一种跨层多路径网络的调度系统及方法

本发明涉及网络通讯，尤其涉及一种跨层多路径网络的调度系统及方法。

背景技术：

1、现代高速铁路系统超过了250公里/小时的运载速度彻底改变了城际旅行。高铁上的互联网服务通常由轨道侧蜂窝基站和车载代理提供，用于在wifi接入点和蜂窝基础设施之间中继数据。然而，高铁的超快速度使得在高铁上为乘客提供无缝互联网服务是难以实现的。由于间歇性链路连接特性，高铁上的互联网服务的切换速度低于10秒/次。即，当高铁运行时，每隔不到10秒就需要进行一次切换。若发生互联网切换失败，则可能导致长达十数秒乃至数十秒的“停电”期。传统的mptcp(或多路径传输)利用路径分集(每个路径与蜂窝运营商或移动网络运营商相关联)来提高链路或连接的稳定性。但是该方法仅能用于低移动性的场景，要将多路径传输应用到现代高速铁路系统需要面对重重阻碍。

2、在现代高速铁路系统这种极端移动性的场景下，互联网网络性能在亚秒级波动，导致rtt方差比静态场景或低移动性场景高1636倍。最先进的mptcp调度程序做出调度决策后，所营造的相对稳定的网络工作条件可能会持续几个rtt。事实上，基于rtt观测所告知的不准确的链路质量估计和调度决策以及不准确的吞吐量通常会导致极端移动性场景下的互联网网络性能不佳。与现有技术依靠即时性能测量来做出反应性调度决策的最先进的多路径调度器相比，本发明挖掘特定于极端移动场景的网络功能，确定导致可预测故障的主要事件，并相应地设计主动调度策略。

3、中国专利cn 113329413b公开了一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统，该方法包括：基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线的高铁网络预测模型；根据移动用户设备的第一位置信息，获取移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和第二位置信息，获取移动用户设备在下一时刻的基站切换概率；根据预设基站切换阈值，若判断基站切换概率大于等于预设基站切换阈值，则根据带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据数据包对移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度。该专利避免了传统mptcp调度算法的滞后性，提高了传输吞吐量，提升用户体验感。该专利解决了当网络状况频繁快速波动时(如高铁中频繁的基站切换)，基于反馈的mptcp其响应存在较大的滞后性，导致数据包在子流之间分配不适当，进而产生大量数据包乱序的问题。

4、但是该专利的缺陷在于：未考虑预测所需的时间提前量，即，未考虑移动中继向远程代理基站传递预测信号的数十或数百毫秒的时延，导致该方法并不能转化为实用的在线切换预测方法。其次，该专利未考虑在切换失败的情况下，如何避免切换失败或如何减小错误预测的惩罚。最后，该专利由于仅对预测进行相应设置，而未针对高铁极端移动环境进行弹性设置，导致该系统在面对高度波动的网络性能和不准确的链路质量估计时，极易出现预测错误、预测速度较慢和多种路径未有效利用的问题。而本发明的多路径调度模块能够应对高度波动的网络性能和不准确的链路质量估计、减少用户数据流传输时间、基于多路径异构性来实现可靠的流量交付以及易于部署，考虑了多个维度，例如性能波动、可预测的切换失败和路径异质性等，从而解决高铁极端环境的预测和调度复杂性。

5、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明提供了一种跨层多路径网络的调度系统，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。所述系统至少包括：多路径调度模块，用于确定若干个类型的数据需要通过的至少一个数据传输路径。优选地，所述多路径调度模块被配置为：在预测到发生切换失败事件的情况下，进行切换故障感知路径抑制；在确定互联网链路条件恶化的情况下，进行尾部感知路径抑制。本发明针对极端移动性地面传输的互联网服务进行优化，利用多路径异构性，将乘客的网络流量分布在多个蜂窝运营商上，以实现带宽聚合，从而减少延迟并提高互联网网络的可靠性。

2、根据一种优选的实施方式，所述切换故障感知路径抑制至少包括以下步骤：在所述多路径调度模块预测到即将发生切换失败事件的情况下，暂时禁用相应的数据传输路径。优选地，所述多路径调度模块通过数据库的位置信息和信号条件预测即将发生的切换失败事件，并通过候选过滤器来禁用面临所述切换失败事件的路径。本发明的多路径调度模块的切换失败感知路径抑制旨在通过接收或预测来自lte实时分析和/或linkdb数据库的显式信号的切换来掩盖断开连接期间的丢包以及随之而来的rto对tcp(例如慢启动)的影响，并采取相应的行动。具体来说，通过在任何接口遇到解耦性期间发送冗余的交叉流副本，多路径调度模块可以更快地从断开连接中恢复，即在切换失败后的2s内达到1.2x和1.5x的平均值和中位值，并且持续几秒或更长时间。

3、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块通过数据库预测即将发生的切换失败事件的步骤至少包括：基于所述数据库预测切换结果分隔点；在所述位置信息中的当前位置与所述切换结果分隔点之间的路程小于阈值d的情况下，或在到达预测的所述切换结果分隔点的时间小于阈值l的情况下，判断即将发生切换失败事件。优选地，所述阈值l的计算公式为：所述云端代理与lte网关之间的估计值和安全裕度的和。本发明通过切换故障感知路径抑制的设置，使得乘客的智能终端不会在该路径上调度数据包以避免中断期和子流间无序延迟。

4、根据一种优选的实施方式，所述尾部感知路径抑制至少包括以下步骤：在所述多路径调度模块确定互联网链路条件恶化的情况下，所述多路径调度模块判断是否使用数据传输路径。优选地，所述多路径调度模块基于所述数据传输路径是否会导致连接传输时间延长来判断所述数据传输路径是否应被暂时禁用。高铁的组网性能不仅受到切换失败事件的影响，还受到高铁高速移动带来的信道质量高度波动的影响。跳过路径会错过利用其(尽管低)带宽的机会，而使用路径可能会延长用户数据流传输时间，而不能通过更快的路径发送数据。本发明通过上述多路径调度模块的设置加速了高铁系统上主导流量模式的短用户数据流。

5、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块基于所述数据传输路径是否会导致连接传输时间延长来判断所述数据传输路径是否应被暂时禁用的步骤至少包括：在所述多路径调度模块到用户数据流即将结束的情况下，所述多路径调度模块通过选择过滤器拒绝在低性能的所述数据传输路径上发送尾数据包；所述多路径调度模块判断用户数据流在所述数据传输路径上是否具有低性能。本发明的多路径调度模块的尾部感知路径抑制用于避免慢速路径导致的无序延迟，拒绝在接口上注入可能会增加用户数据流传输时间的数据。本发明的多路径调度模块与现有技术中带有minrtt调度程序的系统相比，尾部延迟平均减少了5.6％，当尾部延迟95％时平均减少了15.6％。该机制特别适用于大于10秒的尾部延迟，这是由于接口的高丢包率和延长的重传时间伴有异常高rtt。

6、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块还被配置为：在发生数据包丢失的情况下，进行扩展重注入；在存在空闲路径的情况下，进行机会冗余流量注入。本发明通过可组合的调度框架集成上述多路径调度模块。多路径调度模块能够处理复杂的多路径问题，通过如上述的四个方面的功能优化模块化解决高速铁路上数据传输路径调度程序的问题。与单片调度程序相比，多路径调度模块基于调度程序的方法解耦了多路径调度逻辑，从而通过统一接口显著降低了系统复杂性和开发开销。本发明的多路径调度模块还使系统具有可扩展性，并对未来的优化持开放能力。本发明通过将调度框架与多用户/多路径数据传输机制集成，从而形成成熟的跨层多路径网络的调度系统。

7、根据一种优选的实施方式，所述扩展重注入至少包括以下步骤：在发生数据包丢失的情况下，所述多路径调度模块检测易受攻击的数据包并以批处理方式通过数据传输路径提前重新传输丢失的数据包；当任意数据包经历若干个rto时，所述多路径调度模块将同一数据传输路径上所有未确认的数据包重新注入到剩余数据传输路径上。现有技术往往通过多次调用调度算法(类似于mptcp在执行每次重注入操作时的情况)来立即执行重注入。而本发明的扩展重注入主要侧重于减少极高的重传时间，并导致无序延迟的显着减少，其减少了所有无序数据包中的无序延迟的23％，以及所有数据包中4％的无序延迟。

8、根据一种优选的实施方式，所述机会冗余流量注入至少包括以下步骤：当至少一条所述数据传输路径在α秒或β个字节的数据中不存在流量被调度时，所述多路径调度模块复制下一组τ个数据包，并在所述数据传输路径上传输数据包的副本。本发明的机会冗余流量注入旨在主动更新由于测量的rtt较高而空闲一段时间的接口的性能指标。这有助于多路径调度模块可以更快地发现恢复的路径并提高路径利用率。现有技术中带有minrtt调度程序的系统忽略了rtt高得多的路径。本发明通过采用机会探测机制，使路径的利用率提高了60％以上，从而允许所有路径的带宽利用率更高。

9、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块基于信号条件和延迟触发的切换来预测网络条件高度动态下的切换失败事件和/或切换成功事件。由于高铁的高运行速度，使得现代高速铁路系统与低速车辆相比，将经历更频繁的网络切换。更重要的是，极端移动性的场景下，切换失败事件更容易发生。即，会发生乘客的智能终端连接至当前基站，但尚未连接到新基站的情况。切换失败会带来负面的性能影响，包括数据包丢失及其发生的重新传输超时(rto)，这些都会迫使tcp进入缓慢启动状态。性能影响至少为1秒，可持续长达10秒。鉴于切换失败的重要性，本发明的多路径调度模块基于信号条件和延迟触发的切换来预测切换失败事件。本发明的多路径调度模块利用可用且可靠的信息来预测切换失败事件，该技术手段对于如何在频繁断开的网络环境中提高网络性能的问题至关重要。

10、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块基于学习算法并且基于二分类模型将切换成功事件和/或切换失败事件的判定任务建模为至少一个分类问题。优选地，所述学习算法以位置和信号条件作为特征，切换结果作为标签进行计算。当现代高速铁路系统的互联网切换失败时，会对tcp性能出现几秒钟的干扰，由此能够进行切换失败事件的预测。若现代高速铁路系统的切换发生在切换的后一个位置和/或若信号条件较差，切换失败事件出现的可能性越高。

11、尽管上述多路径调度模块通过离线分析在基于位置和信号条件数据确定现代高速铁路系统的切换成功或失败方面取得了较好的结果，但将其转化为一个实用的在线切换失败预测方法并不简单，其面临的主要挑战在于：切换失败事件必须能够提前预测，以便用于指导多路径调度模块的接口调度，特别是对于下行流量来说，提前预测是保证互联网稳定性的重要因素。换言之，多路径调度模块对切换失败事件的预测需要考虑时间提前量，即，多路径调度模块需要考虑移动中继向远程代理基站传递切换失败事件警告信号的数十或数百毫秒的时延。

12、根据一种优选的实施方式，所述系统还包括移动中继和远程代理基站。优选地，所述移动中继将其关联的网络小区id、高铁移动速度和位置以及当前时刻发送给所述远程代理基站。在所述远程代理基站上，数据库提供来自所述网络小区的所有历史切换信息，并由所述多路径调度模块计算切换失败事件的预测位置lhof。由于lte芯片组可以将信号条件日志报告延迟到用户空间长达200ms，加上信号条件的高度波动性，使得信号条件成为svm用于在线切换失败事件预测的易错特征。因此，在高铁速度可获取的情况下，本发明依赖位置信息对切换失败事件进行准确预测。

13、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块基于数据库预测thof。优选地，在互联网网络从thof连接至高铁乘客的智能终端并且连接至下一个小区的时间的路径限制的情况下，所述多路径调度模块在互联网网络切换前对路径进行节流以排空路径上的队列。现有技术中的多路径传输架构在于：可以在不同层实现跨多路径传输数据，例如wnic驱动程序、内核内传输层、轻内核修改和udp封装。与上述不同的是，本发明的系统是一个完整的用户空间解决方案，重用linux tcp，具有操作系统/中间盒兼容性、应用程序透明度和良好的运行时性能，具有多路径、多用户多路复用支持。

14、根据一种优选的实施方式，所述多路径调度模块至少包括第一代理和第二代理。优选地，部署在车载的所述移动中继的所述第一代理通过若干个蜂窝运营商的路径多路复用高铁乘客的上行链路流量；部署在云服务器上的所述第二代理执行反向操作，将流量进行解复用并发送给目标服务器。

15、本发明涉及一种跨层多路径网络的调度方法，所述方法至少包括：确定若干个类型的数据需要通过的至少一个路径。优选地，在网络条件高度动态的情况下，基于自身组合的调度程序确定若干个路径需要传输的数据类型。

16、根据一种优选的实施方式，所述自身组合的调度程序至少包括：切换故障感知路径抑制、尾部感知路径抑制、扩展重注入和机会冗余流量注入。