用传统设计方法与本文设计方法的往返时延进行对比实验，实验结果如表1所示。

由表1可知：在50 s之前，使用传统设计方法的往返时延值大于本文设计方法的往返时延值，并都处于增长趋势;在50 s之后，随着网络背景的加入，异构网络基本达到稳定状态。传统设计方法往返时延值较大，说明该网络状况较差、数据容易丢失。由此可知：异构网络链路传输控制系统设计的往返时延大部分小于传统设计方法，使用该系统促使发送端主机能更快地发送数据，进而提高平均吞吐量。

综上所述，通过上述实验内容可知：随着时间的增加，网络宽带数量降低、链路处于空闲状态减少，导致因出现网络拥塞而吞吐量降低，即使在该情况下，使用本文设计方法的下降速度要小于传统设计方法;异构网络链路传输控制系统设计的往返时延大部分小于传统设计方法，使用该系统促使发送端主机能更快地发送数据，进而提高平均吞吐量，系统性能良好。

3 结 语

随着网络技术的快速发展，人们对网络应用需求越来越高，由纯粹的有线网络发展为无线与有线相互融合的网络结构，在该结构下，为了满足更多用户对资源获取的需求，改善网络传输性能成为该领域的研究重要内容。传统系统在改善异构网络性能方面存在一定局限性，而异构网络链路传输控制系统具有较高的平均吞吐量，且往返时延值较小，大大改善了网络性能。

注：本文通讯作者为王艳丽。

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