移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

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摘要：移動(dòng)設(shè)備面臨著多樣化和動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，要想充分地使用這些選項(xiàng)要求知道應(yīng)用程序的意圖。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口是一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的處理網(wǎng)絡(luò)多樣性的機(jī)制。應(yīng)用程序?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸提供一個(gè)聲明標(biāo)簽，并將系統(tǒng)匹配到最合適的網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口還可以推遲和重新排序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，提供應(yīng)用程序互斥和排序約束機(jī)制。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；接口設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)傳輸

1引言

移動(dòng)設(shè)備面臨著一個(gè)多元、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。這些選項(xiàng)有各種各樣的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，在所有情況下沒(méi)有單一的“最佳選擇”，基礎(chǔ)設(shè)施的多樣性既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。面臨的挑戰(zhàn)是管理這些不斷變化的選項(xiàng)以滿足每個(gè)應(yīng)用程序的需求，這本身隨時(shí)間變化。通過(guò)這樣做，應(yīng)用程序帶來(lái)了顯著效益，同時(shí)利用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和規(guī)劃未來(lái)的傳輸智能。目前解決這個(gè)問(wèn)題的方法是不充分的。一個(gè)極端，操作系統(tǒng)或中間件層代表應(yīng)用程序的所有路由和接口決定。然而，因?yàn)檫@些決定不知道應(yīng)用程序的使用網(wǎng)絡(luò)意圖，他們經(jīng)常錯(cuò)過(guò)優(yōu)化機(jī)會(huì)。另一個(gè)極端，系統(tǒng)直接暴露底層細(xì)節(jié)給應(yīng)用程序，使應(yīng)用程序知道網(wǎng)絡(luò)變化，應(yīng)用程序必須顯式地選擇可用的選項(xiàng)。這種方法表達(dá)，需要管理多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不必要復(fù)雜的應(yīng)用程序任務(wù)。設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)介于兩者之間，系統(tǒng)管理發(fā)現(xiàn)和描述可用網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)的細(xì)節(jié)，應(yīng)用程序用少量的聲明標(biāo)簽來(lái)提供關(guān)于通信量的提示。然后，該系統(tǒng)將匹配的網(wǎng)絡(luò)流量提供給可用的接口。設(shè)計(jì)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了一個(gè)可移植的、用戶級(jí)別的實(shí)現(xiàn)方法。

2移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)遵循經(jīng)典的分離原則機(jī)制。應(yīng)用程序確定使用網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際意圖，這一意圖表示數(shù)據(jù)應(yīng)如何傳輸?shù)牟呗浴Ａ硪环矫?，操作系統(tǒng)或中間件庫(kù)是最佳的位置，以提供一個(gè)共有機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的策略。每個(gè)應(yīng)用程序必須提供使用網(wǎng)絡(luò)意圖的提示，因此共有機(jī)制使得部署新應(yīng)用程序使用多個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容易。處理多個(gè)異構(gòu)和間歇性的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)被封裝在系統(tǒng)的底層。共有機(jī)制也可以從多個(gè)應(yīng)用程序聚集異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)簽和系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)的分離，制定政策數(shù)據(jù)映射到網(wǎng)絡(luò)最佳匹配時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)簽。設(shè)計(jì)希望接口盡可能簡(jiǎn)單，要求每一個(gè)應(yīng)用程序公開(kāi)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(wù)質(zhì)量。這一原則導(dǎo)致了幾項(xiàng)決定，應(yīng)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(tái)互動(dòng)的還是后臺(tái)的流量。不要求什么是“小”和“大”。允許該應(yīng)用程序使用它認(rèn)為合適標(biāo)簽。并發(fā)系統(tǒng)包括允許程序員排除不正確的排序機(jī)制，增加了同步抽象表達(dá)原子和之前發(fā)生的約束。除了表達(dá)這類排序約束，還需要處理部分失敗的機(jī)制。有些時(shí)候一些信息量將由任何可用的傳輸轉(zhuǎn)換提供錯(cuò)誤的服務(wù)。因此，提供了一種回調(diào)機(jī)制來(lái)處理延遲傳輸或斷開(kāi)連接。

3移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)方案

在本節(jié)中，描述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口。首先描述基本的抽象接口。應(yīng)用程序使用標(biāo)簽來(lái)傳達(dá)他們的意圖。表達(dá)信息單位稱為IROBs(IsolatedReliableOrderedBytestreams)。IROBs提供原子性（互斥）；應(yīng)用程序還可以指定IROBs之間順序約束。當(dāng)操作必須延遲，應(yīng)用程序可以注冊(cè)thunks恢復(fù)他們。

3.1標(biāo)簽

標(biāo)簽是應(yīng)用程序的主要抽象信息，應(yīng)用程序聲明任何特定網(wǎng)絡(luò)信息屬性的機(jī)制。標(biāo)簽是系統(tǒng)定義的定性屬性的消息。目前只支持4個(gè)標(biāo)簽，兩個(gè)維度，交互性和規(guī)模，如果用戶事件正在等待響應(yīng)，消息的標(biāo)簽設(shè)置為Fore-ground，如果它的及時(shí)傳遞不是行為的關(guān)鍵，則消息的標(biāo)簽是Background。例如，許多提示不需要發(fā)送。Small標(biāo)簽描述單包的RPC等消息，Large標(biāo)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(lái)源處理

標(biāo)簽與標(biāo)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(shuō)，一個(gè)multi-socket將幾個(gè)不同標(biāo)簽單一虛擬套接口復(fù)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(gè)標(biāo)簽。請(qǐng)注意，發(fā)件人是負(fù)責(zé)分配標(biāo)簽的實(shí)體，作為結(jié)果，接收不需要標(biāo)簽。可以想象用一個(gè)標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾的接收。multi-socket是一個(gè)邏輯連接，動(dòng)態(tài)實(shí)例化，并使用實(shí)際TCP連接在一個(gè)或多個(gè)物理接口。multi-sockets提供封裝：它們隱藏多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、路由和連接的應(yīng)用程序。Multi-sockets也封裝瞬時(shí)斷開(kāi)連接，如通過(guò)無(wú)線死區(qū)。應(yīng)用程序指定標(biāo)簽，網(wǎng)絡(luò)流量管理器利用標(biāo)簽選擇正確的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序被每一個(gè)標(biāo)簽通知網(wǎng)絡(luò)不可用，通過(guò)使用thunk技術(shù)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)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(yīng)用，在后面兩節(jié)中描述。

3.3IROBs字節(jié)流

帶有標(biāo)簽的IROB是網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的基本單位，multi-socket接口保證每個(gè)IROB自動(dòng)接收；即，指令中產(chǎn)生的IROB字節(jié)流不影響其他網(wǎng)絡(luò)傳輸字節(jié)流。然而，單個(gè)IROB可能被重新排序到另一個(gè)地方。換句話說(shuō)，來(lái)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(yīng)用程序看到。然而，來(lái)自于兩個(gè)IROB的字節(jié)永遠(yuǎn)不會(huì)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?yàn)橛行?yīng)用程序需要訂購(gòu)IROBs之間的約束，所以multi-socket接口支持這樣的約束聲明。每個(gè)multi-socket接口分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的，單調(diào)增加的標(biāo)識(shí)符給每個(gè)IROB。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的IROB時(shí)，應(yīng)用程序可以指定任何IROB的標(biāo)識(shí)符，但必須接收到之前被創(chuàng)造出來(lái)的標(biāo)識(shí)符。排序約束可能只指定IROBs有較低的唯一標(biāo)識(shí)符，這可以保證這樣的約束是無(wú)死鎖的。TCP套接字指定每個(gè)IROB必須收到最低的標(biāo)識(shí)符，應(yīng)用程序處理連續(xù)的字節(jié)流，API提供了簡(jiǎn)單的默認(rèn)發(fā)送調(diào)用機(jī)制。然而，許多應(yīng)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(xiě)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(shù)

帶標(biāo)簽的IROB在發(fā)送時(shí)沒(méi)有任何“合適的”網(wǎng)絡(luò)可以利用，這種情況是可能的。例如，批量傳輸開(kāi)始時(shí)只有一個(gè)低帶寬鏈接是可用的；或者移動(dòng)計(jì)算機(jī)可能是在一個(gè)無(wú)線死區(qū)，沒(méi)有連接。這種傳輸最好在稍后遇到一個(gè)高帶寬鏈接時(shí)處理。當(dāng)然，不希望應(yīng)用程序輪詢鏈接，也不希望應(yīng)用程序建立新連接后短時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)斷開(kāi)。創(chuàng)建IROBs操作設(shè)置一個(gè)可選的Thunk參數(shù)，這個(gè)函數(shù)/參數(shù)對(duì)將用于告知應(yīng)用程序IROBs由于缺少合適的網(wǎng)絡(luò)不能立即發(fā)送。當(dāng)一個(gè)IROB延期時(shí)，帶有Thunk參數(shù)的調(diào)用返回一個(gè)特殊的返回代碼。指定標(biāo)簽數(shù)據(jù)被下一次傳輸時(shí)，庫(kù)通過(guò)調(diào)用thunk指定參數(shù)的函數(shù)通知應(yīng)用程序。處理程序必須為T(mén)hunk參數(shù)資源關(guān)系負(fù)責(zé)，Thunk可能會(huì)被取消，例如，前一個(gè)Thunk是無(wú)效的，后續(xù)的將取消。Thunk對(duì)于定期發(fā)送消息的應(yīng)用程序是有用的，如檢查新郵件。在斷開(kāi)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(yīng)用程序注冊(cè)一個(gè)發(fā)送thunk，合適的網(wǎng)絡(luò)可用時(shí)獲得通知。Thunk處理程序只發(fā)送輪詢請(qǐng)求，從而保護(hù)寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3.6API函數(shù)

列出了最重要的改進(jìn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)API函數(shù)。ms_sock-et函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的multi-socket，ms_connect函數(shù)連接到遠(yuǎn)程端點(diǎn)，ms_connect函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的connect函數(shù)唯一不同是調(diào)用的第一個(gè)參數(shù)是multi-socket。一般使用ms_*修改應(yīng)用程序替換socket，connect等函數(shù)。應(yīng)用程序使用ms_begin_irob函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的IROB，通過(guò)一個(gè)標(biāo)簽來(lái)描述原子信息以及排序約束。應(yīng)用程序調(diào)用ms_irob_send函數(shù)指定IROB部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送；交替調(diào)用send和ms_irob_send函數(shù)。應(yīng)用程序使用ms_end_irob函數(shù)通知庫(kù)沒(méi)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(gè)新的IROB，并結(jié)束IROB。如果應(yīng)用程序使用ms_send調(diào)用，它將提供帶標(biāo)簽的TCP連接，盡管沒(méi)有重新排序。ms_recv函數(shù)調(diào)用返回一個(gè)標(biāo)簽。服務(wù)器應(yīng)用程序希望使用客戶端原始請(qǐng)求提供的標(biāo)簽回復(fù)客戶請(qǐng)求。例如，IMAP服務(wù)器可能希望用Background標(biāo)簽回復(fù)客戶后臺(tái)請(qǐng)求，使用Foreground標(biāo)簽回復(fù)客戶前臺(tái)請(qǐng)求。表2顯示了創(chuàng)建和使用multi-sockets移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)要考慮應(yīng)用程序需要提供自己的事件，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序感知功能。首先，應(yīng)用程序需要發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)打開(kāi)套接口，并監(jiān)控各網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量，以便決定用于傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。按通信量需求排序，應(yīng)用程序可能會(huì)創(chuàng)建每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)套接字，然后使用特定于平臺(tái)的方法優(yōu)先考慮通信量從一個(gè)套接口到另一個(gè)。應(yīng)用程序也需要傳輸介質(zhì)跨越連接來(lái)提高吞吐量，然后管理必然產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分段排序。最后，應(yīng)用程序可能會(huì)輪詢來(lái)實(shí)現(xiàn)Thunk的功能，Thunk允許鏈接被修改，如果當(dāng)前沒(méi)有合適的網(wǎng)絡(luò)也可以刪除。

4移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口的通信過(guò)程

對(duì)于每個(gè)multi-socket，庫(kù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建單獨(dú)的TCP套接字決定每個(gè)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(luò)接口（例如，如果移動(dòng)計(jì)算機(jī)移出WiFi接入點(diǎn)的范圍內(nèi)，沒(méi)有其他網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)可用），或multi-socket關(guān)閉。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選擇使用TCP。TCP可靠性機(jī)制限制必須在IROB內(nèi)實(shí)現(xiàn)命令交付的字節(jié)或由于網(wǎng)絡(luò)擁塞丟失字節(jié)重新傳輸?shù)墓ぷ髁?。?dāng)?shù)谝粋€(gè)TCP套接字建立初始連接時(shí)，移動(dòng)客戶端為每一個(gè)連接發(fā)送其對(duì)等數(shù)據(jù)，包括可用的IP地址、估計(jì)的帶寬和延遲。它搭載更新網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題信息，同伴可以建立一個(gè)新的TCP連接，新的連接將是最適合于一個(gè)特定的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。庫(kù)使用主動(dòng)和被動(dòng)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的方式將標(biāo)簽映射到TCP連接。當(dāng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，連接偵查器提供連接質(zhì)量的初步測(cè)量。庫(kù)通過(guò)連接發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)量單個(gè)傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間產(chǎn)生被動(dòng)測(cè)量。連接偵察器提供周期性的主動(dòng)測(cè)量，用于評(píng)估在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸和被動(dòng)測(cè)量不可用時(shí)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。主動(dòng)和被動(dòng)測(cè)量結(jié)合使用觸發(fā)濾波器獲得運(yùn)行當(dāng)前連接質(zhì)量的估計(jì)。庫(kù)使用以下策略映射標(biāo)簽TCP連接。前臺(tái)數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級(jí)，帶有{Foreground,Small}標(biāo)簽的IROBs通過(guò)低延遲的TCP連接發(fā)送。帶有{Foreground,Large}標(biāo)簽的IROBs通過(guò)高寬帶連接發(fā)送。這些可能是相同的連接（例如，當(dāng)前只有一個(gè)接口提供連接）。用于特定標(biāo)簽的實(shí)際物理接口可能隨時(shí)間變化鏈接特征有所不同。后臺(tái)數(shù)據(jù)比前臺(tái)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)低。當(dāng)前不發(fā)送前臺(tái)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送后臺(tái)IROBs，大的后臺(tái)IROBs被拆分成小塊，每一個(gè)都可能被送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。Foreground標(biāo)簽要求低響應(yīng)時(shí)間；不幸的是，分段可以增加最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的延遲到達(dá)，除非網(wǎng)絡(luò)層能為每個(gè)鏈接正確預(yù)測(cè)瞬時(shí)延遲。相比之下，Background標(biāo)簽指定的數(shù)據(jù)對(duì)延遲不敏感；因此，分段策略最大化利用每個(gè)鏈接是理想的。一個(gè)鏈表以先進(jìn)先出順序索引所有IROBs標(biāo)簽。每個(gè)TCP連接都有當(dāng)前合適發(fā)送標(biāo)簽的列表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，庫(kù)從具有最高優(yōu)先級(jí)的標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)的列表中取出第一個(gè)IROB數(shù)據(jù)。庫(kù)用32字節(jié)特定的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)頭封裝IROB數(shù)據(jù)，包括IROB標(biāo)識(shí)符和它的標(biāo)簽以及IROB的順序約束。在一次連接時(shí)，庫(kù)并不限制發(fā)送所有IROB的字節(jié)，它可能決定一個(gè)IROB分解成小塊，每一個(gè)都要發(fā)送一個(gè)單獨(dú)的頭。IROB塊通過(guò)多個(gè)TCP連接發(fā)送，每個(gè)IROB的字節(jié)能有序地自動(dòng)傳送，接收庫(kù)對(duì)其確認(rèn)和重組。當(dāng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序同時(shí)執(zhí)行時(shí)，所有進(jìn)程的活動(dòng)都通過(guò)共享內(nèi)存變量和同步進(jìn)行協(xié)調(diào)。我們假設(shè)鏈接接近移動(dòng)計(jì)算機(jī)的瓶頸，大多數(shù)感興趣的是所有路徑共享。因此，庫(kù)實(shí)例更新共享變量，包含每個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)程的總量不得超過(guò)限制先行調(diào)度算法，以保證良好的前臺(tái)性能。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)⒄{(diào)整其在執(zhí)行過(guò)程中被動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的估計(jì)，因此，將考慮在其決定的競(jìng)爭(zhēng)流量。庫(kù)通過(guò)建立可能的接口對(duì)處理兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備與多個(gè)接口之間的連接。

5結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)面臨著不斷變化的各種網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，每一種都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，對(duì)應(yīng)用程序而言，選擇一個(gè)最佳的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，這種情況是很少見(jiàn)的。通過(guò)合理使用可用的選項(xiàng)，應(yīng)用程序的服務(wù)得到了顯著改善。不幸的是，這樣會(huì)暴露可用網(wǎng)絡(luò)的低層細(xì)節(jié)給應(yīng)用程序，不太可能引起很大的關(guān)注。設(shè)計(jì)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)解決了這一僵局。它為應(yīng)用程序提供一個(gè)簡(jiǎn)單的聲明接口來(lái)表達(dá)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)消息背后的意圖。系統(tǒng)匹配當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信量到最佳可用的接口。如果沒(méi)有合適的可用網(wǎng)絡(luò)，該通信量被推遲，直到網(wǎng)絡(luò)可用。延緩某些類型的通信量會(huì)導(dǎo)致重新排序。設(shè)計(jì)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口提供了表達(dá)互斥和排序約束機(jī)制，使他們的通信量匹配到應(yīng)用程序的限制。

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作者：楊彬 李邐 單位：遼寧行政學(xué)院信息技術(shù)系