CN101765004A - 一种优化无线视频tcp传输的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种优化无线视频TCP传输的方法，该方法包括：采集RTT信息；接收报文的处理；设置重传定时器；重传定时器的超时处理；构造ACK报文的处理。与现有技术相比，本发明的实现原理简单，对于无线视频TCP传输的多数场合有效；此外，本发明视频编码器，视频显示中心等终端节点设备完全透明，功能模块部署容易，即可用于层2交换设备，也可用于层3路由设备。
Description
技术领域
本发明涉及在以无线网络为承载的TCP视频业务中，采用中间节点在TCP连接中监控，修改，注入相应报文的方法，尤其涉及一种优化无线视频TCP传输的方法。
背景技术
TCP连接要获得稳定带宽的一个重要因素是稳定的RTT(传输往返延时)值。如果RTT频繁变化，TCP无法准确估计出延时时间，因此可能一个短暂的临时的延时增加就导致TCP降低发送速率。现在无线网络由于有链路层的纠错或者重传机制，表现为在空中链路上的丢包率并不高，而在此类网络中最大的三个问题是：(一)延时突然增长。切换，底层重传，数据被阻塞都可能导致传输延时的突然增长。当它发生时，TCP协议看到的RTT延时可能是正常值的数倍。当延时突长发生时，发送方长时间无法收到ACK，因此重传定时器超时，数据重发。事实上此时的重发是没有必要的。随后发送方马上收到ACK，发送方无法判别哪个是重发的ACK，触发发送方的“慢启动”过程，在慢启动过程中造成数据发送的突发流，接着又引起拥塞控制。(二)RTT和带宽频繁变化。RTT和带宽频繁变化，无线环境中链路质量由于干扰，信号衰弱等原因，导致数据重传，RTT变化和带宽变化很大。例如WCDMA中的RLC层为了保证按序投递报文，会多次重传。(三)有线和无线链路混合构成传输路径。有线链路和无线链路的特性不同，针对TCP协议的优化难以同时适用于有线和无线链路。在高宽带的无线视频监控的应用中，对无线带宽的稳定性提出了很高要求，TCP连接实际的传输带宽的下降，必然影响到视频监控的效果。若传输带宽下降较大，视频的接收方会出现图像的抖动，迟滞，甚至马赛克等现象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种高效可靠的优化无线视频TCP传输的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)采集RTT信息；
(2)接收报文的处理；
(3)设置重传定时器；
(4)重传定时器的超时处理；
(5)构造ACK报文的处理。
所述的采集RTT信息的步骤包括：
(1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间；
(2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now；
(3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0；
(4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。
所述的接收报文的处理包括：
(1)如果接收到的报文不是TCP报文，则不做处理；
(2)检测报文方向是“从无线侧来”，还是“从有线侧来”；
(3)若报文方向是“从无线侧来”，则进行以下步骤：
a.报文带有TCP标志RST或者FIN，则表示实际TCP连接已经结束，查找本地对应的实体，发完缓冲的报文；
b.报文中带有TCP标志SYN与ACK，则表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应，此时创建本地对应的实体；
c.报文中带有SYN标志，则表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体；
d.报文中带有ACK标志，则表示无线侧对接收报文的应答，进入“ACK应答”处理；
(4)若报文方向是“从有线侧来”，则进行以下步骤：
a.报文中同时带有标志SYN与ACK，或仅带有ACK，则说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存处理”；
b.报文中带有标志SYN，则说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存处理”。
所述的“ACK应答”的处理包括：
(1)获取TCP连接对应的本地实体，若本地实体不存在，则不做处理返回；
(2)若该连接由无线侧发起，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文“，则将本地实体状态设置为“建立完成”态，记录ACK序号为“记录的ACK序号”；
(3)对于其他状态：
a.若报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，则认为是异常情况；
b.若报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，则认为数据接收方又收到了数据包：
i.清空对应于“记录的ACK序号”与“ACK序号”之间的缓存报文；
ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”；
iii.重新计算RTT；
iv.复位重发定时器；
c.若报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，则认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失：
i.获取可能的SACK选项；
ii.循环缓冲的报文：若报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文；
iii.取出缓冲队列中的第一个报文；
d.更新TCP连接使用的窗口大小；
e.清除报文中的ACK标志；
f.返回。
所述的取出缓冲队列中的第一个报文包括：
(1)若该报文序号大于“ACK序号”，则转入步骤d；
(2)若该报文序号不等于“ACK序号”，则转入步骤d；
(3)若设置了重发该报文，则转入步骤d；
(4)若当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间超过2倍的RTT，则重发该报文；
(5)若报文中给出窗口大小发生变化，或ACK报文中包含有数据部分，则转入步骤d；
(6)丢弃接收到的ACK报文。
所述的“DATA缓存”的流程包括：
(1)获取到对应TCP连接的本地实体，若如果本地实体不存在，则创建对应实体；
(2)若报文中带有SYN标志，则进入“等待连接建立”状态；
(3)若报文中不带有SYN标志，则进行以下步骤：
a.若报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列；
b.此为异常情况，让报文通过中间实体。
所述的设置重传定时器包括：
(1)获取缓冲队列的第一包；
(2)若报文空或报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则删除重传定时器，并返回；
(3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
所述的重传定时器的超时处理包括：
(1)获取缓冲队列的第一包；
(2)若报文空或对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则返回；
(3)重新发送取出的报文，重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
所述的构造ACK报文的处理包括：
(1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号；
(2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号；
(3)周期性地构造ACK报文：
a.ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出的报文字节数；
b.若“ACK报文应答序号”大于最近的“发送数据报文的序号”，则设置“ACK报文应答序号”为最近的“发送数据报文的序号”；
c.构造ACK报文，其中应答序号为本地实体的“ACK报文应答序号”，报文发往有线网络一侧。
与现有技术相比，本发明的实现原理简单，对于无线视频TCP传输的多数场合有效；此外，本发明视频编码器，视频显示中心等终端节点设备完全透明，功能模块部署容易，即可用于层2交换设备，也可用于层3路由设备。
附图说明
图1是本发明一种优化无线视频TCP传输的方法的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，视频显示中心A，无线设备IB，无线设备IIC(作为无线网络的组成部分)，视频编码器D，视频编码器D将远端的模拟视频信号编码成数字的IP报文，这些IP业务报文通过无线网络传输到无线网络和有线网络的边界设备(这里的无线设备IA)，然后再经过有线网络传到“视频显示中心A”。
在高宽带的无线视频监控的应用中，对无线带宽的稳定性提出了很高要求，TCP连接实际的传输带宽的下降，必然影响到视频监控的效果。若传输带宽下降较大，视频的接收方会出现图像的抖动，迟滞，甚至马赛克等现象。本专利采用了创新的方法，提出了一种轻量级的解决方法，无需修改终端设备，可完全解决上述问题。
在TCP连接经过的中间节点上，安装用于优化TCP性能的模块。该模块首先通过监听TCP建立连接的三次握手交互，建立对应连接的本地实体。然后该实体截取TCP连接中接收者上报的带有ACK标志的报文，并去除报文中ACK标志。该实体构造ACK报文发给TCP连接中的发送方，以控制发送方均匀地发送数据。该实体将缓存发送者的数据报文，针对接收者上报的重复ACK报文，判断出丢失的报文，然后重发这些报文。如果接收者的ACK报文在一定时间内没有收到，该实体将重发自己缓存区的第一个报文，以帮助TCP连接检测错误。
基本流程：
接收报文的处理：
(1)如果接收到的报文不是TCP报文，不做处理。
(2)确定报文方向是“从无线侧来”的，还是从“从有线侧来”
(3)如果报文方向为“从无线侧来”。
a)报文带有TCP标志RST或者FIN：表示实际TCP连接已经结束。查找本地对应的实体，发完缓冲的报文。
b)报文中带有TCP标志SYN和ACK(同时)：表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应。此时创建本地对应的实体。
c)报文中带有SYN标志：表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体。
d)报文中带有ACK标志：表示无线侧对接收报文的应答。进入“ACK应答”处理。
(4)如果报文方向为“从有线侧来”。
a)报文中带有标志SYN和ACK(同时)，或者ACK，说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存”处理。
b)报文中带有标志SYNC，说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存”处理。
“DATA缓存”的流程：
(1)获取到对应TCP连接的本地实体。如果本地实体不存在，则创建对应实体。
(2)如果报文中带有SYN标志，进入“等待连接建立”状态。
(3)否则：
a)如果报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列。
b)此为异常情况。让报文通过中间实体。
“ACK应答”的处理：
(1)获取TCP连接对应的本地实体。如购本地实体不存在，则不做处理返回。
(2)如果该连接由“无线侧发起”，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文”，将本地实体状态设置为“建立完成”态。记录ACK序号为“记录的ACK序号”。
(3)对于其他状态：
a)如果报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，认为是异常情况
b)如果报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，认为数据接收方又收到一些数据包。
i.清空对应于“记录的ACK序号”和“ACK序号”之间的缓存报文
ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”
iii.重新计算RTT
iv.复位重发定时器
c)如果报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失。
i.获取可能的SACK选项
ii.循环缓冲的报文：如果报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文。
iii.取出缓冲队列中的第一个报文，
1.该报文序号大于“ACK序号”：转步骤d)
2.该报文序号不等于“ACK序号”：转步骤d)
3.如果设置了该重发该报文，转步骤d)
4.如果当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间，超过2倍的RTT，则重发该报文。
5.如果报文中给出窗口大小发生变化。或者ACK报文中还有数据部分，转步骤d)
6.丢弃接收到的ACK报文
d)更新TCP连接使用的窗口大小
e)清除报文中的ACK标志
f)返回
设置重传定时器的过程：
(1)获取缓冲队列的第一包
(2)如果报文空或者报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”。那么删除重传定时器。返回。
(3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
重传定时器的超时处理：
(1)获取缓冲队列的第一包。
(2)那么报文空或者对应的序号，不是“记录的ACK序号”，返回
(3)重新发送取出的报文。重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
计算RTT的过程：
(1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间。
(2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now
(3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0
(4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。
构造ACK报文的处理：
(1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号。
(2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号。
(3)周期性地构造ACK报文：
a)ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出来的报文字节数。
b)如果“ACK报文应答序号”大于最近的“发送数据报文的序号”，设置“ACK报文应答序号”为最近的“发送数据报文的序号”。
c)构造ACK报文，其中应答序号为本地实体的““ACK报文应答序号”。报文发往有线网络一侧。
TCP(Transmission Control Protocol)：传输控制协议；
RTT(Round Trip Time)：往返传输时间；
ACK：Acknowledge确认标志；
RST：Reset复位标志；
FIN：Finish结束标志；
SYN：Synchronize同步标志；
RLC：Radio Link Control无线链路控制；
WCDMA：Wideband Code Division Multiple Access宽带码分多工存取。
Claims (9)
1.一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)采集RTT信息；
(2)接收报文的处理；
(3)设置重传定时器；
(4)重传定时器的超时处理；
(5)构造ACK报文的处理。
2.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的采集RTT信息的步骤包括：
(1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间；
(2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now；
(3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0；
(4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。
3.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的接收报文的处理包括：
(1)如果接收到的报文不是TCP报文，则不做处理；
(2)检测报文方向是“从无线侧来”，还是“从有线侧来”；
(3)若报文方向是“从无线侧来”，则进行以下步骤：
a.报文带有TCP标志RST或者FIN，则表示实际TCP连接已经结束，查找本地对应的实体，发完缓冲的报文；
b.报文中带有TCP标志SYN与ACK，则表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应，此时创建本地对应的实体；
c.报文中带有SYN标志，则表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体；
d.报文中带有ACK标志，则表示无线侧对接收报文的应答，进入“ACK应答”处理；
(4)若报文方向是“从有线侧来”，则进行以下步骤：
a.报文中同时带有标志SYN与ACK，或仅带有ACK，则说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存处理”；
b.报文中带有标志SYN，则说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存处理”。
4.根据权利要求3所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的“ACK应答”的处理包括：
(1)获取TCP连接对应的本地实体，若本地实体不存在，则不做处理返回；
(2)若该连接由无线侧发起，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文“，则将本地实体状态设置为“建立完成”态，记录ACK序号为“记录的ACK序号”；
(3)对于其他状态：
a.若报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，则认为是异常情况；
b.若报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，则认为数据接收方又收到了数据包：
i.清空对应于“记录的ACK序号”与“ACK序号”之间的缓存报文；
ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”；
iii.重新计算RTT；
iv.复位重发定时器；
c.若报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，则认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失：
i.获取可能的SACK选项；
ii.循环缓冲的报文：若报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文；
iii.取出缓冲队列中的第一个报文；
d.更新TCP连接使用的窗口大小；
e.清除报文中的ACK标志；
f.返回。
5.根据权利要求4所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的取出缓冲队列中的第一个报文包括：
(1)若该报文序号大于“ACK序号”，则转入步骤d；
(2)若该报文序号不等于“ACK序号”，则转入步骤d；
(3)若设置了重发该报文，则转入步骤d；
(4)若当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间超过2倍的RTT，则重发该报文；
(5)若报文中给出窗口大小发生变化，或ACK报文中包含有数据部分，则转入步骤d；
(6)丢弃接收到的ACK报文。
6.根据权利要求3所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的“DATA缓存”的流程包括：
(1)获取到对应TCP连接的本地实体，若如果本地实体不存在，则创建对应实体；
(2)若报文中带有SYN标志，则进入“等待连接建立”状态；
(3)若报文中不带有SYN标志，则进行以下步骤：
a.若报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列；
b.此为异常情况，让报文通过中间实体。
7.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的设置重传定时器包括：
(1)获取缓冲队列的第一包；
(2)若报文空或报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则删除重传定时器，并返回；
(3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
8.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的重传定时器的超时处理包括：
(1)获取缓冲队列的第一包；
(2)若报文空或对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则返回；
(3)重新发送取出的报文，重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。
9.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的构造ACK报文的处理包括：
(1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号；
(2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号；
(3)周期性地构造ACK报文：
a.ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出的报文字节数；
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