CN103501209A

CN103501209A - 一种异构多网协同传输的单业务分流方法和设备

Info

Publication number: CN103501209A
Application number: CN201310447444.5A
Authority: CN
Inventors: 邓振杰; 刘银龙; 周旭; 谭红艳; 慈松
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: CN103501209B

Abstract

本发明涉及一种异构多网协同传输的单业务分流方法，包括：定时向多个分流路径发送检测包以获得路径时延，保存并更新所述多个分流路径的路径时延；接收数据包，并且记录该数据包的接收时间；根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识，并且获取该流标识所对应的前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径；根据前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达时间，确定当前数据包的动态时延阈值；将所述动态时延阈值与路径时延做比较，从多个分流路径选出候选传输路径集合；通过数据包分流策略进行判断，从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径，使数据包按序到达目的端。提高了网络资源利用率。

Description

一种异构多网协同传输的单业务分流方法和设备

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及异构多网协同传输的单业务分流管理。

背景技术

随着多种接入技术（例如蜂窝网络，WLAN和卫星网络等）和多模终端的广泛普及，下一代移动网络将会是异构的、泛在的网络。多种的接入技术能够协同为用户提供无处不在，无时不在的无缝服务。高带宽需求的业务(例如:视频电话,视频会议等流媒体业务)在整个网络的总流量所占的比例越来越高的情况下，只通过单一的连接传输数据越来越难满足用户对带宽的需求从而提升用户对不同业务的体验。具有多连接能力的多模终端可以同时维持与多个网络的连接，为用户通过多个网络同时传输数据提供可能，这就是异构多网协同传输。

异构多网协同传输具有以下优点：（1）给用户带来更高的聚合带宽和容错能力；（2）避免网络的拥塞和各个异构子网络间的负载均衡；（3）具有更好的网络安全性等。

对于异构多网协同传输，由于不同异构子网之间信道条件不同，对业务的支持能力、业务QoS（Quality of Service,服务质量）保障机制和等级不同，业务到达用户终端时可能会产生“后来居上”的包乱序现象。对于需要按序提交数据包给应用层的业务来说(例如:流媒体业务),乱序到达的数据包需要保留在接收端的缓存直到之前的数据包都达到。大量的乱序到达的数据包会引起接收端和发送端的缓存拥塞，阻碍了发送端拥塞窗口的增长，引起数据传输的效率的下降。严重时，异构多网协同传输的能力甚至比使用最高带宽的单连接的传输能力还要低。包乱序的现象对于实时的业务（视频会议，VoIP等流媒体业务）产生的危害更大，严重地降低了用户对流媒体等实时业务的体验质量。因此，如何减少乱序包的产生是实现异构多网协同传输的一个关键难点。

针对这个问题，国内外很多学者提出了很多解决的算法，包括重传路径的选择，发送端数据包的调度等，但是绝大多数都是针对有线的多路径传输的情况而且大多数在发送端采用随机循环分配的round-robin机制。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够减少异构多网协同传输引起的包乱序的方法和设备。

为实现上述目的，本发明提供了一种在分流开始前对数据包进行拆分，充分考虑各个无线异构子网络的网络特性，保证异构多网协同传输中数据包能够按顺序到达目的端的方法和设备。

在第一方面，本发明实施例提供了一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述方法包括：定时向多个分流路径发送检测包以获得路径时延，保存并更新所述多个分流路径的路径时延；接收数据包，并且记录该数据包的接收时间；根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识，并且获取该流标识所对应的前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径；根据前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达时间确定当前数据包的动态时延阈值；将所述动态时延阈值与路径时延做比较，从多个分流路径选出候选传输路径集合；通过数据包分流策略进行判断，从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径，使数据包按序到达目的端。

第二方面，本发明实施例提供了一种异构多网协同传输的单业务分流设备。包括：分流控制器，用于记录分流路径时延，记录前一数据包到达所述分流控制器的时间和分流路径，记录当前数据包达到分流控制器的时间，根据前一数据包到达所述分流控制器的时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达分流控制器的时间确定当前数据包的动态时延阈值，从多个分流路径选出候选传输路径集合；路径选择器，用于从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径进行传输。

本发明实施例的一种异构多网协同传输的单业务流分流方法和设备中，提出了一种新型的异构多网协同传输中数据包分流机制—基于时延的自适应数据分流机制（An Adaptive Delay-based Packets Splitting Mechanism，ADPSM），该机制能够通过定时地检测各个分流路径的QoS参数，在保证数据包按序到达目的端的前提下为数据包选择最优的路径进行分流。

附图说明

图1为本发明实施例异构多网协同传输业务分流的流程图；

图2为本发明实施例异构多网协同传输业务分流的应用场景；

图3为本发明实施例异构多网协同传输中业务分流模型；

图4为本发明实施例多网协同传输业务分流设备实施的环境；

图5为本发明缓存区大小为32Kb的平均吞吐量与传统的CMT-SCTP的平均吞吐量对比图；

图6为本发明缓存区大小为64Kb的平均吞吐量与传统的CMT-SCTP的平均吞吐量对比图；

图7为本发明缓存区大小为128Kb的平均吞吐量与传统的CMT-SCTP的平均吞吐量对比图；

图8为本发明缓存区占用率与传统的CMT-SCTP缓存区占用率的对比图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例异构多网协同传输业务分流的流程图。下面结合图2中的分流网关（异构多网协同传输业务分流的应用场景）和图3（图3是异构多网协同传输中业务分流模型）中的分流控制器，详细阐述如何通过该单业务分流设备，使数据包按顺序到达目的端。

在步骤100，定时向多个分流路径发送检测包以获得路径时延，保存并更新所述多个分流路径的路径时延。

假设图3所示业务分流模型中存在N条独立的接入路径P_i,i＝1,2,...N，并且定义一个时延向量

其中D_i,i＝1,2,...N表示路径P_i的时延，分流控制器通过在每条分流路径中定时发送检测包测量并记录瞬时的时延、丢包率、可用带宽等网络参数，获得该路径时延，并且将该路径时延保存在分流控制器中，更新分流控制器中的路径时延。由于无线网络的动态性，分流控制器定时的发送检测包测量并更新各个网络的状态信息，保证了在路径选择中正确率

在步骤101，接收数据包，并且记录该数据包的接收时间。

在分流控制器中建立并初始化一个哈希表，哈希表里的每个元素包含三个变量：path_ID（标识数据包传输的路径），last_packet_time（上一个数据包到达分流控制器的时间）和flow_ID（键）。当一个新的数据包达到分流控制器时，通过CRC-16算法计算出该数据包的流标识flow_ID，在哈希表里遍历是否存在该流标识。

在步骤102，根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识，并且获取该流标识所对应的前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径。

在步骤103，根据前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达时间确定当前数据包的动态时延阈值。

数据包通过包头的五元组（源IP地址，目的IP地址，源端口号，目的端口号，协议号）来标识。遍历分流控制器中的哈希表，如果哈希表中存在该流标识，则读取该流标识flow_ID标识元素中的变量path_ID和last_packet_time，在哈希表中记录下到达分流控制器的当前数据包的到达时间t_cur，如图3所示模型中，两个连续到达分流控制器的数据包分别定义为p_prev和p_cur,其中p_prev表示上一个到达分流控制器的数据包,即前一数据包，p_cur表示当前到达分流控制器的数据包，即当前数据包。在分流控制器中的哈希表记录着前一数据包p_prev的到达时间t_prev和用于传输前一数据包p_prev的路径的传输时延D_prev，对于当前到达的数据包，如果选择传输路径的时延D_cur满足下面不等式（1），将不会引起包乱序到达的问题。

t_prev+D_prev≤t_cur+D_cur （1）

将公式（1）做变形，可得：

D_cur≥D_prev-(t_cur-t_prev) （2）

定义一个动态的时延阀值D_sliding，满足下面等式：

D_sliding＝D_prev-(t_cur-t_prev) （3）

其中，采用CRC-16的流区分方法标识需要拆分的业务流，能够以很少的内存和较低的算法复杂度实现对流的识别。有文献证明只需要几十KB的内存就可以对GB量级的流量进行区分，具有较高的实用性。

在步骤104，将所述动态时延阈值与路径时延做比较，从多个分流路径选出候选传输路径集合。

在步骤105，通过数据包分流策略进行判断，从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径，使数据包按序到达目的端。

图3中的分流控制器和路径选择器构成图2中的分流网关，在分流网关中内置数据包分流策略。具体地，将分流控制器中哈希表的流标识对应到具体的检测包检测到的前一数据包到达时间上，有t_prev＝last_packet_time，计算D_sliding＝D_prev-(t_cur-t_prev)，对于所有路径时延

根据公式（2）和公式（3），将满足D_i≥D_sliding的路径标识为候选路径，形成候选路径集P_candidate，然后在候选集中根据评价函数（多属性决策下的基于熵的权重确定）来选择目标路径P_target传输该数据包。数据包经过路径选择器，按序到达目的端，最后更新哈希表中变量，使数据包传输路径为目标路径，即path_ID=P_target，前一数据包到达分流控制器的时间为当前数据包到达分流控制器的时间，即last_packet_time=t_cur。其中，定义的动态的时延阀值，能够根据前一数据包与当前数据包的达到间隔以及前一个数据包传输路径的时延自适应地调整阀值，从而更新候选的传输路径。

需要说明的是，如果步骤104哈希表中不存在flow_ID流标识，则直接从步骤101跳转到步骤105，即直接根据评价函数选择最优路径传输数据包。

与传统的round-robin业务流拆分机制相比，本发明采用的业务流拆分机制能够很大程度上保证能数据包按序到达目的端，避免了由于包乱序产生的缓存阻塞问题，提升了业务传输的效率，充分提高网络资源的利用率，提升了用户对业务的体验质量。此外，本发明采用的机制还能够有效降低接收端缓存区的占用率，并提高网络的吞吐量，尤其是在缓存区较小的情况下。下面结合图4-图8对本发明和传统的round-robin业务量拆分机制相比，在平均吞吐量和缓存区的最大占有率上进行进一步的评价。

为了验证本发明在平均吞吐量上的优越性，具体的实施步骤如下：

图4为本发明多网协同传输业务分流设备实施的环境，在该环境下，采用的重传策略是RTX-CWND，即选择一个具有最大发送端窗口CWND的路径进行重传，如果具有相同大小的CWND，即随机选择一条路径；链路的类型是duplex-link，采用Droptail的队尾，队列长度大小为50；存在两条路径路径1和路径2（如图4），其中路径1的带宽为384Kbps，时延为200ms（和3G网络的参数相似，用于模拟3G网络）；路径2的带宽为10Mbps，时延400Ms（用于模拟WLAN网络）。

8个流量产生器(如图4中C1-C8)不断生成不同分布类型的流量用以模拟Internet中的背景流量，应该使背景流量的类型和比例与实际Internet相似。

比较在不同接收端缓存大小（分别采用如图5中缓存区大小为32Kb，如图6中缓存区大小为64Kb和如图7中缓存区大小为128Kb）下，本发明与采用传统round-robin拆分机制的CMT-SCTP在平均吞吐量上的性能。

从图5、6和图7可以看出，无论缓存区大小是32Kb、64Kb还是128Kb时，本发明异构多网协同传输的单业务流分流采用的业务拆分机制达到的平均吞吐量要比采用传统round-robin业务流拆分机制的CMT-SCTP要大。但是随着缓存大小的增加，两者在平均吞吐量上的间隔会越来越小。例如，在缓存大小为32Kb时，ADPSM的平均吞吐量要比CMT-SCTP高出5.7%；但是缓存为64Kb时，这个比例只为3.2%；当缓存达到128Kb时两者的平均吞吐量是相当的。这个解释为：由于缓存大小的增长，接收端能够缓存更多乱序到达的数据包，从而缓和了乱序带了的吞吐量的下降。从而也证明了本发明尤其适用于接收端缓存较小的情景。

图8为本发明实施例4缓存区占用率与传统的CMT-SCTP缓存区占用率的对比图。

图4为本发明多网协同传输业务分流设备实施的环境，在该环境下，采用固定为64Kb的缓存大小，路径2的时延固定为35ms，路径1的时延从10ms增长到64ms，仿真时间为60ms。

以2ms为步长，从10ms开始增加路径1时延到60ms，总共仿真25次，记录下每次仿真中接收端缓存区的最大占用率。

从图8可以看出，本发明的异构多网协同传输的单业务流分流方法能够有效地减少乱序到达接收端的数据包，从而传输过程中对缓存区的占用率，进而提高传输的性能，提高用户对业务的体验质量。

通过本发明中的异构多网协同传输的单业务流分流方法和机制与传统业务流拆分机制在两个性能参数的比较，可以说明本发明提出的业务分流机制较传统的业务流拆分机制有着更强的有效性、适应性和实用性，在保证数据包按序到达的基础上，也能够实现对网络资源合理的分配，大大提高网络资源利用率，提升了用户对业务的体验质量。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述方法包括：

定时向多个分流路径发送检测包以获得路径时延，保存并更新所述多个分流路径的路径时延；

接收数据包，并且记录该数据包的接收时间；

根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识，并且获取该流标识所对应的前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径；

根据前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达时间，确定当前数据包的动态时延阈值；

将所述动态时延阈值与路径时延做比较，从多个分流路径选出候选传输路径集合；

通过数据包分流策略进行判断，从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径，使数据包按序到达目的端。

2.如权利要求1所述的一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识包括：通过CRC-16算法确定数据包的流标识。

3.如权利要求1所述的一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述根据数据包的五元组，确定该数据包的流标识，并且获取该流标识所对应的前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径包括：所述前一数据包到达时间和前一数据包所经历的分流路径记录在哈希表中。

4.如权利要求1所述的一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述将所述动态时延阈值与路径时延做比较，从多个分流路径选出候选传输路径集合包括：选择D_i≥D_sliding的路径标识为候选路径，其中，D_i为路径时延，D_sliding为动态时延阈值。

5.如权利要求1所述的一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述数据包分流策略具体包括：在路径选择器中采用基于熵最小的权重分配算法确定最优的传输路径。

6.如权利要求1所述的一种异构多网协同传输的单业务分流方法，其特征在于，所述通过数据包分流策略进行判断，从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径之后还包括：初始化数据包的五元组、数据包的传输路径及前一数据包到达时间。

7.一种异构多网协同传输的单业务分流设备，其特征在于，所述设备包括：

分流控制器，用于记录分流路径时延，记录前一数据包到达所述分流控制器的时间和分流路径，记录当前数据包达到分流控制器的时间，根据前一数据包到达所述分流控制器的时间和前一数据包所经历的分流路径的路径时延以及当前数据包到达分流控制器的时间确定当前数据包的动态时延阈值，从多个分流路径选出候选传输路径集合；

路径选择器，用于从候选传输路径集合中为数据包选择最优传输路径进行传输。

8.如权利要求7所述的一种异构多网协同传输的单业务分流设备，其特征在于，所述分流控制器和路径选择器组成分流网关。