教室场景下WiFi组播可靠性保证机制的设计与实现

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WiFi是目前使用较为广泛的无线局域网技术。随着新型教学模式的推广和便携移动终端的迅速普及,在多媒体智慧教室中常出现教师端主机到大量学生移动终端的多屏同显景象,对于这种“点到多点”的场景,使用组播技术可提高传输效率,因此,在WiFi网络中提供组播服务面临实际需求。在WiFi组播业务传输中,要解决标准802.11组播中的低可靠性问题的同时,还要考虑到无线网络的带宽局限性。WiFi技术所使用的802.11协议在MAC层仅仅提供了针对单播的可靠性服务,缺乏对于组播的可靠性支持,现有的WiFi组播可靠性解决方案在无线路由处进行组播转单播,以单播的形式进行下一跳的数据分发。当用户数目较多时,这种方案会占用大量无线信道资源发送重复数据,可能导致无线信道出现严重拥塞,难以在有限的带宽资源下满足大量学生终端的视频播放需求。在智慧教室中,学生通常使用Windows操作系统,但学习计算机等相关专业的学生可能更偏向于使用Linux操作系统,同时,基于接收方MAC层的可靠性解决方案需要对网卡驱动做出修改,然而商用网卡通常不支持改动,设备的系统及网卡通用性是一个尚待解决的问题。本文针对上述问题,对智慧教室场景下的WiFi组播传输可靠性保证机制进行了设计与实现,为项目“教育场景中WLAN视频业务组播重传”提供了技术支撑,主要工作为:(1)针对大量学生终端问题,提出一种WiFi网络下的组播单播混合发送机制,在无线路由器的中间层,备份所发送组播数据,并对丢失数据进行组播转单播的重传,用定向、少量的组播转单播取代针对所有用户的群体组播转单播,保证了WiFi组播中可靠性与带宽资源占用率之间的平衡。(2)针对移动终端多样化问题,在Windows终端基于WFP框架、Linux终端基于Netfilter框架分别设计了组播单播合并接收同步提交与丢包反馈方案,两种方案均基于网络层实现,无需对MAC层做出改动,适用于不同厂家生产的任意无线网卡。(3)针对无线网络高误帧率问题,设计了一种高效率自适应的反馈帧格式,接收端在误帧时发送反馈并根据误帧率自主调整反馈方式,使一次反馈可携带错误接收信息量最大化以减少反馈次数。(4)对所提出的WiFi组播传输可靠性保证机制进行了实现,搭建测试场景验证了功能,并通过性能测试说明本方案实现了多用户WiFi组播中可靠性与带宽资源占用率之间的平衡。
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