CN106850455B - 一种无线多链路带宽聚合的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线多链路带宽聚合的系统，属于无线数据通信领域。本发明包含无线传输终端及聚合服务器两个设备，依据各无线链路实时状态，对各链路权重值进行动态调整，有效保证数据的正常传输及承载业务的稳定性。不受运营商的类别、无线网络模式等限制，能够适应相同或不同带宽接口绑定，能够充分利用各链路的带宽资源。本发明能够通过绑定多条链路，合理调整各链路的发送速率，起到增大业务带宽、增强承载稳定性的效果。

Description

一种无线多链路带宽聚合的系统

技术领域

本发明属于无线数据通信领域，尤其涉及一种多无线链路绑定增加带宽，并提供增大带宽情况下上下行传输能力的系统。

背景技术

目前，通信覆盖了生产和生活各个方面，由于IP技术基于IP地址，并具有尽力转发机制，因此在大量通信如语音、视频等传输方面得到了越来越多的应用。相对于有线链路来说，无线链路有带宽受限，且有瞬时变化甚至断开的问题。给使用无线链路传输的业务产生了一定的困扰。为了拓展带宽，目前较常用的技术有策略路由及针对具体业务数据的多链路绑定技术。但是对于任意接入第三方业务，该业务所需带宽超出单一链路带宽，且需要同时进行上下行双向交互时，这两种方法均无法解决。比如，用户开通了两个独立无线链路A、无线链路B，链路A、B上下行均有1Mbps带宽。当某一业务的通信数据、通信端口等通信参数随时变化，且需要同时上下行1.5Mbps带宽时，由于无法同时使用两条链路，导致该业务所需带宽无法被满足。综上所述，现有技术无法解决多无线链路同时利用的问题，降低了多无线链路情况下带宽实际使用效率，无法充分利用带宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线多链路带宽聚合的系统。使用该系统可增大无线传输带宽，有效缓解单条无线链路的负荷压力，均衡各链路时延并实现IP数据包的可靠传输。

本发明通过以下技术方案来实现：一种无线多链路带宽聚合的系统，包括多条VPN链路、无线传输终端102及聚合服务器107，

无线传输终端102用于接收外部上行IP数据流，根据各VPN链路的实时状态数据分别计算出对应的负载均衡信息，并根据负载均衡信息将上行IP数据流分发到各VPN链路上；还用于通过各VPN链路接收目的地址转换后的各IP数据包，将接收到的各IP数据包进行排序后输出；所述VPN链路基于无线链路来创建，每条VPN链路设置有一个链路标识；

聚合服务器107通过各VPN链路接收上行IP数据流，对上行IP数据流中的各IP数据包进行排序并进行源地址转换后，将源地址转换后的IP数据包输出；还用于接收外部下行IP数据流，将下行IP数据流中的各IP数据包进行目的地址转换后输出至各VPN链路；所述上行IP数据流和下行IP数据流均包含多个IP数据包，各IP数据包均包含一个序列号。

其中，所述的无线链路终端102包括第一VPN池202、第一数据排序模块203、第一链路检测及负载均衡模块204、第一数据收发模块205和第一用户配置模块206，

第一数据收发模块205用于接收外部上行IP数据流，通过本地报文处理规则判断接收到的上行IP数据流是否符合转发条件，将符合转发条件的上行IP数据流输出至第一VPN池202；还用于将接收到的排序后且满足数据包序列号顺序的IP数据包输出；

第一链路检测及负载均衡模块204用于通过向聚合服务器107实时发送链路探测数据包并接收反馈信息来获取各VPN链路的实时状态，并根据各VPN链路的实时状态数据预估各VPN链路能够承载的带宽，得出各VPN链路的负载均衡信息，将各VPN链路的负载均衡信息发送至第一VPN池202；所述的实时状态包括链路往返时延和丢包率；

第一用户配置模块206用于接收外部用户配置信息，并将用户配置信息输出至第一VPN池202；

第一VPN池202用于基于无线链路与聚合服务器107建立多个VPN链路，通过将所有VPN链路组成第一VPN池把多个VPN链路进行捆绑；还用于根据各VPN链路的负载均衡信息和用户配置信息为上行IP数据流中的当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；还用于通过各VPN链路接收目的地址转换后的各IP数据包，将所有IP数据包输出至第一数据排序模块203；

第一数据排序模块203用于将所有IP数据包进行排序，判断排序后的IP数据包是否符合数据包序列号顺序，将符合数据包序列号顺序的IP数据包依次送入第一数据收发模块205；对不符合数据包序列号顺序的IP数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则送入第一数据收发模块205；如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号不满足数据包序列号顺序，则丢弃该IP数据包。

其中，所述的聚合服务器107包括第二VPN池302、第二数据排序模块303、第二链路检测及负载均衡模块304、地址转换模块305、第二数据收发模块306和第一用户配置模块307，

第二链路检测及负载均衡模块304用于通过向无线传输终端102实时发送链路探测数据包并接收反馈信息来获取各VPN链路的实时状态，并根据各VPN链路的实时状态数据预估各VPN链路能够承载的带宽，得出各VPN链路的负载均衡信息，将各VPN链路的负载均衡信息发送至第二VPN池302；所述的实时状态包括链路往返时延和丢包率；

第二用户配置模块306用于接收外部用户配置信息，并将用户配置信息输出至第二VPN池302；

第二VPN池302用于通过各VPN链路接收上行IP数据流，并输出至第二数据排序模块303；还用于根据各VPN链路的负载均衡信息和用户配置信息为下行IP数据流中的当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；

第二数据排序模块303用于将上行IP数据流的所有IP数据包进行排序，判断排序后的IP数据包是否符合数据包序列号顺序，将符合数据包序列号顺序的IP数据包依次送入地址转换模块305；对不符合数据包序列号顺序的IP数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则送入地址转换模块305；如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号不满足数据包序列号顺序，则丢弃该IP数据包；

地址转换模块305对接收到的所有IP数据包分别进行源地址转换后输出至第二数据收发模块306；还用于对接收到的下行IP数据流中各IP数据包进行目的地址转换，并将目的地址转换后的各IP数据包输出至第二VPN池302；

第二数据收发模块306用于接收源地址转换后的IP数据包并输出；还用于接收下行IP数据流，通过本地报文处理规则判断接收到的下行IP数据流是否符合转发条件，将符合转发条件的下行IP数据流输出至地址转换模块305。

其中，所述的第一VPN池202和第二VPN池302的结构相同，第一VPN池202包括多条VPN链路、调度模块404、链路信息存储模块405、用户配置存储模块406和接收总队列407，各VPN链路在无线传输终端102启动时建立；

链路信息存储模块405用于实时从第一链路检测及负载均衡模块204获取每条VPN链路的负载均衡信息，并保存最新的各VPN链路的负载均衡信息，将最新的各VPN链路的负载均衡信息输出至调度模块404；

用户配置存储模块406用于接收并保存外部用户配置信息，将用户配置信息输出至调度模块404；所述用户配置信息包括链路与IP五元组相关性、链路资费和链路优先级；

调度模块404用于根据负载均衡信息及用户配置信息为当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；

接收总队列407用于接收各VPN链路上的上行IP数据流并输出至第二数据排序模块203。

其中，所述的第一链路检测及负载均衡模块204和第二链路检测及负载均衡模块304的结构相同，第一链路检测及负载均衡模块204包括链路探测模块501、链路信息计算模块502及负载均衡信息计算模块503；

链路探测模块501用于实时发送链路探测数据包，获取各VPN链路实时状态，并将该实时状态输出至链路信息计算模块502；

链路信息计算模块502用于从链路探测模块501收取各VPN链路的实时状态，根据实时状态中的链路探测数据包长、链路往返时延、丢包率、链路系数计算各VPN链路的预估带宽，并将各VPN链路的预估带宽输出至负载均衡信息计算模块503；

负载均衡信息计算模块503用于从链路信息计算模块502收取各VPN链路的预估带宽，根据预设带宽阈值和当前VPN链路的预估带宽判断是否丢弃该条VPN链路；对于满足带宽阈值的VPN链路根据带宽大小计算负载均衡信息，并将负载均衡信息输出至第一VPN池202或第二VPN池302。

其中，所述的第一数据排序模块203和第二数据排序模块303的结构相同，第一数据排序模块203包括IP数据包缓存模块601、IP数据包调度与排序模块602及定时模块603；

IP数据包缓存模块601用于根据接收的各IP数据包的序列号确定当前IP数据包在缓存区的储存地址，并按照储存地址将该IP数据包存入；

IP数据包调度与排序模块602用于从IP数据包缓存模块601中获取IP数据包，当IP数据包符合数据包序列号顺序时，直接发送出去；当IP数据包不符合数据包序列号顺序时，向定时模块603设置等待时间，时超后，定时模块603会通知IP数据包调度与排序模块602，如果IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则直接发送出去，否则丢弃；

定时模块603用于向IP数据包调度与排序模块602提供定时服务。

其中，根据实时状态中的链路探测数据包长、链路往返时延、丢包率、链路系数计算各VPN链路的预估带宽，具体计算公式为：

其中，L为链路探测数据包长、RTT为链路往返时延、p为丢包率、μ为链路系数。

本发明所提供的系统，通过动态监测各无线链路情况，为IP数据包发送分配动态的无线链路。在增大带宽的同时，也解决了单链路故障导致业务中断的问题。如某条无线链路突发信号减弱甚至脱网，可及时把该链路的负载合理的均衡到其他可用链路，起到了对业务数据负载均衡的作用，也实现了多无线链路的带宽聚合。

附图说明

图1是本发明具体业务在无线传输终端与聚合服务器设备上进行数据传输的示意图。

图2是本发明无线传输终端的结构框图。

图3是本发明聚合服务器的结构框图。

图4是本发明VPN池的结构框图。

图5是本发明链路检测与负载均衡模块的结构框图。

图6是本发明数据排序模块的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

一种无线多链路带宽聚合的系统，如图1所示，为了同时满足上下行传输需要，包括：多条VPN链路、无线传输终端及聚合服务器。

无线传输终端包括：第一VPN池、第一数据排序模块、第一链路检测及负载均衡模块、第一数据收发模块(如图2所示)。其中第一VPN池包括：多条无线VPN(虚拟专用网络)链路、调度模块、接收总队列、链路信息存储模块和用户配置存储模块(如图4所示)。

第一链路检测及负载均衡模块，与聚合服务器实时发送链路探测数据包检测链路情况。用于动态监测各条无线链路信息，如往返时延，丢包率等信息，根据算法预估计带宽情况，由此得出各无线链路负载均衡信息。将该信息送入第一VPN池作为负载均衡的依据。

第一数据收发模块负责对内网提供服务，内网所有IP设备传输的上下行数据包由第一数据收发模块进行转发。

第一数据排序模块从第一VPN池收到下行数据包之后，对数据包进行排序，将符合数据包序列号顺序的数据包依次送入第一数据收发模块。对不符合序号的数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，序号满足条件，则送入第一数据收发模块；如果等待延迟时超后，序号不满足条件，则丢弃数据包。由具体的业务负责提供数据包重传。

第一VPN池中的多条无线VPN链路由无线传输终端启动时建立，每条无线VPN链路被分配一个固定的链路标识。每条无线链路承载一条无线VPN链路。VPN链路可以有效屏蔽通信网络中的地址转换设备，使数据包内容不被改变。链路信息存储模块实时从第一链路检测及负载均衡模块获取每条无线链路的信息，并保存最新的各无线链路负载均衡信息。用户配置存储模块保存用户的设置，如链路优先级、链路与IP五元组(源IP地址,源端口,目的IP地址,目的端口,和传输层协议)相关性等。调度模块根据链路信息及用户配置为当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路。

聚合服务器包括：第二VPN池、第二数据排序模块、第二链路检测及负载均衡模块、第二数据收发模块，地址转换模块(如图3所示)。其中第二VPN池包括：多条VPN链路、调度模块、链路信息存储模块和用户配置存储模块(如图4所示)。

第二链路检测及负载均衡模块，与无线传输终端实时发送链路探测数据包检测链路情况。用于动态监测各条无线链路信息，如时延，丢包率等信息，根据算法预估计带宽情况，由此得出各无线链路负载均衡信息。将该信息送入第二VPN池作为负载均衡的依据。

第二数据收发模块负责对内网提供服务，内网所有IP设备传输的上下行数据包由第二数据收发模块进行转发。

第二数据排序模块从第二VPN池收到下行数据包之后，对数据包进行排序，将符合数据包序列号顺序的数据包依次送入第二数据收发模块。对不符合序号的数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，序号满足条件，则送入第二数据收发模块；如果等待延迟时超后，序号不满足条件，则丢弃数据包。由具体的业务负责提供数据包重传。

第二VPN池中的多条VPN链路由无线传输终端启动时，在聚合服务器端建立，每条VPN链路被分配一个固定的链路标识。

地址转换模块对上行数据进行源地址转换，对下行数据进行目的地址转化。使业务服务器能够在不配置静态路由的情况下与业务客户端正常通信。

本发明的工作原理：

本发明实现了一种无线多链路带宽聚合的系统。无线传输终端同时使用中国移动的SIM卡、中国联通的SIM卡、中国电信的SIM卡，共三张SIM卡，通过三个运营商分别建立三条4G链路。此时无线传输终端具有四个独立IP：中国移动分配的100.122.102.201、中国联通分配的172.16.23.56、中国电信分配的10.125.3.14、内网192.168.3.1。聚合服务器布置在公网上，具有两个独立IP：公网61.182.253.92、内网192.168.100.1。

在无线传输终端启动初始化时，首先分别与中国移动基站103、中国联通基站104、中国电信基站105建立三条4G链路，之后基于100.122.102.201、172.16.23.56、10.125.3.14三个IP分别于与聚合服务器的公网(Internet 106)IP 61.182.253.92建立SSL VPN链路。此时在无线传输终端上虚拟出三条VPN链路，IP分别为10.10.10.2、10.10.10.4、10.10.10.6，并使用第一VPN池捆绑创建出的三条VPN链路。对应的，在聚合服务器上也虚拟出三条VPN链路，IP分别为10.10.10.3、10.10.10.5、10.10.10.7。并使用第二VPN池捆绑创建出的三条VPN链路。其中，10.10.10.2与10.10.10.3是一条VPN链路的两端IP地址；10.10.10.4与10.10.10.5是一条VPN链路的两端IP地址；10.10.10.6与10.10.10.7是一条VPN链路的两端IP地址。

业务客户端101(IP：192.168.3.100)与业务服务器108(IP：192.168.100.100)进行业务数据交互过程，上行数据传输过程如下：

业务客户端首先发送IP数据包至无线传输终端的内网IP(192.168.3.1)，符合第一数据收发模块判断规则后，由第一数据收发模块发送至第一VPN池。第一VPN池根据链路信息及用户配置信息，由调度模块分发IP数据包到不同的VPN链路上。聚合服务器通过VPN链路收到IP数据包，经过第二数据排序模块，保证了数据的有序性后，进入地址转换模块进行源地址转换。之后数据经过第二数据收发模块发送至业务服务器。

下行数据传输过程：

业务服务器(IP：192.168.100.100)发送IP数据包至聚合服务器的内网IP(192.168.100.1)，符合第二数据收发模块判断规则后，进入地址转换模块进行目的地址转换，由第二数据收发模块发送至第二VPN池。第二VPN池根据链路信息及用户配置信息，由调度模块分发IP数据包到不同的VPN链路上。无线传输终端通过VPN链路收到IP数据包，经过第一数据排序模块，保证了数据的有序性后，IP数据包经过第一数据收发模块发送至业务客户端(IP：192.168.3.1)。

Claims (1)

1.一种无线多链路带宽聚合的系统，包括多条VPN链路，其特征在于：还包括无线传输终端(102)及聚合服务器(107)，

无线传输终端(102)用于接收外部上行IP数据流，根据各VPN链路的实时状态数据分别计算出对应的负载均衡信息，并根据负载均衡信息将上行IP数据流分发到各VPN链路上；还用于通过各VPN链路接收目的地址转换后的各IP数据包，将接收到的各IP数据包进行排序后输出；所述VPN链路基于无线链路来创建，每条VPN链路设置有一个链路标识；

聚合服务器(107)通过各VPN链路接收上行IP数据流，对上行IP数据流中的各IP数据包进行排序并进行源地址转换后，将源地址转换后的IP数据包输出；还用于接收外部下行IP数据流，将下行IP数据流中的各IP数据包进行目的地址转换后输出至各VPN链路；所述上行IP数据流和下行IP数据流均包含多个IP数据包，各IP数据包均包含一个序列号；

所述的无线链路终端(102)包括第一VPN池(202)、第一数据排序模块(203)、第一链路检测及负载均衡模块(204)、第一数据收发模块(205)和第一用户配置模块(206)，

第一数据收发模块(205)用于接收外部上行IP数据流，通过本地报文处理规则判断接收到的上行IP数据流是否符合转发条件，将符合转发条件的上行IP数据流输出至第一VPN池(202)；还用于将接收到的排序后且满足数据包序列号顺序的IP数据包输出；

第一链路检测及负载均衡模块(204)用于通过向聚合服务器(107)实时发送链路探测数据包并接收反馈信息来获取各VPN链路的实时状态，并根据各VPN链路的实时状态数据预估各VPN链路能够承载的带宽，得出各VPN链路的负载均衡信息，将各VPN链路的负载均衡信息发送至第一VPN池(202)；所述的实时状态包括链路往返时延和丢包率；

第一用户配置模块(206)用于接收外部用户配置信息，并将用户配置信息输出至第一VPN池(202)；

第一VPN池(202)用于基于无线链路与聚合服务器(107)建立多个VPN链路，通过将所有VPN链路组成第一VPN池把多个VPN链路进行捆绑；还用于根据各VPN链路的负载均衡信息和用户配置信息为上行IP数据流中的当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；还用于通过各VPN链路接收目的地址转换后的各IP数据包，将所有IP数据包输出至第一数据排序模块(203)；

第一数据排序模块(203)用于将所有IP数据包进行排序，判断排序后的IP数据包是否符合数据包序列号顺序，将符合数据包序列号顺序的IP数据包依次送入第一数据收发模块(205)；对不符合数据包序列号顺序的IP数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则送入第一数据收发模块(205)；如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号不满足数据包序列号顺序，则丢弃该IP数据包；

所述的聚合服务器(107)包括第二VPN池(302)、第二数据排序模块(303)、第二链路检测及负载均衡模块(304)、地址转换模块(305)、第二数据收发模块(306)和第一用户配置模块(307)，

第二链路检测及负载均衡模块(304)用于通过向无线传输终端(102)实时发送链路探测数据包并接收反馈信息来获取各VPN链路的实时状态，并根据各VPN链路的实时状态数据预估各VPN链路能够承载的带宽，得出各VPN链路的负载均衡信息，将各VPN链路的负载均衡信息发送至第二VPN池(302)；所述的实时状态包括链路往返时延和丢包率；

第二用户配置模块(306)用于接收外部用户配置信息，并将用户配置信息输出至第二VPN池(302)；

第二VPN池(302)用于通过各VPN链路接收上行IP数据流，并输出至第二数据排序模块(303)；还用于根据各VPN链路的负载均衡信息和用户配置信息为下行IP数据流中的当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；

第二数据排序模块(303)用于将上行IP数据流的所有IP数据包进行排序，判断排序后的IP数据包是否符合数据包序列号顺序，将符合数据包序列号顺序的IP数据包依次送入地址转换模块(305)；对不符合数据包序列号顺序的IP数据包设置等待延迟，如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则送入地址转换模块(305)；如果等待延迟时超后，该IP数据包的序列号不满足数据包序列号顺序，则丢弃该IP数据包；

地址转换模块(305)对接收到的所有IP数据包分别进行源地址转换后输出至第二数据收发模块(306)；还用于对接收到的下行IP数据流中各IP数据包进行目的地址转换，并将目的地址转换后的各IP数据包输出至第二VPN池(302)；

第二数据收发模块(306)用于接收源地址转换后的IP数据包并输出；还用于接收下行IP数据流，通过本地报文处理规则判断接收到的下行IP数据流是否符合转发条件，将符合转发条件的下行IP数据流输出至地址转换模块(305)；

所述的第一VPN池(202)和第二VPN池(302)的结构相同，第一VPN池(202)包括多条VPN链路、调度模块(404)、链路信息存储模块(405)、用户配置存储模块(406)和接收总队列(407)，各VPN链路在无线传输终端(102)启动时建立；

链路信息存储模块(405)用于实时从第一链路检测及负载均衡模块(204)获取每条VPN链路的负载均衡信息，并保存最新的各VPN链路的负载均衡信息，将最新的各VPN链路的负载均衡信息输出至调度模块(404)；

用户配置存储模块(406)用于接收并保存外部用户配置信息，将用户配置信息输出至调度模块(404)；所述用户配置信息包括链路与IP五元组相关性、链路资费和链路优先级；

调度模块(404)用于根据负载均衡信息及用户配置信息为当前IP数据包计算出可用的链路标识，并将当前IP数据包发送至该链路标识对应的VPN链路上；

接收总队列(407)用于接收各VPN链路上的上行IP数据流并输出至第二数据排序模块(203)；

所述的第一链路检测及负载均衡模块(204)和第二链路检测及负载均衡模块(304)的结构相同，第一链路检测及负载均衡模块(204)包括链路探测模块(501)、链路信息计算模块(502)及负载均衡信息计算模块(503)；

链路探测模块(501)用于实时发送链路探测数据包，获取各VPN链路实时状态，并将该实时状态输出至链路信息计算模块(502)；

链路信息计算模块(502)用于从链路探测模块(501)收取各VPN链路的实时状态，根据实时状态中的链路探测数据包长、链路往返时延、丢包率、链路系数计算各VPN链路的预估带宽，并将各VPN链路的预估带宽输出至负载均衡信息计算模块(503)；

负载均衡信息计算模块(503)用于从链路信息计算模块(502)收取各VPN链路的预估带宽，根据预设带宽阈值和当前VPN链路的预估带宽判断是否丢弃该条VPN链路；对于满足带宽阈值的VPN链路根据带宽大小计算负载均衡信息，并将负载均衡信息输出至第一VPN池(202)或第二VPN池(302)；

所述的第一数据排序模块(203)和第二数据排序模块(303)的结构相同，第一数据排序模块(203)包括IP数据包缓存模块(601)、IP数据包调度与排序模块(602)及定时模块(603)；

IP数据包缓存模块(601)用于根据接收的各IP数据包的序列号确定当前IP数据包在缓存区的储存地址，并按照储存地址将该IP数据包存入；

IP数据包调度与排序模块(602)用于从IP数据包缓存模块(601)中获取IP数据包，当IP数据包符合数据包序列号顺序时，直接发送出去；当IP数据包不符合数据包序列号顺序时，向定时模块(603)设置等待时间，时超后，定时模块(603)会通知IP数据包调度与排序模块(602)，如果IP数据包的序列号满足数据包序列号顺序，则直接发送出去，否则丢弃；

定时模块(603)用于向IP数据包调度与排序模块(602)提供定时服务；

所述根据实时状态中的链路探测数据包长、链路往返时延、丢包率、链路系数计算各VPN链路的预估带宽，具体计算公式为：

其中，L为链路探测数据包长、RTT为链路往返时延、p为丢包率、μ为链路系数。

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