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移動網(wǎng)絡接口的研究與設計論文
摘要：移動設備面臨著多樣化和動態(tài)的網(wǎng)絡選項，要想充分地使用這些選項要求知道應用程序的意圖。移動網(wǎng)絡接口是一個簡單而強大的處理網(wǎng)絡多樣性的機制。應用程序為網(wǎng)絡傳輸提供一個聲明標簽，并將系統(tǒng)匹配到最合適的網(wǎng)絡。移動網(wǎng)絡接口還可以推遲和重新排序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，提供應用程序互斥和排序約束機制。
關鍵詞：移動網(wǎng)絡；接口設計；數(shù)據(jù)傳輸
1引言
移動設備面臨著一個多元、動態(tài)的網(wǎng)絡選項。這些選項有各種各樣的優(yōu)點和缺點。因此，在所有情況下沒有單一的“最佳選擇”，基礎設施的多樣性既是挑戰(zhàn)，也是機遇。面臨的挑戰(zhàn)是管理這些不斷變化的選項以滿足每個應用程序的需求，這本身隨時間變化。通過這樣做，應用程序帶來了顯著效益，同時利用多個網(wǎng)絡和規(guī)劃未來的傳輸智能。目前解決這個問題的方法是不充分的。一個極端，操作系統(tǒng)或中間件層代表應用程序的所有路由和接口決定。然而，因為這些決定不知道應用程序的使用網(wǎng)絡意圖，他們經(jīng)常錯過優(yōu)化機會。另一個極端，系統(tǒng)直接暴露底層細節(jié)給應用程序，使應用程序知道網(wǎng)絡變化，應用程序必須顯式地選擇可用的選項。這種方法表達，需要管理多個無線網(wǎng)絡不必要復雜的應用程序任務。設計的網(wǎng)絡介于兩者之間，系統(tǒng)管理發(fā)現(xiàn)和描述可用網(wǎng)絡選項的細節(jié)，應用程序用少量的聲明標簽來提供關于通信量的提示。然后，該系統(tǒng)將匹配的網(wǎng)絡流量提供給可用的接口。設計的移動網(wǎng)絡系統(tǒng)提供了一個可移植的、用戶級別的實現(xiàn)方法。
2移動網(wǎng)絡接口設計原理
設計遵循經(jīng)典的分離原則機制。應用程序確定使用網(wǎng)絡的實際意圖，這一意圖表示數(shù)據(jù)應如何傳輸?shù)牟呗�。另一方面，操作系統(tǒng)或中間件庫是最佳的位置，以提供一個共有機制來實現(xiàn)指定的策略。每個應用程序必須提供使用網(wǎng)絡意圖的提示，因此共有機制使得部署新應用程序使用多個移動網(wǎng)絡容易。處理多個異構和間歇性的移動網(wǎng)絡的細節(jié)被封裝在系統(tǒng)的底層。共有機制也可以從多個應用程序聚集異構數(shù)據(jù)傳輸。因此，網(wǎng)絡設計通過數(shù)據(jù)傳輸標簽和系統(tǒng)底層實現(xiàn)的分離，制定政策數(shù)據(jù)映射到網(wǎng)絡最佳匹配時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉撕�。設計希望接口盡可能簡單，要求每一個應用程序公開定量規(guī)格的特性，它希望產(chǎn)生的流量，以及它所需要的服務質(zhì)量。這一原則導致了幾項決定，應用程序使用定性屬性的數(shù)據(jù)表示他們的意圖，而不是使用量化規(guī)范，即，不管是小的還是大的，不管是前臺互動的還是后臺的流量。不要求什么是“小”和“大”。允許該應用程序使用它認為合適標簽。并發(fā)系統(tǒng)包括允許程序員排除不正確的排序機制，增加了同步抽象表達原子和之前發(fā)生的約束。除了表達這類排序約束，還需要處理部分失敗的機制。有些時候一些信息量將由任何可用的傳輸轉(zhuǎn)換提供錯誤的服務。因此，提供了一種回調(diào)機制來處理延遲傳輸或斷開連接。
3移動網(wǎng)絡接口設計方案
在本節(jié)中，描述網(wǎng)絡應用程序接口。首先描述基本的抽象接口。應用程序使用標簽來傳達他們的意圖。表達信息單位稱為IROBs(IsolatedReliableOrderedBytestreams)。IROBs提供原子性（互斥）；應用程序還可以指定IROBs之間順序約束。當操作必須延遲，應用程序可以注冊thunks恢復他們。
3.1標簽
標簽是應用程序的主要抽象信息，應用程序聲明任何特定網(wǎng)絡信息屬性的機制。標簽是系統(tǒng)定義的定性屬性的消息。目前只支持4個標簽，兩個維度，交互性和規(guī)模，如表1所示。如果用戶事件正在等待響應，消息的標簽設置為Fore-ground，如果它的及時傳遞不是行為的關鍵，則消息的標簽是Background。例如，許多提示不需要發(fā)送。Small標簽描述單包的RPC等消息，Large標簽描述其他消息，如包含多媒體數(shù)據(jù)。
3.2多模式數(shù)據(jù)來源處理
標簽與標簽感知套接口一起使用。我們稱這種套接口為multi-sockets。直觀地說，一個multi-socket將幾個不同標簽單一虛擬套接口復合在一起。在大多數(shù)情況下，multi-sockets行為是正常的。然而，multi-socket發(fā)送調(diào)用需要一個標簽。請注意，發(fā)件人是負責分配標簽的實體，作為結(jié)果，接收不需要標簽�？梢韵胂笥靡粋�標簽來實現(xiàn)過濾的接收。multi-socket是一個邏輯連接，動態(tài)實例化，并使用實際TCP連接在一個或多個物理接口。multi-sockets提供封裝：它們隱藏多個網(wǎng)絡接口、路由和連接的應用程序。Multi-sockets也封裝瞬時斷開連接，如通過無線死區(qū)。應用程序指定標簽，網(wǎng)絡流量管理器利用標簽選擇正確的網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)。應用程序被每一個標簽通知網(wǎng)絡不可用，通過使用thunk技術，當事件發(fā)生時執(zhí)行遞延執(zhí)行環(huán)境。像TCP套接口，multi-sockets支持可靠傳遞抽象。然而，multi-sockets放松了TCP排序約束，允許字節(jié)被記錄到指定的互斥和排序約束中的應用，在后面兩節(jié)中描述。
3.3IROBs字節(jié)流
帶有標簽的IROB是網(wǎng)絡傳輸信息的基本單位，multi-socket接口保證每個IROB自動接收；即，指令中產(chǎn)生的IROB字節(jié)流不影響其他網(wǎng)絡傳輸字節(jié)流。然而，單個IROB可能被重新排序到另一個地方。換句話說，來自接收multi-socket接口的先前發(fā)送的IROB首先被正在讀取數(shù)據(jù)的應用程序看到。然而，來自于兩個IROB的字節(jié)永遠不會混合。IROBs以同樣的方式提供互斥操作，在多線程程序中，鎖提供互斥的線程。
3.4排序約束
因為有些應用程序需要訂購IROBs之間的約束，所以multi-socket接口支持這樣的約束聲明。每個multi-socket接口分配一個獨一無二的，單調(diào)增加的標識符給每個IROB。當創(chuàng)建一個新的IROB時，應用程序可以指定任何IROB的標識符，但必須接收到之前被創(chuàng)造出來的標識符。排序約束可能只指定IROBs有較低的唯一標識符，這可以保證這樣的約束是無死鎖的。TCP套接字指定每個IROB必須收到最低的標識符，應用程序處理連續(xù)的字節(jié)流，API提供了簡單的默認發(fā)送調(diào)用機制。然而，許多應用程序擁有更為寬松的約束條件；例如，BlueFS文件系統(tǒng)客戶端允許異步寫入。multi-sockets中的排序約束類似于多線程程序提供線程的條件變量。
3.5Thunks技術
帶標簽的IROB在發(fā)送時沒有任何“合適的”網(wǎng)絡可以利用，這種情況是可能的。例如，批量傳輸開始時只有一個低帶寬鏈接是可用的；或者移動計算機可能是在一個無線死區(qū)，沒有連接。這種傳輸最好在稍后遇到一個高帶寬鏈接時處理。當然，不希望應用程序輪詢鏈接，也不希望應用程序建立新連接后短時間內(nèi)瞬時斷開。創(chuàng)建IROBs操作設置一個可選的Thunk參數(shù)，這個函數(shù)/參數(shù)對將用于告知應用程序IROBs由于缺少合適的網(wǎng)絡不能立即發(fā)送。當一個IROB延期時，帶有Thunk參數(shù)的調(diào)用返回一個特殊的返回代碼。指定標簽數(shù)據(jù)被下一次傳輸時，庫通過調(diào)用thunk指定參數(shù)的函數(shù)通知應用程序。處理程序必須為Thunk參數(shù)資源關系負責，Thunk可能會被取消，例如，前一個Thunk是無效的，后續(xù)的將取消。Thunk對于定期發(fā)送消息的應用程序是有用的，如檢查新郵件。在斷開連接期間緩沖冗余消息，以后將所有信息發(fā)送這是不可取的。相反，應用程序注冊一個發(fā)送thunk，合適的網(wǎng)絡可用時獲得通知。Thunk處理程序只發(fā)送輪詢請求，從而保護寶貴的網(wǎng)絡帶寬。
3.6API函數(shù)
表2列出了最重要的改進的移動網(wǎng)絡API函數(shù)。ms_sock-et函數(shù)創(chuàng)建一個新的multi-socket，ms_connect函數(shù)連接到遠程端點，ms_connect函數(shù)和標準的connect函數(shù)唯一不同是調(diào)用的第一個參數(shù)是multi-socket。一般使用ms_*修改應用程序替換socket，connect等函數(shù)。應用程序使用ms_begin_irob函數(shù)創(chuàng)建一個新的IROB，通過一個標簽來描述原子信息以及排序約束。應用程序調(diào)用ms_irob_send函數(shù)指定IROB部分數(shù)據(jù)發(fā)送；交替調(diào)用send和ms_irob_send函數(shù)。應用程序使用ms_end_irob函數(shù)通知庫沒有IROB數(shù)據(jù)發(fā)送。ms_send函數(shù)調(diào)用提供便利，它根據(jù)所有以前的IROBs創(chuàng)建一個新的IROB，并結(jié)束IROB。如果應用程序使用ms_send調(diào)用，它將提供帶標簽的TCP連接，盡管沒有重新排序。ms_recv函數(shù)調(diào)用返回一個標簽。服務器應用程序希望使用客戶端原始請求提供的標簽回復客戶請求。例如，IMAP服務器可能希望用Background標簽回復客戶后臺請求，使用Foreground標簽回復客戶前臺請求。表2顯示了創(chuàng)建和使用multi-sockets移動網(wǎng)絡的API。除了顯示的功能外，multi-sockets還支持傳統(tǒng)的套接口函數(shù)；例如，accept,select等。
3.7討論
設計移動網(wǎng)絡接口時要考慮應用程序需要提供自己的事件，才能實現(xiàn)應用程序感知功能。首先，應用程序需要發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡選項，為每個網(wǎng)絡選項打開套接口，并監(jiān)控各網(wǎng)絡的連接質(zhì)量，以便決定用于傳輸?shù)木W(wǎng)絡。按通信量需求排序，應用程序可能會創(chuàng)建每個網(wǎng)絡的多個套接字，然后使用特定于平臺的方法優(yōu)先考慮通信量從一個套接口到另一個。應用程序也需要傳輸介質(zhì)跨越連接來提高吞吐量，然后管理必然函數(shù)名稱參數(shù)和返回的值ms_socket(INfamily,INtype,INprotocol,OUTmulti-socket);ms_begin_irob(INmulti-socket,INlabel,INdependencies,INthunk,INthunk_data,OUTirob_id);ms_irob_send(INirob_id,INbuf,INlength,INflags,OUTbytes_sent);ms_end_irob(INirob_id)ms_send(INmulti-socket,INbuffer,INlength,INflags,INlabel,INthunk,INthunk_data,OUTbytes_sent);ms_recv(INmulti-socket,INbuffer,INlength,INflags,OUTlabel,OUTbytes_rcvd);產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分段排序。最后，應用程序可能會輪詢來實現(xiàn)Thunk的功能，Thunk允許鏈接被修改，如果當前沒有合適的網(wǎng)絡也可以刪除。
4移動網(wǎng)絡接口的通信過程
對于每個multi-socket，庫動態(tài)創(chuàng)建單獨的TCP套接字決定每個接口發(fā)送數(shù)據(jù)。multi-socket連接持續(xù)下去，直到?jīng)]有TCP連接可以使用任何網(wǎng)絡接口（例如，如果移動計算機移出WiFi接入點的范圍內(nèi)，沒有其他網(wǎng)絡選項可用），或multi-socket關閉。為簡單起見，選擇使用TCP。TCP可靠性機制限制必須在IROB內(nèi)實現(xiàn)命令交付的字節(jié)或由于網(wǎng)絡擁塞丟失字節(jié)重新傳輸?shù)墓ぷ髁俊．數(shù)谝粋�TCP套接字建立初始連接時，移動客戶端為每一個連接發(fā)送其對等數(shù)據(jù)，包括可用的IP地址、估計的帶寬和延遲。它搭載更新網(wǎng)絡標題信息，同伴可以建立一個新的TCP連接，新的連接將是最適合于一個特定的標簽數(shù)據(jù)。庫使用主動和被動估計網(wǎng)絡帶寬和延遲的方式將標簽映射到TCP連接。當一個新的網(wǎng)絡選項被發(fā)現(xiàn)時，連接偵查器提供連接質(zhì)量的初步測量。庫通過連接發(fā)送數(shù)據(jù)，測量單個傳輸?shù)捻憫獣r間產(chǎn)生被動測量。連接偵察器提供周期性的主動測量，用于評估在沒有數(shù)據(jù)傳輸和被動測量不可用時網(wǎng)絡質(zhì)量。主動和被動測量結(jié)合使用觸發(fā)濾波器獲得運行當前連接質(zhì)量的估計。庫使用以下策略映射標簽TCP連接。前臺數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級，帶有{Foreground,Small}標簽的IROBs通過低延遲的TCP連接發(fā)送。帶有{Foreground,Large}標簽的IROBs通過高寬帶連接發(fā)送。這些可能是相同的連接（例如，當前只有一個接口提供連接）。用于特定標簽的實際物理接口可能隨時間變化鏈接特征有所不同。后臺數(shù)據(jù)比前臺數(shù)據(jù)優(yōu)先級低。當前不發(fā)送前臺數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡發(fā)送后臺IROBs，大的后臺IROBs被拆分成小塊，每一個都可能被送到另一個網(wǎng)絡。Foreground標簽要求低響應時間；不幸的是，分段可以增加最后一個數(shù)據(jù)包的延遲到達，除非網(wǎng)絡層能為每個鏈接正確預測瞬時延遲。相比之下，Background標簽指定的數(shù)據(jù)對延遲不敏感；因此，分段策略最大化利用每個鏈接是理想的。一個鏈表以先進先出順序索引所有IROBs標簽。每個TCP連接都有當前合適發(fā)送標簽的列表。當網(wǎng)絡能夠發(fā)送數(shù)據(jù)時，庫從具有最高優(yōu)先級的標簽相關聯(lián)的列表中取出第一個IROB數(shù)據(jù)。庫用32字節(jié)特定的網(wǎng)絡標頭封裝IROB數(shù)據(jù)，包括IROB標識符和它的標簽以及IROB的順序約束。在一次連接時，庫并不限制發(fā)送所有IROB的字節(jié)，它可能決定一個IROB分解成小塊，每一個都要發(fā)送一個單獨的頭。IROB塊通過多個TCP連接發(fā)送，每個IROB的字節(jié)能有序地自動傳送，接收庫對其確認和重組。當多個網(wǎng)絡應用程序同時執(zhí)行時，所有進程的活動都通過共享內(nèi)存變量和同步進行協(xié)調(diào)。我們假設鏈接接近移動計算機的瓶頸，大多數(shù)感興趣的是所有路徑共享。因此，庫實例更新共享變量，包含每個網(wǎng)絡上未發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖數(shù)量。這樣的數(shù)據(jù)在所有進程的總量不得超過限制先行調(diào)度算法，以保證良好的前臺性能。網(wǎng)絡應用程序?qū)⒄{(diào)整其在執(zhí)行過程中被動觀測網(wǎng)絡質(zhì)量的估計，因此，將考慮在其決定的競爭流量。庫通過建立可能的接口對處理兩個移動設備與多個接口之間的連接。
5結(jié)語
移動節(jié)點面臨著不斷變化的各種網(wǎng)絡選項，每一種都有不同的優(yōu)點和缺點。因此，對應用程序而言，選擇一個最佳的網(wǎng)絡選項，這種情況是很少見的。通過合理使用可用的選項，應用程序的服務得到了顯著改善。不幸的是，這樣會暴露可用網(wǎng)絡的低層細節(jié)給應用程序，不太可能引起很大的關注。設計的移動網(wǎng)絡解決了這一僵局。它為應用程序提供一個簡單的聲明接口來表達每一個網(wǎng)絡消息背后的意圖。系統(tǒng)匹配當前網(wǎng)絡通信量到最佳可用的接口。如果沒有合適的可用網(wǎng)絡，該通信量被推遲，直到網(wǎng)絡可用。延緩某些類型的通信量會導致重新排序。設計的移動網(wǎng)絡接口提供了表達互斥和排序約束機制，使他們的通信量匹配到應用程序的限制。
作者:楊彬 李邐 單位:遼寧行政學院信息技術系
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