CN102111340A - 带宽的限制方法、装置及网络设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽的限制方法、装置及网络设备。其中方法包括：在接收到TCP报文接收方返回的ACK报文后，检测报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽，如果已用尽，通告TCP报文发送方暂停发送TCP报文，TCP报文发送方可以根据该通告，暂停发送TCP报文以等待带宽配额的恢复。本发明可解决现有技术中，由于带宽限制丢弃TCP报文而错误触发TCP拥塞控制机制导致无法稳定、饱和地利用网络带宽的问题。

Description

带宽的限制方法、装置及网络设备

技术领域

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及带宽的限制方法、装置及网络设备。

背景技术

TCP拥塞控制机制的目标是最大限度利用网络带宽，同时不产生数据流传输中的拥塞现象。现有的TCP拥塞控制机制通过设置“拥塞窗口”，实现主动的流量控制。发送方取“拥塞窗口”与接收方的“通告窗口”(即报文接收方通过发送给报文发送方的ACK报文中的WINDOW域，用来告知接收方剩余接收缓冲区的尺寸大小)两者的最小值作为发送上限，发送方通过逐渐增加“拥塞窗口”的大小来探测可用的网络容量，防止连接开始时采用不合适的发送量而导致网络拥塞。“拥塞窗口”大小总是从l(或一个比较小的值)开始，每收到一个来自接收方的ACK，增加l，逐渐提高报文发送速率。当发现ACK接收超时或收到3个相同ACK确认帧时，则表示有丢包事件，并认为此时网络已发生拥塞现象，要进行相应的拥塞控制，拥塞窗口通常被减半甚至重新被置为初始值l(或一个比较小的值)。

现有TCP拥塞控制机制发生丢包作为判断网络发生拥塞的依据，发送方一旦发现丢包，则立即缩减拥塞窗口，然后再通过逐渐增加拥塞窗口的大小，探测可用的网络容量。但如果不是因为网络出现拥塞，而是因为发送方的带宽限制(即在指定的用户群中分配优先的网络带宽资源，对个体或群体用户网络带宽的耗用设置上限，通过丢弃或缓存超限的报文，实现流量控制)而导致丢包，则会使得TCP报文流在传输过程中，报文传输速率表现为：逐渐提高，达到所限带宽的上限，然后剧减，再逐渐提高，如此反复，始终无法稳定保持传输速率，同时也没有饱和地使用网络带宽，浪费了可用的网络容量。

发明内容

本发明实施例提供的带宽的限制方法、装置及网络设备，用以解决现有技术中，由于带宽限制丢弃TCP报文而错误触发TCP拥塞控制机制导致无法稳定、饱和地利用网络带宽的问题。

本发明实施例提供的带宽的限制方法之一，包括：

在接收到TCP报文接收方返回的确认ACK报文后，检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；

在检测结果为已用尽时，通告所述发送方暂停发送TCP报文。

本发明实施例提供的带宽的限制方法之二，具体包括：

接收网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

根据所述通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待预先分配的带宽配额恢复。

本发明实施例提供的带宽的限制装置之一，包括：

带宽检测模块，用于在接收到TCP报文接收方返回的确认ACK报文后，检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；

通告模块，用于在检测结果为是时，通告所述TCP报文发送方暂停发送TCP报文。

本发明实施例提供的带宽的限制装置之二，包括：

接收模块，用于接收网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

发送模块，用于根据所述通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待带宽配额恢复。

本发明实施例提供的网络设备之一，位于TCP报文发送方和TCP报文接收方之间，该网络设备之一，包括本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之一。

本发明实施例提供的网络设备之二，包括本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之二。

本发明实施例提供的带宽限制方法、装置及网络设备，在接收到TCP报文接收方返回的ACK报文后，如果检测到报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽，如果已用尽，向TCP报文发送方暂停发送TCP报文的通告，TCP报文发送方可以根据该通告，暂停发送TCP报文以等待带宽配额的恢复。这样做可避免在TCP发送方在带宽配额已用尽的情况下，依然向TCP报文接收方发送TCP报文导致该报文被丢弃而错误引发TCP拥塞控制机制的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带宽的限制方法的网络连接示意图；

图2为本发明实施例提供的带宽限制方法的流程图之一；

图3为本发明实施例提供的带宽限制方法的流程图之二；

图4为本发明实施例提供的发送方暂停发送TCP报文之后的流程图；

图5为本发明实施例提供的带宽的限制装置之一的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的带宽的限制装置之二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例提供的一种带宽的限制方法、装置及网络设备的具体实施方式进行详细地说明。

图1是本发明实施例提供带宽的限制方法的网络连接示意图，图1中，网络设备A为TCP报文的发送方，网络设备B为TCP报文的接收方，在网络设备A和网络设备B之间是具有防火墙的网络设备C，网络设备A和网络设备B之间交互的各种报文需要经过网络设备C进行转发。

为了实现在TCP报文发送方在带宽用尽时，避免错误触发TCP拥塞控制机制，本发明实施例对TCP报文发送方、具有带宽限制功能的网络设备(例如安装有进行带宽限制的防火墙的网络设备)和TCP报文接收方的交互流程进行了改进，如图2所示，本发明实施例提供的带宽限制方法，具有带宽限制功能的网络设备(在下述流程中简称网络设备)侧，在TCP报文发送方向TCP报文接收方法发送TCP报文之后，执行下述步骤：

S201、网络设备接收TCP报文接收方返回的确认(ACK)报文；

S202、网络设备检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；如果检测到TCP报文发送方的带宽配额当前已经用尽，那么执行下述步骤S203；否则执行下述步骤S204；

在拥有带宽限制方案的网络里，每个发送方能够使用的带宽(带宽配额)需要预先配置，具有带宽限制功能的网络设备知晓各个TCP发送方的带宽配额，并能够对各发送方的带宽使用情况进行监控。

S203、网络设备通告该TCP发送方暂停发送TCP报文；

S204、结束本流程。

在上述步骤S203中，具体来说，网络设备可以通过下述方式通告TCP发送方暂停发送TCP报文：

网络设备对接收到的ACK报文进行修改，将其中的WINDOW域的大小修改为0。

这样做的目的好处在于，不需要使用额外的控制信令，利用现有TCP协议报文即可实现；按照现有TCP协议，TCP报文发送方如果收到TCP接收方返回的ACK报文，会根据ACK报文中WINDOW域和自身“拥塞窗口”两者中的较小值来决定下一个TCP报文的发送长度，按照此规定，如果ACK报文中WINDOW域为0，则必然会导致TCP报文发送方主动停止发送报文，而不会出现下述情况：TCP发送方按照未修改前的WINDOW域的大小正常发出下一个TCP报文，该TCP报文被具有带宽限制功能的网络设备因带宽限制丢弃从而错误引发TCP拥塞控制机制。

对于TCP报文发送方来说，其处理流程如图3所示，包括：

S301、TCP报文发送方接收网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

S302、TCP报文发送方根据接收的通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待带宽配额恢复。

在上述步骤S301中，TCP报文发送方具体接收的是防火墙转发的经防火墙修改WINDOW域之后的ACK报文，该ACK报文中的WINDOW域的大小被防火墙修改为0。

在上述步骤S302中，TCP报文发送方在接收到修改后的ACK报文后，解析该ACK报文中的WINDOW域的值为0，将ACK报文中的WINDOW域的值确定为所发送的TCP报文长度的上限值(由于TCP发送方的“拥塞窗口”的值必然大于等于0，因此两者取较小值为TCP报文长度的上限值时，该上限值也必然应该取0)。根据这个上限值为0的结果，可以确定需要暂停发送TCP报文。

按照TCP协议，发送方暂停发送TCP报文的时间通常为3秒，在这3秒内，由于TCP报文发送方已经主动停止发送TCP报文，其带宽配额可以迅速恢复而不至于继续处于枯竭状态，在通常状态下，3秒时间内，TCP报文发送方可用的带宽配额足够恢复到初始值。

由此，在上述步骤S302之后，如图4所示，还可以包括下述步骤：

S401、TCP报文发送方等待设定的时间，并在等待的时间超时之后，向TCP报文接收方重新发送上一次发送的TCP报文；

S402、TCP报文发送方判断是否接收到网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；若是，执行下述步骤S403；否则执行下述步骤S404；

S403、再次暂停发送TCP报文，然后再转向执行S401；

S404、向TCP报文接收方发送下一个TCP报文。

类似地，上述步骤S402中，TCP报文发送方通过解析防火墙转发的ACK报文中WINDOW域的值来确定是否接收到了暂停发送TCP报文的通告，在解析出的WINDOW域的值为0时，确定再次接收到了暂停发送TCP报文的通告；在解析出的WINDOW域的值为非0时，确定未收到暂停发送TCP报文的通告。

在上述步骤S404中，在TCP报文发送方判断未收到暂停发送TCP报文的通告(也就是解析出的ACK报文的WINDOW域的值为非0)时，将所述ACK报文中的非0的WINDOW域的大小，与预先设置的拥塞窗口的大小进行比较，将两者中的较小值确定为所发送的TCP报文长度的上限；并向TCP报文接收方发送长度等于该上限的下一个TCP报文。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了带宽的限制装置及网络设备，由于带宽的限制装置及网络设备解决问题的原理与前述一种带宽的限制方法相似，因此这些装置和设备的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的带宽的限制装置之一，如图5所示，包括：

带宽检测模块501，用于在接收到TCP报文接收方返回的确认ACK报文后，检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；

通告模块502，用于在检测结果为是时，通告所述TCP报文发送方暂停发送TCP报文。

进一步地，本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之一中的通告模块502，具体用于在所述带宽检测模块检测结果为是时，将所述接收方返回的ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值修改为0；将修改后的ACK报文发送至所述发送方。

较佳地，本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之一，在具体实施时，可以通过软件、硬件或者软硬件结合的方式实现，例如使用专用集成电路或其他硬件等同物来实现，或者采用软件的方式存储于存储器中并由处理器执行，以实现上述各种功能。可以为防火墙或者类似具有带宽监控和TCP报文转发功能的软件、硬件或者软硬件结合实现的实体。较佳地采用防火墙的形式实现。

本发明实施例提供的带宽的限制装置之二，如图6所示，包括：

接收模块601，用于接收具有带宽限制功能的网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

发送模块602，用于根据接收的通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待带宽配额恢复。

进一步地，本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之二中的发送模块602，还用于在暂停向TCP报文接收方发送TCP报文之后，等待设定的时间，在等待的时间超时之后，向TCP报文接收方重新发送上一次发送的TCP报文；并在所述接收模块再次接收到所述网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告时，根据所述通告，再次暂停发送TCP报文；否则，向所述TCP报文接收方发送下一个TCP报文。

进一步地，所述接收模块601，具体用于通过对接收的网络设备转发的ACK报文进行解析，在解析出所述ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值为0时，确定接收到了暂停发送TCP报文的通告；反之，则确定未收到暂停发送TCP报文的通告；

所述发送模块602，具体用于在接收模块601解析出将所述ACK报文中的WINDOW域的值为0时，确定0为所发送的TCP报文长度的上限；根据所述上限停止向TCP报文接收方发送TCP报文。

进一步地，本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之二中，发送模块602，还用于在所述发送模块重新发送上一次发送的TCP报文之后，若接收模块601解析出所述ACK报文中WINDOW域的值为非0，将所述ACK报文中的WINDOW域的大小，与预先设置的拥塞窗口的大小进行比较，将两者中的较小值确定为所发送的TCP报文长度的上限；并向所述TCP报文接收方发送长度等于所述上限的下一个TCP报文。

本发明实施例提供的网络设备之一，位于TCP报文发送方和TCP报文接收方之间，该网络设备之一包含本发明实施例提供的上述带宽的限制装置之一。并且在该网络设备之一中，上述带宽的限制装置之一可以通过软件、硬件或者软硬件结合的方式实现，例如使用专用集成电路或其他硬件等同物来实现，或者采用软件的方式存储于存储器中并由处理器执行，以实现上述各种功能。较佳地，该带宽的限制装置之一可以与网络设备之一的带宽检测、报文收发等模块建立各种物理形式的连接。较佳地，该网络设备之一为安装有防火墙的网络设备例如设置在TCP报文发送方和TCP报文接收方之间的网关设备、路由设备或其他类型的网络设备等。

本发明实施例提供的网络设备之二，作为TCP报文的发送方，包括上述带宽的限制装置之二，类似地，在该网络设备之二中，上述带宽的限制装置之二可以通过软件、硬件或者软硬件结合的方式实现，例如使用专用集成电路或其他硬件等同物来实现，或者采用软件的方式存储于存储器中并由处理器执行，以实现上述各种功能。在具体实施时，该网络设备之二可以是使用TCP协议进行数据传输的各种网络实体例如服务器等。

本发明实施例提供的带宽限制方法、装置及网络设备，在接收到TCP报文接收方返回的ACK报文时，如果检测到报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽，如果已用尽，向TCP报文发送方暂停发送TCP报文的通告，TCP报文发送方可以根据该通告，暂停发送TCP报文以等待带宽配额的恢复。这样做可避免在TCP发送方在带宽配额已用尽的情况下，依然向TCP报文接收方发送TCP报文导致该报文被丢弃而错误引发TCP拥塞控制机制的问题。

并且，在本发明实施例提供的带宽限制方法、装置及网络设备，TCP报文发送方在暂停发送TCP报文之后，等待设定的时间继续重发上一次TCP报文，由于在设定的时间内，该TCP报文的发送方的带宽配额已经恢复，TCP报文发送方可以充分利用当前的网络带宽，重发上一次的TCP报文，直至收到防火墙转发的、WINDOW域非0的ACK报文，才按照该非0的WINDOW域的值，正常发送下一个TCP报文，在这个过程中，在可以发送TCP报文时，都可充分利用现有的网络带宽，不需要像TCP拥塞控制机制那样，需要试探性地从发送一个较小长度报文开始，逐渐增大报文的发送长度，直至达到带宽的上限，然后再次从发送一个较小长度的报文开始，避免错误引发拥塞机制所带来的传输速率不稳定、没有饱和地利用网络带宽，浪费可用网络容量的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种带宽的限制方法，其特征在于，包括：

在接收到TCP报文接收方返回的确认ACK报文后，检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；

在检测结果为已用尽时，通告所述发送方暂停发送TCP报文。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通告所述发送方暂停发送报文，具体包括：

将所述接收方返回的ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值修改为0；

将修改后的ACK报文发送至所述发送方。

3.一种带宽的限制方法，其特征在于，具体包括：

接收网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

根据所述通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待预先分配的带宽配额恢复。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在暂停向TCP报文接收方发送TCP报文之后，还包括：

等待设定的时间，在等待的时间超时之后，向TCP报文接收方重新发送上一次发送的TCP报文；并

在再次接收到网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告时，根据所述通告，再次暂停发送TCP报文；否则，向所述TCP报文接收方发送下一个TCP报文。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，接收暂停发送TCP报文的通告，具体包括：

接收网络设备转发的ACK报文，所述ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值为0；

根据所述通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文，包括：

解析所述ACK报文中的WINDOW域的值为0，将所述ACK报文中的WINDOW域的值确定为所发送的TCP报文长度的上限；

根据所述上限停止向TCP报文接收方发送TCP报文。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，向TCP报文接收方发送下一个TCP报文，具体包括：

将所述ACK报文中的WINDOW域的大小，与预先设置的拥塞窗口的大小进行比较，将两者中的较小值确定为所发送的TCP报文长度的上限；并向所述TCP报文接收方发送长度等于所述上限的下一个TCP报文。

7.一种带宽的限制装置，其特征在于，包括：

带宽检测模块，用于在接收到TCP报文接收方返回的确认ACK报文后，检测TCP报文发送方预先分配的带宽配额当前是否已经用尽；

通告模块，用于在检测结果为是时，通告所述TCP报文发送方暂停发送TCP报文。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通告模块，具体用于在所述带宽检测模块检测结果为是时，将所述接收方返回的ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值修改为0；将修改后的ACK报文发送至所述发送方。

9.一种带宽的限制装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告；

发送模块，用于根据所述通告，暂停向TCP报文接收方发送TCP报文以等待带宽配额恢复。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发送模块，还用于在暂停向TCP报文接收方发送TCP报文之后，等待设定的时间，在等待的时间超时之后，向TCP报文接收方重新发送上一次发送的TCP报文；并在所述接收模块再次接收到所述网络设备发送的暂停发送TCP报文的通告时，根据所述通告，再次暂停发送TCP报文；否则，向所述TCP报文接收方发送下一个TCP报文。

11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述接收模块，具体用于通过对接收的网络设备转发的ACK报文进行解析，在解析出所述ACK报文中的通告窗口WINDOW域的值为0时，确定接收到了暂停发送TCP报文的通告；反之，则确定未收到暂停发送TCP报文的通告；

所述发送模块，具体用于在所述接收模块解析出将所述ACK报文中的WINDOW域的值为0时，确定0为所发送的TCP报文长度的上限；根据所述上限停止向TCP报文接收方发送TCP报文。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述发送模块，进一步用于在所述发送模块重新发送上一次发送的TCP报文之后，若所述接收模块解析出所述ACK报文中WINDOW域的值为非0，将所述ACK报文中的WINDOW域的大小，与预先设置的拥塞窗口的大小进行比较，将两者中的较小值确定为所发送的TCP报文长度的上限；并向所述TCP报文接收方发送长度等于所述上限的下一个TCP报文。

13.一种网络设备，其特征在于，位于TCP报文发送方和TCP报文接收方之间，所述网络设备包括如权利要求7或8所述的带宽的限制装置。

14.一种网络设备，其特征在于，所述网络设备包括如权利要求9至12任一项所述的带宽的限制装置。

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