CN103763212A - 一种网络拥堵的调节方法 - Google Patents

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李哲青
范志辉
张治学
陈祥涛
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李沛谕
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Abstract

一种网络拥堵的调节方法，通过网络认知模块获取表征网络拥堵状况的参数，并将这些参数作为元素因子共同构成因素集A，然后建立网络丢包因素集B并设定A与B的关系矩阵，某时刻的因素集A通过映射后得到下一时刻的cwnd值，流量控制模块根据该cwnd值对网络发送端的拥塞窗口进行调节。通过本方法区分出不同的网络负载和不同的误码率下，影响丢包的主要因素并据此进行调节，较当前主要的TCP协议有更好的适应性，能够在负载增加和误码率较高的情况下，对网络性能等级进行评判，并据此区分出无线误码丢包和拥塞丢包，极大地提高了高负载、高误码率网络环境下链路的利用率和吞吐量，从而改善了异构网络中TCP的传输性能。

Description

一种网络拥堵的调节方法
技术领域
本发明涉及到互联网通信传输领域，具体的说是一种网络拥堵的调节方法。
背景技术
TCP协议是有线网络中最为流行的、面向连接的可靠的点到点协议。该协议一般应用在带宽时延乘积较小(其瓶颈链路的缓冲区容量远远大于网络的带宽时延乘积)和信道误码率很低的网络环境中。针对异构网络的互连互通，由于长延时、高误码率、信道不对称、垂直切换和动态网络拓扑结构等特性，TCP协议的传输性能被大大地减弱。长延时，影响TCP的慢启动算法，使其需要花费较长时间才能达到最优的传输速率，且需要大的发送窗口才能充分利用带宽，但是标准TCP的最大发送窗口不能满足长时延对发送窗口的要求，影响网络传输性能。
为了解决TCP在异构网络中的性能下降问题，当前比较流行的解决方法有：端到端方案、分段连接方案、链路层方案等。端到端方案基于TCP协议的改进，TCP-Reno、TCP-Vegas以及TCP-Westwood等都是比较常用的典型代表，然而这类协议都比较片面的针对某一个参数或一种情况做出了改进，并不能全面的和准确的解决异构问题。分段连接方案在基站处加入代理功能，将TCP端到端连接分成了两部分，无线链路部分采用改进的协议，该方法可操作性强，使吞吐量等性能提高了一个新的台阶，问题是违背了端到端的语义。链路层方案虽然具有灵活的操作手段，但由于该层协议与高层协议都有独立的差错控制功能，有一定的重复性，相互竞争会降低无线信道的利率。此外，对于最后一跳为无线链路的网络，链路层技术的复杂度受无线终端能源限制。
发明内容
为解决现有技术中网络拥堵的调节方法均存在一定的局限、不能在不影响吞吐量的情况下很好的解决网络拥塞的问题，本发明提供了一种网络拥堵的调节方法。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种网络拥堵的调节方法，包括以下步骤：
1）通过网络认知模块获取表征网络拥堵状况的参数，并将这些参数以及前一个时刻控制模块的输出传输性能指数TPI作为元素因子共同构成因素集A：
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE001
式中，i和i-1分别表示当前时刻和前一时刻；
MDP为均值抖动积，
Figure 911116DEST_PATH_IMAGE002
，式中的rtt为往返时间；
STT为短期吞吐量，
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE003
；
SOPD为平滑单向传输时延，
Figure 277375DEST_PATH_IMAGE004
，式中的
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE005
；
BER为平均误码率；
2）建立网络丢包因素集B：
B=(C,  I,  U)
式中，C表示网络拥塞，I表示外界干扰，U表示不确定因素；
3）设定因素集A与因素集B的关系矩阵：
Figure 739450DEST_PATH_IMAGE006
式中，fi指因素集A对网络拥塞的隶属函数，
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE007
；
gi指的是因素集A对外界干扰的隶属函数，
Figure 507554DEST_PATH_IMAGE008
；
hi指因素集A对不确定因素的隶属函数，
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE009
；
式中，、
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE011
、分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本均值；
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 843267DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE015
分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本标准差；
Figure 528195DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE017
为不同网络环境下的抖动因子，通过对
Figure 424476DEST_PATH_IMAGE016
、的调整来影响隶属函数；
因素集A到R的映射为A * R，目标向量J为
Figure 382253DEST_PATH_IMAGE018
式中，J i 是i时刻的网络丢包原因因素；
w值是输入因素对网络状态的影响权重，w=(V1, V2, V3)，V1∈(0.28,0.42), V2∈(0.26,0.43), V3∈(0.16,0.35)；
4）某时刻的因素集A通过映射后得到下一时刻的cwnd值，流量控制模块根据该cwnd值对网络发送端的拥塞窗口进行调节。
所述因素集A的权重向量S=(W1,W2,W3,W4,W5 )，W1∈(0.2,0.26),W2∈(0.26,0.32),W3∈(0.3,0.36),W4∈(0.082,0.088),W5∈(0.062,0.068), 其中
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE019
为A中第1个因素MDP的权重，
Figure 859371DEST_PATH_IMAGE020
为A中第2个因素STT的权重，为A中第3个因素SOPD的权重，
Figure 864236DEST_PATH_IMAGE022
为A中第4个因素BER的权重，
Figure 2014100003885100002DEST_PATH_IMAGE023
为A中第5个因素TPI的权重，且满足
Figure 426804DEST_PATH_IMAGE024
。
所述J i 是i时刻的网络丢包原因因素，该因素为拥塞丢包、干扰丢包或不确定状态。
本发明中，采用TCP/IP协议中不同层之间的参数作为基本参数，往返时间RTT，拥塞窗口cwnd (Congestion Window)，单向传输时间OPD和和平均误码率BER，但是考虑到单纯采用这些参数，对网络状态的描述不全面，故而本发明将均值抖动积MDP(Mean Deviation Product)、短期吞吐量STT(Short-term Throughput)、平滑单向传输时延SOPD (Smooth One-way Propagation Delay)、平均误码率BER(Bit Error Rate) 和TPI作为提取参数。
均值抖动积MDP是基于传输往返时延(Round-trip time)计算得出的，RTT是网络传输控制的一个最常用的参数，它反映了数据包从发送到接收ACK所用到的总体时间，它对网络传输过程中因为瓶颈链路而导致的拥塞丢包事件反映非常敏感, 但是由于TCP应答机制（接收方无论是否受到一个数据包都会定时发送数据包应答ACK）RTT值无法确切反映出因为外界干扰而产生的丢包事件；同时由于无线网络的传输环境复杂性，RTT值的抖动幅度比较大，干扰了实际网络传输情况的判断，即一次RTT绝对值的突然变化不能说明网络必然出现拥塞状况。因此我们提出基于往返时延RTT的参数均值抖动积MDP， 旨在于克服这些缺陷：
       
其中
Figure 51950DEST_PATH_IMAGE026
表示的是RTT的短期均值，表示的是短期标准差，a是调节系数，调节RTT抖动因素占AVM值的贡献比例，对于拥塞丢包，均值抖动积MDP反映了丢失包在瓶颈链路中的排队时延变化，对丢包事件反映敏感，因此，均值抖动积MDP的统计特性近似服从正态分布，MDP隶属函数为：
Figure 649154DEST_PATH_IMAGE028
    
对于误码丢包，均值抖动积MDP与排队时延无关，但考虑到网络利用率，该数据统计量也近似服从正态分布。MDP隶属函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
    
其中
Figure 824920DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE031
分别表示拥塞丢包
Figure 874785DEST_PATH_IMAGE032
和无线误码丢包
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的样本均值； 
Figure 161409DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
分别表示拥塞丢包
Figure 347540DEST_PATH_IMAGE036
和无线误码丢包
Figure DEST_PATH_IMAGE037
的样本标准差；
Figure 694208DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 169051DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为不同网络环境下的抖动因子。
利用一个周期内的RTT平均值代替瞬时值，进行时间平滑处理。同时引入标准差
Figure 259367DEST_PATH_IMAGE042
，克服了RTT平均值过渡平滑，导致对网络状态盲目的乐观。当MDP增大时，表明网络传输状态不好；反之，则表明传输状态趋向稳定。
短期吞吐量STT：短期吞吐量是基于拥塞窗口cwnd (Congestion Window)计算得出的，拥塞窗口反映了发送方发送数据包的速率，它可以间接反映网络实时传输速率，如果没有发生拥塞，则传输速率保持平稳或者稳步增长。短期吞吐量是为了能敏感反映网络实时传输特征，定义如下：
                               
其中，cwndi表示拥塞窗口在时刻的大小，packet_size为每个数据包的大小，T为统计周期。
平滑单向传输时延SOPD：无线网络中，上下行链路是不对称的，以往的传输算法中只考虑上行链路传输状态的思路是不适合用在无线网络环境中的。故而，将在源主机接收到ACK的时间tSi减去目的主机发送ACK的时间tDi为定义单向传输时延OPD，为了屏蔽网络抖动引起的误差，在OPD的基础上加入时间平滑，定义为平滑单向传输时延SOPD。
平均误码率：此参数反映了无线网络的物理链路稳定性，它对网络传输过程中因为外界环境干扰而导致的丢包事件反映比较敏感。平均误码率高则说明网络链路受外界干扰大，反之，受外界干扰小。这个参数能够较好的平衡传输往返时延（RTT）携带的网络丢包事件原因信息。
有益效果：通过本发明的方法，可以在网络发生丢包时，对网络性能等级进行划分，并据此进行丢包评判，防止了盲目减小发送速率，提高了网络的吞吐量。通过本方法判断区分出不同的网络负载和不同的误码率下，影响丢包的主要因素并据此有针对性的调节，较当前主要的TCP协议有更好的网络环境适应性，能够在负载增加和误码率较高的情况下，对网络性能等级进行评判，并据此区分出无线误码丢包和拥塞丢包，极大地提高了高负载、高误码率网络环境下链路的利用率和吞吐量，从而改善了异构网络中TCP的传输性能。
附图说明
图1为在误码率较低的情况下本发明方法与传统NEW RENO,VEGAS的吞吐量对比图；
图2为在误码率较高的情况下本发明方法与传统NEW RENO,VEGAS的吞吐量对比图。
具体实施方式
    一种网络拥堵的调节方法，包括以下步骤：
1）通过网络认知模块获取表征网络拥堵状况的参数，并将这些参数以及前一个时刻控制模块的输出传输性能指数TPI作为元素因子共同构成因素集A：
Figure 503267DEST_PATH_IMAGE001
式中，i和i-1分别表示当前时刻和前一时刻；
MDP为均值抖动积，
Figure 755257DEST_PATH_IMAGE002
，式中的rtt为往返时间；
STT为短期吞吐量，
Figure 655079DEST_PATH_IMAGE003
；
SOPD为平滑单向传输时延，
Figure 283507DEST_PATH_IMAGE004
，式中的
Figure 585175DEST_PATH_IMAGE005
；
BER为平均误码率；
2）建立网络丢包因素集B：
B=(C,  I,  U)
式中，C表示网络拥塞，I表示外界干扰，U表示不确定因素；
3）设定因素集A与因素集B的关系矩阵：
式中，fi指因素集A对网络拥塞的隶属函数，
Figure 395185DEST_PATH_IMAGE007
；
gi指的是因素集A对外界干扰的隶属函数，
Figure 833163DEST_PATH_IMAGE008
；
hi指因素集A对不确定因素的隶属函数，
Figure 786076DEST_PATH_IMAGE009
；
式中，
Figure 583130DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 254283DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 427775DEST_PATH_IMAGE012
分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本均值； 
Figure 500774DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 468730DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 627178DEST_PATH_IMAGE015
分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本标准差；
Figure 338783DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 266287DEST_PATH_IMAGE017
为不同网络环境下的抖动因子，通过对
Figure 467461DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 50890DEST_PATH_IMAGE017
的调整来影响隶属函数；
因素集A到R的映射为A * R，目标向量J为
Figure 362922DEST_PATH_IMAGE018
式中，J i 是i时刻的网络丢包原因因素；
w值是输入因素对网络状态的影响权重，w=(V1, V2, V3)，V1∈(0.28,0.42), V2∈(0.26,0.43), V3∈(0.16,0.35)；
4）某时刻的因素集A通过映射后得到下一时刻的cwnd值，流量控制模块根据该cwnd值对网络发送端的拥塞窗口进行调节。
所述因素集A的权重向量S=(W1,W2,W3,W4,W5 )，W1∈(0.2,0.26),W2∈(0.26,0.32),W3∈(0.3,0.36),W4∈(0.082,0.088),W5∈(0.062,0.068), 其中
Figure 348196DEST_PATH_IMAGE019
为A中第1个因素MDP的权重，
Figure 720271DEST_PATH_IMAGE020
为A中第2个因素STT的权重，
Figure 853312DEST_PATH_IMAGE021
为A中第3个因素SOPD的权重，
Figure 906719DEST_PATH_IMAGE022
为A中第4个因素BER的权重，
Figure 808816DEST_PATH_IMAGE023
为A中第5个因素TPI的权重，且满足
Figure 289476DEST_PATH_IMAGE024
。
所述J i 是i时刻的网络丢包原因因素，该因素为拥塞丢包、干扰丢包或不确定状态。
由图1可见，在误码率较低情况下，采用本发明方法能够区分无线误码丢包和拥塞丢包，防止了盲目减小发送速率，提高了网络的吞吐量。由图2可见，在误码率较高情况下，网络更易丢包，而采用本发明方法能够区分无线误码丢包和拥塞丢包，防止了盲目减小发送速率，明显提高了网络的吞吐量。由此可见，本发明方法优选的适合于在不同无线误码率波动下改善网络性能。

Claims (3)

1.一种网络拥堵的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过网络认知模块获取表征网络拥堵状况的参数，并将这些参数以及前一个时刻控制模块的输出传输性能指数TPI作为元素因子共同构成因素集A：
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE001
式中，i和i-1分别表示当前时刻和前一时刻；
MDP为均值抖动积，
Figure 887753DEST_PATH_IMAGE002
，式中的rtt为往返时间；
STT为短期吞吐量，
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE003
；
SOPD为平滑单向传输时延，
Figure 867210DEST_PATH_IMAGE004
，式中的；
BER为平均误码率；
2）建立网络丢包因素集B：
B=(C,  I,  U)
式中，C表示网络拥塞，I表示外界干扰，U表示不确定因素；
3）设定因素集A与因素集B的关系矩阵：
Figure 709264DEST_PATH_IMAGE006
式中，fi指因素集A对网络拥塞的隶属函数，
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE007
；
gi指的是因素集A对外界干扰的隶属函数，
Figure 166790DEST_PATH_IMAGE008
；
hi指因素集A对不确定因素的隶属函数，
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE009
；
式中，
Figure 43479DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 928259DEST_PATH_IMAGE012
分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本均值； 
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 257609DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE015
分别表示网络拥塞丢包、外界干扰丢包和其他不确定因素丢包中因素权重的样本标准差；
Figure 518826DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE017
为不同网络环境下的抖动因子，通过对
Figure 250022DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 305702DEST_PATH_IMAGE017
的调整来影响隶属函数；
因素集A到R的映射为A * R，目标向量J为
Figure 2014100003885100001DEST_PATH_IMAGE019
式中，J i 是i时刻的网络丢包原因因素；
w值是输入因素对网络状态的影响权重，w=(V1, V2, V3)，V1∈(0.28,0.42), V2∈(0.26,0.43), V3∈(0.16,0.35)；
4）某时刻的因素集A通过映射后得到下一时刻的cwnd值，流量控制模块根据该cwnd值对网络发送端的拥塞窗口进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种网络拥堵的调节方法，其特征在于：所述因素集A的权重向量S=(W1,W2,W3,W4,W5 )，W1∈(0.2,0.26),W2∈(0.26,0.32),W3∈(0.3,0.36),W4∈(0.082,0.088),W5∈(0.062,0.068), 其中
Figure 122349DEST_PATH_IMAGE020
为A中第1个因素MDP的权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为A中第2个因素STT的权重，
Figure 921677DEST_PATH_IMAGE022
为A中第3个因素SOPD的权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为A中第4个因素BER的权重，为A中第5个因素TPI的权重，且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
3.根据权利要求1所述的一种网络拥堵的调节方法，其特征在于：所述J i 是i时刻的网络丢包原因因素，该因素为拥塞丢包、干扰丢包或不确定状态。
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