CN102595509A - 异构网络中基于传输控制协议的并发数据分流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构网络基于TCP的并发数据分流方法，主要解决现有技术中单个网络传输端到端吞吐量低下，时延较大的问题。其实现方案是：1.定义分流网元为多个异构网络在服务器之前汇聚点所在的网络实体；2.建立服务器到终端设备之间的TCP连接，初始化分流网元中各个异构网络关于该TCP连接的参数；3.服务器根据终端设备的业务请求，发送数据；4.数据到达分流网元之后，根据各个异构网络状态发送数据到终端设备；5.终端设备收到数据后，给服务器回ACK信息；6.分流网元收到ACK信息后更新网络参数；7.服务器收到ACK信息之后，重复执行步骤3到步骤7，直到数据全部发完。本发明应用于异构网络并发数据传输，能提高端到端的传输性能。

Description

异构网络中基于传输控制协议的并发数据分流方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及异构网络中基于传输控制协议的并发数据分流方法，可用于核心网中异构网络中的数据并发传输。 

技术背景

无线通信技术飞速发展，给人们的工作和生活方式带来了深刻变革。在人们体验着通信技术带来的获取信息越来越便利的同时，由于无线通信网络朝着高速化、宽带化的方向发展，各种无线接入技术纷纷涌现，使得网络的异构性更加突出。在单个网络资源量比较少不能很好的满足业务需求的情况下，为了达到提升端到端吞吐量，减少网络传输时延目的，需要合理，有效的将多种网络的传输能力结合在一起实现并发传输。 

一种简单的网络模型如图2所示，从服务器到终端设备之间有两个网络存在，两个网络相互独立，互不干扰。在现有情况下，对于用户而言，一般情况下只能使用一个网络，或者即使有多个网络可供使用，却不能实现真正的并发传输。原因在于多个网络不能同时工作，只能在一个时刻接入一个网络，即：在某一时刻要么在网络1中传输，要么在网络2中传输。在这种情况下，如果用户请求业务量比较大时，单个网络传输将会导致传输速率低下，端到端传输时延比较大。要实现真正并发传输，需要合理的分流到各个网络的数据，这就需要可靠的分流依据以及有效的分流策略。由于网络拓扑结构是动态变化，对于单个用户来讲，网络可用资源信息不但与网络所采用的标准、物理信道环境条件有关，而且还与网络中自身和其他用户请求的业务量情况有关，这就导致了在现有网络中一般很难准确、实时的获取网络状况或者网络传输能力的相关信息，也就是说很难获得有效的分流依据来实现并发传输，而当数据没有公平合理的发往到两个网络，将有可能出现一个网络中承担的数据量远大于其承载能力，而另外一个网络承担的数据量远小于其承载能力，由于数据分配不均衡，最后有可能导致某些网络产生不必要的拥塞，使得最终端到端异构网络并发传输的效果比单个网络传输效果差。 

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种在异构网络中基于传输控制协议的并发数据分流方法，以提高网络端到端传输速率，降低业务端到端传输时延，实现异构网络并发数据的均衡传输。 

实现本发明目的的技术思路是：通过获取数据并发传输的分流参数作为分流策略的依据，将数据公平合理的分配到各个网络，其具体方案包括如下： 

(1)定义K个异构网络在服务器之前汇聚点所在的网络实体为分流网元，该分流网元用于负责将数据分发到各个网络，k大于等于2； 

(2)当终端设备向服务器请求业务时，首先从所有异构网络中随机选择一个网络，向服务器发送建立传输控制协议TCP的连接请求信息； 

(3)分流网元收到建立TCP连接的请求信息之后，初始化每一个异构网络关于TCP连接的参数，该参数包括最大报文长度MSS为网络允许通过的最大报文大小、传输能力窗口W为2倍的MSS、慢启动门限T为65535字节、端到端往返时延RTT为网络时延平均值、RTT历史值影响因子α为0.125； 

(4)服务器收到建立TCP连接的请求信息后，通过三次握手与终端设备建立TCP连接； 

(5)在终端设备中，当一个端到端的TCP连接之后，终端设备再将业务请求数据发送给服务器； 

(6)服务器收到业务请求后，对终端设备发送其请求的数据； 

(7)当服务器发送的数据TCP报文到达分流网元之后，由分流网元中根据各个异构网络所处的状态，决定数据如何从各个异构网络发送到终端设备： 

(7a)如果任一异构网络中的传输能力窗口W都没有超过慢启动门限T，则将每个数据包按轮询的方式发送到各个异构网络； 

(7b)如果在分流网元中任一异构网络中的传输能力窗口W超过慢启动门限T，则首先通过异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT表征异构网络传输能力，然后计算出每个网络传输能力占所有异构网络总传输能力的比例，将数据包以该比例值大小为概率发送到各个网络； 

(7c)对于每个TCP报文，在按照上述两种情况确定发送网络之后，再在每个TCP报文中通过网络号标明数据所要发送的网络； 

(8)TCP报文从各个异构网络到达终端设备之后，由终端设备从TCP报文中获取所传送过来的网络号并保存；同时在终端设备中根据获取的网络号，从相应网络发送确认信息ACK到服务器； 

(9)分流网元收到来自终端设备的ACK信息后，根据ACK信息来自的网络以及该来自网络所处的状态，更新该来自网络参数传输能力窗口W； 

(10)服务器收到来自终端设备的ACK信息之后，根据TCP连接的拥塞控制机制发送数据到终端设备，然后重复执行步骤7到步骤10，直到服务器将终端设备请求的全部数据发送完成。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

现有技术中，网络传输大都集中在单个网络，由于没有其他网络的支持，这样就导致网络传输速率受限，特别是在单个网络趋于近饱和时，网络传输时延随着用户增多而迅速增长，对于异构网络的研究中，由于缺乏对异构网络状况的了解，导致即使实现并发传输，端到端吞吐量也比较低，时延比较大。相比现有技术，本发明通过间接获取当前网络状况信息，并根据这些信息，在不同阶段对异构网络提出了不同的并发方法，能够使得发送到各个异构网络的数据与其当前的真实传输能力相匹配，特别当业务量很大时，能明显提高业务端到端的吞吐量和减少业务传输时延。 

附图说明

图1是本发明进行并发数据分的总流程图； 

图2是本发明搭建的异构网络分流的场景图； 

图3是服务器与终端设备三次握手子流程图； 

图4是分流网元发送数据与参数更新子流程图。 

具体实施方式

参照图1，本发明实现步骤如下： 

步骤1，定义K个异构网络在服务器之前汇聚点所在的网络实体为分流网元，该分流网元用于负责将数据分发到各个网络，K大于等于2。 

参考图2，本发明使用的场景以LTE和UMTS两个异构网络为例，但不局限于两个网络，网络1为LTE网络，网络2为UMTS网络，从LTE网络和UMTS网络在服务器之 前的汇聚点所在的网络实体为分流网元。分流网元具体实施分流方法，决定如何将服务器发送到终端设备的数据分发到两个网络。 

步骤2，当终端设备向服务器请求业务时，首先从所有异构网络中随机选择一个网络，向服务器发送建立传输控制协议TCP的连接请求信息。 

本步骤中所述的随机选择一个网络是通过随机数来确定的，随机数的值域为0到2，如果随机数输出为0到1，则选择LTE网络，如果随机数输出为1到2，则选择UMTS网络。 

步骤3，分流网元收到建立TCP连接的请求信息之后，初始化每一个异构网络关于TCP连接的参数，该参数包括： 

最大报文长度MSS，它的大小为网络允许通过的最大报文大小， 

传输能力窗口W，它的大小为为2倍的MSS， 

慢启动门限T，其值为65535字节， 

端到端往返时延RTT，其值为网络时延平均值， 

RTT历史值影响因子α，其值为0.125； 

本步骤中MSS在两个网络中均设为1460字节，但不局限该值，端到端往返时延在LTE网络中设置为160毫秒，但不局限该值，端到端往返时延在UMTS网络中设置为240毫秒，但不局限该值。 

步骤4，服务器收到建立TCP连接的请求信息后，通过三次握手与终端设备建立TCP连接。 

参考图3，本步骤中的三次握手是指终端设备首先发送一个建立TCP连接的同步信息SYN给服务器，服务器收到SYN信息之后发送对确认信息ACK和自己的SYN信息，终端设备收到服务器的SYN信息之后，再发送ACK给服务器。 

步骤5，在终服务器与终端设备建立TCP连接后，终端设备再将业务请求数据发送给服务器，该业务请求数据包括业务请求类型信息和会话信息。 

步骤6，服务器收到业务请求后，根据业务请求类型，将相应的数据从TCP层结合拥塞控制机制以TCP报文的形式发送到终端设备。 

步骤7，当服务器发送的数据TCP报文到达分流网元之后，由分流网元中根据各个异构网络所处的状态，决定数据如何从各个异构网络发送到终端设备。 

参考图4，本步骤的具体实现如下： 

(7a)如果任一异构网络中的传输能力窗口W都没有超过慢启动门限T，则将每个TCP报文按轮询的方式发送到各个异构网络，该轮询的方式是指将所有的异构网络以任意顺序排列之后，将TCP报文依次从这些网络中发送出去； 

(7b)如果在分流网元中任一异构网络中的传输能力窗口W超过慢启动门限T，则首先通过异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT表征异构网络传输能力，本步骤中异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT表征异构网络传输能力，按如下步骤进行： 

(7b1)在各个异构网络为终端设备与服务器之间传送数据的过程中，由分流网元按如下两种情况实时更新异构网络参数传输能力窗口W： 

第一种情况是：分流网元收到来自终端设备的ACK信息后，根据ACK信息来自的网络以及该来自网络所处的状态，更新该来自网络的传输能力窗口参数； 

第二种情况是：在分流网元中，当一个端到端的TCP连接建立之后，对于各个异构网络RTT超时进行判断，并将超时网络的传输能力窗口W更新为超时前传输能力窗口的2/3； 

所述超时判断结果如下： 

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔小于该网络的往返时间超时间隔RTO，则判断为未超时； 

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔大于或者等于该网络的往返时间超时间隔RTO之后，如果异构网络端到端时延RTT小于其端到端往返超时时间间隔RTO的最小值，并且端到端往返时延RTT的方差值小于10毫秒，则判断RTT未超时； 

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔大于或者等于该网络的往返时间超时间隔RTO之后，如果异构网络端到端往返时延RTT的方差值逐步递减，则判断RTT未超时； 

除上述三种情况之外的其他情况，均判断为超时； 

(7b2)在各个异构网络为终端设备与服务器之间传送数据的过程中，由分流网元按如下步骤实时更新异构网络参数端到端往返时延RTT： 

首先，在分流网元中，当一个端到端的TCP连接建立之后，对于每个异构网络，将测量RTT报文发送到终端设备，并设置测量RTT报文参数包括发送时间、回应时间和网 络标号，将发送时间设置为分流网元的当前时间，网络标号设置为由步骤(7a)或步骤(7d)确定的网络，且不设置回应时间； 

然后，由终端设备提取测量RTT报文中参数发送时间和网络标号，并发送相同格式的反馈信息到分流网元，将反馈信息中的回应时间设置为成从测量RTT报文中提取的发送时间，发送时间设置成终端设备的当前时间，网络标号设置成从测量RTT报文中提取的网络标号； 

再次，由分流网元根据当前时间和反馈信息中的回应时间更新所测量网络的端到端时延RTT，具体更新公式如下： 

$\stackrel{\‾}{\mathrm{RTT}}=\mathrm{\α}(\mathrm{Cur}-\mathrm{Echo})+\mathrm{RTT}(1-\mathrm{\α})$

其中，Cur表示分流网元中的当前时间，Echo表示反馈结果中的回应时间， 

表示更新后RTT值，RTT表示更新前的RTT值，α表示RTT历史值影响因子； 

最后，在更新完成之后，重复执行上述三个步骤，开始下一次更新。 

(7b3)从分流网元中获取更新后的异构网络参数传输能力窗口 

和更新后端到端往返时延 

计算 与 

的比值，得到异构网络传输能力G： 

$G=\frac{\stackrel{\‾}{W}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RTT}}}.$

(7c)按如下公式计算每个网络传输能力占所有异构网络总传输能力的比例： 

$\begin{array}{cc}{P}_i=\frac{\frac{\stackrel{\‾}{W_i}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_i}}}{\frac{\stackrel{\‾}{W_1}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_1}}+\frac{\stackrel{\‾}{W_2}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_2}}+\·\·\·+\frac{\stackrel{\‾}{W_n}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_n}}},& 2\≤i\≤n\end{array}$

其中，P_i表示将异构网络i传输能力占所有异构网络总传输能力比例大小， 

表示网络i更新后的传输能力窗口大小， 

表示网络i更新后的端到端往返时延， 

n表示异构网络个数， 

i表示2到n之间的整数。 

(7d)以步骤(7c)中计算出来的比例值P_i为概率确定TCP报文的发送网络，具体是先 将0到1的范围以(7c)计算出来的值为大小分割成互不重叠的各个区间，即每个区间对应于一个异构网络，然后产生一个0到1的随机数，随机数落在某个区间即对应某个异构网络中，该异构网络即为TCP报文将要发送的网络； 

(7e)对于每个TCP报文，在按照步骤(7a)或(7d)两种情况确定发送网络之后，再在每个TCP报文包头中的保留字段中通过网络号标明数据所要发送的网络，并发送TCP报文。 

步骤8，TCP报文从各个异构网络到达终端设备之后，由终端设备从TCP报文中获取所传送过来的网络号并保存；同时在终端设备中根据获取的网络号，从相应网络发送确认信息ACK到服务器。 

步骤9，分流网元收到来自终端设备的ACK信息后，根据ACK信息来自的网络以及该来自网络所处的状态，按如下步骤更新该来自网络参数传输能力窗口W： 

(9a)如果异构网络中任一网络的传输能力窗口W没有超过慢启动门限T，则将传输能力窗口增加1个最大报文长度MSS的大小，对传输能力窗口进行更新： 

$\stackrel{\‾}{W}=W+\mathrm{MSS}$

其中，W表示更新前传输能力窗口大小， 表示更新后传输能力窗口大小；

(9b)如果异构网络中任一网络的传输能力窗口值W超过慢启动门限T，则将传输能力窗口增加 

对传输能力窗口进行更新： 

$\stackrel{\‾}{W}=W+\frac{\mathrm{MSS}*\mathrm{MSS}}{W}.$

步骤10，服务器收到来自终端设备的ACK信息之后，根据TCP连接的拥塞控制机制发送数据到终端设备，然后重复执行步骤7到步骤10，直到服务器将终端设备请求的全部数据发送完成。 

术语解释： 

LTE：Long Term Evolution，长期演进 

UMTS：Universal Mobile Telecommunication System，通用移动通信系统 

TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议 

RTT：Round Trip Time，往返时延 

RTO：Round Trip Overtime，往返时间超时间隔 

MSS：Maximum Segment Size，最大报文长度 

ACK：Acknowledgement，确认信息 

SYN：Synchronize，同步信息 

Cur：Current，当前时间 

Echo：回应 

T：慢启动门限 

W：传输能力窗口 

α：RTT历史值影响因子。 

Claims (6)

1.一种异构网络中基于传输控制协议的并发数据分流方法，包括如下步骤：

(1)定义K个异构网络在服务器之前汇聚点所在的网络实体为分流网元，该分流网元用于负责将数据分发到各个网络，K大于等于2；

(2)当终端设备向服务器请求业务时，首先从所有异构网络中随机选择一个网络，向服务器发送建立传输控制协议TCP的连接请求信息；

(3)分流网元收到建立TCP连接的请求信息之后，初始化每一个异构网络关于TCP连接的参数，该参数包括最大报文长度MSS为网络允许通过的最大报文大小、传输能力窗口W为2倍的MSS、慢启动门限T为65535字节、端到端往返时延RTT为网络时延平均值、RTT历史值影响因子α为0.125；

(4)服务器收到建立TCP连接的请求信息后，通过三次握手与终端设备建立TCP连接；

(5)在终端设备中，当一个端到端的TCP连接之后，终端设备再将业务请求数据发送给服务器；

(6)服务器收到业务请求后，对终端设备发送其请求的数据；

(7)当服务器发送的数据TCP报文到达分流网元之后，由分流网元中根据各个异构网络所处的状态，决定数据如何从各个异构网络发送到终端设备：

(7a)如果任一异构网络中的传输能力窗口W都没有超过慢启动门限T，则将每个数据包按轮询的方式发送到各个异构网络；

(7b)如果在分流网元中任一异构网络中的传输能力窗口W超过慢启动门限T，则首先通过异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT表征异构网络传输能力，然后计算出每个网络传输能力占所有异构网络总传输能力的比例，将数据包以该比例值大小为概率发送到各个网络；

(7c)对于每个TCP报文，在按照上述两种情况确定发送网络之后，再在每个TCP报文中通过网络号标明数据所要发送的网络；

(8)TCP报文从各个异构网络到达终端设备之后，由终端设备从TCP报文中获取所传送过来的网络号并保存；同时在终端设备中根据获取的网络号，从相应网络发送确认信息ACK到服务器；

(9)分流网元收到来自终端设备的ACK信息后，根据ACK信息来自的网络以及该来自网络所处的状态，更新该来自网络参数传输能力窗口W；

(10)服务器收到来自终端设备的ACK信息之后，根据TCP连接的拥塞控制机制发送数据到终端设备，然后重复执行步骤7到步骤10，直到服务器将终端设备请求的全部数据发送完成。

2.根据权利要求1所述方法，其中步骤(7b)所述的通过异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT表征异构网络传输能力，按如下步骤进行：

(7b1)在各个异构网络在为终端设备与服务器之间传送数据的过程中，由分流网元实时更新异构网络参数传输能力窗口W和端到端往返时延RTT；

(7b2)从分流网元中获取更新后的异构网络参数传输能力窗口

和端到端往返时延

(7b3)计算传输能力窗口

与端到端往返时延

的比值，得到异构网络传输能力G：

$G=\frac{\stackrel{\‾}{W}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RTT}}}.$

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7b)所述的计算出每个网络传输能力占所有异构网络总传输能力的比例，计算公式如下：

$\begin{array}{cc}{P}_i=\frac{\frac{\stackrel{\‾}{W_i}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_i}}}{\frac{\stackrel{\‾}{W_1}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_1}}+\frac{\stackrel{\‾}{W_2}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_2}}+\·\·\·+\frac{\stackrel{\‾}{W_n}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RTT}}_n}}},& 2\≤i\≤n\end{array}$

其中，P_i表示将异构网络i传输能力占所有异构网络总传输能力比例大小，

表示网络i更新后的传输能力窗口大小，

表示网络i更新后的端到端往返时延，

n表示异构网络个数，

i表示2到n之间的整数。

4.根据权利要求2所述的方法，所述步骤(7b1)中由分流网元实时更新异构网络参数中的传输能力窗口W，按如下两种情况更新：

第一种情况是：分流网元收到来自终端设备的ACK信息后，根据ACK信息来自的网络以及该来自网络所处的状态，更新该来自网络的传输能力窗口参数；

第二种情况是：在分流网元中，当一个端到端的TCP连接建立之后，对于各个异构网络RTT超时进行判断：

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔小于该网络的往返时间超时间隔RTO，则判断为未超时；

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔大于或者等于该网络的往返时间超时间隔RTO之后，如果异构网络端到端时延RTT小于其端到端往返超时时间间隔RTO的最小值，并且端到端往返时延RTT的方差值小于10毫秒，则判断RTT未超时；

若在分流网元中接收到从终端设备经过某异构网络发送过的两个相邻的有效数据包之间的时间间隔大于或者等于该网络的往返时间超时间隔RTO之后，如果异构网络端到端往返时延RTT的方差值逐步递减，则判断RTT未超时；

除上述三种情况之外的其他情况，均判断为超时，并将超时网络的传输能力窗口W更新为超时前传输能力窗口的2/3。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(9)按如下步骤更新：

(9a)如果异构网络中任一网络的传输能力窗口W没有超过慢启动门限T，则将传输能力窗口增加1个最大报文长度MSS的大小，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{W}=W+\mathrm{MSS}$

其中W表示更新前传输能力窗口大小，

表示更新后传输能力窗口大小；

(9b)如果异构网络中任一网络的传输能力窗口值W超过慢启动门限T，则将传输能力窗口增加计算公式如下；

$\stackrel{\‾}{W}=W+\frac{\mathrm{MSS}*\mathrm{MSS}}{W}.$

6.根据权利要求1所述方法，其中所述步骤(7b1)中由分流网元实时更新异构网络参数中的端到端往返时延RTT，按如下步骤进行：

首先，在分流网元中，当一个端到端的TCP连接建立之后，对于每个异构网络，将测量RTT报文发送到终端设备，并设置测量RTT报文参数，包括：发送时间、回应时间和网络标号；

然后，由终端设备提取测量RTT报文中参数，并发送相同格式的反馈信息到分流网元；

再次，由分流网元根据当前时间和反馈结果中的回应时间更新所测量网络的端到端时延RTT，具体更新公式如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{RTT}}=\mathrm{\α}(\mathrm{Cur}-\mathrm{Echo})+\mathrm{RTT}(1-\mathrm{\α})$

其中，Cur表示分流网元中的当前时间，Echo表示反馈结果中的回应时间，

表示更新后RTT值，RTT表示更新前的RTT值；α表示RTT历史值影响因子；

最后，在更新完成之后，重复执行上述三个步骤，开始下一次更新。

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