CN102546436B - 卫星网络中友好的速率控制协议改进方法 - Google Patents

Abstract

卫星网络中友好的速率控制协议改进方法是为了适应卫星网络的高带宽、长时延、高误码率等特点而改进TFRC协议，使其在卫星网络中能发挥出更好的性能。主要用于解决卫星网络的环境对TFRC的影响，使其能够正确判断出网络的拥塞情况，区分出误码和网络拥塞造成的数据包丢失，属于卫星网络的拥塞控制领域。它应具有以下特征：本发明能使得TFRC发送端正确预测网络的拥塞情况，并在数据包中提供网络的拥塞标志；接收端收到数据包时，估计单程时延抖动，并根据不同的拥塞等级和时延抖动情况对丢包间隔进行不同的调整，计算出新的丢失事件率并反馈给发送端；发送端根据丢失事件率计算发送速率并进行调节。从而能正确区分拥塞和误码造成的数据包丢失。

Description

卫星网络中友好的速率控制协议改进方法

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TFRC（TCP友好的速率控制）协议在卫星网络中的性能，属于卫星网络中传输层拥塞控制的技术领域。

背景技术

随着通信网络技术的迅速发展，Internet得到了迅速的发展和普及。与此同时，各种新的业务需求如视频点播、网络会议、软件分发、远程教学等的产生对网络带宽又提出了新的要求，现有的地面网络已不能完全满足用户的需求。交互的、高速的、和因特网相结合的新一代卫星通信网络较好的解决了这些问题。卫星通信中覆盖面积广、通信费用与距离无关、不受地面自然灾害影响等固有的优点，很好的适应了当前迅猛发展的Internet业务的需要，同时这也促使对卫星网络协议的研究成为当前的研究热点。

但是将卫星直接接入 Internet 仍然存在着许多急需解决的问题。这些问题的起因就在于卫星无线信道与地面有线信道有很大的差异，而大多数 Internet协议都是基于地面网络设计的，TCP/IP 协议的设计都是基于一些固有假定的，如假定数据包的丢失是网络拥塞的结果、往返时间（Round Trip Time）具有一定程度的稳定性、带宽是恒定的等等。但这些假定在卫星信道中并不满足，造成了协议性能大大降低，这些影响可以归咎于卫星无线信道以下几个特点：传播时延长、带宽不对称、链路的高误码和链路瓶颈。因此，卫星无线信道所具有的高误码率、长时延、高带宽等特性，使得传统的地面传输协议很难在卫星网络中体现出其优势。

通常在无线通信特别是在卫星无线通信中，由于信道衰减、反向多径传播信道或干扰噪声等原因，会导致错误比特的产生，从而使得无线链路的误码率会明

显高于有线链路。虽然前向纠错（FEC）可以在一定程度上降低无线链路的误码

情况，但是仍不能达到地面有线网络的误码水平。传统网络中的传输误码率很低，因此可将数据包的丢失认为是网络拥塞引起的，从而执行拥塞控制机制。但是卫星网络中的误码率很高，当检测到有数据包丢失时，TFRC协议会无一例外的认为造成丢包原因是网络拥塞，并根据估计的误码率和TCP Reno吞吐量模型降低发送速率，这直接导致TFRC吞吐量不必要的减少，进而影响到链路的传输速率，造成卫星网络中宝贵资源的浪费。而且，如果接收端的反馈分组发生丢失，使得接收方的确认信息无法抵达发送方，到达一定时间后发送端同样会降低吞吐量。因此，如果没有一种机制能正确判断网络拥塞和误码造成的数据包丢失，错误的执行拥塞控制机制将对卫星链路中TFRC协议的性能造成很大的影响。

综上所述，传统的基于地面网络的TFRC协议不能正确的区分网络拥塞和误码造成的数据丢失，所以传统的TFRC协议不能直接应用在高误码的卫星网络环境中，需要一种改进的TFRC协议来正确的判断网络拥塞和误码造成的数据包丢失，对于不同的网络情况采取不同的调节措施，从而应用在卫星网络中。

发明内容

技术问题：本发明的目的是现有技术的不足，提供一种卫星网络中TFRC协议的改进方案，解决卫星网络中TFRC不能正确判断网络拥塞和误码造成的数据包丢失的问题，从而提高卫星网络中TFRC协议的性能，提高卫星链路的利用率。

技术方案：本发明基于卫星网络的环境改进TFRC协议的拥塞控制算法，正确的区分卫星链路中由于网络拥塞和误码造成的数据包丢失，从而区分对待不同的丢包事件，以此来实现在不破坏TCP友好性的前提下，提高卫星链路中TFRC协议的吞吐量和带宽的利用率。

一、 原TFRC协议的拥塞控制机制的总体流程如下：

1、 接收端估计丢失事件率p并将信息反馈给发送方；

2、 发送端根据反馈信息计算往返时延RTT值；

3、 发送端将丢失事件率p和RTT值带入TCP Reno的吞吐量公式进行计算，计算出发送速率，并根据计算值进行调节；

4、 发送数据包。

其总体流程图如图1所示。

二、 改进后新TFRC协议的拥塞控制计划的总体流程如下：

1、 接收端根据网络拥塞标志cong_level_和预测的单程时延抖动对丢包间隔进行调节，计算新的丢失事件率p’并将信息反馈给发送方；

2、 发送端根据反馈信息计算往返时延RTT值并重新预测网络的拥塞情况，记录在拥塞标志cong_level_中；

3、 发送端将新的丢失事件率p’和RTT值带入TCP Reno的吞吐量公式进行计算，计算出发送速率，并根据计算值进行调节；

4、 发送端发送带有网络拥塞标志的数据包。

其总体流程图如图2所示。

方法流程：

卫星网络中TFRC协议的改进方法分别改进TFRC协议的发送端和接收端，

(1)对发送端的改进包含的步骤：

步骤1).  定义网络的拥塞情况为3个等级：空闲、良好、拥塞；

步骤2).  发送端发送的数据包中加入一项表示网络拥塞的标志cong_level_；

步骤3).  接收到反馈分组时，记录无排队时延min_rtt和当前链路往返时延rtt_；

步骤4).  依赖于步骤3)产生的结果，根据当前链路往返时延rtt_预测网络的拥塞等级，并记录在拥塞标志cong_level_中；

步骤5).  根据接收端反馈的新的丢失事件率p计算吞吐量，以计算值作为稳定的发送速率发送分组；

步骤6).  依赖于步骤4)产生的结果，如果速率模式为慢开始，则对丢失事件率进行判断，如果丢失事件率p>0，则看此时拥塞标志cong_level_，若此时cong_level_=0，继续慢开始，发送下一个分组；否则跳出慢开始，并记录此时速率，如果丢包率为0，继续慢开始，并发送下一个分组；

(2)对接收端的改进包含的步骤：

步骤21).  收到数据包时获得网络的拥塞标志cong_level_；

步骤22).  发生一个新的丢包事件时，设置此时阈值；

步骤23).  估计此时单程时延抖动jitter_；

步骤24).  依赖于步骤23)产生的结果，根据jitter_和阈值的关系以及拥塞标志cong_level_对丢包间隔sample[0]进行调整：

sample[0] =                                                

步骤5).  依赖于步骤24)产生的结果，将新的丢包间隔sample[0]带入计算丢失事件率p，并反馈给发送端。

有益效果：本发明中改进后的TFRC发送端能够基于往返时延的变化预测网络的拥塞状况，并将拥塞信息发送给接收端；接收端可以根据收到的网络拥塞标志，并估算网络的单程时延抖动，对丢包间隔进行调整，对不同的网络拥塞情况采用不同的调节方式，能够正确的区分网络拥塞和误码造成的数据包丢失，提高了卫星链路的整体性能和带宽利用率。

附图说明

图1是原TFRC拥塞控制机制的总体流程图

图2是改进后TFRC拥塞控制机制的总体流程图

图3 是对TFRC发送端进行改进的基本流程图

图4是对TFRC接收端进行改进的基本流程图。

具体实施方式

本方法的具体实现方案是分别改进TFRC的发送端和接收端。

一、 针对发送端的改进方案步骤如下：,

1、 定义网络的拥塞情况为3个等级：空闲、良好的拥塞；

2、 发送端发送的数据包中加入一项表示网络拥塞的标志cong_level_；

3、 接收到反馈分组时，记录无排队时延min_rtt和当前链路往返时延rtt_；

4、 根据当前链路往返时延rtt_预测网络的拥塞等级，并记录在拥塞标志cong_level_中，cong_level_表示如下：

cong_leve =

5、 根据新的丢失事件率p计算吞吐量，并根据计算值调节发送速率；

6、 如果速率模式为慢开始，则对丢失事件率进行判断。如果丢失事件率p>0，

则看此时拥塞标志cong_level_。若此时cong_level_=0，继续慢开始，发送下一

个分组；否则跳出慢开始，并记录此时速率。如果丢包率为0，继续慢开始。

二、 针对接收端的改进方案步骤如下：

1、 收到数据包时获得网络的拥塞标志cong_level_；

2、 发生一个新的丢包事件时，设置此时阈值；

3、 估计此时单程时延抖动jitter_；

4、 根据jitter_和阈值的关系以及拥塞标志cong_level_对丢包间隔进行调整：

sample[0] = 

5、 将新的丢包间隔sample[0]带入计算丢失事件率p，并反馈给发送端。

实例：

本方案提出的卫星网络中TFRC的改进方法在具体实施时分别改进TFRC的发送端和接收端。

一、 针对发送端的改进方案步骤如下：

步骤1：宏定义中定义网络的拥塞情况为3个等级：0为网络空闲(IDLE)，1为

网络情况良好(FINE)，2为网络拥塞(CONG)。

步骤2：发送端发送的数据包中加入一项表示网络拥塞的标志cong_level_，取值可能为0、1、2，分别对应着网络空闲、良好、和网络拥塞。

步骤3：修改update_rtt()函数，当接收到接收端的反馈分组时进行判断。

if（接收到的是第一个分组）

{记录rtt_值和最小时延min_rtt，即无排队时的往返时延}

else

{更新rtt_值，根据公式rtt_ = df_ * rtt_ + ( 1 – df_ )*( now – tao )}

其中rtt_为加权公式计算，折扣因子df_为0.8，now – tao为此次衡量的往返时延。

步骤4：增加一个预测网络拥塞等级的函数update_congesion()，根据rtt_值预测网络的拥塞等级cong_level_。

if (rtt_ – min_rtt <= min_threshold_ * min_rtt)

{cong_level_ =  空闲}

else if (min_threshold_ * min_rtt < rtt – min_rtt <= max_threshold_ * min_rtt)

{cong_level_ =  良好}

else {cong_level_ =  拥塞}

其中min_threshold_和max_threshold_为预设值，本方案中两者分别为0.05和0.2。

步骤5：根据改进后TFRC接收端反馈的新的丢失事件率p计算吞吐量，并根据计算值进行调节。

步骤6：根据cong_level_对速率进行调整。

if（速率模式 = = 慢开始）

{

if (丢失事件率p > 0)

{

    if (cong_level_ = = 空闲)//预测此时网络空闲，判断丢包为误码造成

        {速率模式 = 慢开始；发送下一个数据包}

    else//预测此时网络处于轻度拥塞或者拥塞情况，误码为拥塞造成

        {速率模式 = 跳出慢开始；记录目前速率}

else

    {速率模式 = 慢开始；发送下一个数据包}

}

发送端的改进方案的具体流程图如图3所示。

二、 针对接收端的改进方案的步骤如下：

步骤1：当收到新数据包时，获得发送端对网络拥塞情况的预测值。

步骤2：增加3个调整函数对丢包间隔sample[0]进行调节，分别为triple_interval()、

change_interval()和decrease_interval()。

步骤3：当发生了一个新的丢失事件时，设置此时的阈值threshold。

threshold = coef * rtt_，其中coef 为预设值0.05；

步骤4：增加函数estimate_jitter()，根据加权平均公式更新此时单程时延抖动值。

if( 抖动值 jitter_ = = 0)

{jitter_ = 此次计算得到的单程时延差值di}

else 

{jitter_ = rf_ * jitter_ + (1 – rf_) * di}

其中折扣因子rf_为预设值0.8。

步骤4：根据估算的jitter_对于最近的丢包间隔sample[0]进行调整。

if( cong_level_ = = 空闲 && jitter_ = = 0)//判断此时丢包为误码丢包，为了保持TCP友好性，将丢包间隔扩大为原先的3倍

{ triple_interval()；//实现sample[0] = 3 * sample[0]}

else if (cong_level_ = = 拥塞 || jitter_ > threshold)//判断此时丢包时由拥塞造成的，丢包间隔缩小为原先的0.8倍

{ decrease_interval()；//实现sample[0] = 0.8 * sample[0]}

else//此时调用线性函数对丢包间隔进行调节，增大丢包间隔

{ change_interval()：//实现sample[0] = ( – 2) * jitter_ / threshold + 3}

步骤5：将调整后的新sample[0] 带入，计算新的丢包率，并反馈给发送端。

接收端改进的具体流程图如图4所示。

Claims (1)

1.一种卫星网络中友好的速率控制协议改进方法，其特征在于该方法分别改进友好的速率控制TFRC协议的发送端和接收端，

(1)对发送端的改进包含的步骤：

步骤1).定义网络的拥塞情况为3个等级：空闲等级IDLE、良好等级FINE、拥塞等级CONG；

步骤2).发送端发送的数据包中加入一项表示网络拥塞的标志cong_level_；

步骤3).接收到反馈分组时，记录无排队时延min_rtt和当前链路往返时延rtt_；

步骤4).依赖于步骤3)产生的结果，根据当前链路往返时延rtt_预测网络的拥塞等级，并记录在拥塞标志cong_level_中，其中min_thresh为最小阈值，max_thresh为最大阈值；

cong_level_表示如下：

步骤5).根据接收端反馈的新的丢失事件率p计算吞吐量，以计算值作为稳定的发送速率发送分组；

步骤6).依赖于步骤4)产生的结果，如果速率模式为慢开始，则对丢失事件率进行判断，如果丢失事件率p>0，则看此时拥塞标志cong_level_，若此时cong_level_＝IDLE，继续慢开始，发送下一个分组；否则跳出慢开始，并记录此时速率，如果丢失事件率p为0，继续慢开始，并发送下一个分组；

(2)对接收端的改进包含的步骤：

步骤21).收到数据包时获得网络的拥塞标志cong_level_；

步骤22).发生一个新的丢包事件时，设置此时的阈值threshold，threshold＝coef*rtt_，其中coef为预设值0.05；

步骤23).估计此时单程时延抖动jitter_；

步骤24).依赖于步骤23)产生的结果，根据jitter_和阈值的关系以及拥塞标志cong_level_对丢包间隔sample[0]进行调整：

步骤25).依赖于步骤24)产生的结果，将新的丢包间隔sample[0]带入计算丢失事件率p，并反馈给发送端。