CN102546106A - 面向卫星网络的多路径并行传输方法 - Google Patents

Abstract

面向卫星网络的多路径并行传输方法是一种在卫星网络传输层中进行数据传输的控制方法，本发明结合卫星网络与多路径传输特性做出改进：在缓解接收端缓存阻塞的基础上，采取一种基于时延抖动的丢包区分方法，接收端通过确认包将拥塞标志传递给源端，源端结合拥塞标志和数据块重传标识相应地调整拥塞窗口，调整发送速率。同时，源端比较所有目的节点反馈的数据包时延选取一条时延最短的路径作为反馈包的最优路径，对于源端，其有助于更迅速的调整拥塞窗口，减轻了窗口增长过快引起的网络性能恶化，且及时的重传丢失的数据块，提高卫星网络中多路径并行传输的吞吐量、窗口抖动、时延和丢包率等方面等性能。

Description

面向卫星网络的多路径并行传输方法

技术领域

本发明是一种面向卫星网络中传输层协议的性能解决方案。主要用于提高多路径并行传输协议(Concurrent Multipath Transfer，简称CMT)在卫星网络中的性能，属于卫星网络传输层拥塞控制的技术领域。

背景技术

随着网络接口技术的成熟以及互联网逐步异构化，许多移动设备具有了多接口的特性，但是目前普遍使用的TCP/IP协议和流控制传输协议(SCTP)只能使用单一接口传输数据，不能有效的利用带宽资源，但是多路径并行传输(CMT)很好地解决了这一问题。CMT建立在SCTP的基础上，继承SCTP的多宿性和多流性，和目前研究的mTCP比较相似，其利用了带宽聚合技术，源主机和目的主机可以使用多条路径同时传输数据，充分利用可用带宽，提高了吞吐量，且提高了传输的可靠性和容错能力，当某条路径因某种原因发生链路瘫痪，可以继续选择其他路径继续传输，在一定程度上提高了传输的安全性。

随着网络通信技术的不断进步，卫星通信以其宽覆盖范围，良好的传播能力和不受各种地域条件限制等优点成为无线Internet接入的重要手段。与地面网络不同的是，卫星网络具有BDP值(带宽与双向传输延迟时间的乘积)大，误码率高，信道不对称及移动频繁等特性，这些特点导致数据包在传输过程中频繁产生丢包。使用CMT协议在卫星网络环境下进行数据传输时，由于受到高误码率的影响，数据包不可能同时到达接收端，同时丢包也会使得数据包乱序现象更加严重，接收端设置了接收缓存，该缓存由传输过程中多条数据子流共享，传输层向应用层递交数据块必须是按序递交，因此失序的数据块必须保存在缓存中，即会引起大量的数据块在接收端缓存滞留，导致缓存阻塞。并且传统的CMT把所有丢包都简单的认为是某条链路因为网络拥塞而盲目采取相应的控制策略，导致对应的链路拥塞窗口调节过度，使得系统的利用率和整个网络的吞吐量下降。因此，在卫星网络中，除了原有的拥塞控制外，必须增加差错控制的任务。

综上所述，传统的基于地面网络的CMT协议不能适应于长时延、高误码的卫星网络的环境，需要一种改进的CMT协议缓解因不同链路特性差异造成的接收端缓存阻塞问题，同时根据网络状况自适应区分拥塞与误码，实现了对链路的高效利用。

发明内容

技术问题：为了克服卫星网络对多路径并行传输的影响，本发明提出了一种面向卫星网络的多路径并行传输方法，在缓解接收端缓存阻塞的基础上根据链路中传输的TSN相对连续的分组时延抖动正确判断网络的拥塞状况，并选取返回时延最短的路径将拥塞因子及时的反馈给源端，源端调节相应链路的拥塞窗口，调整注入网络的数据量，提升整体网络的性能。

技术方案：本方法是一种策略性方法，综合考虑卫星网络环境与多路径并行传输的特性，利用传输层端到端技术的无缝、搞笑、独立等特点，在缓解缓存阻塞基础上提出一种基于分组时延抖动区分拥塞与误码方法，并选取最优路径反馈信息，保证当前卫星网络提供一个尽最大努力的服务。

本方法基本思想是建立在缓解缓存阻塞的基础上，采取一种基于丢包区分的CMT改进方法，接收端判断到达目的节点分组的延迟，延迟增加反映网络拥塞加重，因此，延迟的变化可以反映出拥塞的变化，接收端通过SACK确认包将拥塞标志传递给源端，源端结合拥塞标志和数据块重传标识相应地调整拥塞窗口，调整发送速率。同时，源端比较所有目的节点发送的SACK数据包的传输时延选取一条时延最短的路径作为反馈包的最优路径，对于源端，其有助于更迅速的调整拥塞窗口，减轻了窗口增长过快引起的网络性能恶化，且及时的重传丢失的数据块，提高了卫星网络中多路径并行传输的吞吐量、窗口抖动、时延和丢包率等方面等性能。

一、体系结构

首先，当使用卫星网络来处理网络业务流时，由于卫星网络的带宽比较大，数据传输的速率比较高，如果接收端缓存容量不足在很大程度上制约整体网络的性能，因此必须结合卫星网络与多路径并行传输协议的特点对缓存进行预估计，使得缓存容量为RBUF_CMT值时整体网络的性能与缓存为无穷时的性能接近。接收端缓存最小值为

Bi表示链路i的带宽，有n条路径同时传输。多路径并行传输中接收端缓存容量的大小与链路之间的时延比呈线性关系，相应的缓存容量可以估算为：

E[w_sum]＝l*E[w_path1]+E[w_path2]

E[Rwnd]＝E[w]*psize

l为链路2的时延与链路1时延的比值，E[w]表示拥塞窗口的平均值，psize表示数据传输过程中数据块的大小，其值小于MTU。

多路径并行传输中每条路径相当于一条SCTP偶联，和TCP类似，每个SCTP端点都使用RWND、SSTHERESH和CWND三个控制变量来规定其发送速率，端点使用慢启动和拥塞避免算法以控制进入到网络中的数据数量，每一条链路都有其对应的拥塞控制策略，因此，从数据处理的角度上来说，每一条SCTP连接和TCP连接是相同的，这里借鉴TCP中的拥塞窗口估计值：

$E\left[w\right]=\frac{2+b}{3b}+\sqrt{\frac{8(1-p)}{3\mathrm{bp}}+{\left(\frac{2+b}{3b}\right)}^2}$

其中p为每条链路上数据包丢弃的概率，b为每个SACK确认的已经接收到的连续数据块的数目。结合上面的三个公式，可以对CMT中总的拥塞窗口和接收端缓存容量(RBUF_CMT)的大小进行预估计。

${\mathrm{RBUF}}_{\mathrm{CMT}}=(1*2*(\frac{2+b}{3b}+\sqrt{\frac{8(1-p1)}{3\mathrm{bp}1}+{\left(\frac{2+b}{3b}\right)}^2})+2*(\frac{2+b}{3b}+\sqrt{\frac{8(1-p2)}{3\mathrm{bp}2}+{\left(\frac{2+b}{3b}\right)}^2}))*\mathrm{psize}$

其次，多路径并行传输建立前，SCTP端点定期向目的地址发送心跳消息(HeartBeat)来监视对端的空闲目的地址的可达性，目的地址向发送端点返回HeartBeat ACK进行响应表示可达。卫星网络环境下当某条路径由于天气原因或电磁干扰等因素发生故障后可以通过该机制恢复，但是在切换期间可能发生连续超时，导致数据包存在长时间延迟等待，CMT源端误认为是网络拥塞，窗口减小。卫星链路总的丢包率P是拥塞丢包率Pc与误码丢包率Pw之和。对于CMT这种基于窗口的控制机制，卫星网络将所有的丢包事件都归结为拥塞，这种调节过度使得系统的利用率降低。

某条链路延迟增加的情况下，分组丢失则很可能是该链路拥塞所致，否则很可能是因为链路误码而产生丢包。本文提出的方法则是观察每一条路径TSN编号相对连续分组延迟的抖动，接收端通过判断该抖动推测网络拥塞状况，并及时将该状况及时的反馈给源端，源端判断对应的链路标志位对相应的拥塞窗口做出适时的调整。

假定第K个分组从源端的一个目的地址i送的时间为在发送端发送的CMT数据块字段格式字段中添加一个字节用来存放发送时间戳，同时添加一个短字节存放路径标识，用来通知接收端返回SACK块路径，如图2所示。数据块到达目的地址时间为

假定因为发送端与接收端时钟不同步引起的时钟偏差为σ，则发送第k分组的延迟为：

$t^k\left(i\right)=t_r^k\left(i\right)-T_r^k\left(i\right)+\mathrm{\δ}$

同理，对于第k+1个分组，发送延迟为：

$t^{k+1}\left(i\right)=t_r^{k+1}\left(i\right)-T_r^{k+1}\left(i\right)+\mathrm{\δ}$

则第k个分组与第k+1个分组的延迟之差为：

${\mathrm{\Δ}}_k=t^{k+1}\left(i\right)-t^k\left(i\right)=(t_r^{k+1}\left(i\right)-t_r^k\left(i\right))-(T_r^{k+1}\left(i\right)-T_r^k\left(i\right))$

由于不同路径具有不同的传输时延和带宽，在路径i中传输的数据块编号TSN不一定是连续的，因此，在以上公式中出现的K与K+1表示编号相对连续。

如果Δ_k大于0，表示传输第k+1个分组的时延比第k个分组时延长，意味着网络此时可能出现拥塞，否则网络目前性能良好，但是由于网络的动态性，传输延迟抖动比较剧烈，仅考虑相邻数据块时延差误差比较大，所以取接收端目的地址i收到的连续的三个新分组考虑，要求这三个分组的TSN也是相对连续的。并且引入平滑因子和拥塞因子，使得测量结果与网络的实际状况更加接近。

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{k+1}}{{\mathrm{\Δ}}_k}=\frac{(t_r^{k+2}\left(i\right)-t_r^{k+1}\left(i\right))-(T_r^{k+2}\left(i\right)-T_r^{k+1}\left(i\right))}{(t_r^{k+1}\left(i\right)-t_r^k\left(i\right))-(T_r^{k+1}\left(i\right)-T_r^k\left(i\right))}$

μ_k＝αμ_k-1+(1-α)η_k(α＜1)

平滑因子的取值决定了拥塞因子对网络拥塞的敏感程度，对于拥塞判断，取三个连续的分组延迟可以反映网络拥塞程度，当网络出现分组丢弃时，如果此时拥塞因子绝对值大于1，我们可以推断网络出现拥塞应该及时调整拥塞窗口并且引发快速重传，否则则认为该分组因为卫星网络误码率高导致发生丢包，不必对窗口做出调整。

再者，CMT中接收端通过使用DATA数据块中的TSN用来向对等的端点确认接收到的DATA数据块，并通知发送端在收到的DATA数据块中的间隔。当发送端从连续的三个SACK中收到了相同的提示，这个TSN就当做丢失来报告，将该丢失的数据块标记为重发，针对最后一次发送的丢失DATA数据块的目的地址调整SSTHERESH和CMND，相应的对定时器进行调整。假设有两条路径同时传输数据，但是两条链路的RTT不同，Path1的往返时延比Path2长许多，其会造成时延短的路径SACK控制块先到达发送端，若源端连续收到相同SACK会误认为有数据块丢失而引发快速重传，如图1所示。本方法中定义返回时延如下：

返回时延＝源端收到SACK的时间戳-接收端发送SACK数据块的时间戳

当链路不对称时(发送时延与返回时延不等)，如果选取一条返回时延最短的路径发送SACK数据块能有效地缓解SACK块失序带来的源端判断错误而重传数据块的问题，并且接收端更及时将网络拥塞状况反馈给源端，以便实时的调整拥塞窗口，调节向网络注入数据的速率，提高网络整体的性能。接收端计算出拥塞因子需要反馈给源端，使其根据拥塞因子作出相应的调整，因此需要改变SACK数据块字段格式，如图3所示。同时，和分组数据块一样，也引入时间戳，让发送端通过判断所有目的地址返回时延的长短，选择一条返回时延最短的路径，并将该路径对应的标识符通过路径标识字段传递给接收端，指示SACK数据块必须在该路径上传输。由于SACK数据块有可能不再在原路径传输，必须将拥塞因子对应路径的目的地址返回给源端，因此，在这里引入了接收端IP地址字段。发送端收到SACK块后，根据该字段遍历缓存区，根据拥塞因子对其对应的拥塞窗口做出相应调整。

二、方法流程

面向卫星网络的多路径并行传输方法包括以下几个步骤：

步骤一，发送端与接收端通过四次握手机制交换通信状态，经过多条卫星链路建立偶联；

步骤二，发送端发送数据块前，在分组的分组头字段中记录发送时间戳，同时设置一个短字节存放路径标识符，初始值为-1表示接收端反馈确认块的最优路径暂时没计算；

步骤三，发送端发送数据块；

步骤四，接收端每个目的端口接收到数据分组后，处理数据分组，根据处理结果设置相应的接收端缓存容量，如果此时的路径标识为-1，则按源路径发送反馈数据块，否则应按照路径标识指定的路径反馈数据块，并且通告发送端接收端的窗口信用值，表示接收端仍允许接收多少字节的数据块；

步骤五，发送端收到反馈确认块后，处理反馈数据分组，根据处理结果填充最优返回路径标识符字段，如果继续传输数据，跳转步骤三，否则，转步骤六；

步骤六，发送端与接收端通过三次握手机制关闭对等端点之间的偶联，拆除双方的连接。

发送端收到反馈确认块后，处理反馈数据分组具体步骤为：

步骤一，发送端收到目的地址i反馈的确认数据块，保存拥塞控制因子与接收端IP地址；

步骤二，如果同样的确认数据块已接收三次，表明向目的地址i发送的某个分组丢失，立即重新传送该数据块；

步骤三，判断拥塞控制因子的绝对值是否大于1，如果是，则根据接收端IP地址字段相应的调整目的地址i对应的拥塞窗口，降低发送速率，否则不作调整，表示该分组丢失是由于卫星网路误码率高引起的；

步骤四，发送端判断接收端所有目的端口发送的确认数据块返回时延，确定最短返回时延对应的路径，将该路径标识存放路径标识字段中。

接收端每个目的端口接收到数据分组后，处理数据分组具体步骤为：

步骤一，接收端目的端口i收到一个数据分组；

步骤二，根据多条链路的往返时延比值、拥塞窗口的平均值及数据传输过程中数据块的大小计算出接收端缓存容量的下限值；

步骤三，如果收到的分组数目大于3，根据分组时延抖动计算拥塞控制因子，并且通过平滑因子平滑拥塞控制因子；

步骤四，在确认块头字段中添加反馈时间戳，拥塞控制因子及目的端口i对应的IP地址，同时记录累积编号、间隔证实块与重复的编号。

有益效果：本发明提出了一种基于卫星网络的多路径并行传输的改进方法，结合卫星网络与CMT协议的特点对接收端缓存进行预估计，使得缓存容量为估计出来的数值时整个网络的性能与缓存为无穷时的性能接近。卫星网络中每条路径拥塞窗口的变化有严重的盲目性，随着无线误码率和网络拥塞的加剧，拥塞窗口增长缓慢使得吞吐量一直处于较低水平，链路信道不对称性使得接收端缓存中数据向应用层递交缓慢，误认为数据块丢失引发快速重传，网络性能进一步降低。本方法动态网络中保持丢包区分的准确性，将丢包的准确率提高，屏蔽了复杂多变无线错误对丢包的影响，消除了误重传，将网络的真实情况及时反馈给发送端对改善上面所述情况起到显著的作用，使得网络吞吐量、窗口抖动率、时延和丢包率等方面都有明显的提高。

附图说明

图1多路径并行传输中各条路径时延对比。

图2改进的CMT协议数据块字段格式。

图3改进SACK数据块字段格式。

图4发送端改进方法的流程图。

图5接收端改进方法的流程图。

图6卫星网络传输系统。

具体实施方式

本发明提出的解决多路径并行传输在卫星网络中遇到的问题分为以下几个步骤：

步骤一，通过四次握手机制，两端SCTP主机交换通信状态，对等端点经过多条卫星链路建立偶联。

步骤二，发送数据前，在分组的分组头字段中记录发送时间戳

同时设置一个短字节存放路径标识符路径标识字段，初始值为-1表示接收端反馈SACK块得最优路径暂时没计算，发送数据分组。设置路径状态为假，标识未估计接收端缓存容量。

步骤三，接收端每个目的端口收到三个TSN编号相对连续的分组后，根据分组的传输时延抖动计算出拥塞控制因子，并且引入平滑因子，使得测量结果接近网络真实的拥塞状况。如果路径状态为假，根据多条链路的往返时延比值、拥塞窗口的平均值及数据传输过程中数据块的大小计算出接收端缓存容量的下限值，使得整体网络的性能与缓存为无穷时的性能逼近，设置路径状态为真。

步骤四，CMT接收端计算出拥塞控制因子后在SACK分组头子算中记录反馈时间戳，同时记录累积TSN、间隔证实块与重复的TSN，如果此时的路径标识字段为-1，则按源路径发送SACK数据块，否则应按照路径标识字段指定的路径反馈SACK块，并且通告发送端接收端的窗口信用值，表示接收端仍允许接收多少字节的数据块。

步骤五，发送端如果收到三个相同的SACK表明有数据快丢失，应触发快速重传策略RTX-CWND，并相应的调整拥塞窗口，发送端发送端口从目的地址i的SACK判断出网络拥塞状况，如果此时的拥塞控制因子的绝对值大于1且有数据块丢失，根据接收端IP地址字段遍历缓存区，将丢失分组的目的地址对应的拥塞窗口CWND值减半，如果绝对值小于或者等于1且有数据丢失，对拥塞窗口不做调整，认为该分组是因为卫星网络误码率较高所致。如果此时路径标识符路径标识字段为-1，应从所有的路径计算出最短返回时延，将其对应的路径标识存入路径标识字段。跳转步骤二。

步骤六，使用三次握手机制关闭对等端点之间的偶联，拆除双方的连接。

为了方便描述，我们假定有如下应用实例：开发一个卫星网络传输系统，如图6所示，由空间卫星，地面控制中心和地球站三个部分组成。

(1)空间卫星

空间卫星是无线电通信中继站的人造地球卫星，其中通信卫星反射或转发无线电信号，实现卫星通信地球站之间的通信。

(2)地面控制中心

其任务是对地面站进行功率控制。多个地面控制中心组成一个地面控制网络。每个控制中心分管一部分临近的地球站，主要包括接收设备、命令发送设备、天线

(3)地球站

地球站是微波无线电收、发信台(站)，用户通过它们接入卫星线路，进行通信。如图2所示地球站的组成方框图，大体上可分为：天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备和电源设备

具体实施方案：

(1)根据需求创建实现数据传输的卫星网络，生成数据传输的各个节点；

(2)把数据的传输分解成由网络的各个功能层分别来完成；

(3)根据卫星网络特点设计多路径并行传输协议的算法且在传输系统的各个节点中实现。

在卫星网络传输系统与实施方案基础上运行系统，按以下步骤实施本文提出的面向卫星网络的多路径改进方法，该方法对传输节点的发送端与接收端同时做出改进：

发送端：

步骤一，假定源端向目的地址i发送第K个分组，在分组数据块格式字段添加时间戳

初始化路径标识路径标识为-1，表明此时最优路径还没有确定；

步骤二，向目的地址i发送数据块；

步骤三，收到目的地址i反馈的确认数据块，保存控制因子与接收端IP地址；

步骤四，如果同样的确认数据块已接收三次，表明向目的地址i发送的某个分组丢失，触发RTX-CWND快速重传策略；

步骤五，判断拥塞控制因子的绝对值是否大于1，如果是，则根据接收端IP地址字段相应的调整目的地址i对应的拥塞窗口，降低发送速率，否则不作调整，表示该分组丢失是由卫星网路误码率高引起的；

步骤六，发送端判断接收端所有目的端口发送的确认数据块返回时延，确定最短返回时延对应的路径，将该路径标识存放路径标识字段中，跳转步骤二；

接收端：

步骤一，接收端目的端口i收到编号为TSN的分组；

步骤二，处理数据分组，根据多条链路的往返时延比值、拥塞窗口的平均值及数据传输过程中数据块的大小计算出接收端缓存容量的下限值；

步骤三，如果收到的分组数目大于3，判断时延抖动，根据 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{k+1}}{{\mathrm{\Δ}}_k}=\frac{(t_r^{k+2}\left(i\right)-t_r^{k+1}\left(i\right))-(T_r^{k+2}\left(i\right)-T_r^{k+1}\left(i\right))}{(t_r^{k+1}\left(i\right)-t_r^k\left(i\right))-(T_r^{k+1}\left(i\right)-T_r^k\left(i\right))}$ 计算拥塞控制因子，并且通过μ_k＝αμ_k-1+(1-α)η_k平滑拥塞控制因子；

步骤四，在确认块头字段在添加反馈时间戳，拥塞控制因子及目的地址i对应的IP地址，同时记录累积编号、间隔证实块与重复的编号；

步骤五，发送SACK确认数据块。

Claims (3)

1.一种面向卫星网络的多路径并行传输方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤：

步骤一，发送端与接收端通过四次握手机制交换通信状态，经过多条卫星链路建立偶联；

步骤二，发送端发送数据块前，在分组的分组头字段中记录发送时间戳，同时设置一个短字节存放路径标识符，初始值为-1表示接收端反馈确认块的最优路径暂时没计算；

步骤三，发送端发送数据块；

步骤四，接收端每个目的端口接收到数据分组后，处理数据分组，根据处理结果设置相应的接收端缓存容量，如果此时的路径标识为-1，则按源路径发送反馈数据块，否则应按照路径标识指定的路径反馈数据块，并且通告发送端接收端的窗口信用值，表示接收端仍允许接收多少字节的数据块；

步骤五，发送端收到反馈确认块后，处理反馈数据分组，根据处理结果填充最优返回路径标识符字段，如果继续传输数据，跳转步骤三，否则，转步骤六；

步骤六，发送端与接收端通过三次握手机制关闭对等端点之间的偶联，拆除双方的连接。

2.如权利要求1所述的面向卫星网络的多路径并行传输方法，其特征在于发送端收到反馈确认块后，处理反馈数据分组具体步骤为：

步骤一，发送端收到目的地址i反馈的确认数据块，保存拥塞控制因子与接收端IP地址；

步骤二，如果同样的确认数据块已接收三次，表明向目的地址i发送的某个分组丢失，立即重新传送该数据块；

步骤三，判断拥塞控制因子的绝对值是否大于1，如果是，则根据接收端IP地址字段相应的调整目的地址i对应的拥塞窗口，降低发送速率，否则不作调整，表示该分组丢失是由于卫星网路误码率高引起的；

步骤四，发送端判断接收端所有目的端口发送的确认数据块返回时延，确定最短返回时延对应的路径，将该路径标识存放路径标识字段中。

3.如权利要求1所述的面向卫星网络的多路径并行传输方法，其特征在于接收端每个目的端口接收到数据分组后，处理数据分组具体步骤为：

步骤一，接收端目的端口i收到一个数据分组；

步骤二，根据多条链路的往返时延比值、拥塞窗口的平均值及数据传输过程中数据块的大小计算出接收端缓存容量的下限值；

步骤三，如果收到的分组数目大于3，根据分组时延抖动计算拥塞控制因子，并且通过平滑因子平滑拥塞控制因子；

步骤四，在确认块头字段中添加反馈时间戳，拥塞控制因子及目的端口i对应的IP地址，同时记录累积编号、间隔证实块与重复的编号。

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