军用无线多信道负载均衡模块的设计与实现*
赵 明，孙 伟
（北方自动控制技术研究所，太原 030006）
摘 要： 伴随武器装备信息化建设的不断深入，以无线战术电台构建的“初级战术互联网”上传输的业务信息流越来越大，从而对信道带宽的需求也越来越高，无线信道吞吐量成为制约整个网络性能的瓶颈。针对这一问题，提出一种军用无线多信道负载均衡模块的方法，在组网控制设备上建立业务信息流库，统一信道调度机制，以及采用基于ETT算法计算信道质量，最终来实现在多信道环境下的业务负载均衡，详细给出了模块处理流程和实现过程。实践表明该模块对提高“初级战术互联网”吞吐量有一定作用。
关键词： 无线信道，负载均衡，信息流，ETT
0 引言
目前，随着世界军事信息化变革的加剧，兵器装备网络化程度越来越高，对于由战术电台组成的“初级战术互联网”面临着业务量的迅猛增长压力，但无线信道带宽却由于技术限制无法跟上业务增长的势头，这样便在网络上形成瓶颈，大大降低了网络性能。
反观潜藏其间的“思想悬疑”，迫切需要回应人类中心主义与生态危机之间是否构成因果关联，人类中心主义的反思性重构能否摆脱生态危机困扰。一者，作为哲学辩题，人类中心主义的历史之维萦绕着“二元论”及其解蔽的沉思。二者，作为思维营垒，人类中心主义的理论渊薮贯穿着矛盾斗争性和同一性的关联。三者，作为价值命题，人类中心主义的实践路径预留着社会历史发展可能性的拷问。作出抽丝剥茧式的追问亦可表征，因由人类中心主义“在场之弊”和“离场之患”的长期争讼，最终关涉如何界定人类中心主义的哲学阈限以及怎样进行人类中心主义价值重构。
如何解决这一问题一直以来都是业界所关注的问题，一般来说有两种解决方法，第一种即继续加大对无线信道宽带化技术的突破，例如采用LTE技术，OFDM技术、MIMO技术等，这是解决上述问题的根本出路，另一种方法是高效利用好目前可用的无线资源即采用负载均衡方法，此方法又分为信道链路层负载均衡和网络层负载均衡，目的都是合理地将业务分配到冗余的信道或多跳路径上，目前常用的方法有基于MPLS的隧道负荷分担方法等。本文提出了一种基于邻居节点的多信道负荷分担方法，如图1所示在初级战术互联网环境中，假设两个相邻节点之间存在多个无线信道连接的情况，一条UHF信道和一条VHF信道，由于目前初级战术互联网在此网络环境下只选择其中一条无线信道发送业务数据（按照路由控制报文发现信道的先后顺序选择），而另外一条信道只能空闲着，直至正在通信的无线信道完全断路，路由才开始重新选择无线信道，这样就会产生对无线信道资源的浪费，没有高效利用好无线资源。
在实际的初级战术互联网中上述网络应用场景大量存在，本文正是基于这样的背景下，在网络层之下（即路由选择之后）设计并开发一种负载均衡模块，合理地将业务分配到一跳邻居节点之间的多个信道之上。
图1 相邻节点多信道组网模式
1 负载均衡模块的处理流程
为了说明负载均衡的设计思路，构造了图2的无线多信道环境，可以看到网络中存在3条信道:信道 1（VHF 电台），信道 2（HF电台），信道 3（UHF电台），它们分别通过以太网总线接到组网控制设备的3个以太网口上，组网控制设备又通过以太网总线和指挥计算机相连，可以看出负载均衡模块主要是在组网控制设备上进行添加便可实现业务的负载均衡。
将蜂蜜样品置于40 ℃数显恒温水浴锅中加热20 min，过200目筛除去蜂蜜样品中不溶性的杂质，真空脱气。
模块的处理流程分以下4步:
橡胶草作为一种天然的产胶植物，因其播种当年即可收获提取橡胶，具有产胶周期短的优点[1]，因此，我们通过严格的无菌操作以及对培养基pH值的调整，完善橡胶草无菌愈伤组织再生体系；以橡胶草胚性愈伤组织为材料，观察细胞形态、计算细胞生长周期、确定接种量以及继代时间等手段，比较成功地建立了橡胶草胚性悬浮细胞体系，并通过改善愈伤组织培养条件，初步建立了悬浮细胞的再生体系，大大地推动了橡胶产业的更新和发展。
图2 负载均衡软件处理流程
第1步:由于初级战术互联网采用IP架构，其所有业务报文均为标准的IP数据包，所以为了区分基于IP数据包的业务信息流，首先在组网控制设备中建立接收业务信息流和转发信道之间的映射信息库，即“业务流信息库”，库中包含每个业务信息流的源地址、目的地址、协议号、源端口号、目的端口号的“五元组”和其对应的转发信道号（信道号在组网控制设备初始化过程中人为设定，但不能重复）。当指挥计算机向组网控制设备发送业务信息流后，首先检查业务信息流库中是否存在已登记的信息流，即这5项内容完全一致，认为是同一个信息流，如果信息流中的5项中某一项或多项不一致，则认为是一个新的信息流，在业务信息流库中进行登记，并执行下面的步骤。
传输成功率pf与pr通过在网络中发射hello包来测量，每个探测包固定大小，按周期
发送。为了避免偶然的同步，周期
会加上±0.1的抖动时延。每个节点记录在ω时间内收到的探测包个数，传输成功率为:
假设p表示节点X到节点Y的丢包率，则
采用VxWorks中可裁剪的增强型网络协议栈（SENS）。SENS是完全兼容BSD4.4 TCP/IP协议栈，并且其最大的特点是在数据链路层和网络层之间多了MUX层。在SENS中，网络接口的驱动程序叫END（Enhance Network Driver），即增强型网络驱动程序，它处于数据链路层［1］。MUX接口如图3所示。
2 负载均衡模块的实现
负载均衡模块的实现采用PPC+VxWorks的体系架构，接口主要为千兆以太网口。
第4步:当业务流不断增加，原先“高带宽”的信道链路质量会慢慢下降，直到下降到低于原先“低带宽”的信道链路质量，这样当再有新的业务流出现时将会分流到“低带宽”信道上，而不会选择原来的信道，以此类推，从而达到了多信道环境下的业务负荷分担效果，有效提高了网络吞吐量，降低了网络拥塞。
图3SENS中MUX接口
在引入链路ETT算法之前先引入ETX（期望成功传输次数），它是对相邻节点间成功传送一个探测包所需要传输次数（包括重传次数）进行预测，借此来衡量无线信道链路的质量。
图4 负载均衡模块软件实现示意图
2.1 统一信道调度层的建立
统一信道调度层的建立采用挂在MUX层下的虚拟END驱动的方式建立，挂载和启动过程可以分为3个步骤，既指定END网络驱动，装载END网络驱动和启动END网络驱动。END网络驱动的指定是通过数组endDevTbl［］来完成的，该数组表述了系统中所有网络设备的装载入口点及其相关的参数。系统调用MUX驱动启动函数muxDevLoad（）来装载END网络驱动，调用MUX驱动启动函数muxDevStart（）来启动END驱动。VxWorks操作系统通过 usrRoot（）函数来调用 usrNetInit（）函数完成MUX的初始化化，转载网络驱动表endDevTbl［］中描述的所有END网络驱动。在END网络驱动的编程中，需要关注的内容包括配置文件定义，驱动符号定义以及相关驱动函数的编写。图5是END网络驱动初始化顺序。
The gingerbread man came to a river but he could not swim.
图5 END网络驱动初始化顺序
当挂载完虚拟END后，本文在系统核心路由表中添加一条目的地址为全零，下一跳为虚拟END地址的默认网关路由，这样所有目的地址不是本地地址的信息流系统将全部交给虚拟END驱动的adfEndSend（）去处理，这样便可以在驱动数据函数中实现负载均衡模块，风河公司提供了关于END网络驱动程序的模板文件［2］，可参照其进行修改，非常便利。
2.2 基于ETT的信道质量算法
采用丢包率、带宽、时延统一考虑的信道链路质量策略作为度量链路质量的方法，所以引入了ETT（成功传输时间）算法［3］，从而最大程度提高信道链路质量的可信度。
为了实现负载均衡模块设计了统一信道调度层，挂接在VxWorks协议栈的MUX接口下，通过添加默认网关，将上层发送的业务信息流统一发送到统一信道调度层，在这一层首先进行路由选择，即通过查询路由表得到去往目的地址的下一跳，由下一跳便可以知道有几个无线信道可以到达相邻节点（由动态路由广播控制报文探测出），然后分别计算每个信道上的ETT值，最后结合业务信息流库、滑动平滑算法实现多信道环境下负载均衡。负载均衡模块的软件实现示意图如图4所示。
由Bernoulli公式［4］，可得k次传输时成功的概率为:
图6 传输成功率图
若在链路X→Y上，则pf表示X的前向传输成功率，pr表示X的后向传输成功率
第3步:由第1步，在邻接点多信道环境下，当一个分组需要向邻节点发送时，节点根据该分组头部的IP地址信息、协议号信息、UDP头部的端口号信息，查找节点维护的业务流库，如果库中存在该业务流信息，则按照业务流库中对应的信道进行转发，这样做的目的是为了让同一业务流的数据在相同的信道上传输，避免因同一业务的数据流在不同信道上传输产生接续错续、延时差距较大等错误。如果是一个新的业务流，则根据第2步的ETT算法统计计算各个信道的链路质量，最后将新流合理分配到链路质量最好的信道上进行传输，同时将该业务流信息记录到业务流库中。
ETX度量由前向与反向链路上传输成功概率的测量统计而来，假设分别为pf与pr，可以根据它们计算出期望传输次数。
则，期望传输次数为
第2步:周期性按照基于ETT算法来统计各个信道的链路质量值（ETT算法将在第3节详细说明）。在统计各个相邻信道链路质量时采用常用的基于最小二乘法的数据平滑算法，统计周期为1 min。
产层配方：基浆10m3（密度1.80g·cm-3）+2%细雷特超强堵漏剂+2%雷特随钻堵漏剂+2%中酸溶性桥塞堵漏剂+2%细酸溶性桥塞堵漏剂+果壳类材料，总浓度14%。
他大吃一惊。他明明记得，在今天下午的祈神仪式结束后，绿衣女子的尸体被抬进了安魂殿，此刻怎么会没有呢？他环顾四周，赫然发现，神殿后侧的一扇窗子大开着。他顺着窗子向外望去，穿过两排青柏，夜色下，一条漆黑而高大的影子，正携着绿衣女子的尸体，翻出了天葬院后院的围墙。
二是对不同消费者群体的需求进行细分，才能让产品定位更加精准。可以肯定地说，50岁以上的消费者基本不可能花钱购买表情包。“表情包经济”的主要消费对象大多数是90后、00后，这一代青年人在消费上已经开始崭露头角，显现出自己的特点，总体而言，目前大家的重视还不够。如何把握他们与其他年龄段的人在消费时的不同特点，对于企业来讲，是一个新的机遇和挑战。
coun（tt-w，t）是在 ω 时间内实际收到的探测包个数，ω/
是ω时间内应该收到的探测包数。在链路X→Y 上，X 可以用式（4）来计算 pr，Y 可以用式（4）来计算 pf。
ETX值仅反映了链路的可靠性性能指标，没有反映出信道带宽因素，当多条链路的ETX值相同时，应优选带宽宽的信道。因此，引入了ETT度量（平均成功传输时间），假设信道速率为S，数据包的大小为B，则ETT的计算公式如下:
节点间的信道质量存在一定的差异，其差异情况可通过链路的ETT值来反映。数据流的分配依据链路 ETT值进行［5-6］。
3 结论
经测试，此种负载均衡模块应用于某初级战术互联网中，在多信道环境下不仅有效提高了网络吞吐量，而且其投入少、改动小，兼容老装备，对提升整体网络性能和可靠性有一定参考价值。
参考文献：
［1］ WindRiver System Inc Tornado.VxWorks programmer’s Guide［M］.New York:Wind River Systems，Inc.1999.
［2］孔祥营，柏桂枝.嵌入式实时操作系统vxworks及其开发环境 Tornodo［M］.北京:中国电力出版社，2002.
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［5］杨华卫.最小化路径代价和流量均衡模型及算法［J］.电子与信息学报，2010，32（10）:1341-1347.
［6］杨明.基于认知无线电的无线传感网系统设计与实现［J］.火力与指挥控制，2016，41（11）:182-186.
Design and Implementation of Traffic Load Balancing Module in Wireless Multi Channel Environment
ZHAO Ming，SUN Wei
（North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）
Abstract: With the deepening of teh weaponry informationization construction，the flow of business information transmited on primary tactical Internet which is built by tactical radio is getting bigger，therefor，the demand for channel bandwidth is higher and higher，so the wireless channel throughput become the bottleneck of the whole network performance.Aming at the problem，this paper puts forward to built information library，and establishes a unifield channel scheduling layer，ETT algorithm is used to realize the traffic load balancing in multiple wireless channels environments.The module processing flow and the design realization process are given in detail.Practice has shown that this mechanism can improve the throughput of the primary tactical Internet.
Key words: wireless channel，load balancing，information flow，ETT
中图分类号： TP393
文献标识码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1002-0640.2019.04.023
引用格式: 赵明，孙伟.军用无线多信道负载均衡模块的设计与实现［J］.火力与指挥控制，2019，44（4）:110-113.
文章编号： 1002-0640（2019）04-0110-04
收稿日期： 2018-03-22
修回日期： 2018-04-19
*基金项目： “ 十二五”××光电火控技术预研基金资助项目
作者简介： 赵 明（1980- ），男，山西太原人，高级工程师。研究方向：移动自组网路由技术、战术数据链总体技术、嵌入式通信软件开发等。
Citation format: ZHAO M，SUN W.Design and implementation of traffic load balancing module in wireless multi channel environment［J］.Fire Control&Command Control，2019，44（4）:110-113.
标签：无线信道论文; 负载均衡论文; 信息流论文; ETT论文; 北方自动控制技术研究所论文;