CN102801692B - 一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法及系统，该方法在从客户端到服务端的网络中引入网关，实现屏蔽网关两侧网络的异构性，包含：将所述客户端到服务端的网络划分为服务端子网络和客户端子网络的步骤；在所述服务端子网络和所述客户端子网络之间设置一网关的步骤，该网关用于连接所述服务端子网络与所述客户端子网络，维护管理已经建立的连接信息，并对来自所述服务端子网络和所述客户端子网络的不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输。所述网关用于为所述TCP连接分配缓存来缓存所有采用所述TCP连接接收到的TCP数据包；所述网关用于根据接收到所述客户端子网络的客户的丢包信息，进行重传。

Description

一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络流量和拥塞技术领域，特别涉及一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法及系统。

背景技术

传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)广泛应用于网络和计算机通信等领域中，其主要特点是数据传输可靠性好。近年来，计算机网络迅猛发展，计算机网络已经不再局限于原来的有线、单一同构网络，而是呈现高度异构化的趋势。而传统的TCP协议适用于带宽时延乘积较小和信道误码率很低的单一有线网络环境而设计的，但是由于多个异构网络互连在一起时，由于传输带宽变化、物理链路质量差异、信道非对称性、终端移动性、往返时延波动和能源消耗等因素影响，经常出现无法预知的交互作用，这种数据传输往往导致传统TCP的性能急剧下降。

而传统的传输控制协议优化方法大多针对同构网络，或者特定网络，如何屏蔽网络特性，考虑不同网络的特征及其需要，提升传输控制协议的性能已成了通信领域一个亟待解决的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于，为克服TCP协议应用环境受限的问题，及现有技术针对传输控制协议TCP优化方法大多针对同构网络，或者特定网络，如何屏蔽网络特性，考虑不同网络的特征及其需要，提升传输控制协议的性能已成了通信领域一个亟待解决的研究课题，因此本发明提供一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法，包含：

将网络划分为服务端子网络和客户端子网络的步骤；

在所述服务端子网络和所述客户端子网络之间设置一网关的步骤，该网关用于连接所述服务端子网络与所述客户端子网络，并对来自所述服务端子网络和所述客户端子网络的不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输；

其中，所述网关用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护TCP连接的信息；所述网关用于为所述TCP连接分配缓存来缓存所有采用所述TCP连接接收到的TCP数据包；所述网关用于根据接收到所述客户端子网络的客户的丢包信息，进行重传。

上述技术方案中，所述数据包类型包含：在服务端子网络失序的数据包、服务端子网络丢失的数据包、客户端子网络丢失的数据包和常规的数据包。

所述网关对不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输优化的的步骤为：通过若干个优先级发送队列，对于所述服务端子网络失序的数据包、服务端子网络丢失的数据包、客户端子网络丢失的数据包建立对应优先级级别的优先级队列，优先于所述常规数据包进行处理和传输。

针对以上方法，本发明还提供一种基于分裂连接的传输控制协议优化的系统，包含：

服务端子网络，用于为各种客户终端提供服务；

客户端子网络，用于将各个客户接入服务端子网络以便所述客户获取所述服务端子网络提供的服务；和

连接所述服务侧子网络和所述客户端子网络的网关，该网关用于连接采用相同或不同传输层协议的子网络，即所述服务侧子网络和所述客户端子网络，并对不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输；

其中，所述网关用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护该TCP连接的信息；所述网关用于分配TCP连接缓存来缓存所有采用所述TCP连接接收到的TCP数据包；所述网关用于根据接收到所述客户端子网络包含的每个客户的丢包信息，进行重传。

上述技术方案中所述的系统中，所述网关进一步包含：

监听和维护TCP连接的模块，该模块用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护该TCP连接的信息；

缓存模块，用于缓存经所述TCP连接来接收的的TCP数据包；

丢包信息获取模块，用于根据接收到的所述客户端子网络包含的每个客户发送的丢包信息，并重传所述的丢包数据；

优先级生成控制模块，该模块采用不同优先级和策略对所有数据包进行处理和传输。

其中，所述缓存模块进一步包含三类缓存队列；

其中，第一类接收缓存队列，该队列存储所述服务端子网络发给所述客户端子网络的数据，各个数据流共用该缓存；

第二类类缓存队列是多优先级发送队列，针对不同优先级数据采取不同的发送策略；和

第三类缓存队列是TCP连接缓存，为每个所述TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传。

所述优先级生成及发送模块进一步包含：包类型识别子模块，该子模块用于根据所述TCP连接的必要信息，该必要信息包括当前数据包的序列号、之前对应TCP连接最新接收到数据包的序列号等信息，对所有数据包的类型进行识别；其中，所述所有数据包具体包含：在核心网络失序的数据包、服务端子网络重传的数据包、网关重传数据包以及一般的数据包。

采用上述的技术方案后，本发明具有以下优点：

1、网关多优先级的发送队列，针对接收到的不同类型的TCP数据包，采用不同的发送策略，其中所述TCP数据包的类型包括在服务端子网络失序的数据包、服务端子网络丢失的数据包、客户端子网络丢失的数据包、常规的数据包等类型的数据包网关等等，优先传输客户端子网络用户端急需的包，加快接收端的窗口滑动，提升Client端的体验。

2、对服务器端和客户端透明，无需修改服务器端子网络和客户端子网络采用的TCP/IP协议栈。

3、屏蔽网关两侧网络的异构特性，适用于各种特征的网络的互联互通。

附图说明

图1-a本发明方法中网络系统模型示意图；

图1-b是本发明的网关的组成框图；

图2现有技术中三次握手初始化TCP连接监听的过程的流程示意图；

图3本发明中的网关对上行数据的处理过程一个具体实施的流程图；

图4本发明方法中网关对下行数据的处理过程一个具体实施的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

为了使本发明的目的、实现方法和优点更加清楚明白，以具体实施例并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

本发明的目的在于提出一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法。

传输控制协议优化方法机制如下：

1)通过网关将整个网络分为Server侧网络和Client侧网络两段，并实现TCP的分裂连接；

2)网关监听每个TCP连接并维护TCP连接的信息，并分配相应的TCP连接缓存来缓存接收到的TCP数据包；网关根据接收到的客户端丢包信息，进行重传；

3)网关根据TCP连接信息识别数据包类型，包括在Server侧网络失序的数据包、Server侧网络丢失的数据包、Client侧网络丢失的数据包以及常规的数据包等；

4)网关对不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输：通过多优先级发送队列，对于Server侧网络失序的数据包、Server侧网络丢失的数据包以及Client侧网络丢失的数据包，建立对应的优先级队列，优先于常规数据包进行处理和传输.

网关内部包括：S-Net端接Server侧网络，C-Net端接Client侧网络。网关包括三类缓存队列，一类接收缓存队列，这种队列存储服务端发给客户端的数据，各个数据流共用该缓存；另一类是多优先级发送队列，针对不同优先级数据采取不同的发送策略；还有一类是TCP连接缓存，为每个TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传。TCP连接管理用来监听TCP连接，并维护每个TCP连接的必要信息。包类型识别根据TCP连接的必要信息，对数据包的类型进行识别，包括在核心网络失序的数据包、服务端重传的数据包、网关重传数据包以及一般的数据包等。

网关内部包括：S-Net端接Server侧网络，C-Net端接Client侧网络。网关包括三类缓存队列，一类接收缓存队列，这种队列存储服务端发给客户端的数据，各个数据流共用该缓存；另一类是多优先级发送队列，针对不同优先级数据采取不同的发送策略；还有一类是TCP连接缓存，为每个TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传。TCP连接管理用来监听TCP连接，并维护每个TCP连接的必要信息。包类型识别根据TCP连接的必要信息，对数据包的类型进行识别，包括在核心网络失序的数据包、服务端重传的数据包、网关重传数据包以及一般的数据包等。

图1-a是本发明方法中网络系统模型，包括：

客户端(Client)，负责向应用服务端发起TCP请求，并向用户显示结果，并通过Client侧网络与网关相连；

Client侧网络，位于Client与网关之间，能够承载TCP数据包；

网关，位于Client侧网络与Server侧网络之间，主要负责网络地址转换、通道内容适配、TCP包缓存和重传、TCP连接的监听、数据包类型识别和其他相应优化策略的实现等；

服务端(Server)，响应ClientTCP请求，并发送业务数据.

如图1-b是本发明所设置的网关的组成框图，该网关包含如下模块

TCP连接管理模块，该模块用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护该TCP连接的信息；

TCP连接缓存模块，为每个所述TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传；

接收缓存队列模块，该模块存储所述服务端子网络发给所述客户端子网络的数据，各个数据流共用该缓存；

优先级生成及发送模块，该模块用于对收到的所有不同类型的包数据形成优先级排序并按照所述优先级序列对所有类型数据包进行处理和传输。

数据包重传模块，用于根据接收到的所述客户端子网络包含的每个客户发送的丢包信息，并重传所述的丢包数据。

其中，所述接受缓存队列模块进一步包含三类缓存队列；

其中，第一类接收缓存队列，该队列存储所述服务端子网络发给所述客户端子网络的数据，各个数据流共用该缓存；

第二类类缓存队列是多优先级发送队列，针对不同优先级数据采取不同的发送策略；和

第三类缓存队列是TCP连接缓存，为每个所述TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传。

所述不同类型的包数据采用包类型识别模块获得分类结果，该模块通过所述TCP连接管理模块维护的TCP连接的信息，以及数据包的序列号信息，对包数据类型进行识别归类；其中，所述所有数据包具体包含：在核心网络失序的数据包、服务端子网络重传的数据包、网关重传数据包以及一般的数据包。

如图2所示，该图为现有技术的三次握手初始化TCP连接监听的流程示意图；

1)网关在接收到SYN消息时，开始记录该连接的必要信息，并开始对该连接进行监听；

2)收到应用服务器回复的ACK时，记录窗口大小等必要信息；

3)在收到Client端发送的ACK时，分配TCP连接缓存，设定多级别阈值，启动TCP欺骗定时器。

四次消息关闭TCP连接，网关在接收到Client端发送的Fin-Ack后，释放该TCP连接对应的资源。

本实施例的具体实施方法如图3和图4所示，数据包的处理与发送优先级分为高、中、低三种。

图3是本发明方法中网关对上行数据的处理过程，包括如下具体步骤：

301)网关接收并解析数据包，解析TCP层，判断该包类型；

302)若该包是ACK包，转305)，若是一般数据包，转303)；

303)对该包进行网络地址转换映射，并记录网络地址转换映射信息；

304)转发该数据包，结束；

305)该包是ACK包，判断该Ack是否等于newestAck，其中newestAck记录的是最近接收到的ack，若相等转308)，否则转306)；

306)清除TCP连接缓存中该Ack以及该Ack之前的数据包；

307)更新newestAck＝Ack，count＝1，删去urgentPacket中被该Ack所确认的包，其中标记为urgentPacket的数据包是指Server侧网络丢失的数据包，结束；

308)判断TCP连接缓存中是否有Ack+1的包，若有该包转310)，否则顺序执行；

309)标记Ack+1的包为urgentPacket，结束；

310)该包为Client侧网络丢失的数据包，以高优先级发送该数据包，结束。

图4是本发明方法中网关对下行数据的处理过程，包括如下具体步骤：

401)网关接收并解析数据包，解析TCP层，判断该包类型；

402)对该数据包进行网络地址转换逆转换；

403)若该包是常规数据包，转405)，若是Ack包，转404)；

404)转发该Ack包，结束；

405)在对应TCP连接缓存中缓存该数据包；

406)判断该包是否为urgentPacket，若是，顺序执行，否则转408)；

407)以高优先级发送该数据包，结束；

408)判断该包是否为乱序的包：如果该包的序列号小于之前收到的序列号最大的包，为乱序包，转409)，否则转410)；

409)以中优先级发送数据包，结束；

410)以低优先级发送该数据包，结束。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围，本领域的技术人员应当理解，在不脱离发明原理的前提下，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围中。

Claims (5)

1.一种基于分裂连接的传输控制协议优化方法，该方法在从客户端到服务端的网络中引入网关，实现屏蔽网关两侧网络的异构性，包含：

将所述客户端到服务端的网络划分为服务端子网络和客户端子网络的步骤；

在所述服务端子网络和所述客户端子网络之间设置一网关的步骤，该网关用于监听所述客户端子网络包含的每个客户与所述服务端子网络建立的TCP连接并维护所有TCP连接的信息；该网关用于为所述TCP连接分配缓存来缓存所有采用所述TCP连接接收到的TCP数据包，并对所述TCP数据包进行类型识别然后采用不同优先级和策略进行处理和传输；

其中，所述不同优先级和策略具体通过若干个优先级发送队列对于所述服务端子网络失序的数据包、服务端子网络丢失的数据包、客户端子网络丢失的数据包建立对应优先级级别的优先级队列，保证所述服务端子网络失序的数据包、服务端子网络丢失的数据包、客户端子网络丢失的数据包优先于常规数据包进行处理和传输；

所述处理和传输进一步包含：所述网关对上行数据的处理子步骤和对下行数据的处理子步骤；

其中，所述网关对上行数据的处理子步骤包括：

301)所述网关接收并解析数据包，解析TCP层，判断该包类型；

302)若该包是确认应答包，转305)，若是一般数据包，转303)；

303)对该包进行网络地址转换映射，并记录网络地址转换映射信息；

304)转发该数据包，结束；

305)该包是确认应答包，判断该包的确认号是否等于最新的确认号,其中最新的确认号记录的是最近接收到的包的确认号，若相等转308)，否则转306)；

306)清除TCP连接缓存中该确认号以及该确认号之前的数据包；

307)更新最新的确认号为当前包的确认号，count＝1,删去紧急包中被该确认号所确认的包，其中标记为紧急包的数据包是指服务端子网络丢失的数据包，结束；

308)判断TCP连接缓存中是否有当前包的确认号+1的包，若有该包转310)，否则顺序执行；

309)标记当前包的确认号+1的包为紧急包，结束；

310)该包为客户端子网络丢失的数据包，以高优先级发送该数据包，结束。

2.根据权利要求1所述的基于分裂连接的传输控制协议优化方法，其特征在于，所述网关还用于对所述客户端子网络的每个客户发送的丢包信息，重传丢包数据。

3.根据权利要求1所述的基于分裂连接的传输控制协议优化方法，其特征在于，所述网关对下行数据的处理子步骤包括：

401)网关接收并解析数据包，解析TCP层，判断该包类型；

402)对该数据包进行网络地址转换逆转换；

403)若该包是常规数据包，转405)，若是确认应答包，转404)；

404)转发该确认应答包，结束；

405)在对应TCP连接缓存中缓存该数据包；

406)判断该包是否为紧急包，若是，顺序执行，否则转408)；

407)以高优先级发送该数据包，结束；

408)判断该包是否为乱序的包：如果该包的序列号小于之前收到的序列号最大的包，为乱序包，转409)，否则转410)；

409)以中优先级发送数据包，结束；

410)以低优先级发送该数据包，结束。

4.一种基于分裂连接的传输控制协议优化的系统，包含：

服务端子网络，用于为各种客户终端提供服务；

客户端子网络，用于将各个客户接入服务端子网络以便所述客户获取所述服务端子网络提供的服务；和

连接所述服务端子网络和所述客户端子网络的网关，该网关用于连接采用相同或不同传输层协议的子网络，即所述服务端子网络和所述客户端子网络，并对不同类型数据包采用不同优先级和策略进行处理和传输；

其中，所述网关用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护该TCP连接的信息；所述网关用于分配TCP连接缓存来缓存所有采用所述TCP连接接收到的TCP数据包；所述网关用于根据接收到所述客户端子网络包含的每个客户的丢包信息，进行重传；

所述网关进一步包含：

TCP连接管理模块，该模块用于监听所述客户端子网络包含的每个客户的TCP连接并维护该TCP连接的信息；

TCP连接缓存模块，为每个所述TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传；

接收缓存队列模块，该模块存储所述服务端子网络发给所述客户端子网络的数据，各个数据流共用该缓存；

包类型识别模块，通过所维护的TCP连接的信息，以及数据包的序列号等信息，对包数据类型进行识别归类；其中，所述所有包数据具体包含：在核心网络失序的数据包、服务端子网络重传的数据包、网关重传数据包以及一般的数据包；

优先级生成及发送模块，该模块用于对收到的所有分类的包数据形成优先级排序并按照所述优先级序列对所有类型数据包进行处理和传输；

数据包重传模块，用于根据接收到的所述客户端子网络包含的每个客户发送的丢包信息，重传丢包数据；

所述接收缓存队列模块进一步包含三类缓存队列；

其中，第一类接收缓存队列，该队列存储所述服务端子网络发给所述客户端子网络的数据，各个数据流共用该缓存；

第二类缓存队列是多优先级发送队列，针对不同优先级数据采取不同的发送策略；和

第三类缓存队列是TCP连接缓存，为每个所述TCP连接分配的缓存，临时存储TCP连接数据用来重传。

5.根据权利要求4所述的基于分裂连接的传输控制协议优化的系统，其特征在于，所述数据包的序列号信息包含在所述网关接收的数据包的包头中。