基于令牌桶算法的公眾號小程序訪問流量控制模型

王文強(qiáng)，任 凱，李曙軍，杜冠男

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北石家莊 050000；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司培訓(xùn)中心，河北石家莊 050000）

令牌桶算法是實(shí)現(xiàn)速率限制與網(wǎng)絡(luò)流量整形的常用處理政策，可用來控制主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的傳輸信息數(shù)量級水平，一般情況下，可允許突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送行為的同時(shí)存在[1]。在流量網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，為防止信息擁塞行為的出現(xiàn)，需要對流出網(wǎng)絡(luò)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行限流處理，從而使傳輸信息可以通過勻速方式向外發(fā)送。令牌桶可自行以恒定速率值源源不斷地產(chǎn)生令牌信息，且在令牌不被消耗的情況下，數(shù)據(jù)被消耗的速度始終小于產(chǎn)生的速度，因此令牌會不斷地增多，直至將桶完全裝滿[2-3]。

公眾號小程序是一種新近流行的傳輸型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，在既定時(shí)間階段內(nèi)，能夠占據(jù)極高的訪問流量。隨著信息傳輸流量值的增大，訪問主機(jī)對于數(shù)據(jù)信號的精確化協(xié)調(diào)能力會出現(xiàn)明顯下降的變化趨勢。為避免上述情況的發(fā)生，TCP 串行流量控制算法在滑動窗口的作用下，確定發(fā)送端主機(jī)中的信息收發(fā)效率，再通過流量整形的方式，降低網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的流量輸出水平。但此方法在單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)脑L問流量數(shù)值相對較小，很難實(shí)現(xiàn)對訪問流量傳輸行為的有效控制。為解決此問題，設(shè)計(jì)基于令牌桶算法的公眾號小程序訪問流量控制模型，借助Web 服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)對訪問流量的應(yīng)急性管理，再聯(lián)合控制協(xié)議連接特征，定義流量報(bào)文段的應(yīng)用格式。

1 基于令牌桶算法的流量需求分析

基于令牌桶算法的流量需求分析包含存儲中間件連接、Web 服務(wù)框架搭建、公眾號小程序訪問流量應(yīng)急管理3 個(gè)操作環(huán)節(jié)，具體研究方法如下。

1.1 存儲中間件

存儲中間件存在于公眾號小程序訪問網(wǎng)絡(luò)中，是一種非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體，一般可用作對流量信息進(jìn)行分布式緩存處理。在多個(gè)Client 主機(jī)的作用下，流量交換機(jī)可調(diào)取與公眾號小程序相關(guān)的訪問流量信息，并可借助已成型的令牌桶結(jié)構(gòu)體，將信息參量反饋至下級關(guān)聯(lián)主機(jī)之中。Master執(zhí)行器、Slave 執(zhí)行器同時(shí)隸屬于存儲中間件的輔助控制單元，可在接收公眾號小程序訪問流量信息的同時(shí)，更改令牌桶結(jié)構(gòu)體的現(xiàn)有連接形式[4-5]。Data Server 主機(jī)存在于存儲中間件的底層應(yīng)用單元之中，能夠感知令牌桶結(jié)構(gòu)體中公眾號小程序訪問流量信息的實(shí)際傳輸狀態(tài)。存儲中間件連接形式如圖1 所示。

圖1 存儲中間件連接形式

1.2 Web服務(wù)框架

Web 服務(wù)框架作為存儲中間件的下級連接結(jié)構(gòu)，可準(zhǔn)確獲取公眾號訪問網(wǎng)絡(luò)中的流量傳輸需求，并可借助控制主機(jī)，將這些應(yīng)用信號反饋至其他令牌桶結(jié)構(gòu)體應(yīng)用設(shè)備中。訪問流量控制主機(jī)可與行為應(yīng)用主機(jī)、行為控制芯片與流量記錄設(shè)備相連，能夠在控制公眾號小程序訪問流量擴(kuò)散行為的同時(shí)，確定現(xiàn)有連接形式能夠滿足數(shù)據(jù)信息的實(shí)際傳輸需求，并對令牌桶結(jié)構(gòu)體中暫存的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行整合處理[6-7]。當(dāng)令牌結(jié)構(gòu)體達(dá)到額定存儲條件時(shí)，Web服務(wù)框架才會進(jìn)入連續(xù)性穩(wěn)定的工作狀態(tài)中。Web服務(wù)框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Web服務(wù)框架結(jié)構(gòu)圖

1.3 公眾號小程序訪問流量應(yīng)急管理

公眾號小程序訪問流量應(yīng)急管理的后端運(yùn)行代碼始終遵循MVC 編譯風(fēng)格，可在Domin、Dao、Service、Controller 4 個(gè)模塊之間分層連接關(guān)系的作用下，實(shí)現(xiàn)對令牌桶存儲流量的增、刪、改、查。該級執(zhí)行原則可借助DispatcherServlet、Controller 兩種類型的前端主機(jī)，實(shí)現(xiàn)令牌桶存儲流量與View 控制模塊間的信息共通[8-9]。一般情況下，訪問流量應(yīng)急管理行為能夠直接干預(yù)與公眾號小程序相關(guān)的項(xiàng)目操作信息，并可在感知Web 服務(wù)程序標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對邏輯依賴型連接訪問信息的有效控制。完整的公眾號小程序訪問流量應(yīng)急管理程序開發(fā)環(huán)境如表1 所示。

表1 開發(fā)環(huán)境

2 公眾號小程序訪問流量控制模型

在令牌桶算法流量需求的支持下，按照控制協(xié)議連接特征分析、連接行為復(fù)位、流量報(bào)文段格式定義的處理流程，完成公眾號小程序訪問流量控制模型的搭建。

2.1 控制協(xié)議連接特征

在令牌桶算法的支持下，控制協(xié)議連接特征可解釋為當(dāng)客戶機(jī)接收到公眾號小程序訪問流量后，由服務(wù)端主機(jī)輸出的具有控制能力的行為性執(zhí)行指令，可用于區(qū)分流量數(shù)據(jù)實(shí)體與流量應(yīng)用信息之間的應(yīng)有差異性，從而判定一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)程是否具備可繼續(xù)執(zhí)行的能力[10]。若判定結(jié)果為是，則服務(wù)端主機(jī)可直接返回一個(gè)設(shè)置型控制應(yīng)答，以用來拒絕與令牌桶結(jié)構(gòu)體相關(guān)的訪問流量連接請求；若判定結(jié)果為否，則服務(wù)端主機(jī)可遞交一個(gè)應(yīng)答服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，再借助流量傳輸信道，實(shí)現(xiàn)對令牌桶應(yīng)答行為的有效控制[11-12]。設(shè)ε1、ε2分別代表兩個(gè)不同的流量主機(jī)訪問連接控制系數(shù)，I0代表最小的令牌桶連接行為訪問次數(shù)，I代表最大的令牌桶連接行為訪問次數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將控制協(xié)議的連接特征表示為：

其中，代表公眾號小程序訪問流量輸出均值，i代表令牌桶連接行為訪問次數(shù)，代表與訪問流量相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用量。

2.2 連接行為復(fù)位

公眾號小程序訪問流量可以直接請求對一條數(shù)據(jù)連接指令進(jìn)行復(fù)位處理，訪問流量頭結(jié)點(diǎn)處的控制協(xié)議連接特征可與客戶端主機(jī)直接相連。連接行為復(fù)位能夠表示當(dāng)前的訪問流量連接已經(jīng)被破壞，需要撤銷后續(xù)的所有數(shù)據(jù)連接[13]。以下幾種情況下均會發(fā)生連續(xù)性的連接復(fù)位行為：

1）位于令牌桶結(jié)構(gòu)體某一端的訪問流量請求很難連接到并不明確存在的數(shù)據(jù)端口，而另一端的公眾號小程序信息則可在原有令牌桶算法的支持下，實(shí)現(xiàn)對復(fù)位報(bào)文段的發(fā)送處理，在此情況下，可將訪問流量比特值設(shè)置為“1”，以方便后續(xù)控制請求的執(zhí)行與復(fù)位處理。

2）若令牌桶結(jié)構(gòu)體某一端的訪問流量請求出現(xiàn)了異常連接的情況，希望將這種控制行為終止，則可將未復(fù)位的報(bào)文段發(fā)送回原始客戶端主機(jī)中，并可將已復(fù)位的流量比特值再次更改為“1”，再借助數(shù)據(jù)傳輸信道，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)請求傳輸行為的有效控制[14]。

3）若某一端的令牌桶結(jié)構(gòu)體發(fā)現(xiàn)另一端的公眾號小程序訪問流程已經(jīng)空閑了極長的一段時(shí)間，則可在復(fù)位報(bào)文段組織的作用下，將所有訪問流量比特值均改寫為“1”，進(jìn)而滿足令牌桶存儲中間件的實(shí)際數(shù)據(jù)撤銷連接請求。

2.3 流量報(bào)文段格式定義

流量報(bào)文段格式定義是公眾號小程序訪問流量控制模型搭建的末尾處理環(huán)節(jié)，可在令牌桶算法的作用下，更改已存儲的數(shù)據(jù)信息連接行為，從而使流量傳輸主機(jī)的實(shí)際信息應(yīng)用需求得到滿足[15-16]。一般情況下，已存儲的公眾號小程序訪問流量報(bào)文數(shù)值量越大，最終定義信息格式所需的控制節(jié)點(diǎn)實(shí)用量也就越多，反之則越少。設(shè)α1代表原始情況下與公眾號小程序訪問流量相關(guān)的連接行為復(fù)位條件，αn代表傳輸系數(shù)為n時(shí)與公眾號小程序訪問流量相關(guān)的連接行為復(fù)位條件，聯(lián)立式（1），可將流量報(bào)文段的格式定義標(biāo)準(zhǔn)表示為：

式（2）中，f代表既定的訪問流量復(fù)位處理系數(shù)，代表公眾號小程序訪問流量在單位時(shí)間內(nèi)的傳輸均值量。至此，完成各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在令牌桶算法的支持下，實(shí)現(xiàn)公眾號小程序訪問流量控制模型的順利應(yīng)用。

3 模型測試與應(yīng)用

為驗(yàn)證基于令牌桶算法公眾號小程序訪問流量控制模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。在圖3 所示公眾號小程序訪問網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)用戶主機(jī)，其中一個(gè)作為實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測設(shè)備，搭載基于令牌桶算法公眾號小程序訪問流量控制模型，另一個(gè)作為對照組監(jiān)測設(shè)備，搭載TCP 串行流量控制算法。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，記錄實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化情況。

圖3 公眾號小程序訪問網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

已知單位時(shí)間內(nèi)的信息傳輸值、UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)均能用來描述公眾號小程序訪問流量的精準(zhǔn)化傳輸能力，一般情況下，單位時(shí)間內(nèi)的信息傳輸值越大，UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)水平越高，公眾號小程序訪問流量的精準(zhǔn)化傳輸能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。

以15 min 作為一個(gè)單位時(shí)長，表2 記錄了4 個(gè)單位時(shí)長內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對照組公眾號小程序訪問流量信息傳輸值的實(shí)際變化情況。

表2 單位時(shí)間內(nèi)的信息傳輸值對比表

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)組公眾號小程序訪問流量信息傳輸值在前3 個(gè)單位時(shí)長內(nèi)，始終保持不斷上升的變化趨勢，從第4個(gè)單位時(shí)長開始，流量信息傳輸值開始逐漸趨于穩(wěn)定，全局最大值達(dá)到了7.8×1013T，且能夠維持較長一段時(shí)間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)。對照組公眾號小程序訪問流量信息傳輸值在前2 個(gè)單位時(shí)長內(nèi)，一直不斷上升，從第3 個(gè)單位時(shí)長開始，逐漸趨于穩(wěn)定，從第4 個(gè)單位時(shí)長起，又開始快速下降，全局最大值僅能達(dá)到5.6×1013T，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，下降了2.2×1013T。綜上可知，應(yīng)用基于令牌桶算法公眾號小程序訪問流量控制模型后，單位時(shí)間內(nèi)的信息傳輸值呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢，可實(shí)現(xiàn)對公眾號小程序訪問流量的精準(zhǔn)化傳輸。

表3 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值變化情況。

表3 UDC轉(zhuǎn)存指標(biāo)對比表

分析表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，實(shí)驗(yàn)組UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)始終保持相對穩(wěn)定的波動性變化狀態(tài)，全局最大值達(dá)到了86.53%。對照組UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)則一直呈現(xiàn)階梯狀上升的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到68.73%，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，下降了17.80%。綜上可知，應(yīng)用基于令牌桶算法公眾號小程序訪問流量控制模型后，既定訪問節(jié)點(diǎn)處的UDC轉(zhuǎn)存指標(biāo)數(shù)值水平也開始不斷增大，可實(shí)現(xiàn)對公眾號小程序訪問流量傳輸行為的有效控制。

4 結(jié)束語

在令牌桶算法的作用下，公眾號小程序訪問流量控制模型可借助存儲中間件與Web 服務(wù)框架，完成對流量報(bào)文段格式的精準(zhǔn)定義，且隨著既定訪問節(jié)點(diǎn)處UDC 轉(zhuǎn)存指標(biāo)數(shù)值的增大，單位時(shí)間內(nèi)的信息傳輸值水平也在不斷提升，可在控制公眾號小程序訪問流量傳輸行為的同時(shí)，完成對流量數(shù)據(jù)信息的精確化協(xié)調(diào)與處理。