CN107231317A - 一种用于6LoWPAN与Internet互联网关的数据包混合调度策略 - Google Patents

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朱大鹏
于彦平
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Abstract

本发明涉及的调度策略在含有6LoWPAN和TCP/IP协议栈的网关中进行实现，具体操作在网络层部分。网关接收6LoWPAN节点发过来的数据包后，依次经过分类标记、流量监管、队列调度、流量整形模块。其中分类标记是根据数据包携带的信息的不同将同类数据包放在同一队列中；流量监管和流量整形分别用于控制数据包的流入和流出；队列调度在Linux内核中实现，其方法是利用权值和公平的思想，以权值动态更新和比例公平为基础，将这两种思想相结合并应用于互联网关中，同时考虑到无线网络数据包的突发性，需要对突发数据包进行判断。本发明设计的调度方法能对权值进行动态更改以更好的保证数据包调度的公平性。

Description

一种用于6LoWPAN与Internet互联网关的数据包混合调度策略
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种6LoWPAN与Internet互联网关中数据包调度的方法，包括分类标记、流量监管、队列调度、流量整形模块，让网络中的带宽资源得到合理公平的分配。
背景技术
无线传感器网络是一种多跳、自组织的分布式传感网络，随着无线网络的发展，其在人们的生产生活中扮演着越来越重的角色。但是传统的“尽力而为”的服务俨然不能满足用户的应用需求，特别是无线传感器网络往往是部署在环境恶劣的条件中，因此如何保证用户的服务质量已然是一个值得深研的重要的技术问题。服务质量(Quality of Service，QoS)正是这样一种保障网络服务稳定性和可靠性的机制。
QoS是指在网络带宽一定的前提下，网络管理者可以通过一定的技术策略和机制保证不同用户的服务需求。主要分为综合服务模型(Integrated ServiceIntServ)和区分服务模型(Differentiated Services DiffServ)。当网络带宽一定时，有些数据流可能占据很大的带宽，而有些数据流始终得不到带宽，这就给用户的网络服务造成了一定的影响，因此，就需要根据用户的不同需求对网络带宽进行合理的分配，达到网络资源的优化配置。
利用数据包混合调度策略可以让网络发生拥塞时对数据包进行合理的处理，实现的方法有很多，队列调度就是其中一种，队列调度是利用相应的算法使流入的数据包按照规则高效有序的流出。
数据包调度是数据包从N个队列中选择下一个要传输的分组，从而保证合理的带宽分布，队列调度主要是解决报文在网络传输过程中因阻塞而导致的传输延迟、抖动和丢包等现象。
在数据包调度中，公平性是其中很重要的一个性能参数，公平性是指每个数据包都有机会得到服务，而不是高优先级的数据包始终服务，而低优先级 的数据包始终得不到服务。
发明内容
本发明是基于数据包在6LoWPAN与Internet互联网关的混合调度策略而提出的，涉及分类标记、流量监管、队列调度、流量整形模块，以保证数据包经过网关时能得到带宽资源的有效分配。
本发明涉及的网关包括ARM920T核心处理器、3.3V外部I/O工作电压的电源管理模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网口以及以太网控制单元。
所述的网关中运行的Linux系统，包含bootloader引导程序、文件系统以及Linux内核。
所述的网关中包含两套协议栈，一个是6LoWPAN边缘路由协议栈，包括物理层、介质访问控制层、适配层、网络层和应用层，另一个是TCP/IP协议栈，包括物理层、链路层、网络层、传输层和应用层，所涉及的调度方法在网络层中实现。
实现的调度方法在Linux内核中，采用Netfilter架构进行实现，在Linux内核的Netfiler上进行调度处理钩子的注册与挂载，该模块程序在宿主机中通过交叉编译生成一个*.ko的内核模块。
整个调度策略包括分类标记、流量监管、队列调度、流量整形模块。
分类标记根据接收到的数据包类型进行分类并打上标记，对于不同的数据包，在队列调度时会得到不同的服务。
流量监管和流量整形分别控制数据包的流入和流出，采用令牌桶的实现方法，在Linux中实现流量的控制需要利用到TC(流量控制)，TC主要包括队列规则、过滤器、类。
队列调度采用权值动态更改和比例公平相结合的思想，权值动态更改通过设置阈值以及根据网络实时情况改变权值，比例公平采用比值的方式实现队列时延和丢失率的保证。
队列调度中数据流的突发性的判断通过设置计数器以及时间周期来进行操作，避免需要及时发送出去的数据包一直在队列中等待。
涉及的调度方法利用NS2仿真模拟器进行仿真，NS2是一个有C++和OTcl语言编写的、面向对象的、事件驱动的网络模拟器，可以实现数据包队 列调度的仿真。
本发明的优点为：(1)采用权值更改和比例公平，能根据网络情况调整带宽资源的分配，达到很好的公平性，能对不同类型的数据包实现调度，能保证数据包的时延和丢失率；(2)对突发数据流的判断，让实时性高的数据包优先进行处理发送；(3)所涉及的调度方法在6LoWPAN与Internet互联网关的Linux内核中进行实现，具有很好的可扩展性。
附图说明
图1网关硬件结构图
图2网关中数据流及数据包调度模块
图3 Linux内核中数据包调度处理流程图
图4数据包调度实现方法流程图
图5 NS2实现步骤图
具体实施方法
本发明涉及的6LoWPAN与Internet互联网关的数据包混合调度策略的具体实施如下。
如图2所示，IPv6节点的数据包经过网关后首先经由6LoWPAN协议栈，其次经过TCP/IP协议栈，其中的网络层的处理方式是先进行数据包的分类并标记，在进入队列时进行流量监管，再利用调度算法进行调度，最后通过流量整形将数据包输出到达PC上位机。
数据包分类的依据可以是目的IP地址、目的端口号、优先级的高低或者某些标志位等，流量监管和流量整形采用令牌桶算法，令牌桶的基本思想是：令牌以某种恒定的速率注入桶中，对每个到来的数据包分配一个令牌，同时令牌桶中的令牌的数量减一，只有携带有令牌的数据包才允许发送，这种令牌桶的方法可以很好的控制网络的流量。
如图3所示，数据包调度在网关的Linux内核中的工作机制是，当进入队列调度时，会对数据包进行排队操作，调用q-＞enqueue()方法把skb数据包压入队列中去，然后启动qdisc_run()提高吞吐能力，最后使用队列调度接口q-＞dequeue()输出数据包到底层发送接口。在Linux内核的TCP/IP协议栈中添加 了TC模块后，内核中发送数据包的流程是：
a.上层协议封装数据包，发送给下层接口；
b.内核读取当前设备所采取的策略对象，根据策略执行相关操作；
c.调用策略对象中的enqueue方法，压入数据包到队列中去；
d.调用策略对象中的dequeue方法，取出队列中的数据包；
e.调用底层网卡设备驱动程序，发送网络数据包。
如图4所示，初始化各队列，再进行队列长度的判断，决定采用队列延时还是队列丢失率的比例公平；之后设置队列阈值并进行实际阈值的判断，如果大于队列的最小阈值则进行权值更改，否则进行队列调度；完成队列的调度后，转到下一个队列；最后判断是否所有队列都处理完成，如果是则结束，否则转到开始位置重新处理。
在队列长度小于给定长度时，队列时延的分析，假设队列时延为D，队列长度为L，则L＝αD，其中α为参数系数；
对每个队列的时延按照比例公平有D1：D2：…：Dn＝d1：d2：…：dn；
也即L1：L2：…：Ln＝α1d1：α2d2：…：αndn；
又因为Dij＝Di(j-1)+αit-wi i＝1，2，3，…n，其中Dij队列i在第时间j内的时延，wi为队列i所分配的权值；
由此可得
将上式公式作变形可得：
因此可知，队列的时延与各队列的所分配的权值有关，也即，权值确定了，队列时延也就保证了。
在队列长度大于给定长度时，队列丢失率的分析，其方法与队列时延一样，也是与权值有关。
在队列的实际阈值大于队列最小阈值时，进行权值的更改，假设权值的变化量为Δw，其中αi为配置参数，real_vual、max_vual、min_vual分别为实际、最大、最小阈值；
对于需要高优先级发送的数据包可以通过设置配置参数αi来调节权值的变化量。
对于某些数据包是否是突发的，可以采用如下方法进行判断：
a.利用计数器Ci和计时器Ti分别表示数据包的个数和，计时器用来记 录队列中一个周期中i个数据包之间的间隔，其中Ti＝ti＝ti-1，ti表示第i个时刻；
b.用T＝Ti-T1示第n个周期和第1个周期时间间隔的差值；
c.对T进行判断，若T＜0则说明网络中有突发数据包的发生，否则就没有突发数据包。
如图5所示，NS2中实现调度算法的步骤为：
a.编写实现用户功能的文件，包括*.cc和*.h；将文件放在”queue”目录下；同时在Makefile文件中的”OBJ-CC”后面添加”queue/*.o”；
b.编写对应的tcl模块(*.tcl)，该文件可以放在”ns-2.35/tcl/lib/”目录下；如果需要进行初始化设定，则修改ns-default.tcl文件；
c.使用”make”命令进行重新编译，如果编译成功，会产生*.o的文件；
d.回到”ns-2.35/tcl/lib/”目录下，使用”ns*.tcl”命令对模块进行测试。
所述的方法包括算法的思路、NS2网络模拟器中仿真的步骤以及6LoWPAN与Internet互联网关中的实现方法，当然，本发明还有很多具体的实际操作，这里所述的实施方法只是大体思路。

Claims (9)

1.一种用于6LoWPAN与Internet互联网关的数据包混合调度策略。其特征在于，6LoWSN节点的数据包发送到网关后，包括，数据包进入网关时进行分类标记、数据包入队后对流量进行监管、实现数据包的队列调度机制、数据包出队时进行流量整形，所述模块均在网关的TCP/IP协议栈的网络层中进行操作。
2.如权利要求1所述的数据包混合调度策略。其特征在于，数据包的分类是根据数据包携带的信息的不同将同类数据包放在同一队列中，分类的依据可以是目的IP地址、目的端口号、优先级的高低或者某些标志位等。
3.如权利要求1所述的数据包混合调度策略。其特征在于，数据包的标记是根据IP数据包的首部DSCP字段标上相应的数值来区分不同的数据包。
4.如权利要求1所述的数据包混合调度策略。其特征在于，流量监管负责控制流入网关的数据包的流量；流量整形负责控制流出网关的数据包的流量。上述模块均采用令牌桶算法实现。
5.如权利要求4所述的令牌桶算法。其特征在于，利用桶中不断生成的令牌来对进入的数据包进行流量控制，这里的令牌是一种虚拟的数据，可以是某种标记或参数。
6.如权利要求1所述的数据包混合调度策略。其特征在于，数据包的队列调度机制将权值动态更改和比例公平相结合。
7.如权利要求6所述的权值动态更改。其特征在于，无线传感网络中的数据包的突变性较强，根据网络的实时情况，对队列中设置的权值进行适时适当地变更，以满足队列调度需要，使带宽资源得到合理的分配，实现数据包调度的公平性。
8.如权利要求7所述的数据包突发性。其特征在于，对于网络中一些突发性的数据包，利用对应的策略判断，对突发性的数据包就要采取紧急的措施优先进行发送。
9.如权利要求6所述的比例公平。其特征在于，利用比例算法来实现公平性，减少数据包的时延和丢失率。
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