CN106954240A - 智能移动端接口选择框架与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能移动端接口选择框架，包括：自适应规则模块、网络接口选择器以及网络流管理器，自适应规则模块对每个应用制定对应的性能指标；网络接口选择器为网络流量智能选择当前其最适合的网络接口；网络流管理器将网络流输送到由网络接口选择器指定的网络接口传输以及处理网络断连现象，在应用与真实网络接口层之间设置一个虚拟网络接口，上层应用的流量均连接到该虚拟网络接口上，上行流量通过该虚拟网络接口传输给上层应用。本发明可通过智能的选择网络接口减小网络信号波动对用户体验造成的影响，还能够高效地处理网络断连，减小网络断连对用户体验的影响。

Description

智能移动端接口选择框架与方法

技术领域

本发明属于移动端数据传输技术领域，涉及传输优化，特别涉及一种智能移动端接口选择框架与方法。

背景技术

近年来，随着WiFi与LTE移动蜂窝数据的网络传输速率的迅猛发展，诸如智能手机、平板电脑等移动终端设备的使用变得越来越广泛。移动终端设备利用WiFi和LTE移动蜂窝数据来接入互联网已经经历了一个长期的发展，两者的传输带宽以及低传输时延都得到了很大程度的改善。然而由于移动终端设备的固有属性就体现在它的移动上，所以仅仅是提供高带宽、低延时的网络是远远不够的。因为用户的移动就不可避免地会造成无线移动网络信号强度的变化以及网络断、重连现象的出现，这些现象统称为移动网络的不稳定性。所以如何合理有效的处理这些移动网络的不稳定性对于提高移动终端的用户体验是极为重要的。

相关测量数据表明30％以上的移动设备每天网络的断、重连次数达到了WiFi 25次，LTE 24次。10％以上的设备每天移动网络信号强度的变化超过10dBm以上的达到了WiFi6.8次，LTE 42次(10dBm是一个对用户体验影响很大的信号强度变化)。因此可见网络的不稳定性对移动设备的网络服务影响还是很大的。另外一方面，如果上层应用本身能够很好地处理这些网络的不稳定性对应用本身使用的影响。那么网络不稳定性对用户体验的影响就没那么明显了。然而，经过测量发现大部分当下流行的，包括Youtube、Dropbox在内的应用都不能够合理高效地处理这些网络异常现象。一个最主要的原因在于当下缺少一款能够处理这些包括信号强度变化、网络断连在内等网络异常的可编程API接口。使得应用开发者很难为应用做到网络异常的处理。例如，当下Android框架下最基础的网络API接口Socket和HttpConnection都不能自动的恢复网络异常。因此设计一套统一的解决方案来为应用高效地处理网络异常对上层应用造成的影响的价值不言而喻，这不仅能够统一地为上层应用处理好网络异常还能够让广大的应用开发者从繁杂的网络异常处理工作中解脱出来，专注于应用开发本身。对于这一套统一解决方案，应该做到协调好WiFi网络与LTE网络的使用，处理两者发生断连以及相互切换过程中发生的网络断连；另外在做网络接口选择时应该能很好地满足上层网络应用的QOE需求。

在此之前，有许多的工作试图来解决这个问题，其中有名为ATOM的框架试图在无线接入网络中添加一个网络接口选择服务(ISS)来实现移动终端上WiFi以及LTE网络接口的无缝切换实现对网络断连现象的处理；后来也有试图通过修改或扩展现有TCP/IP协议栈的方式来无缝的切换网络接口，最终实现对网络异常的处理。然而这些方案都需要在现有的网络框架或是在现有的网络基础设施之上做出较大的改变，实用性不强。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种智能移动端接口选择框架与方法，以Service形式运行于Android framework内部，能够依据应用的需求以及当前各个移动网络接口的状态智能选择网络接口，同时能够无缝处理网络异常。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

智能移动端接口选择框架，其特征在于，包括：

自适应规则模块，用于对每个应用制定对应的性能指标；

网络接口选择器，为网络流量智能选择当前其最适合的网络接口，其中设置有网络接口状态监控器，越过Android framework，从底层的系统内核中获取网络接口的信息，对于LTE，通过信号强度来计算其性能表现，对于WiFi，利用30秒为周期的吞吐率变化来表达其状态，将WiFi-LTE的表现分为三个状态，第一种，WiFi的性能比当前需求的网络性能好，则为应用网络流选择WiFi网络接口转发；第二种，LTE的性能比当前需要的网络性能好，但是WiFi比需求的网络性能差，则为应用网络流选择LTE网络接口转发；第三种，WiFi与LTE的性能都不能达到网络流需求的网络性能，则选择WiFi与LTE两者中状态更好的网络接口为应用网络流提供服务；

网络流管理器，用于将网络流输送到由网络接口选择器指定的网络接口传输以及处理网络断连现象，在应用与真实网络接口层之间设置一个虚拟网络接口，上层应用的流量均连接到该虚拟网络接口上，上行流量通过该虚拟网络接口传输给上层应用。

所述自适应规则模块向用户提供一个按照应用组织的用户自定义规则的UI界面，用户通过该UI界面为每个应用制定对应的性能指标，自适应规则的原则为：

1)能覆盖到不同种类应用的QOE需求；

2)能满足同一应用在不同工作状态下的不同QOE需求。

所述自适应规则模块在用户没有制定时，根据应用的类型给出一套适中的规则。

所述性能指标包括延时及吞吐量要求，自适应规则种类包括：

1)流量消耗敏感型规则，此类规则能够减少对移动数据的消耗，适合延时容忍型应用；

2)延时敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的延时需求，适用于延时敏感性应用；

3)吞吐量敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的吞吐量需求。

所述自适应规则还包括规则优先级、数据使用限制、前后台适用。

对于延时容忍型的应用网络流，网络接口选择器主要是将其最大程度上放到WiFi网络下完成网络交互以节省流量；当该延时容忍型的应用网络流还设定了延时容忍上限，则会在触发上限时，让用户选择是否从LTE网络接口传输；

对于延时敏感型应用以及吞吐量敏感性型应用，网络接口选择器的原则如下：

1)尽最大程度节省移动数据流量；

2)选择接口的过程不能够对应用流本身造成大的延时；

3)网络接口选择器不应该对网络接口短暂的网络状态不佳反应过于敏感，因为切换本身势必会造成连接的断连。

本发明所述网络接口状态监控器可基于Netlink设计。

当发生网络异常时，网络流管理器通过快速重传机制尝试重新连接网络服务器，如果几次尝试均失败，则保留当前流的状态，进入阻塞，等到网络恢复后再恢复流传输；而网络断连而切换网络接口重传的机制，则利用HTTP协议包头之中的Range字段实现断点续传无缝衔接。

基于所述智能移动端接口选择框架的选择方法，包括如下步骤：

步骤(1)，用户基于自定义规则模块为应用设定自适应规则；

步骤(2)，获取底层网络接口的IP地址，利用ip rule命令设定本地路由表；

步骤(3)，利用Android framework的VpnService启动后台Service，建立Vpn虚拟网络接口，上层应用网络流的IP层数据包都将以字节流的形式输入到Vpn虚拟网络接口上；

步骤(4)，启动Vpn虚拟网络接口与真实网络接口之间的Selector线程池机制，分别处理上行以及下行的IP数据包；

步骤(5)，网络流管理器根据网络接口选择器的结果，首先维持一张流状态表，记录流的传输状态，至少包括流五元组信息以及流中目前的数据包序号；

步骤(6)，网络接口选择器根据网络接口状态监控器利用底层内核网络接口数据监测到的网络状态信息，以及上层流量的自适应规则，将解析出的下行数据包的数据部分选择合适的网络接口建立Socket套接字发送数据；

步骤(7)，接收到上行数据流量时，按照IP数据报格式构造IP数据包，将上行流量数据放入到构造的IP数据包的数据部分，修改数据包的源IP地址，修改为Vpn虚拟网络接口地址，再通过Vpn虚拟网络接口将流量传输给上层应用。

所述步骤(4)中，对于下行数据包，将从Vpn虚拟网络接口收到的字节流按照IP数据报格式解析；对于上行的数据包，将真实网络套接字中的字节流取出，作为数据部分部分组装成IP数据包，从Vpn虚拟网络接口上传给上层处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)、通过智能的选择网络接口减小网络信号波动对用户体验造成的影响。

(2)、能够高效地处理网络断连，减小网络断连对用户体验的影响。

附图说明

图1是智能移动端接口选择框架示意图。

图2是网络接口选择器在不同网络状态下的选择转换图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明智能移动端接口选择框架，主要由自适应规则模块、网络接口选择器、网络流管理器三部分组成。

第一部分，自适应规则模块。

自适应规则模块向用户提供了一个按照应用组织的用户自定义规则的UI界面。用户能够通过这个UI界面为每个应用制定对应的性能指标(包括延时、吞吐量要求等)。自适应规则的具体设计原则为：

1)自适应规则应该能覆盖到不同种类应用的QOE需求，例如是延时敏感性还是延时容忍型；

2)自适应规则应该能满足同一应用在不同工作状态下的不同QOE需求；

3)自适应规则应该简单、易设定。

另外，这种自适应规则在用户没有特殊制定时，智能选择框架也能根据应用的类型给出一套适中的规则，无需担心没设定的应用没有自适应规则的问题。

自适应规则种类包括：

1)流量消耗敏感型规则，此类规则能够减少对移动数据的消耗，适合延时容忍型应用，例如后台上传、下载、同步等应用；

2)延时敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的延时需求，适用于延时敏感性应用，例如实时语音、浏览器等应用；

3)吞吐量敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的吞吐量需求，例如实时直播、视频等应用。

另外除了以上三种主要种类之外，自适应规则还会包括一些常规设定，例如规则优先级，数据使用限制、前后台适用等设定。

第二部分，网络接口选择器。

网络接口选择器是为网络流量智能选择当前其最适合网络接口传输的模块。对于延时容忍型的应用网络流，网络接口选择器主要是将其最大程度上的放到WiFi网络下完成网络交互以节省流量。当然如果该延时容忍型的应用网络流还设定了延时容忍上限，则会在触发上限时，让用户选择是否从LTE网络接口传输。本质上，网络接口选择器还是为延时敏感性流量以及吞吐量敏感性型应用设计的。其设计原则如下：

1)尽最大程度节省移动数据流量；

2)选择接口的过程不能够对应用流本身造成大的延时；

3)网络接口选择器不应该对网络接口短暂的网络状态不佳反应过于敏感，因为切换本身势必会造成连接的断连。

为了能够达到以上原则，本发明将WiFi-LTE的表现分为了三个状态。如图2所示，第一种WiFi的性能比当前需求的网络性能好，此时为应用网络流选择WiFi网络接口转发。第二种LTE的性能比当前需要的网络性能好，但是WiFi比需求的网络性能差，此时为应用网络流选择LTE网络接口转发。第三种WiFi与LTE的性能都不能达到网络流需求的网络性能，此时选择WiFi与LTE两者中状态更好的网络接口为应用网络流提供服务。

对于网络接口选择器来，还有关键的一部分就是如何去评判网络接口状态的好坏，为此网络接口选择器当中还设定了一个监测网络接口状态的模块。通常情况下，利用Android本身的库来获取网络接口信息通常需要会有很高的延时。因此本发明网络接口状态监测模块中利用Netlink设计了一个本地化的接口监听器，越过Android framework从底层的系统内核中获取网络接口的信息，通过信号强度来计算移动数据网络的性能表现。对于WiFi，则更多的是利用30秒为周期的吞吐率变化作为评判WiFi状态的标准。因为WiFi更多的是容易出现多个用户之间带宽竞争引起的网络拥塞现象。

第三部分，网络流管理器。

设计网络流管理器的目的在于最后将网络流输送到由网络接口选择器指定的网络接口传输以及处理网络断连等异常现象。通常用传统网络API开发的应用在底层网络发生网络异常时，会向上层应用抛出特定网络异常信息，让应用自身处理这些网络异常，然而许多应用都没有相应的机制来处理网络异常。所以在本发明网络流管理器中是通过在应用与真实网络接口层之间实现一个虚拟网络接口的方式实现应用透明化网络异常恢复的。上层应用的流量都会连接到该虚拟网络接口上，而下层真实网络接口发生网络断连现象时应用并不会感知到，因为异常恢复已经在虚拟网络接口之下就已经得到了恢复。对于上行流量，再通过这个虚拟网络接口将流量传输给上层应用即可。

在网络异常恢复上，在发生网络异常时，网络流管理器通过快速重传机制尝试重新连接网络服务器。如果经过几次尝试之后都失败的话，则保留当前流的状态，进入阻塞。等到网络恢复后再恢复流传输。另外对于网络断连而切换网络接口重传的机制上，鉴于相关研究表明，移动终端上90％以上流量都是HTTP流量。所以本发明利用了HTTP协议包头之中的Range字段实现断点续传无缝衔接。

框架的基本工作流程步骤如下：

步骤(1)由用户通过自定义规则的UI界面为应用设定自适应规则。

步骤(2)选择框架后台服务会自动获取底层网络接口的IP地址，利用ip rule命令设定本地路由表。

步骤(3)利用Android framework的VpnService启动后台Service，建立Vpn虚拟网络接口。上层应用网络流的IP层数据包都将以字节流的形式输入到Vpn虚拟网络接口上。

步骤(4)启动虚拟网络接口与真实网络接口之间的Selector线程池机制，分别处理上行以及下行的IP数据包。上层的应用要发送网络请求时，它要发送到网络上的下行数据包，将首先发送到当前利用VpnService建立的虚拟网络接口上，对于从VpnService虚拟网络接口收到的字节流，后台框架服务将按照IP数据报格式进行解析。然后将解析后得到的真实数据。

步骤(5)网络流管理器对于从虚拟网络接口接收的真实数据字节流，会为该新数据流维持一张流状态表，记录流的传输状态，包括流五元组信息以及流中目前的数据包序号等等。

步骤(6)网络接口选择器会利用底层内核网络接口数据监测到的网络状态信息，以及上层流量的自适应规则等参数利用智能选择算法，将解析出的下行数据包的数据部分选择合适的网络接口建立Socket套接字将数据请求发送到网络上去。

步骤(7)对于从网络接口接收到上行数据流量时，按照IP数据报格式构造IP数据包，将上行流量数据放入到构造的IP数据包的数据部分。修改数据包的源IP地址，改成虚拟网口地址，再通过VpnService虚拟网络接口将流量传输给上层应用。

步骤(8)当网络接口选择器工作起来后，用户网络应用的数据请求将智能地选择是在3G和WiFi网络接口上传输，从而用户访问网络速率将加快。

综上所述，本智能移动端选择框架设计了一套根据上层应用流量的自适应规则以及当前网络接口状态为上层应用流量智能选网络接口，处理网络异常的移动端网络传输框架。通过该框架，改善了现有的许多网络不稳定的现象，提高了用户体验。

Claims (10)

1.智能移动端接口选择框架，其特征在于，包括：

自适应规则模块，用于对每个应用制定对应的性能指标；

网络接口选择器，为网络流量智能选择当前其最适合的网络接口，其中设置有网络接口状态监控器，越过Android framework，从底层的系统内核中获取网络接口的信息，对于LTE，通过信号强度来计算其性能表现，对于WiFi，利用30秒为周期的吞吐率变化来表达其状态，将WiFi-LTE的表现分为三个状态，第一种，WiFi的性能比当前需求的网络性能好，则为应用网络流选择WiFi网络接口转发；第二种，LTE的性能比当前需要的网络性能好，但是WiFi比需求的网络性能差，则为应用网络流选择LTE网络接口转发；第三种，WiFi与LTE的性能都不能达到网络流需求的网络性能，则选择WiFi与LTE两者中状态更好的网络接口为应用网络流提供服务；

网络流管理器，用于将网络流输送到由网络接口选择器指定的网络接口传输以及处理网络断连现象，在应用与真实网络接口层之间设置一个虚拟网络接口，上层应用的流量均连接到该虚拟网络接口上，上行流量通过该虚拟网络接口传输给上层应用。

2.根据权利要求1所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，所述自适应规则模块向用户提供一个按照应用组织的用户自定义规则的UI界面，用户通过该UI界面为每个应用制定对应的性能指标，自适应规则的原则为：

1)能覆盖到不同种类应用的QOE需求；

2)能满足同一应用在不同工作状态下的不同QOE需求。

3.根据权利要求1所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，所述自适应规则模块在用户没有制定时，根据应用的类型给出一套适中的规则。

4.根据权利要求1所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，所述性能指标包括延时及吞吐量要求，自适应规则种类包括：

1)流量消耗敏感型规则，此类规则能够减少对移动数据的消耗，适合延时容忍型应用；

2)延时敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的延时需求，适用于延时敏感性应用；

3)吞吐量敏感型规则，此类规则能够尽最大力度保证应用的吞吐量需求。

5.根据权利要求4所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，所述自适应规则还包括规则优先级、数据使用限制、前后台适用。

6.根据权利要求4所述智能移动端接口选择框架，其特征在于：

对于延时容忍型的应用网络流，网络接口选择器主要是将其最大程度上放到WiFi网络下完成网络交互以节省流量；当该延时容忍型的应用网络流还设定了延时容忍上限，则会在触发上限时，让用户选择是否从LTE网络接口传输；

对于延时敏感型应用以及吞吐量敏感性型应用，网络接口选择器的原则如下：

1)尽最大程度节省移动数据流量；

2)选择接口的过程不能够对应用流本身造成大的延时；

3)网络接口选择器不应该对网络接口短暂的网络状态不佳反应过于敏感，因为切换本身势必会造成连接的断连。

7.根据权利要求1所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，所述网络接口状态监控器基于Netlink设计。

8.根据权利要求1所述智能移动端接口选择框架，其特征在于，当发生网络异常时，网络流管理器通过快速重传机制尝试重新连接网络服务器，如果几次尝试均失败，则保留当前流的状态，进入阻塞，等到网络恢复后再恢复流传输；而网络断连而切换网络接口重传的机制，则利用HTTP协议包头之中的Range字段实现断点续传无缝衔接。

9.基于权利要求1所述智能移动端接口选择框架的选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，用户基于自定义规则模块为应用设定自适应规则；

步骤(2)，获取底层网络接口的IP地址，利用ip rule命令设定本地路由表；

步骤(3)，利用Android framework的VpnService启动后台Service，建立Vpn虚拟网络接口，上层应用网络流的IP层数据包都将以字节流的形式输入到Vpn虚拟网络接口上；

步骤(4)，启动Vpn虚拟网络接口与真实网络接口之间的Selector线程池机制，分别处理上行以及下行的IP数据包；

步骤(5)，网络流管理器根据网络接口选择器的结果，首先维持一张流状态表，记录流的传输状态，至少包括流五元组信息以及流中目前的数据包序号；

步骤(6)，网络接口选择器根据网络接口状态监控器利用底层内核网络接口数据监测到的网络状态信息，以及上层流量的自适应规则，将解析出的下行数据包的数据部分选择合适的网络接口建立Socket套接字发送数据；

步骤(7)，接收到上行数据流量时，按照IP数据报格式构造IP数据包，将上行流量数据放入到构造的IP数据包的数据部分，修改数据包的源IP地址，修改为Vpn虚拟网络接口地址，再通过Vpn虚拟网络接口将流量传输给上层应用。

10.根据权利要求9所述智能移动端接口选择框架的选择方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对于下行数据包，将从Vpn虚拟网络接口收到的字节流按照IP数据报格式解析；对于上行的数据包，将真实网络套接字中的字节流取出，作为数据部分部分组装成IP数据包，从Vpn虚拟网络接口上传给上层处理。