CN111884946A - 多种无线接入系统中的数据分流传输方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于工业物联网领域，提供了一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法、装置、计算机设备及存储介质，所述数据分流传输方法包括：判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。本发明实施例提供的数据分流传输方法能够合理的利用令牌桶算法来实现对传输数据的分配，使数据在多个无线接入链路分流传输，有效地保证了多种无线接入系统中网络性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于工业物联网领域，尤其涉及一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
随着工业设备逐渐向智能化、网络化的方向发展，制造企业对于工业物联网的需求越来越大。与此同时，广泛部署的各种智能节点，以及各种多媒体传感器的使用，对于工业物联网的覆盖能力、吞吐率以及传输稳定性提出了更高的要求。
现有技术通过将多种无线传输链路配合使用，即使用多种无线接入技术(MultiRadio Access Technology，Multi-RAT)，理论上能够得到一种既具有高吞吐率，又具有高稳定性的网络，适合应用于工业物联场景中。然而在实际应用过程中，多种无线接入系统中的客户端在利用不同的无线传输链路完成数据的传输工作中对无线传输链路的带宽利用率不佳，容易在低吞吐率的链路上发生堵塞而高吞吐率的链路相对空闲，影响了系统的网络性能。
可见，现有的多种无线接入系统中网络性能较差，无法满足工业上高吞吐率以及高可靠性的要求。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法，旨在解决现有的多种无线接入系统中，数据分流传输方法还存在的无法保证网络的性能的技术问题。
本发明实施例是这样实现的，一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法，包括：
判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
本发明实施例的另一目的在于提供一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置，包括：
字节数与令牌数判断模块，用于判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
第一无线接入链路传输模块，用于当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
第二无线接入链路传输模块，用于当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
本发明实施例的另一目的在于提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述所述多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤。
本发明实施例的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述所述多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤。
本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法，借鉴于令牌桶算法实现数据传输的分流，通过基于预设的令牌数更新规则更新令牌桶中的令牌数，并在传输数据包时，判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，然后扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包，本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法能够合理的利用令牌桶算法来实现对传输数据的分配，使数据在多个无线接入链路分流传输，有效地保证了多种无线接入系统中网络性能的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的数据分流传输方法的应用环境图；
图2为本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例提供的一种更新令牌数的步骤流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种更新令牌数的步骤流程图；
图5为本发明实施例提供的一种对传输数据进行压缩的数据包头部压缩算法的步骤流程图；
图6为本发明实施例提供的另一种对传输数据进行压缩的数据包头部压缩算法的步骤流程图；
图7为本发明实施例提供的一种数据包解压缩算法的步骤流程图；
图8为本发明实施例提供的一种重排序算法的步骤流程图；
图9为本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种执行数据分流传输方法的计算机装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在常用的Multi-RAT系统中，基于IEEE 802.11(即Wi-Fi技术) 的无线网络具有吞吐率高的特点，但其稳定性较差，而长期演进(Long Term Evolution，LTE)无线通信技术是应用于蜂窝移动通信网络中的一种无线通信技术，虽然吞吐率比较低，但它非常稳定，丢包率很低。通过将Wi-Fi和LTE两种链路配合使用，得到的多种无线接入系统则既具有高吞吐率，又具有高稳定性的网络，适合应用于工业物联场景中，本发明也将以Wi-Fi和LTE两种链路组合而成的 Multi-RAT系统为例，通过对该Multi-RAT系统进行分析，针对于数据平面，提出了一种数据分流传输算法，使得客户端能够同时利用多种无线接入链路进行通信，并充分利用多种无线接入链路的优点，尽量提高网络的性能。而除此之外，本发明还一并设计了数据平面的数据包的结构和发送接收处理流程，还额外提出了数据包头部压缩算法、解压缩算法和重排序算法，上述算法与数据分流传输算法一并构成了该Multi-RAT系统的数据平面，将在后文一一说明。
图1为本发明实施例提供的数据分流传输方法的应用环境图，具体也可以等同理解该Multi-RAT系统的数据平面的结构示意图。在该应用环境中，包括多个通信客户端110、通信服务端120、LTE基站 130以及多个WIFI接入点140。详述如下。
在本发明实施例中，所述通信客户端110可以理解为工业物联设备，事实上，一般是将与嵌入式工业物联设备通过以太网连接的低功耗工控机作为通信客户端，具体的，该低功耗工控机上带有WIFI与 LTE通信模块，并且部署有Multi-RAT系统通信客户端。此外，也可以直接将嵌入式工业物联设备的功能直接放到工控机上，以使具有封闭协议的专用嵌入式工业物联设备也可以使用本Multi-RAT系统。此时，当工控机上运行Multi-RAT系统的客户端软件时，工控机执行通信客户端的功能，并通过LTE链路和Wi-Fi链路分别连接到LTE微基站130和Wi-Fi接入点140。
在本发明实施例中，LTE微基站120则可以使用室分天线(即一根馈线串联多个天线)来扩大覆盖范围，从而实现整个厂区的覆盖。 Wi-Fi接入点140通常有多个(图中未示出)，以扩大覆盖范围，从而实现对整个厂区的覆盖，此时客户端110可通过合理的辅助接入机制来连接到最合适的Wi-Fi接入点。
在本发明实施例中，所述通信服务端120即Multi-RAT服务端通常是以软件的形式部署在LTE网关上，在LTE网关上实现Wi-Fi和 LTE数据流的聚合，简单的，可以将LTE网关理解为通信服务端120。具体的，LTE微基站130通过S1-U接口连接到通信服务端120，而 Wi-Fi接入点140是通过以太网交换机连接到通信服务端120。
在本发明实施例中，进一步的，通信服务端120还可进一步通过以太网交换机150与工控服务器160和外网Internet 170相连，当然此部分属于Multi-RAT系统的外网部分，与本发明的发明点不相关，本发明对此部分不作具体的论述。
在本发明实施例中，可以看出，在Multi-RAT系统中的数据平面中包含一个通信服务器端120和多个通信客户端110，通信客户端110 只与通信服务器端120进行通信，通信客户端110之间的通信流量将通过通信服务器端120进行转发。
在本发明实施例中，在具体的通信过程中，将不再描述通信客户端110和通信服务器端120，而是以数据发送端和数据接收端来表示，并且事实上，在一次通信过程中，通信客户端110可能是数据发送端，也可能是数据接收端，通信服务器端120可能是数据接收端，也可能是数据发送端。因此，本发明提供的数据分流传输方法可以等同理解为一种Multi-RAT系统中的通信协议。
在本发明实施例中，由于Multi-RAT系统需要将数据流分配到 Wi-Fi和LTE两条链路上进行传输，因此需要设计一个数据分流传输算法，在数据发送端合理分配通过两条链路传输的数据流量以提高网络性能，具体的，本发明提供的数据分流传输算法可以参阅后续图 2～图4及其解释说明。进一步的，由于两条链路的延迟不同，到达接收端的数据包会出现乱序的情况，这可能会导致某些应用程序出现错误，或者引起TCP性能降低，因此在数据接收端需要设计重排序算法以使数据包按序提交，本发明也具体提供了一种重排序算法，具体的重排序的算法实现过程可以参阅后续图8及其解释说明的内容。
在本发明实施例中，本发明提出的Multi-RAT系统采用UDP封装的方式传递用户的负载，将会带来额外的开销，此外，数据平面传递的数据包也含有一些冗余的头部字段。本发明通过进一步在数据发送端提出一种数据包头部压缩算法，具体的，通过在发送过程之前删除冗余的头部字段，或以较短的头部字段替换较长的头部字段，可以减少使用UDP封装带来的开销，具体的数据包头部压缩算法的实现过程可以参阅后续图5～图6及其解释说明。进一步的，需要在数据接收端设计与上述数据包头部压缩算法对应的解压缩算法，逆向处理，从而恢复被删除或替换的头部，具体的解压缩算法的实现过程可以参阅后续图7及其解释说明的内容。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤流程图，该数据分流传输方法应用于 Multi-RAT系统在数据传输过程中的数据发送端(可以是通信客户端 110也可以是通信服务端120)上，具体包括以下步骤：
步骤S202，判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数。当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，执行步骤S204；当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，执行步骤S206。
在本发明实施例中，数据分流传输方法借鉴了令牌桶的算法，具体的，系统会以一个恒定的速度往桶里放入令牌，而如果请求需要被处理，则需要先从桶里获取一个令牌，当桶里没有令牌可取时，则拒绝服务。
在本发明实施例中，所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的，其中具体的更新规则可以参阅下述图3及其解释说明。
在本发明实施例中，所述令牌桶内的令牌数一方面会随着时间的积累的逐步增加，另一方面又会随着使用第一无线接入链路传输待传输数据包而扣减，因此令牌数会不断更新，并且随着第一无线接入链路传输量的增多令牌数的数量会降低，因此在每次发送数据时，都需要判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数，以此来判断该使用哪种无线接入链路传输数据。
步骤S204，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数。
在本发明实施例中，由于本发明提供的Multi-RAT系统采用的是 LTE链路与WIFI链路组合的Multi-RAT系统，因此，此处提到的第一无线接入链路是指LTE链路(即长期演进无线通信链路)。
在本发明实施例中，由于每次使用LTE链路都会扣减与待传输数据包的字节数相关的令牌数，通常情况下是扣减等同于待传输数据包的字节数的令牌数，因此，使用令牌桶算法作为数据分流传输方法可以有效地限制数据在LTE链路上发送的速率，这是由于LTE链路带宽是宝贵的共享资源，具体可以见后续说明。
步骤S206，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
在本发明实施例中，所述第二无线接入链路为Wi-Fi链路，在令牌桶内的令牌数小于待传输数据包的字节数时，此部分数据将会采用 Wi-Fi链路输送，如果要发送的数据包过多，导致Wi-Fi链路的发送缓冲区溢出，这部分数据包就会被丢弃掉，直至桶中又有令牌时，新到达的数据包就又可以通过LTE链路发送。
在本发明实施例中，由于LTE链路上的传输是由基站统一进行调度的，具有非常可靠的优点，并且时延比较稳定，通信距离远，发射功率大。但由于LTE需要满足长距离通信的需求，信噪比往往较低，因此只能使用较低阶的编码和调制方式(例如16QAM)，吞吐率较低，只有约30Mbps。而Wi-Fi使用CSMA/CA机制，节点需要争用信道才能发送数据，容易发生碰撞，延迟没有保障，并且链路的可靠性偏低，但Wi-Fi链路一般用于近距离通信的场景，信噪比很高，可以使用高阶的编码和调制方式(例如256QAM)，因此吞吐率非常高。当使用802.11ac标准，使用80MHz带宽和2X2 MIMO时，实际的吞吐率可以达到300Mbps，还可以通过使用更多的天线数(例如使用4X4 MIMO)、使用更大的带宽(例如使用160MHz)、或者使用更新的Wi-Fi标准(例如使用802.11ax)来进一步提高吞吐率。
在本发明实施例中，通过对上述链路的分析可知，LTE链路带宽是宝贵的共享资源，稳定性好，通常用于传输相对较为重要的信息，例如控制信息。因此，如果某个客户端在LTE链路上使用过高的发送速率，将会导致LTE链路拥塞，影响控制消息的传输，还会影响其他客户端使用分流功能。本发明借鉴令牌桶的思想，限制了客户端在LTE链路上的发送速率，有效地保证了LTE链路的畅通，使得控制信息或其他重要信息能够稳定传输，提高了网络的稳定性，同时辅以吞吐量较高的WIFI链路，传输剩余信息。
本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法，借鉴于令牌桶算法实现数据传输的分流，通过基于预设的令牌数更新规则更新令牌桶中的令牌数，并在传输数据包时，判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，然后扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包，本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法能够合理的利用令牌桶算法来实现对传输数据的分配，使数据在多个无线接入链路分流传输，有效地保证了多种无线接入系统中网络性能的稳定性。
如图3所示，为本发明实施例提供的一种更新令牌数的步骤流程图，具体包括以下步骤：
步骤S302，记录当前时间并根据所述当前时间与上次记录时间的差值以及预设的第一无线接入链路的允许传输速率确定令牌的添加量。
在本发明实施例中，在每次更新令牌数时都会记录当前时间，并且计算当前时间与上次记录时间的差值，也就是经过的时间，利用经过时间和预设的LTE链路的允许传输速率参数来确定在经过时间内需要向令牌桶内添加的令牌数，由于，令牌的消耗量也就是使用LTE 链路传输的数据量会始终小于令牌的添加量，而令牌的添加量与经过的时间和LTE链路的允许传输速率的相关，因此，使用LTE链路传输的数据量将始终小于LTE链路的允许传输速率，从而限制了数据发送端过多使用LTE链路发送数据。
步骤S204，向令牌桶添加与所述添加量相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数。
在本发明实施例中，需要说明的一点是，更新令牌桶内的令牌数与发送数据为相对独立的过程，一方面，令牌数更新规则会不断随着时间向令牌桶加入令牌数，而数据在传输的过程会不断消耗令牌桶内的令牌，因此，令牌桶内的令牌会不断变化，从而在每次数据包需要发送时，可以根据待传输数据包的字节数和当前令牌桶内的令牌数来确定待传输数据包的发送方式。
如图4所示，为本发明实施例提供的另一种更新令牌数的步骤流程图，详述如下。
在本发明实施例中，与图3所示出的一种更新令牌数的步骤流程图的区别在于，在所述步骤S304之后，还包括：
步骤S402，判断更新之后的令牌桶内的令牌数是否大于预设的允许最大令牌数。当判断更新之后的令牌桶内的令牌数大于预设的允许最大令牌数时，执行步骤S404；当判断更新之后的令牌桶内的令牌数不大于预设的允许最大令牌数时，执行其他步骤。
在本发明实施例中，通过预设允许的最大令牌数，也就是令牌桶的容量，当桶容量已满时，则系统会停止向其中放入令牌。同时允许的最大令牌数也可以理解为通过LTE链路一次允许发送的最大字节数
步骤S404，将更新之后的令牌桶内的令牌数更新为允许最大令牌数。
在本发明实施例中，由于桶容量已满，系统会停止向其中放入令牌，也就是在判断更新之后的令牌桶内的令牌数大于预设的允许最大令牌数时，需要将更新之后的令牌桶内的令牌数更新为允许最大令牌数。
本发明实施例提供的另一种更新令牌数的步骤流程图，通过预设允许的最大令牌数，限定了桶容量，在桶容量已满时，系统会停止向其中放入令牌，同时限定了通过LTE链路一次允许发送的最大字节数。
在本发明实施例中，结合前述论述可知，在Multi-RAT系统的数据平面内，除了数据分流传输算法，基于实际的需要，还应当有数据包头部压缩算法、解压缩算法和重排序算法。其中，具体的流程为：数据发送端通过数据包头部压缩算法压缩数据得到待传输数据包；数据发送端通过数据分流传输算法确定数据传输链路并发送数据；数据接收端在接收到数据包后，通过解压缩算法恢复原传输数据；数据接收端通过重排序算法对接收到的数据重新排序。本发明在设计了数据分流传输算法，同时一并设计了相应的数据包头部压缩算法、解压缩算法和重排序算法，具体如下。
在本发明实施例中，在数据发送端通过数据分流传输算法确定数据传输链路并发送数据也就是使用本发明提供的数据分流传输方法之前，通过数据包头部压缩算法压缩数据得到待传输数据包的过程，包括：根据预设的数据包头部压缩规则对待传输数据包进行压缩，生成压缩后的待传输数据包。其中，具体的根据预设的数据包头部压缩规则对待传输数据包进行压缩，生成压缩后的待传输数据包的步骤流程图，请参阅图5及其解释说明。
如图5所示，提供了一种对传输数据进行压缩的数据包头部压缩算法的步骤流程图，具体包括以下步骤：
步骤S502，根据目的媒体存取控制位址和源媒体存取控制位址确定目的身份标识信息和源身份标识信息，并放入压缩后的数据包中。
在本发明实施例中，数据包头部中含有大量的冗余的字段，例如目的mac地址(即目的媒体存取控制位址)、源mac地址(即源媒体存取控制位址)，本发明提出了一种新的数据包结构，引入了16位id，也就是目的身份标识信息和源身份标识信息来替代冗长的mac地址和IP地址，其中16位id与mac地址和IP地址的对应关系存储于每个通信客户端和通信服务端的结构体数组中，其中在通信服务器端，所有通信客户端的信息保存在一个结构体数组中，而在通信客户端只需要保存通信服务端的信息，不需要保存其他通信客户端的信息。数据包头部的压缩算法与解压缩算法将会利用这些信息对数据包进行处理。
步骤S504，将IP头部中的区分服务字段、标识字段、TTL字段、协议字段放入压缩后的数据包中。
在本发明实施例中，同样的，定义了一种新的IP头部的格式，仅仅保留了区分服务字段、标识字段、TTL字段、协议字段内容，而将ethernet_type、IP版本号、头部长度、片偏移等部分在压缩过程中舍弃掉。
步骤S506，将网络层有效负载信息复制到数据包中。
在本发明实施例中，网络层有效负载信息即为传输数据中具有实际意义的数据。
在本发明实施例中，需要说明的是，在对数据包进行压缩之前，需要先确定该数据包使用的序列号，并将当前序列号放入数据包，以便于数据接收端可以利用重排序算法以及序列号实现重排序。具体的，利用序列号变量就可以实现对数据包使用的序列号的控制，对于服务器来说，每个客户端对应一个序列号变量。而对于客户端来说，所有发出的数据包都使用同一个序列号变量。此时每一次确定数据包时，都将使用的序列号存储在变量中，从而保证每一次使用的序列号只需要在上次使用的序列号变量上加一即可。如果序列号超出4个字节能够表示的最大范围，则将序列号重置为0。
本发明实施例提供的一种数据包头部压缩算法，提出了一种新的传输数据包的结构，通过在传输之前删除或替换部分头部内的冗余部分，并在接收端进行逆向解压缩处理，恢复被删除或替换的头部，就可以减少由于使用UDP封装而造成的性能损失。
如图6所示，提供了另一种对传输数据进行压缩的数据包头部压缩算法的步骤流程图，详述如下。
在本发明实施例中，与图5所示出的一种对传输数据进行压缩的数据包头部压缩算法的步骤流程图的区别在于，在所述步骤S502之前还包括：
步骤S602，判断待传输数据包是否为无选项的IPv4数据包。当判断待传输数据包是无选项的IPv4数据包时，执行步骤S502；当判断待传输数据包不是无选项的IPv4数据包时，执行其他步骤。
在本发明实施例中，考虑到使用UDP封装而造成的性能损失与传输数据包的大小相关，通常传输数据包越大，则使用UDP封装而造成的性能损失也越大，而传输数据包较小时，即使不压缩也不会对性能造成显著影响。同时进一步考虑到无选项的IPv4数据包是本系统中占用网络流量最大的数据包，具有其他协议的数据包相对较小，且实际中网络协议的种类是非常多的，很难对每一种协议都进行头部压缩处理。因此，在对数据包进行压缩前，先判断待传输数据包是否为无选项的IPv4数据包，当判断待传输数据包是无选项的IPv4数据包时，则需要根据数据包头部压缩算法进行压缩，而判断待传输数据包不是无选项的IPv4数据包时，则对该数据包不做处理。
在本发明实施例中，可以看出本实施例提供的数据包头部压缩算法中，数据包可分为未压缩的数据包和压缩后的无选项IPv4数据包，而为了进一步方便数据接收端区分上述两种压缩包，可以利用一个占一个字节的标签字段开头来区分，未压缩的数据包的标签字段为0，而压缩后的无选项IPv4数据包的标签字段为1。如此，数据接收端在接收到数据包后，可以根据数据包的标签字段来判断，是够需要对数据包进行解压缩算法处理。
作为本发明的进一步实施例，作为优选，在该Multi-RAT系统中，还存在一类特殊的数据包，具体为通信客户端110发给自己的数据包，用于每隔一段时间唤醒一次接收线程，以进行队列处理，将队列中超时的数据包直接提交。空数据包本身不需要处理，可直接丢弃，该类数据包的长度仅有一个字节的长度也就是仅含有标签字段，该标签字段的值为2，此时在判断待传输数据包是否为无选项的IPv4数据包的步骤中，还需要进一步判断待传输数据包是否为同一通信客户端到同一通信客户端的数据包，如果是的话，表明该数据包为空数据包，同样不需要压缩处理，在此不具体示出该过程的完全流程图，本领域技术人员基于上述内容能够清楚的知晓当存在空数据包时，具体的数据包头部压缩算法的流程。
在本发明实施例中，图5～图6示出了Multi-RAT系统中数据平面的数据包头部压缩算法，结合前述的内容可知，当数据发送端利用数据包头部压缩算法对数据包进行压缩处理之后，与之相应的，数据接收端应当根据与所述数据包头部压缩规则对应的数据包头部解压规则对接收到的所述待传输数据包进行解压，生成源待传输数据包。其中，数据接收端采用的与所述数据包头部压缩规则对应的数据包头部解压规则的步骤具体如下。
如图7所示，为本发明实施例提供的一种数据包解压缩算法的步骤流程图，具体包括以下步骤：
步骤S702，根据目的身份标识信息和源身份标识信息确定目的媒体存取控制位址和源媒体存取控制位址，并加入到帧中。
在本发明实施例中，结合前述步骤S502的内容可知，16位id 与mac地址和IP地址的对应关系存储于每个通信客户端和通信服务端的结构体数组中，因此，数据接收端能够根据16位id确定出mac 地址和IP地址，加入到帧中。
作为本发明的一个优选实施例，考虑到数据发送端可以根据数据包是否为无选项的IPv4数据包来判断是否进行压缩，同样的在本发明提供的对数据包解压缩之前，还可以通过判断接收到的数据包是否为无选项的IPv4数据包判断是否进行解压缩，具体的，判断接收到的数据包是否为无选项的IPv4数据包，当判断是时，执行步骤S702，当判断不是时，表明不需要解压缩，执行其他步骤。
步骤S704，将ethernet_type、IP版本号、头部长度、区分服务字段、标识字段、片偏移、TTL字段、协议字段放入帧中。
在本发明实施例中，需要将在数据传输前舍弃的部分冗余内容按照原来的格式放回帧中，在此不再赘述，具体可以参阅步骤S504的内容。
步骤S706，计算IP头部的校验值并加入到帧中。
在本发明实施例中，在传输过程中去掉了IP头部校验值，因此，在接收到数据后，需要按照规则重新计算并将其放入帧中。
步骤S708，计算帧的原始长度。
在本发明实施例中，提出了一种对传输数据进行解压缩的算法，通过将传输数据在数据包头部压缩算法过程中舍弃的或被替换的数据按照原来的格式放回帧中，通过对传输数据的压缩与解压缩，实现了在数据传输过程中，降低了UDP封装所造成了的性能损失。
在本发明中，进一步的，由于两个链路的延迟不同，到达接收端的数据包会出现乱序的情况，需要重排序机制使数据包按序提交，具体的，重排序算法需要根据数据包携带的序列号将收到的数据包按照序列号递增的顺序放入队列中，并提交已经按序到达或超时的数据包。其中，重排序算法需要在数据接收端对数据包进行解压并获取到数据包的序列号之后实现，具体步骤如下所示。
在本发明中，重排序算法是通过一个由链表实现的接收队列来实现。收到数据包以后，按照序列号递增的顺序将数据包插入到队列中，同时还要记录数据包的接收时间。为了避免多线程同时操作链表对链表数据结构造成破坏，需要使用信号量，实现队列的互斥访问。而为了避免数据包在队列中停留时间过长，每接收一个数据包就要进行一次队列处理，将队列中按序到达的数据包或者超时的数据包直接提交。为了避免很长时间都没有新数据包到达，造成数据包一直在队列中等待的情况，还可以引入了空数据包，目的是每隔一段时间就触发一次队列处理，防止接收线程一直阻塞，此部分内容可结合步骤S602 的内容理解。
如图8所示，为本发明实施例提供的一种重排序算法的步骤流程图，具体包括以下步骤：
步骤S802，判断接收的数据包的序列号是否按序。当判断接收的数据包的序列号是按序的，提交该数据包并更新数据包的序列号；当判断接收的数据包的序列号不是按序的，执行步骤S804。
在本发明实施例中，基于前述步骤S506的论述可知，需要给每一个数据包确定一个使用的序列号来表述数据包的顺序，由于每一次使用的序列号只需要在上次使用的序列号变量上加一即可，因此，接收到的数据包的序列号应当是按序的，否则存在乱序的情况。
在本发明实施例中，当判断接收的数据包的序列号是按序的，则直接提交数据包减少队列加锁造成的开销，提高系统性能，此时继续接收下一个数据包，并判断下一个数据包是否按序。而当判断接收的数据包的序列号不是按序，则表明接收到的数据包存在乱序的情况，需要根据重排序算法调整。
步骤S804，根据所述数据包中的id确定使用的接收队列，并加锁。
在本发明实施例中，在通信服务端，每个通信客户端都对应着一个接收队列，而通信客户端只需要使用一个接收队列，此时根据数据包中的id即可确定那一个接收队列存在乱序的异常，此时对接收队列加锁，避免数据包被提交。
步骤S806，判断所述接收队列的缓冲区是否有剩余。当判断所述缓冲区没有剩余时，将接收的数据包丢弃，并将接收队列解锁；当判断所述缓冲区有剩余时，执行步骤S808。
在本发明实施例中，由于重排序算法是通过一个由链表实现的接收队列来实现，即当空闲链表是空的，则说明接收缓冲区已满，此时直接将接收的数据包丢弃，然后将接收队列解锁。如果缓冲区有剩余，需要将接收的数据包拷贝到缓冲区，准备入接收队列进行排序。
在本发明实施例中，所述缓冲区可以理解为一个结构体。
步骤S808，将所述数据包复制到所述缓冲区中，并标记所述数据包的接收时间、长度以及序列号。
在本发明实施例中，再将数据包复制到缓冲区后，然后标记所述数据包的接收时间、长度以及序列号，就可以进一步根据数据包的序列号将数据包插入到接收队列中。
步骤S810，遍历所述接收队列，并根据序列号将数据包插入到接收队列。
在本发明实施例中，遍历接收队列，按照序列号从小到大的顺序将数据包插入到队列中。
步骤S812，遍历全部接收队列，将已经按序的数据包提交并更新提交的序列号。
在本发明实施例中，最后还需要对所有的队列进行处理，即遍历所有的接收队列，将数据包已经按序排列好的数据包提交，提交完成后，更新提交的序列号，以便判断下一次到达的数据包是否是按序的。
在本发明实施例中，考虑到延迟，重排序算法还可以设定允许数据包在队列中的最长等待时间阈值，如果增大此参数，会导致延迟增大，如果减小此参数，虽然能减小延迟，但会导致数据包没有按序提交的概率增大。在此步骤中，除了将数据包已经按序排列好的数据包提交外，还将在队列中停留时间超过所述最长等待时间阈值的数据包同时提交，避免数据的堆积。作为优选，最长等待时间阈值被设定为 20毫秒。
步骤S814，将接收队列解锁。
在本发明实施例中，在将接收队列解锁后，此时数据包可在符合要求的正常条件下直接提交。
本发明实施例提出了一种重排序算法，能够很好地解决不同的数据链路因数据延迟的不同而导致的数据包存在乱序的异常问题。
本发明针对于Wi-Fi和LTE两种链路组合而成的Multi-RAT系统，对其数据平面进行了设计，提出了包括数据分流传输算法在内的多套数据处理算法，例如数据包头部压缩算法、解压缩算法和重排序算法，上述算法与数据分流传输算法一并构成了该Multi-RAT系统的数据平面，使得本发明提供的Multi-RAT系统具有良好的网络性能。
如图9所示，为本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置的结构示意图，详述如下。
在本发明实施例中，所述数据分流传输装置包括：
字节数与令牌数判断模块910，用于判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数。
在本发明实施例中，数据分流传输方法借鉴了令牌桶的算法，具体的，系统会以一个恒定的速度往桶里放入令牌，而如果请求需要被处理，则需要先从桶里获取一个令牌，当桶里没有令牌可取时，则拒绝服务。
在本发明实施例中，所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的，其中具体的更新规则可以参阅下述图3及其解释说明。
在本发明实施例中，所述令牌桶内的令牌数一方面会随着时间的积累的逐步增加，另一方面又会随着使用第一无线接入链路传输待传输数据包而扣减，因此令牌数会不断更新，并且随着第一无线接入链路传输量的增多令牌数的数量会降低，因此在每次发送数据时，都需要判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数，以此来判断该使用哪种无线接入链路传输数据。
第一无线接入链路传输模块920，用于当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数。
在本发明实施例中，由于本发明提供的Multi-RAT系统采用的是 LTE链路与WIFI链路组合的Multi-RAT系统，因此，此处提到的第一无线接入链路是指LTE链路(即长期演进无线通信链路)。
在本发明实施例中，由于每次使用LTE链路都会扣减与待传输数据包的字节数相关的令牌数，通常情况下是扣减等同于待传输数据包的字节数的令牌数，因此，使用令牌桶算法作为数据分流传输方法可以有效地限制数据在LTE链路上发送的速率，这是由于LTE链路带宽是宝贵的共享资源，具体可以见后续说明。
第二无线接入链路传输模块930，用于当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
在本发明实施例中，所述第二无线接入链路为Wi-Fi链路，在令牌桶内的令牌数小于待传输数据包的字节数时，此部分数据将会采用Wi-Fi链路输送，如果要发送的数据包过多，导致Wi-Fi链路的发送缓冲区溢出，这部分数据包就会被丢弃掉，直至桶中又有令牌时，新到达的数据包就又可以通过LTE链路发送。
在本发明实施例中，由于LTE链路上的传输是由基站统一进行调度的，具有非常可靠的优点，并且时延比较稳定，通信距离远，发射功率大。但由于LTE需要满足长距离通信的需求，信噪比往往较低，因此只能使用较低阶的编码和调制方式(例如16QAM)，吞吐率较低，只有约30Mbps。而Wi-Fi使用CSMA/CA机制，节点需要争用信道才能发送数据，容易发生碰撞，延迟没有保障，并且链路的可靠性偏低，但Wi-Fi链路一般用于近距离通信的场景，信噪比很高，可以使用高阶的编码和调制方式(例如256QAM)，因此吞吐率非常高。当使用802.11ac标准，使用80MHz带宽和2X2 MIMO时，实际的吞吐率可以达到300Mbps，还可以通过使用更多的天线数(例如使用4X4 MIMO)、使用更大的带宽(例如使用160MHz)、或者使用更新的Wi-Fi标准(例如使用802.11ax)来进一步提高吞吐率。
在本发明实施例中，通过对上述链路的分析可知，LTE链路带宽是宝贵的共享资源，稳定性好，通常用于传输相对较为重要的信息，例如控制信息。因此，如果某个客户端在LTE链路上使用过高的发送速率，将会导致LTE链路拥塞，影响控制消息的传输，还会影响其他客户端使用分流功能。本发明借鉴令牌桶的思想，限制了客户端在LTE链路上的发送速率，有效地保证了LTE链路的畅通，使得控制信息或其他重要信息能够稳定传输，提高了网络的稳定性，同时辅以吞吐量较高的WIFI链路，传输剩余信息。
本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置，借鉴于令牌桶算法实现数据传输的分流，通过基于预设的令牌数更新规则更新令牌桶中的令牌数，并在传输数据包时，判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，然后扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数，当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包，本发明实施例提供的一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置能够合理的利用令牌桶算法来实现对传输数据的分配，使数据在多个无线接入链路分流传输，有效地保证了多种无线接入系统中网络性能的稳定性。
图10示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是图1中的通信客户端110或通信服务端120。如图10 所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现数据分流传输方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行数据分流传输方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，本申请提供的数据分流传输装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图10所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该数据分流传输装置的各个程序模块，比如，图9所示的字节数与令牌数判断模块910、第一无线接入链路传输模块920以及第二无线接入链路传输模块930。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的数据分流传输方法中的步骤。
例如，图10所示的计算机设备可以通过如图9所示的数据分流传输装置中的字节数与令牌数判断模块910执行步骤S202；计算机设备可通过第一无线接入链路传输模块920执行步骤S204；计算机设备可通过第二无线接入链路传输模块930执行步骤S206。
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：
判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM (DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM (DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink) DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM (RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多种无线接入系统中的数据分流传输方法，其特征在于，包括：
判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
2.根据权利要求1所述的数据分流传输方法，其特征在于，所述第一无线接入链路为长期演进无线通信链路；第二无线接入链路为Wi-Fi链路。
3.根据权利要求1所述的数据分流传输方法，其特征在于，所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的步骤，具体为：
记录当前时间并根据所述当前时间与上次记录时间的差值以及预设的第一无线接入链路的允许传输速率确定令牌的添加量；
向令牌桶添加与所述添加量相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数。
4.根据权利要求3所述的数据分流传输方法，其特征在于，在所述向令牌桶添加与所述添加量相关的令牌数并更新所述令牌桶内的令牌数的步骤之后，还包括：
判断更新之后的令牌桶内的令牌数是否大于预设的允许最大令牌数；
当判断更新之后的令牌桶内的令牌数大于预设的允许最大令牌数时，将更新之后的令牌桶内的令牌数更新为允许最大令牌数。
5.根据权利要求1所述的数据分流传输方法，其特征在于，在所述判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数的步骤之前，还包括：根据预设的数据包头部压缩规则对待传输数据包进行压缩，生成压缩后的待传输数据包。
6.根据权利要求5所述的数据分流传输方法，其特征在于，在通过预设的第一无线接入链路或者预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包的步骤之后，还包括：
数据接收端根据与所述数据包头部压缩规则对应的数据包头部解压规则对接收到的所述待传输数据包进行解压，生成源待传输数据包。
7.根据权利要求6所述的数据分流传输方法，其特征在于，在所述数据接收端根据与所述数据包头部压缩规则对应的数据包头部解压规则对接收到的所述待传输数据包进行解压，生成源待传输数据包的步骤之后，还包括：
数据接收端根据预设的重排序算法对接收到的待传输数据包进行重排序。
8.一种多种无线接入系统中的数据分流传输装置，其特征在于，包括：
字节数与令牌数判断模块，用于判断待传输数据包的字节数是否小于当前令牌桶内的令牌数；所述令牌桶内的令牌数是基于预设的令牌数更新规则更新的；
第一无线接入链路传输模块，用于当判断待传输数据包的字节数小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第一无线接入链路传输所述待传输数据包，并扣减与所述待传输数据包的字节数相关的令牌数；
第二无线接入链路传输模块，用于当判断待传输数据包的字节数不小于当前令牌桶内的令牌数时，通过预设的第二无线接入链路传输所述待传输数据包。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至7中任一项权利要求所述多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至7中任一项权利要求所述多种无线接入系统中的数据分流传输方法的步骤。
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