CN105007613B - 一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，当WiFi接入设备发送一个HTTP请求给远程的Web服务器时，将TCP链接分割成两段：第一段TCP链接连接WiFi接入设备和AP，第二段TCP链接连接AP和Web服务器；AP通过第一段TCP链接接收HTTP请求并查看缓存，如果AP缓存有相应的响应数据，将响应数据返回WiFi接入设备；否则，通过第二段TCP链接将该HTTP请求发送到Web服务器；AP接收到Web服务器响应后，收集所请求网页的响应数据，并通过预设的流量控制规则进行过滤，然后存入AP缓存，并通过第一段TCP链接返回WiFi接入设备；WiFi接入设备没有数据收发时，进入休眠状态。

Description

一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法
技术领域
本发明涉及无线网络数据传输领域，更具体地说，涉及一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法。
背景技术
随着无线网络应用增加，WiFi接入设备需要消耗更多能量来完成计算和通信业务，电池连续使用时间(续航时间)明显缩短，其中网络通信接口卡、CPU和LCD所占能耗比例较高。新型网络应用的涌现使WiFi接入设备的能量瓶颈日趋明显，而电池容量年增长率仅为5％。IEEE 802.11标准下，WiFi接入设备在侦听和闲置等待的状态消耗大量电能，凸现能源低效的问题。因此，能量有限的WiFi接入设备难以满足日益增长的移动服务需求，这势必成为无线网络发展的障碍。
无线局域网(Wi-Fi)已成为用户获取网络资源的重要途径，通过AP的数据流以Web服务为主。如图1所示，现有技术的AP与WiFi接入设备的Web访问模式，首先WiFi接入设备发出HTTP请求；接着，AP将该请求传送到远方Web服务器。当收到Web服务器的响应页面后，AP把它传送给WiFi接入设备。之后，WiFi接入设备处理该页面，并发出更多的请求，来下载该页面所包含的Web对象，如图片，CSS，JS脚本等。由于一个页面常包含许多这些Web对象，WiFi接入设备需要多次发出Web请求来下载它们，直到所有的对象被下载，WiFi接入设备上的浏览器才能完整的显示整个页面。由此可见，在整个过程中，WiFi接入设备只能在发送请求后到接收到回复前进行短暂的休息。此外，不断的产生请求以及连续频繁的wake-up的切换都需要消耗大量能量。
现有节能技术主要利用WiFi接入设备休眠和功率管理来降低能耗，例如IEEE802.11协议的Power Save Mode(PSM)机制。WiFi接入设备的网络接口卡(WNIC)普遍支持四种状态：发送(Transmission)、接收(Reception)、闲置(Idle)和休眠(Sleep)。前三种状态都消耗高功率，而休眠状态的功率则降低了1到2个数量级。因此，PSM设定了WiFi接入设备的休眠周期，减少传输能耗。但标准PSM缺乏自适应性，会降低传输性能和服务质量。例如，PSM的休眠和包缓存增大了数据包时延，严重的时延还会引起TCP发送端流量控制和拥塞控制的紊乱，最终降低数据的吞吐量。
现有技术提出多种PSM改进机制以兼顾能量和传输性能，主要分为两类。第一类是部署在WiFi接入设备的分布式休眠节能机制。为了节约能量，设备独立确定自己的协议参数和传输操作，并把相关设置向AP通告。这类算法大多可以适应单个设备的数据流量变化，减少甚至最小化设备能耗。其缺点是增加了WiFi接入设备的复杂性和计算量，忽视信道竞争和数据包冲突等因素对其他设备的影响。第二类是重点部署在AP的集中控制式休眠机制，其目标是全局的能量优化和公平性，指导WiFi接入设备的运作和重要协议参数的设置，并向所有设备通告这些设置。但是集中式节能机制多采用细致的调度算法，对WiFi接入设备的传输过程修改较大，与网络拓扑结构联系紧密，难以与现有标准兼容。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在保证网络可用性和满足传输需求的条件下，减少WiFi接入设备的能量消耗的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，当WiFi接入设备发送一个HTTP请求给远程的Web服务器时，将TCP链接分割成两段：第一段TCP链接连接WiFi接入设备和AP，第二段TCP链接连接AP和Web服务器；
AP通过第一段TCP链接接收HTTP请求并查看缓存，如果AP缓存有相应的响应数据，将响应数据返回WiFi接入设备；否则，通过第二段TCP链接将该HTTP请求发送到Web服务器；AP接收到Web服务器响应后，收集所请求网页的响应数据，并通过预设的流量控制规则进行过滤，然后存入AP缓存，并通过第一段TCP链接返回WiFi接入设备；
WiFi接入设备没有数据收发时，进入休眠状态。
作为优选，AP向休眠状态的WiFi接入设备批量返回过滤后并已存入AP缓存的所请求网页的响应数据。
作为优选，AP周期性地向休眠状态的WiFi接入设备批量返回响应数据。
作为优选，AP进行数据传输速率自适应，根据当前无线局域网信道情况，向WiFi接入设备返回响应数据。
作为优选，设置AP为代理服务器，WiFi接入设备以AP为代理服务器，对Web服务器进行请求。
作为优选，通过Split-TCP命令，将TCP链接分割成两段。
作为优选，如果AP缓存不存在HTTP请求的响应数据，则WiFi接入设备进入休眠状态，并通过第二段TCP链接向Web服务器转发HTTP请求；WiFi接入设备和AP之间的HTTP请求一直保持活动。
作为优选，AP缓存的数据通过缓存预取方法进行获取，缓存预取方法包括预取方法、缓存方法；其中，预取方法为：模拟浏览器解析页面后，找出需要嵌入在该页面的其他Web对象并进行下载的行为。
作为优选，在进行缓存的时候，页面中尚未解析的域名将转换成IP，并保留域名与IP的对应关系。
作为优选，预设的流量控制规则设定了，对从WiFi接入设备发出的对广告信息的HTTP请求将被过滤。
本发明的有益效果如下：
本发明采用Spilt-TCP技术，以AP为网络代理，部署适合无线Web访问的预取缓存和流量过滤算法，提高能源效率：通过减少请求数目和构造批量数据流，控制发往WiFi接入设备的响应数据的流量模式，延长WiFi接入设备的PSM休眠状态以节约能量，同时保证终端服务质量。通过缓存有用数据对象和过滤无用数据对象，减少WiFi接入设备的传输处理时间。
本发明面向WiFi环境，针对占主要流量的Web应用，设计适合无线局域网Web数据流量特征的节能策略，将设备节能、数据缓存/预取，流量过滤等因素结合考虑，实现对WiFi接入设备能耗、时延等多指标的优化。
本发明充分扩展AP的中心控制功能，只需要对AP、WiFi接入设备进行升级，而不影响核心设备和现有网络应用协议，具有便于部署和鲁棒性好的特点。
附图说明
图1是现有技术的WiFi接入设备的访问模式；
图2是本发明的WiFi接入设备的访问模式；
图3是无线便携设备周期性从AP获取数据的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明目的在于解决无线局域网中WiFi接入设备的能量瓶颈问题。通过改进IEEE802.11协议的节能策略，充分发挥AP(无线访问接入点)的中心控制作用，利用Web缓存预取和流量过滤的控制技术，在保证网络可用性和满足传输需求的条件下，减少无线便携设备的能量消耗。
本发明所述的方法基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能，设置为以AP为代理服务器，WiFi接入设备以AP为代理服务器，对Web服务器进行请求。
如图2所示，AP作为支持Split-TCP的网络代理，当WiFi接入设备发送一个HTTP请求给远程的Web服务器时，通过Split-TCP命令，将TCP链接分割成两段：第一段TCP链接连接WiFi接入设备和AP，第二段TCP链接连接AP和Web服务器；
AP通过第一段TCP链接接收HTTP请求并查看缓存，如果AP缓存有相应的响应数据，将响应数据返回WiFi接入设备；否则，通过第二段TCP链接将该HTTP请求发送到Web服务器；AP接收到Web服务器响应后，收集所请求网页的响应数据，并通过预设的流量控制规则进行过滤，然后存入AP缓存，并通过第一段TCP链接返回WiFi接入设备；
WiFi接入设备没有数据收发时，进入休眠状态。
本实施例中，在AP部署一个Web缓存预取工具可以减少Web服务响应时间和WiFi接入设备能耗。AP收到WiFi接入设备的HTTP请求后，如果在缓存中找到其响应数据对象，则以网络当时最优速率连续发送。响应数据全部发送后，AP通知WiFi接入设备进入休眠状态以节约能源。本发明通过AP缓存预取，避免了频繁的外网访问，减少了Web访问的响应时间；避免WiFi接入设备进入高功率的闲置等待状态，增加休眠时间来节约能量；同时有效的减少由于超时引发的数据包重传所带来的能量浪费。
AP如果在缓存中找不到HTTP请求的响应数据，则通知WiFi接入设备进入休眠状态以节约能量，并通过第二段TCP链接向Web服务器转发HTTP请求。同时WiFi接入设备和AP之间的HTTP请求一直保持活动，以便AP之后能顺利返回响应数据，避免重建链接的能量浪费。在AP从Web服务器中获得响应数据时，先通过流量控制算法，过滤掉无用的数据后再进行缓存和转发。
AP向休眠状态的WiFi接入设备批量返回过滤后并已存入AP缓存的所请求网页的响应数据。AP在发送响应数据给WiFi接入设备时，批量发送尽可能多的数据并且减少发送无用的数据。本实施例中，AP周期性地向休眠状态的WiFi接入设备批量返回响应数据。AP可以接收或转发WiFi接入设备的HTTP请求，通过控制ACK发送模式和缓存预取机制，重构响应数据的流量模式，形成周期性的批量数据，如图3，增加WiFi接入设备的休眠时间。同时，AP采用数据传输速率自适应技术，根据当前无线局域网信道情况，向WiFi接入设备返回响应数据，以避免丢包重传带来的能量浪费。
因此，流量过滤算法在原始响应数据中分离出无用数据，有效减少传输量降低WiFi接入设备的能量消耗。
本发明改进了IEEE 802.11协议的PSM休眠机制。标准PSM机制可能导致WiFi接入设备频繁唤醒和信道竞争，使WiFi接入设备长期处于高功率的闲置状态，浪费能量。本发明利用Web网络应用的数据流特性改进PSM休眠机制，使其更好的适应WiFi无线信道和网络流量的变化。根据传输数据量、QoS需求和设备数目等因素对PSM休眠机制进行调节，同时使用Split-TCP、数据预取缓存和流量模式重构等技术进一步提高WiFi接入设备能源效率。
在IEEE 802.11协议中，AP负责转发与WiFi接入设备往来的数据。当WiFi接入设备休眠时，AP需要缓存数据包，形成数据包和ACK的额外时延。严重的时延还会引起TCP发送端流量控制和拥塞控制的紊乱，最终降低数据的吞吐量。为了减少WiFi接入设备休眠带来的性能影响，本发明以AP为网络代理，采用Split-TCP技术，使WiFi接入设备既能获得期望的服务质量又能增加休眠时间以节约能量。
现有的Web预取和缓存的目标是缩短用户浏览网页的延迟，而没有考虑如何节省设备能耗。本发明AP缓存的数据通过缓存预取方法进行获取，缓存预取方法包括预取方法、缓存方法。对WiFi接入设备Web请求数据流以及Web服务器响应数据流进行分析建模，进而得到预取算法；同时建立效用函数，并在AP缓存存储受限的约束下，利用缓存替换和流量过滤以实现对能耗、时延和命中率等多指标优化。利用Web协议的特性来控制网络流量，减少无用对象传输，从而减少WiFi接入设备的能耗。
现有技术的Web预取方法大多是根据用户的访问历史来预测用户将会访问的Web对象。但是历史数据并不一定总能获得，如当系统刚开始运行的时候，并没有用户的历史信息。同时用户的访问习惯，对网站的兴趣也会发生改变。
本发明的预取方法为：模拟浏览器解析页面后，找出需要嵌入在该页面的其他Web对象并进行下载的行为。通过分析页面包含的Web对象来提高Web预取的效率。当浏览器解析了一个页面后，将会找出需要嵌入在该页面的其他Web对象并进行下载。本发明模拟浏览器的行为找出这些Web对象并进行预取。当AP的带宽受限的情况下，浏览器将对这些Web对象的渲染次序以及大小来设计最有效的预取算法。
缓存方法为：下载各种Web对象后，通过缓存算法确定哪些对象将会被放入AP的缓存，而哪些已在缓存的对象将被调出。现有技术的缓存方法主要考虑对象被使用的频率，失效时间，大小等因素，却没有考虑如何节省能耗和预取的代价。本发明的缓存方法综合考虑上述的所有因素，采用新的缓存算法。如果一个Web对象以及内嵌的Web对象都已存在，那么它们被调出的概率将会减少；如果一个Web对象的获取需要进行大量HTTP请求跳转，该对象的调出概率将会减少。在进行缓存的时候，页面中尚未解析的域名将转换成IP，并保留域名与IP的对应关系。这样也能减少WiFi接入设备进行DNS解析所需要的能量。之后，可把网页以及其内嵌的Web对象进行编码，用HTTP的Data URI Scheme的模式发给WiFi接入设备。好处是WiFi接入设备可以一次把所有的信息收到，从而避免多次发送HTTP请求。
此外，预设的流量控制规则设定了，对从WiFi接入设备发出的对广告信息的HTTP请求将被过滤，可以进一步减少能耗。
同时，本发明针对WiFi接入设备的特性和WLAN链路状态进行优化。如果WiFi接入设备的浏览器支持压缩模式，所有的信息在发送前将被压缩。如果浏览器只支持有限的显示率，就要对图像进行调整和压缩。如果Web对象包括多媒体视频，就要对预存的视频进行自适应的编码和压缩。当WiFi接入设备电量低或链路传输不稳定时，可以选择代价较小的编码和压缩技术。例如，H.263+低码率视频编码标准的能耗就明显低于MPEG-4和WindowsMedia。最新的H.264ScalableVideo Coding(SVC)技术还实现了视频质量的扩展，可产生不同帧速率、分辨率或质量等级的解码视频。因此，在满足视频质量和网络应用需求的情况下，能量优化机制将通过选择编码压缩算法，最小化无线便携设备的总能耗(包括用于解码和解压缩的计算能耗，以及数据传输能耗)。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，当WiFi接入设备发送一个HTTP请求给远程的Web服务器时，通过Split-TCP命令，将TCP链接分割成两段：第一段TCP链接连接WiFi接入设备和AP，第二段TCP链接连接AP和Web服务器；设置AP为代理服务器，WiFi接入设备以AP为代理服务器，对Web服务器进行请求；
AP通过第一段TCP链接接收HTTP请求并查看缓存，如果AP缓存有相应的响应数据，将响应数据返回WiFi接入设备；否则，通过第二段TCP链接将该HTTP请求发送到Web服务器；AP接收到Web服务器响应后，收集所请求网页的响应数据，并通过预设的流量控制规则进行过滤，然后存入AP缓存，并通过第一段TCP链接返回WiFi接入设备；
WiFi接入设备没有数据收发时，进入休眠状态；AP向休眠状态的WiFi接入设备批量返回过滤后并已存入AP缓存的所请求网页的响应数据。
2.根据权利要求1所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，AP周期性地向休眠状态的WiFi接入设备批量返回响应数据。
3.根据权利要求1所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，AP进行数据传输速率自适应，根据当前无线局域网信道情况，向WiFi接入设备返回响应数据。
4.根据权利要求1所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，如果AP缓存不存在HTTP请求的响应数据，则WiFi接入设备进入休眠状态，并通过第二段TCP链接向Web服务器转发HTTP请求；WiFi接入设备和AP之间的HTTP请求一直保持活动。
5.根据权利要求1所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，AP缓存的数据通过缓存预取方法进行获取，缓存预取方法包括预取方法、缓存方法；其中，预取方法为：模拟浏览器解析页面后，找出需要嵌入在该页面的其他Web对象并进行下载的行为。
6.根据权利要求5所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，在进行缓存的时候，页面中尚未解析的域名将转换成IP，并保留域名与IP的对应关系。
7.根据权利要求1所述的基于流量过滤和Web缓存预取的WiFi接入设备节能方法，其特征在于，预设的流量控制规则设定了，对从WiFi接入设备发出的对广告信息的HTTP请求将被过滤。
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