CN103684684A - 用于处理端到端网络连接的无线段上的分组的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理端到端网络连接的无线段上的分组的方法和系统。提供了用于在具有至少一个无线段的端到端网络连接中从分组丢失恢复的方法和装置。通过以下操作处理端到端网络连接的无线段上的分组：判定所述分组是否包括丢失的分组和格式错误的分组中的一个或多个；以及如果与所述分组关联的应用基本容忍丢失的数据和格式错误的数据中的一个或多个，则针对所述应用生成修改后的分组，以便替换所述丢失的分组和所述格式错误的分组中的一个或多个。所述修改后的分组例如包括非原始分组和/或纠正后的分组。可以使用链路层信息或来自深度分组检查的信息判定所述分组是包括丢失的分组还是格式错误的分组。

Description

用于处理端到端网络连接的无线段上的分组的方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及分组传输，更具体地说，涉及用于从分组丢失恢复的技术。

背景技术

传输控制协议（TCP）控制因特网上两个联网端点之间的分组流。设计TCP以便两个端点可以控制它们之间的分组流，并根据网络中的拥塞情况调整流而不涉及中间网络节点。已证明TCP具有可靠的各种网络和链路特性。例如，参见Hari Balakrishnan等人的“A Comparison of Mechanismsfor Improving TCP Performance Over Wireless Links（用于改进无线链路上的TCP性能的机制的比较）”（IEEE ACM Trans.On Networking，第5卷第6期，756-769（1997年12月））。

但是，在某些网络条件下，TCP流控制可以导致小于最佳值的整体分组吞吐量。例如，在无线链路的情况下，通常可由于不佳的无线电传播特性而发生分组丢失。分组丢失通常归因于无线链路上的分组碰撞，无线链路通常是端到端连接的最后段。但是，作为响应，起始端点处的发送器将减小传输速率，从而不必要地降低整体端到端连接的性能。

因此，在具有至少一个无线段的端到端网络连接中，需要改进的技术以便从分组丢失中恢复。

发明内容

总体上，提供了用于在具有至少一个无线段的端到端网络连接中从分组丢失恢复的方法和装置。根据本发明的一个方面，通过以下操作处理端到端网络连接的无线段上的分组：判定所述分组是否包括丢失的分组和格式错误的分组中的一个或多个；以及如果与所述分组关联的应用基本容忍丢失的数据和格式错误的数据中的一个或多个，则针对所述应用生成修改后的分组，以便替换所述丢失的分组和所述格式错误的分组中的一个或多个。

在各实施例中，所述修改后的分组例如包括非原始分组和/或纠正后的分组。所述非原始分组可选地符合网络层、传输层和/或应用层的语义要求。可选地使用来自深度分组检查的应用语义信息生成所述非原始分组。所述纠正后的分组可选地纠正所述格式错误的分组中的一个或多个位，以便符合应用层语义要求。

根据本发明的另一个方面，使用链路层信息或来自深度分组检查的信息来判定所述分组是包括丢失的分组还是格式错误的分组。

通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明的更全面的理解，以及本发明的进一步特性和优点。

附图说明

图1示出其中可以实现本发明的示例性网络环境；

图2是描述结合了本发明特性的分组处理过程的示例性实现的流程图；以及

图3示出可以用于实现本发明的一个或多个方面和/或元素的计算机系统。

具体实施方式

本发明的各实施例提供用于在具有至少一个无线段的端到端网络连接中从分组丢失恢复的改进技术。本发明的各个方面通过利用物理、MAC和应用层能力，改进端到端协议（例如，TCP和UDP）的性能。在一个实施例中，本发明利用物理和MAC层知识区分不同种类的分组丢失，利用应用层能力判定是否应在给定时间针对特定流使用格式错误或非原始的分组。可以评估应用语义以便判定是否需要重新传输分组，或者特定应用数据块在应用层处是否是必不可少的。

因此，本发明的各个方面通过使用来自物理层的附加测量区分衰落导致的丢失而改进链路层协议。本发明的另一个方面通过注入非原始分组或允许在应用中传送格式错误的分组（每当这些分组可以恢复或者可以在应用层中处理时），改进端到端协议（例如，TCP和UDP）的性能。

图1示出其中可以实现本发明的示例性网络环境100。如图1中所示，示例性网络环境100包括服务器110，其通过一个或多个网络130与移动设备150上的客户机160通信。网络（多个）130例如可以体现为一个或多个有线和/或无线网络，例如因特网、公共交换电话网络（PSTN）、数字卫星服务、电缆网络、一个或多个局域网（LAN）和/或一个或多个广域网（WAN）。

服务器110和移动客户机160之间的端到端网络连接具有至少一个无线段，例如无线链路145。如图1中所示，无线网络发送器140通过无线链路145向移动客户机160进行传输。无线网络发送器140例如可以体现为无线基站和无线接入点中的一个或多个。示例性无线网络发送器140实现分组处理过程200（如下面结合图2进一步讨论的），以便针对上游流实现本发明的一个实施例。在进一步变型中，示例性移动设备150（或任何其它无线接收器）实现分组处理过程200（如下面结合图2进一步讨论的），以便针对下游流实现本发明的一个实施例。

本发明的各实施例认识到多个分组丢失由衰落导致，而不是由拥塞（这是在发生分组丢失的情况下，减小传输速率的动机）导致。尽管根据本发明的各方面，应从TCP协议屏蔽衰落导致的丢失，但应将拥塞导致的丢失向上提供给TCP协议。本发明的其它实施例使用来自物理和/或MAC层的测量，估计与无线电相关的丢失并通知链路层协议。

本发明的另一个方面认识到多个应用（例如视频应用）可以容纳某些分组丢失，而不需要重新传输丢失或损坏的分组。例如，对于示例性视频应用，解码器能够使用多种技术（例如连续帧之间的推断和感知隐藏）从丢失或损坏的分组恢复。但是，当今使用保证可靠分组传送的TCP协议传送大多数视频，因为大多数防火墙和代理将允许HTTP通过。

本发明的各方面使用应用层DPI（深度分组检查）确定特定的端到端流（或流的一部分）不需要可靠的分组传送，并使用链路层有效地重新传输“丢失的分组”。要注意的是，在当前协议下，链路层仍然必须重新传输分组，因为如果未接收到分组，则TCP将在接收器处停滞，并且不会在接收器处将更多的分组传送到应用层。

本发明的各方面扩展现有的链路层协议（在移动节点和/或基站处），如下所示：

a）链路层可以向较高协议层提供有关丢失的分组属于特定流的通知（这需要链路层能够可靠地接收分组的前几个字节，这些字节标识端到端流）；和/或

b）链路层可以针对特定流将格式错误的分组（例如，具有校验和错误的分组）传送到较高层协议（这再次需要链路层能够可靠地接收分组的前几个字节，这些字节标识端到端流）。

借助此信息（例如，丢失的分组的通知或格式错误的分组的传送），较高层协议可以使用应用层信息做出有关如何处理此情况的决策。使用深度分组检查（DPI）技术，可以根据端到端流对丢失或格式错误的分组的容忍度，以及根据端到端流针对丢失的分组的端到端重新传输策略，对端到端流进行分类。

如下面结合图2进一步讨论的，组合此信息（例如，丢失或格式错误的分组的链路层信息以及应用层语义），可以修改传输层协议（例如，TCP和UDP）处的分组传送，如下所示：

1）在丢失分组通知的情况下，判定应用是否可以容忍注入非原始分组（例如，虚假分组），以及就端到端协议的性能而言是否有利。例如，如果先前使用深度分组检查技术收集的信息指示端到端流承载MPEG视频，并且丢失的分组对应于MPEG流的B帧，则应用可以容忍非原始分组。然后，如果传输协议被标识为TCP，并且确定不传送分组将导致TCP重新传输和TCP拥塞窗口减小，则判定是否生成如下非原始分组：其符合网络和传输层协议语义（例如，生成的非原始分组具有正确的校验和和序列号），并优选地仍然遵循应用语义（例如，在该实例中为格式良好的B帧）。然后将该非原始分组传送到传输层，然后传送到应用层。此时，取决于应用，对非原始分组的处理可以不同。某些应用可以将非原始分组作为错误而丢弃（如果非原始分组未通过某些应用检查），或者可以将非原始分组用作原始分组。

2）在格式错误的分组的情况下，可以遵循类似的方法。与上面讨论的丢失分组的情况（其中使用非原始分组替换丢失的分组）相比，主要区别在于：在这种情况下，分组存在，但所接收分组的某些位（例如，属于分组的应用部分的位）格式错误。再次地，使用先前通过深度分组检查技术收集的信息，可以判定应用是否可以处理格式错误的分组。如果应用可以处理格式错误的分组，则使用传输协议的知识，可以判定将格式错误的分组传送到应用是否优选的，或者判定将格式错误的分组视为丢失的分组并让传输协议或链路层协议处理其恢复是否是更好的操作。

图2是描述结合了本发明特性的分组处理过程200的示例性实现的流程图。通常，示例性分组处理过程200在链路层协议和较高层协议（网络和传输层）之间引入新的逻辑。

如图2中所示，在步骤210，从链路层接收丢失或格式错误的分组时，启动示例性分组处理过程200。

在步骤220，使用应用语义（DPI）215执行测试，以便判定应用是否容忍格式错误的数据（例如，通过检查文件类型和/或源的IP地址）。如果在步骤220判定应用不能容忍格式错误的数据，则在步骤230执行进一步测试，以便判定链路层重新传输是否是优选的。如果链路层重新传输是优选的，则在步骤240请求链路层重新传输分组。如果链路层重新传输不是优选的，则在步骤260不采取操作（例如，不要求发送方重新发送，但等待发送方在超时时重新发送）。

但是，如果在步骤220判定应用容忍格式错误的数据，则在步骤250执行进一步测试，以便判定传输协议处理是否是优选的。如果在步骤250判定传输协议处理是优选的，则在步骤260不采取操作。

但是，如果在步骤250判定传输协议处理不是优选的，则在步骤265执行进一步测试，以便判定分组是丢失的分组还是格式错误的分组。如果在步骤265判定分组是丢失的分组（例如，接收器除了碰撞指示符之外未接收到任何事物），则在步骤270使用端到端流和应用语义（DPI）275，生成符合网络、传输和应用层协议语义的非原始分组。然后在步骤290将生成的非原始分组传送到较高层（网络/传输层）。

但是，如果在步骤265判定分组是格式错误的分组（例如，仅分组的一部分碰撞，并接收到某些有效数据），则在步骤280修复所有格式错误的位，使得格式错误的分组符合应用层协议语义。然后在步骤290将修改后的格式错误的分组传送到较高层（网络/传输层）。

示例性系统和制造品细节

所属技术领域的技术人员知道，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式（包括固件、驻留软件、微代码等），或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各个方面还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

本发明的一个或多个实施例或其元素可以以装置的形式实现，所述装置包括存储器和至少一个处理器，所述至少一个处理器耦合到所述存储器并可操作以执行示例性方法步骤。

一个或多个实施例可以使用在通用计算机或工作站上运行的软件。图3示出可以用于实现本发明的一个或多个方面和/或元素的示例性计算机系统300。例如，可以使用计算机系统300实现图1的无线网络发送器140和移动客户机160中的一个或多个。参考图3，这种实现例如可以采用处理器302、存储器304和输入/输出接口（例如，由显示器306和键盘308形成）。

术语“处理器”如在此所使用的，旨在包括任何处理设备，例如包括CPU（中央处理单元）和/或其它形式处理电路的处理设备。进一步，术语“处理器”可以指多个单独的处理器。术语“存储器”旨在包括与处理器或CPU关联的存储器，例如RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、固定存储设备（例如，硬盘驱动器）、可移动存储设备（例如，软盘）、闪存等。

此外，词组“输入/输出接口”如在此所使用的，旨在包括例如一个或多个用于将数据输入到处理单元的机构（例如，鼠标），以及一个或多个用于提供与处理单元关联的结果的机构（例如，打印机）。处理器302、存储器304和输入/输出接口（例如显示器306和键盘308）例如可以通过总线310互连以作为数据处理单元312的一部分。还可以例如通过总线310为网络接口314（例如网卡，其可以用于与计算机网络连接）以及介质接口316（例如软盘或CD-ROM驱动器，其可以用于与介质318连接）提供适合的互连。

模数转换器（多个）320可以用于接收模拟输入（例如模拟视频馈送）并数字化该输入。这种转换器（多个）可以使用系统总线310互连。

相应地，如在此所描述的，包括用于执行本发明方法的指令或代码的计算机软件可以被存储在一个或多个关联的存储设备（例如，ROM、固定或可移动存储器）中，并且当准备使用时，被部分或全部加载（例如，加载到RAM中）并由CPU实现。这种软件可以包括但不限于固件、驻留软件、微代码等。

适合于存储和/或执行程序代码的数据处理系统将包括至少一个通过系统总线310直接或间接连接到存储元件304的处理器302。存储元件可以包括在程序代码的实际执行期间采用的本地存储器、大容量存储装置以及提供至少某些程序代码的临时存储以减少必须在执行期间从大容量存储装置检索代码的次数的高速缓存存储器。

输入/输出或I/O设备（包括但不限于键盘308、显示器306、指点设备等）可以直接（例如通过总线310）或通过中间I/O控制器（为清楚起见而被省略）与系统相连。

网络适配器（例如网络接口314）也可以被连接到系统以使数据处理系统能够通过中间专用或公共网络变得与其它数据处理系统或远程打印机或存储设备相连。调制解调器、电缆调制解调器和以太网卡只是当前可用的网络适配器类型中的少数几种。

如在此（包括在权利要求中）所使用的，“服务器”包括运行服务器程序的物理数据处理系统（例如，如图3中所示的系统312）。将理解，这种物理服务器可以包括也可以不包括显示器和键盘。

如所说明的，本发明的各个方面可以采取包含在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是—但不限于—电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者上述的任意合适的组合。介质块318是一个非限制性实例。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括例如在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括—但不限于—电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括—但不限于—无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的各个方面的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网（LAN）或广域网（WAN）—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

下面将参照根据本发明实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。

也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备以特定方式工作，从而，存储在计算机可读介质中的指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令的制造品（article ofmanufacture）。

也可以把计算机程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的过程。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的不同实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在此描述的方法步骤例如可以绑定到被编程为执行这些步骤的通用计算机，或者绑定到用于执行这些步骤的硬件，如在此描述的。进一步，在此描述的方法步骤（例如，包括获得数据流并对流进行编码）还可以绑定到从中获得数据流的物理传感器，例如摄像机或麦克风。

应当注意，在此描述的任何方法都可以包括提供一种系统的额外步骤，所述系统包括包含在计算机可读存储介质中的不同软件模块。然后可以使用所述系统的不同软件模块和/或子模块（如上所述，在一个或多个硬件处理器302上执行）执行所述方法步骤。在某些情况下，可以采用专用硬件实现在此描述的一个或多个功能。进一步，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其具有适合于被执行的代码以便执行在此描述的一个或多个方法步骤，包括为所述系统提供不同软件模块。

在任何情况下，应当理解，在此示出的组件可以以各种形式的硬件、软件或它们的组合来实现；例如，专用集成电路（多个）（ASIC）、功能电路、一个或多个具有关联存储器的经过适当编程的通用数字计算机等。给予了在此提供的本发明的教导后，本技术领域的技术人员将能够构想本发明的组件的其它实现。

在此使用的术语只是为了描述特定的实施例并且并非旨在作为本发明的限制。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文明确地另有所指。还将理解，当在此说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了声明的特性、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是并不排除一个或多个其它特性、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组的存在或增加。

以下的权利要求中的对应结构、材料、操作以及所有功能性限定的装置(means)或步骤的等同替换，旨在包括任何用于与在权利要求中具体指出的其它单元相组合地执行该功能的结构、材料或操作。所给出的对本发明的描述其目的在于示意和描述，并非是穷尽性的，也并非是要把本发明限定到所表述的形式。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不偏离本发明范围和精神的情况下，显然可以作出许多修改和变型。对实施例的选择和说明，是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，使所属技术领域的普通技术人员能够明了，本发明可以有适合所要的特定用途的具有各种改变的各种实施方式。

Claims (12)

1.一种用于处理端到端网络连接的无线段上的分组的方法，包括：

判定所述分组是否包括丢失的分组和格式错误的分组中的一个或多个；以及

如果与所述分组关联的应用基本容忍丢失的数据和格式错误的数据中的一个或多个，则针对所述应用生成修改后的分组，以便替换所述丢失的分组和所述格式错误的分组中的一个或多个。

2.根据权利要求1的方法，其中由无线发送器和无线接收器中的一个或多个执行所述方法。

3.根据权利要求2的方法，其中所述无线发送器包括无线基站和无线接入点中的一个或多个。

4.根据权利要求1的方法，其中所述修改后的分组包括非原始分组和纠正后的分组中的一个或多个。

5.根据权利要求4的方法，其中所述非原始分组符合网络层、传输层和应用层中的一个或多个的语义要求。

6.根据权利要求4的方法，其中使用来自深度分组检查的应用语义信息来生成所述非原始分组。

7.根据权利要求4的方法，其中所述纠正后的分组纠正所述格式错误的分组中的一个或多个位以便符合应用层语义要求。

8.根据权利要求1的方法，其中判定所述分组是否包括丢失的分组和格式错误的分组中的一个或多个的步骤基于来自链路层的信息。

9.根据权利要求1的方法，其中判定所述分组是否包括丢失的分组和格式错误的分组中的一个或多个的步骤基于来自深度分组检查的信息。

10.根据权利要求1的方法，还包括请求重新发送所述分组的步骤。

11.根据权利要求1的方法，还包括在超时周期之后从发送方接收所述分组的重发版本的步骤。

12.一种用于处理端到端网络连接的无线段上的分组的系统，所述系统包括被配置为执行权利要求1至11中的任一权利要求的方法步骤的装置。

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