旅客列車無線局域網(wǎng)帶寬分配系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

宮興琦，姜會增，周用貴

（中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081）

為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務是旅客列車無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能之一，該系統(tǒng)采用移動、聯(lián)通和電信3家運營商的4G網(wǎng)絡，構(gòu)建9路車地通信鏈路，提升互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬。高鐵及動車車廂內(nèi)用戶密度高，車地通信出口帶寬較小，旅客列車無線局域網(wǎng)寬帶分配系統(tǒng)作為旅客列車無線局域網(wǎng)接入系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，切實影響旅客接入互聯(lián)網(wǎng)的實際體驗。利用有限的帶寬為旅客提供更好的互聯(lián)網(wǎng)接入服務是帶寬分配系統(tǒng)的一個重要功能。

1 帶寬分配系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成

旅客列車無線局域網(wǎng)由中心服務器、單車服務器、無線訪問接入點（AP）和無線網(wǎng)橋組成，中心服務器主要提供旅客互聯(lián)網(wǎng)接入服務，單車服務器提供車廂內(nèi)局域網(wǎng)服務，AP提供無線終端接入服務，無線網(wǎng)橋連接車廂間的單車服務器，局域網(wǎng)組成如圖1所示[1]。

旅客列車無線局域網(wǎng)帶寬分配系統(tǒng)部署于中心服務器，由用戶發(fā)現(xiàn)模塊和鏈路發(fā)現(xiàn)模塊組成，主要用于提升互聯(lián)網(wǎng)接入利用率。

1.2 系統(tǒng)功能

帶寬分配系統(tǒng)的用戶發(fā)現(xiàn)模塊主要用于實時更新車上用戶的狀態(tài)，適應高鐵停靠站旅客上下線較頻繁的情況，為鏈路發(fā)現(xiàn)模塊提供信息支持；鏈路發(fā)現(xiàn)模塊主要根據(jù)在線用戶狀態(tài)和9路車地鏈路狀態(tài)為用戶選擇合適的通信信道。

圖1 旅客列車無線局域網(wǎng)組成圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 jhash_3words哈希算法

jhash_3words算法為Linux 網(wǎng)絡協(xié)議中常用的一個哈希算法，適用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)哈希運算。通過用戶數(shù)據(jù)包解析出用戶的mac地址，并通過jhash_3words算法將解析出的mac地址進行hash散列運算，用戶發(fā)現(xiàn)模塊通過對jhash_3words算法進行二次封裝，得到mac地址散列運算函數(shù)get_tuple_hash。

運算結(jié)果更新，存入用戶信息鏈表，信息鏈表的單個節(jié)點記錄了用戶的狀態(tài)、最新數(shù)據(jù)更新狀態(tài)和權(quán)限級別。當用戶接入中心服務器后，get_tuple_hash函數(shù)通過用戶源IP和mac地址進行hash運算，根據(jù)運算結(jié)果將用戶登入時間和權(quán)限等信息更新到指定的鏈表結(jié)點上，如果指定結(jié)點不存在則表示為新用戶，為其創(chuàng)建新的結(jié)點[2]。如果結(jié)點已經(jīng)存在則表示該用戶為老用戶，更新其最后一次訪問時間。

當內(nèi)核態(tài)通過hash mac散列算法將用戶列表更新后，內(nèi)核通過netlink socket動態(tài)消息通道向用戶態(tài)應用發(fā)送新的用戶列表。

2.2 RoundRobin算法

鏈路發(fā)現(xiàn)模塊負責數(shù)據(jù)包在各條可用鏈路上的并發(fā)傳輸，帶寬分配方式的選擇原則是并行帶寬增大和數(shù)據(jù)傳輸可靠。

采用 RoundRobinScheme算法[4]，也稱為輪詢調(diào)度算法，該算法把來自用戶的請求輪流分配給內(nèi)部鏈路，從1開始，直到N（網(wǎng)卡個數(shù)），然后重新開始循環(huán)。

RoundRobin算法的優(yōu)點是簡潔，無需記錄當前所有連接的狀態(tài)，是一種無狀態(tài)分配。系統(tǒng)使用了RoundRobin的權(quán)重分配算法，即為每條鏈路分配不同的比例系數(shù)，例如，3塊網(wǎng)卡設置為3：1：1時，將控制數(shù)據(jù)包在各條鏈路上的分發(fā)比例為3：1：1。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

帶寬分配系統(tǒng)采用 C語言開發(fā)，開發(fā)平臺為Centos6.6，內(nèi)核版本為2.6.38，采用的編譯器為gcc。系統(tǒng)的用戶發(fā)現(xiàn)模塊采用內(nèi)核編程方式,鏈路發(fā)現(xiàn)模塊采用應用層編程方式，二者通過netlink套接字方式通信。

3.1 用戶發(fā)現(xiàn)模塊實現(xiàn)

當用戶通過列車AP接入中心服務器后，用戶發(fā)現(xiàn)模塊通過內(nèi)核HOOK獲取用戶數(shù)據(jù)包[3]，根據(jù)數(shù)據(jù)包信息通過jhash_3words算法更新用戶列表，之后通過netlink套接字將消息發(fā)送至應用層接收程序，應用層接收程序?qū)崟r更新用戶列表。部分實現(xiàn)代碼如下：

jhash_3words算法進行二次封裝,得到高性能mac地址散列運算函數(shù)get_tuple_hash，實現(xiàn)代碼如下：

此時，get_tuple_hash函數(shù)通過用戶源IP和mac地址進行hash運算，根據(jù)運算結(jié)果將用戶登入時間和權(quán)限等信息更新到指定的鏈表結(jié)點上，如果指定結(jié)點不存在，則表示為新用戶，為其創(chuàng)建新的結(jié)點。如果結(jié)點已經(jīng)存在，則表示該用戶為老用戶，更新其最后一次訪問時間，其部分實現(xiàn)代碼如下：

當內(nèi)核態(tài)通過hash mac散列算法將用戶列表更新后，內(nèi)核通過netlink socket動態(tài)消息通道向用戶態(tài)應用發(fā)送新的用戶列表，netlink需要定義新的協(xié)議號用來標示消息，如下所示：

3.2 鏈路發(fā)現(xiàn)模塊實現(xiàn)

中心服務器使用移動、聯(lián)通、電信的3G/4G網(wǎng)絡作為車地通信的網(wǎng)絡出口，支持最多9條無線鏈路并發(fā)傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是相對于乘客的需求而言，此時帶寬仍屬于窄帶通信，因而如何將9路鏈路充分利用，提高帶寬分配效率是提升乘客使用體驗的一個重要環(huán)節(jié)。

鏈路發(fā)現(xiàn)模塊的作用在于即時維護各條鏈路的真實狀態(tài)，包括鏈路的可用性、鏈路IP變換，并且在鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時能夠?qū)⒂脩粽{(diào)度到可用鏈路上，對上層應用是透明的，能夠保證用戶通信的連續(xù)性。

鏈路發(fā)現(xiàn)模塊需要維護可用鏈路鏈表，在IP發(fā)生變化時通過可用鏈表來選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的去處，同時更新可用鏈表中的內(nèi)容，IP切換的過程可以分解為兩個部分：

（1）現(xiàn)有的IP地址消失，即舊的鏈路失效，此時，應該將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他鏈路上去。

（2）新的IP地址出現(xiàn)，即新的可用鏈路出現(xiàn)，此時，應該將一部分數(shù)據(jù)分配到新的可用鏈路上。

在新的IP出現(xiàn)時需要新建套接字描述符，并將其代表的鏈路名稱等信息生成一條新的可用鏈路結(jié)構(gòu)加入到鏈表中，同時，將代表該鏈路上的舊IP記錄刪除，注銷套接字描述符。

創(chuàng)建套接字的過程并不復雜，關(guān)鍵在于要保證在IP切換的過程中數(shù)據(jù)能夠及時、連續(xù)地進行交互[5]。當可用鏈路的數(shù)量發(fā)生變化時，自動地將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移分發(fā)，既不能向失效鏈路分配數(shù)據(jù)，也不能使新的可用鏈路閑置。

以4塊網(wǎng)卡為例，當4條鏈路變?yōu)?條，或者3條鏈路變?yōu)?條之后，需要對網(wǎng)卡進行重新排序，調(diào)整各條可用鏈路的狀態(tài)，處理流程如圖2所示。

圖2 可用鏈路更新流程圖

可用鏈路模塊在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移模塊中的作用比較重要，可用鏈路模塊維護了現(xiàn)在可用鏈路的全部信息，為數(shù)據(jù)包的鏈路分發(fā)提供了重要參考。

鏈路發(fā)現(xiàn)模塊負責數(shù)據(jù)包在各條可用鏈路上的并發(fā)傳輸，實現(xiàn)并行帶寬增加和數(shù)據(jù)傳輸可靠。在調(diào)度方式的選擇上，采用RoundRobin算法[6]。

本文允許其他模塊通過調(diào)用RoundRobin模塊對各條鏈路的權(quán)重系數(shù)進行調(diào)節(jié)，其中，sendpercent[7]為權(quán)重系數(shù)，鏈路發(fā)現(xiàn)模塊將根據(jù)sendprecent設置的系數(shù)，并進一步通過匹配ifname和device_id來確定對應的鏈路，從而正確設置系數(shù)。

RoundRobin算法在高速移動環(huán)境下簡單易實現(xiàn)，是從鏈路負載的角度進行考慮。然而從用戶使用的角度上講有著很大的局限性，通過簡單的輪詢，同一個應用的數(shù)據(jù)流被分到不同的鏈路上很可能非但沒有增加并行傳輸?shù)膸?，反而造成了鏈路帶寬的下降。假設有兩條鏈路A和B，A鏈路的往返時間（RTT）為40 ms，B鏈路的RTT為80 ms,如圖3所示。

圖3 RoundRobin輪詢算法示例

由圖3可知，B鏈路的時延較大，在Packet1到達Recver后，需要等到Packet2也到達Recver才能向上層應用進行遞交，也就是說，即便A鏈路此時的RTT較小，也需要等待B鏈路的數(shù)據(jù)包，此時對于用戶來講，B鏈路的情況較差。在A鏈路不發(fā)生擁塞的情況下，B鏈路的加入反而拉低了A鏈路的表現(xiàn)。

當某條鏈路的IP失效時，鏈路發(fā)現(xiàn)模塊會將發(fā)生IP變化的鏈路消息通知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移模塊，此時需要將此鏈路設為不可用鏈路，停止繼續(xù)分配數(shù)據(jù)包至此鏈路，代碼如下：

IP變化消息中的新IP為0.0.0.0，說明該網(wǎng)卡的IP已經(jīng)失效，需要將此鏈路中的輪詢比例（dis）屬性設為0，數(shù)據(jù)調(diào)度模塊會檢測dis的數(shù)值，當為0時會停止向此鏈路分發(fā)數(shù)據(jù)，此時可用鏈路的數(shù)目發(fā)生了變化，需要更新鏈路ID，確?？捎面溌锋湵淼臓顟B(tài)是最新的，通過檢查dis屬性設置可用鏈路的ID和可用鏈路的數(shù)量[5]。

當接收到的IP變化的消息中新IP不為零時說明有新的可用鏈路加入，此時應該將其加入到可用鏈路鏈表，為其分配數(shù)據(jù)[8]，代碼如下:

4 系統(tǒng)測試

帶寬分配系統(tǒng)在試驗室環(huán)境下已經(jīng)通過功能驗證，經(jīng)測試，該系統(tǒng)能夠在常數(shù)時間內(nèi)判別大量用戶實時狀態(tài)，提升9路鏈路的應用效率，采用運營商的網(wǎng)絡進行互聯(lián)網(wǎng)接入，具備同時接入中國移動、中國聯(lián)通和中國電信3G/4G網(wǎng)絡的能力。每列車中心服務器上統(tǒng)一配置一套互聯(lián)網(wǎng)接入設備，具備多信道帶寬匯聚并在車載局域網(wǎng)內(nèi)進行自適應分配的功能。

5 結(jié)束語

旅客列車無線局域網(wǎng)帶寬分配系統(tǒng)在試驗室環(huán)境下已經(jīng)通過功能驗證，但是在實際情況下，每條線路的運營商3G/4G信號覆蓋強度不同，導致不同的線路出口帶寬差別較大。下一步需做的工作是在實際運行環(huán)境下進行測試，通過積累大量用戶的行為特征與數(shù)據(jù)特性，更好地優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)接入功能，更進一步提升互聯(lián)網(wǎng)帶寬分配效率，提升用戶使用體驗。

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