軍用無(wú)線多信道負(fù)載均衡模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙 明，孫 偉

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

目前，隨著世界軍事信息化變革的加劇，兵器裝備網(wǎng)絡(luò)化程度越來(lái)越高，對(duì)于由戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組成的“初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)”面臨著業(yè)務(wù)量的迅猛增長(zhǎng)壓力，但無(wú)線信道帶寬卻由于技術(shù)限制無(wú)法跟上業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭，這樣便在網(wǎng)絡(luò)上形成瓶頸，大大降低了網(wǎng)絡(luò)性能。

如何解決這一問(wèn)題一直以來(lái)都是業(yè)界所關(guān)注的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)有兩種解決方法，第一種即繼續(xù)加大對(duì)無(wú)線信道寬帶化技術(shù)的突破，例如采用LTE技術(shù)，OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)等，這是解決上述問(wèn)題的根本出路，另一種方法是高效利用好目前可用的無(wú)線資源即采用負(fù)載均衡方法，此方法又分為信道鏈路層負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載均衡，目的都是合理地將業(yè)務(wù)分配到冗余的信道或多跳路徑上，目前常用的方法有基于MPLS的隧道負(fù)荷分擔(dān)方法等。本文提出了一種基于鄰居節(jié)點(diǎn)的多信道負(fù)荷分擔(dān)方法，如圖1所示在初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，假設(shè)兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在多個(gè)無(wú)線信道連接的情況，一條UHF信道和一條VHF信道，由于目前初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)在此網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下只選擇其中一條無(wú)線信道發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（按照路由控制報(bào)文發(fā)現(xiàn)信道的先后順序選擇），而另外一條信道只能空閑著，直至正在通信的無(wú)線信道完全斷路，路由才開(kāi)始重新選擇無(wú)線信道，這樣就會(huì)產(chǎn)生對(duì)無(wú)線信道資源的浪費(fèi)，沒(méi)有高效利用好無(wú)線資源。

在實(shí)際的初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中上述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景大量存在，本文正是基于這樣的背景下，在網(wǎng)絡(luò)層之下（即路由選擇之后）設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一種負(fù)載均衡模塊，合理地將業(yè)務(wù)分配到一跳鄰居節(jié)點(diǎn)之間的多個(gè)信道之上。

圖1 相鄰節(jié)點(diǎn)多信道組網(wǎng)模式

1 負(fù)載均衡模塊的處理流程

為了說(shuō)明負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)造了圖2的無(wú)線多信道環(huán)境，可以看到網(wǎng)絡(luò)中存在3條信道:信道 1（VHF 電臺(tái)），信道 2（HF電臺(tái)），信道 3（UHF電臺(tái)），它們分別通過(guò)以太網(wǎng)總線接到組網(wǎng)控制設(shè)備的3個(gè)以太網(wǎng)口上，組網(wǎng)控制設(shè)備又通過(guò)以太網(wǎng)總線和指揮計(jì)算機(jī)相連，可以看出負(fù)載均衡模塊主要是在組網(wǎng)控制設(shè)備上進(jìn)行添加便可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的負(fù)載均衡。

模塊的處理流程分以下4步:

圖2 負(fù)載均衡軟件處理流程

第1步:由于初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)采用IP架構(gòu)，其所有業(yè)務(wù)報(bào)文均為標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包，所以為了區(qū)分基于IP數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)信息流，首先在組網(wǎng)控制設(shè)備中建立接收業(yè)務(wù)信息流和轉(zhuǎn)發(fā)信道之間的映射信息庫(kù)，即“業(yè)務(wù)流信息庫(kù)”，庫(kù)中包含每個(gè)業(yè)務(wù)信息流的源地址、目的地址、協(xié)議號(hào)、源端口號(hào)、目的端口號(hào)的“五元組”和其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信道號(hào)（信道號(hào)在組網(wǎng)控制設(shè)備初始化過(guò)程中人為設(shè)定，但不能重復(fù)）。當(dāng)指揮計(jì)算機(jī)向組網(wǎng)控制設(shè)備發(fā)送業(yè)務(wù)信息流后，首先檢查業(yè)務(wù)信息流庫(kù)中是否存在已登記的信息流，即這5項(xiàng)內(nèi)容完全一致，認(rèn)為是同一個(gè)信息流，如果信息流中的5項(xiàng)中某一項(xiàng)或多項(xiàng)不一致，則認(rèn)為是一個(gè)新的信息流，在業(yè)務(wù)信息流庫(kù)中進(jìn)行登記，并執(zhí)行下面的步驟。

第2步:周期性按照基于ETT算法來(lái)統(tǒng)計(jì)各個(gè)信道的鏈路質(zhì)量值（ETT算法將在第3節(jié)詳細(xì)說(shuō)明）。在統(tǒng)計(jì)各個(gè)相鄰信道鏈路質(zhì)量時(shí)采用常用的基于最小二乘法的數(shù)據(jù)平滑算法，統(tǒng)計(jì)周期為1 min。

第3步:由第1步，在鄰接點(diǎn)多信道環(huán)境下，當(dāng)一個(gè)分組需要向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)該分組頭部的IP地址信息、協(xié)議號(hào)信息、UDP頭部的端口號(hào)信息，查找節(jié)點(diǎn)維護(hù)的業(yè)務(wù)流庫(kù)，如果庫(kù)中存在該業(yè)務(wù)流信息，則按照業(yè)務(wù)流庫(kù)中對(duì)應(yīng)的信道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這樣做的目的是為了讓同一業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)在相同的信道上傳輸，避免因同一業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流在不同信道上傳輸產(chǎn)生接續(xù)錯(cuò)續(xù)、延時(shí)差距較大等錯(cuò)誤。如果是一個(gè)新的業(yè)務(wù)流，則根據(jù)第2步的ETT算法統(tǒng)計(jì)計(jì)算各個(gè)信道的鏈路質(zhì)量，最后將新流合理分配到鏈路質(zhì)量最好的信道上進(jìn)行傳輸，同時(shí)將該業(yè)務(wù)流信息記錄到業(yè)務(wù)流庫(kù)中。

第4步:當(dāng)業(yè)務(wù)流不斷增加，原先“高帶寬”的信道鏈路質(zhì)量會(huì)慢慢下降，直到下降到低于原先“低帶寬”的信道鏈路質(zhì)量，這樣當(dāng)再有新的業(yè)務(wù)流出現(xiàn)時(shí)將會(huì)分流到“低帶寬”信道上，而不會(huì)選擇原來(lái)的信道，以此類推，從而達(dá)到了多信道環(huán)境下的業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)效果，有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2 負(fù)載均衡模塊的實(shí)現(xiàn)

負(fù)載均衡模塊的實(shí)現(xiàn)采用PPC+VxWorks的體系架構(gòu)，接口主要為千兆以太網(wǎng)口。

采用VxWorks中可裁剪的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（SENS）。SENS是完全兼容BSD4.4 TCP/IP協(xié)議棧，并且其最大的特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間多了MUX層。在SENS中，網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動(dòng)程序叫END（Enhance Network Driver），即增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，它處于數(shù)據(jù)鏈路層［1］。MUX接口如圖3所示。

圖3SENS中MUX接口

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡模塊設(shè)計(jì)了統(tǒng)一信道調(diào)度層，掛接在VxWorks協(xié)議棧的MUX接口下，通過(guò)添加默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，將上層發(fā)送的業(yè)務(wù)信息流統(tǒng)一發(fā)送到統(tǒng)一信道調(diào)度層，在這一層首先進(jìn)行路由選擇，即通過(guò)查詢路由表得到去往目的地址的下一跳，由下一跳便可以知道有幾個(gè)無(wú)線信道可以到達(dá)相鄰節(jié)點(diǎn)（由動(dòng)態(tài)路由廣播控制報(bào)文探測(cè)出），然后分別計(jì)算每個(gè)信道上的ETT值，最后結(jié)合業(yè)務(wù)信息流庫(kù)、滑動(dòng)平滑算法實(shí)現(xiàn)多信道環(huán)境下負(fù)載均衡。負(fù)載均衡模塊的軟件實(shí)現(xiàn)示意圖如圖4所示。

圖4 負(fù)載均衡模塊軟件實(shí)現(xiàn)示意圖

2.1 統(tǒng)一信道調(diào)度層的建立

統(tǒng)一信道調(diào)度層的建立采用掛在MUX層下的虛擬END驅(qū)動(dòng)的方式建立，掛載和啟動(dòng)過(guò)程可以分為3個(gè)步驟，既指定END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，裝載END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和啟動(dòng)END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的指定是通過(guò)數(shù)組endDevTbl［］來(lái)完成的，該數(shù)組表述了系統(tǒng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的裝載入口點(diǎn)及其相關(guān)的參數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用MUX驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)函數(shù)muxDevLoad（）來(lái)裝載END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，調(diào)用MUX驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)函數(shù)muxDevStart（）來(lái)啟動(dòng)END驅(qū)動(dòng)。VxWorks操作系統(tǒng)通過(guò) usrRoot（）函數(shù)來(lái)調(diào)用 usrNetInit（）函數(shù)完成MUX的初始化化，轉(zhuǎn)載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)表endDevTbl［］中描述的所有END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。在END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的編程中，需要關(guān)注的內(nèi)容包括配置文件定義，驅(qū)動(dòng)符號(hào)定義以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫。圖5是END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)初始化順序。

圖5 END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)初始化順序

當(dāng)掛載完虛擬END后，本文在系統(tǒng)核心路由表中添加一條目的地址為全零，下一跳為虛擬END地址的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)路由，這樣所有目的地址不是本地地址的信息流系統(tǒng)將全部交給虛擬END驅(qū)動(dòng)的adfEndSend（）去處理，這樣便可以在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡模塊，風(fēng)河公司提供了關(guān)于END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的模板文件［2］，可參照其進(jìn)行修改，非常便利。

2.2 基于ETT的信道質(zhì)量算法

采用丟包率、帶寬、時(shí)延統(tǒng)一考慮的信道鏈路質(zhì)量策略作為度量鏈路質(zhì)量的方法，所以引入了ETT（成功傳輸時(shí)間）算法［3］，從而最大程度提高信道鏈路質(zhì)量的可信度。

在引入鏈路ETT算法之前先引入ETX（期望成功傳輸次數(shù)），它是對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)間成功傳送一個(gè)探測(cè)包所需要傳輸次數(shù)（包括重傳次數(shù)）進(jìn)行預(yù)測(cè)，借此來(lái)衡量無(wú)線信道鏈路的質(zhì)量。

ETX度量由前向與反向鏈路上傳輸成功概率的測(cè)量統(tǒng)計(jì)而來(lái)，假設(shè)分別為pf與pr，可以根據(jù)它們計(jì)算出期望傳輸次數(shù)。

圖6 傳輸成功率圖

若在鏈路X→Y上，則pf表示X的前向傳輸成功率，pr表示X的后向傳輸成功率

假設(shè)p表示節(jié)點(diǎn)X到節(jié)點(diǎn)Y的丟包率，則

由Bernoulli公式［4］，可得k次傳輸時(shí)成功的概率為:

則，期望傳輸次數(shù)為

傳輸成功率pf與pr通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射hello包來(lái)測(cè)量，每個(gè)探測(cè)包固定大小，按周期發(fā)送。為了避免偶然的同步，周期會(huì)加上±0.1的抖動(dòng)時(shí)延。每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄在ω時(shí)間內(nèi)收到的探測(cè)包個(gè)數(shù)，傳輸成功率為:

coun（tt-w，t）是在 ω 時(shí)間內(nèi)實(shí)際收到的探測(cè)包個(gè)數(shù)，ω/是ω時(shí)間內(nèi)應(yīng)該收到的探測(cè)包數(shù)。在鏈路X→Y 上，X 可以用式（4）來(lái)計(jì)算 pr，Y 可以用式（4）來(lái)計(jì)算 pf。

ETX值僅反映了鏈路的可靠性性能指標(biāo)，沒(méi)有反映出信道帶寬因素，當(dāng)多條鏈路的ETX值相同時(shí)，應(yīng)優(yōu)選帶寬寬的信道。因此，引入了ETT度量（平均成功傳輸時(shí)間），假設(shè)信道速率為S，數(shù)據(jù)包的大小為B，則ETT的計(jì)算公式如下:

節(jié)點(diǎn)間的信道質(zhì)量存在一定的差異，其差異情況可通過(guò)鏈路的ETT值來(lái)反映。數(shù)據(jù)流的分配依據(jù)鏈路 ETT值進(jìn)行［5-6］。

3 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，此種負(fù)載均衡模塊應(yīng)用于某初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，在多信道環(huán)境下不僅有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且其投入少、改動(dòng)小，兼容老裝備，對(duì)提升整體網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性有一定參考價(jià)值。