CN103841043A - 一种基于友好性的平行数据传输窗口机制 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于友好性的平行数据传输窗口机制，解决多路并行传输在资源共享的网络中因过度占用带宽而引起的TCP不友好的公平性问题。流控制传输协议的拥塞控制都是路径独立的，无法从整体上对多路传输的速率进行了解和控制。基于此，本发明设计了一个多路径友好窗口，在会话范围内模拟TCP的拥塞控制。将友好窗口值与活动路径总拥塞窗口值进行比较，判断当前带宽占用情况是否合理，若超出一定范围，则进行相应的拥塞窗口增加或减少的调整，从而保证数据传输的效率和友好性。通过基于友好性的平行数据传输窗口机制，能够在不过度损害多路径数据传输效率的同时有效减小其对传统单路径传输的侵略性，获得稳定的网络性能。

Description

一种基于友好性的平行数据传输窗口机制

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，通讯数据传输技术。具体涉及在SCTP CMT与非多路径传输协议共享资源的网络中，对SCTP会话设置友好窗口机制以实现友好的多路并行传输。

背景技术

随着互联网的蓬勃发展以及人们对网络的依赖，传统单一的有线网络接入方式已经不能满足人们的需求，3G、Wifi、WiMAX等网络接入技术的兴起可为用户提供随时随地的互联网接入。同时，越来越多的网络终端设备存在两个或者两个以上的网络接口，并拥有更强的数据处理能力以及通信功能。多种接入网全面覆盖以及终端多接口技术使得多路并行传输CMT（Concurrent MultipathTransfer）成为可能。多路并行传输能够充分利用网络资源，提供更大的带宽；当某条路径的传输错误较多时，可以在其他路径上恢复数据传输；在移动无线环境中，多路径数据传输还可以实现无缝切换，提供稳定的网络服务。总之，CMT具有较好的带宽聚合能力、容错性以及稳定性，为用户提供高质量的网络服务。

流控制传输协议SCTP（Stream Control Transmission Protocol）是IETF在2000年提出的一种新的传输层协议，SCTP能够提供类似于TCP的数据传输服务，并利用现代IP网络更强大的性能支持一些特性，具有比TCP更优的传输性能。SCTP支持多宿主（Multihoming）特性，可以利用终端设备的多接口实现多路径数据传输。在最初形成的标准中，SCTP仅仅利用初始路径进行数据传送，其余路径都作为冗余路径，用于处理重传或者在初始路径连接失败时备用。然而，多接口终端设备的迅速发展，促进了对多路径并行数据传输的需求。CMT-SCTP在SCTP上扩展了CMT功能，能够同时使用多条路径进行数据传输，充分利用网络资源，获得更大的带宽。

由于80%甚至更多的传输层协议都是使用TCP的，为了在互联网上获得更好的兼容性，新的传输层协议的设计需要保证其TCP友好性。当在拥塞环境下，数据流的行为与TCP流类似，且能与其他数据流合理共享带宽时，该数据流可认为具有TCP友好性。由于CMT-SCTP分别在每条路径上独立执行类似于TCP的拥塞控制，多路并行数据传输总的发送速率将会是同等条件下TCP的几倍。在各路径不相交的情况下，该拥塞控制是非常有效的。但是在CMT与单路径传输协议（如TCP）的多条路径共享网络瓶颈时，CMT将会侵略性地占用过多带宽资源，不具有TCP友好的公平性。同时，由于IP网络的的路由是无连接的，该网络瓶颈在无固定拓扑的网络（如Internet）中并无法检测。如果该不公平性非常突出且不受控制，CMT将会霸占网络，挤压在网络中普及的TCP流，导致网络瘫痪。当网络资源严重不足时，控制CMT的流量，防止其侵略性，保证其对共存的单路径流的友好性是十分必要的。

TCP友好的公平性被广泛认可为传输层协议的性能指标。IETF提出的TFRC（TCP-Friendly Rate Control）宣称具有合理的公平性，但其仅仅是将拥塞窗口设为固定值，适合电话应用和流媒体传输，对CMT并不适用。Wischik提出资源池RP（Resource Pooling）理论，将其应用到MPTCP中并证实RP可以在增加吞吐量的同时具有公平性。Dreibholz等人成功地将RP应用到CMT-SCTP中。但是，这种基于RP的公平性可能会带来过量的约束并阻止了发送速率的有效增长，使带宽并没有得到合理的利用。

发明内容——权利要求书部分

有鉴于此，本发明提出了一种基于友好性的平行数据传输窗口机制，模拟TCP（Reno）的拥塞控制，设计了一个友好窗口，将其与会话的实际发送速率做对比，进行友好公平性的维护。本发明设计了一个多路径友好窗口维护算法，为整个SCTP会话定义了友好窗口fwnd和门限值fthresh，模拟TCP的拥塞控制，维护fwnd和fthresh的值。同时设计了一个多路径友好窗口调整算法，将fwnd与路径总拥塞窗口值做对比，根据理论的友好窗口值与实际的拥塞窗口值之间的差异，进行拥塞窗口奖励/惩罚决策，保证数据传输的效率和友好性。本发明能够有效地判断多路并行传输的整体资源占用情况是否具有侵略性，智能地调整窗口，将多路径传输的拥塞窗口总和限制在一个合理的范围内，消除多路并行传输对传统单路径传输的侵略性，同时保证多路径并行传输的效率，维护网络的整体性能。

1、一种基于友好性的平行数据传输窗口机制，其步骤包括：

a)基于模拟TCP拥塞控制的多路径友好窗口维护算法。为整个SCTP会话定义一个友好窗口fwnd和门限值fthresh，模拟TCP的cwnd和ssthresh执行拥塞控制算法；

b)多路径友好窗口调整算法。包括窗口奖励算法和窗口惩罚算法，将fwnd的值限制在一个与SCTP会话总拥塞窗口有关的区间范围内。保证SCTP平行数据传输的效率和友好性。

2、如权利要求1所述的基于模拟TCP拥塞控制的多路径友好窗口维护算法，其特征在于：

a)模拟TCP的拥塞控制算法，为整个SCTP会话定义一个友好窗口fwnd和门限值fthresh。Fwnd在收到数据包的确认时逐步增长，由fthresh决定执行慢开始或者拥塞避免算法；在网络拥塞时，执行快速重算法传或者超时重传算法；

b)为每条路径设置惩罚计数器fcount。当路径发生不同的活动时，如路径变为不活动的、发生快速重传或者超时重传，对fcount进行不同的处理（例如加上不同的数值），该计数器值值用于后续的调整算法。

3、如权利要求1所述的多路径友好窗口调整算法，其特征在于：

a)窗口奖励算法。设置奖励系数α，当SCTP会话的总拥塞窗口值小于α·fwnd时，执行窗口奖励算法，给予所有活动路径的cwnd值额外的增长，保证数据传输的效率；

b)窗口惩罚算法。设置惩罚系数β，当SCTP会话的总拥塞窗口值大于β·fwnd时，执行窗口惩罚算法，选取fcount值最大的路径，采取类似于快速重传算法减小门限值和窗口值，修改fcount并禁止该路径在一段时间内的数据分配。若仍有SCTP会话的总拥塞窗口值大于β·fwnd，则继续选择下一条路径进行惩罚,从而保证平行数据传输的友好性。

本发明具有如下技术效果：

1、在本发明中，保持SCTP原有的每条路径上独立执行的拥塞控制，另为整个SCTP会话建立了一个新的友好窗口，模拟TCP的拥塞控制。在友好窗口在全局上把握数据传输速率，进行公平性维护的同时，又保证每条路径的独立性。

2、在本发明中，设置惩罚计数器fcount。，对路径发生的不同活动（如路径变为不活动的、发生快速重传或者超时重传）定义不同的影响值，当路径发生某活动时，fcount累加相应的影响值。该计数器的值能够客观反应路径的不稳定性，fcount值越大路径越不稳定，在进行路径惩罚时用于惩罚路径的选取。

3、在本发明中，设计了窗口奖励算法和窗口惩罚算法。将总拥塞窗口控制在一定范围之内，低于或高于该范围时采用相应的窗口奖励算法或者惩罚算法，进行负载平衡，保证平行数据传输的效率和友好性。

附图说明

图1为本发明平行数据传输窗口机制的整体框架；

图2为多路径友好窗口维护算法流程图；

图3为多路径友好窗口调整算法流程图；

具体实施方式

为使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效便于理解，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细阐述。

1、系统整体框架图

为了解决由于多路并行传输过多地霸占路径资源而导致对单路径传输的不友好性，本发明提出了一种基于友好性的平行数据传输窗口机制。如图1所示，即为本发明的整体框架。其主要包括友好窗口维护算法以及由窗口奖励算法、窗口惩罚算法组成的友好窗口调整算法。多路径友好窗口在SCTP会话建立时，由活动路径拥塞窗口初始值的总和初始化，之后由友好窗口维护算法进行维护。在会话进行过程中，一旦有活动路径的拥塞窗口发生变化，则总拥塞窗口值得到更新。基于奖励系数、惩罚系数和多路径友好窗口，得到一个窗口范围，将其与只能够拥塞窗口进行对比，若总拥塞窗口值在该范围之内，则无需进行窗口调整；若总拥塞窗口值低于或者超过该窗口范围，则对路径拥塞窗口进行相应的的窗口奖励算法或者窗口惩罚算法。

2、基于模拟TCP拥塞控制的多路径友好窗口维护算法

与直接修改拥塞窗口机制不同，本发明模拟TCP的拥塞控制，为整个SCTP会话定义了一个多路径友好窗口fwnd及其门限值fthresh，执行TCP的拥塞控制算法，并尽可能少地改动单路径的拥塞控制算法。在CMT-SCTP会话建立时，初始化fwnd为所有活动路径拥塞窗口初始值的总和，fthresh为拥塞窗口门限值:

fwnd＝fwnd+n·cwnd(init)

fthresh＝ssthresh(init)   （1）

在数据传输过程中，如果不活动路径i变为活动路径，则在fwnd的基础上增加相应路径的拥塞窗口值。如果活动路径i变为不活动的，则从fwnd中减少路径i的拥塞窗口值。即fwnd跟随活动路径的变动而变动：

fwnd＝fwnd±cwnd   （2）

当活动路径i的拥塞窗口值增长Δcwnd时，由fthresh判断fwnd执行慢开始算法还是拥塞避免算法。若fwnd＜fthresh，则fwnd执行慢开始算法，cwnd正常增加相应的Δcwnd；反之，fwnd≥fthresh，fwnd执行拥塞避免算法，这里需要注意的是，为了预防cwnd的过快增长，此时cwnd并不进行的正常的增长，而是只增加Δcwnd值的1/n。

当路径i因为拥塞而发生快速重传时，fwnd执行快速重传算法，门限值变为当前友好窗口值的一半，同时fwnd减小到门限值：

fthresh＝max(fwnd/2,n·cwnd(init))

fwnd＝fthresh   （3）

当路径i发生超时重传时，fwnd执行超时重传算法，门限值变为当前友好窗口值的一半，同时fwnd变为初始值：

fthresh＝max(fwnd/2,n·cwnd(init))

fwnd＝n·cwnd(init)   （4）

以上fwnd的行为具有明显的AIMD特征，在稳定的环境中，其肯定是TCP友好的。

除了fwnd和fthresh的维护，该算法还为每条路径设置了惩罚计数器fcount。设置每条路径fcount的初值为零。在数据传输过程中，若某路径变为不活动的，该路径fcount值加2；若某路径因拥塞而发生快速重传，该路径fcount值加1；若某路径发生超时重传，该路径fcount值加2。惩罚计数器的值可反应路径质量情况，用于后续的惩罚算法进行惩罚路径选择。

图2为多路径友好窗口维护算法的流程图，其步骤如下:

1）建立SCTP会话，按照式（1）初始化fwnd和fthresh的值，同时将每条路径的fcount计数器置为0。

2）若活动路径i变为不活动的，fwnd减少该路径的拥塞窗口值，活动路径数n减小，fcount加2。

3）若不活动路径i变为活动的，fwnd增加该路径的拥塞窗口值，活动路径数n增加。

4）若活动路径i的拥塞窗口增加Δcwnd，比较fwnd与fthresh的值。如果fwnd＜fthresh，fwnd执行慢开始算法；反之则执行拥塞避免算法，同时Δcwnd缩小到1/n倍。最后该路径的拥塞窗口增加Δcwnd。

5）若路径i因拥塞引发快速重传，根据式（3）调整fthresh和fwnd，同时fcount计数器加1。

6）若路径i发生超时重传，根据式（4）调整fthresh和fwnd，同时fcount计数器加2。

7）循环步骤2到6，直到会话结束。

3、多路径友好窗口调整算法

在考虑多路径传输的公平性时，需要同时保证多路径传输的效率。Fwnd和fthresh的联合作用应该允许cwnd的充分增长，同时阻止cwnd对带宽的恶性占用。这可以通过保持总的发送速率（可用拥塞窗口的总和表示）在以fwnd为中心的一个有理区间内得到：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{cwnd}}_i\&Element;[\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{fwnd},\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{fwnd}],\mathrm{\&alpha;}<1,\mathrm{\&beta;}>1$

α和β分别是奖励系数和惩罚系数。每当有路径的cwnd发生变化时，判断cwnd的总和是否处于（5）式中的区间。如果执行窗口奖励算法，适量增加cwnd，保证数据传输的效率；如果

执行窗口惩罚算法，选取路径减少其cwnd，保证数据传输的友好性。

a)窗口奖励算法

在执行窗口奖励算法之前，为每条路径定义路径的平均发送速率R_e，该值是一段时间内的平均值，可以反映路径的数据处理能力，用于奖励算法的窗口分配。在给定的时间间隔内，用sendsize表示该时间间隔中已成功发送的数据量，T_e是发送的第一个数据进入路径缓存的时间，T_l是发送的最后一个数据离开缓存的时间。则在一定时间间隔内，路径的平均发送速率为：

$R_e=\frac{\mathrm{sendsize}}{T_l-T_e}---\left(6\right)$

当

时，执行窗口奖励算法，将fwnd和cwnd总和之间的差值合理分配到每条路径上。每条路径上增加的cwnd与R_e成正比：

cwnd=cwnd+(fwnd-cwnd_sum)?R_e/Re_sum   （7）

上式中，cwnd_sum表示所有活动路径拥塞窗口的总和，Re_sum表示所有活动路径R_e的总和。

b)窗口惩罚算法

当

时，表示CMT占用了较多的带宽，此时执行窗口惩罚算法。窗口奖励算法是将奖励的窗口根据Re分配到每条活动路径上，而窗口惩罚算法是选取活动路径中的某一条进行惩罚。

由前文可知，fcount可代表路径的稳定性，fcount值越大说明路径的变动越频繁。因此，惩罚算法首先在所有活动路径中寻找fcount最大的路径。如果有几条路径都拥有最大的fcount值，则再比较这些路径的R_e，选取其中R_e最小的路径作为惩罚路径。惩罚路径选取的原则在于选取路径质量最差的路径，保证网络的稳定性。

选定惩罚路径之后，路径的惩罚与快速重传算法类似，门限值降为当前窗口值的一般，窗口值调整为门限值：

ssthresh＝max(cwnd/2,4·MTU)

cwnd＝ssthresh   （8）

同时禁止该路径一段时间内的数据分配，fcount减一。

如果惩罚之后仍然有

则继续选择另外的路径进行惩罚。

图3为友好窗口的调整算法流程如，其步骤如下：

1）有路径的拥塞窗口发生变化，更新cwnd_sum和Re_sum的值。

2）判断是否满足窗口奖励条件，若是，按式（7）对每条路径进行奖励；若否，转入步骤3。

3）判断是否满足窗口惩罚条件，若是，转入步骤4；若否，算法结束。

4）选择惩罚路径，按式（8）进行窗口惩罚，同时将该路设置为在一段时间内不允许数据分配，fcount减一。更新cwnd_sum，转入步骤3。

Claims (3)

1.一种基于友好性的平行数据传输窗口机制，其步骤包括：

a)基于模拟TCP拥塞控制的多路径友好窗口维护算法。为整个SCTP会话定义一个友好窗口fwnd和门限值fthresh，模拟TCP的cwnd和ssthresh执行拥塞控制算法；

b)多路径友好窗口调整算法。包括窗口奖励算法和窗口惩罚算法，将fwnd的值限制在一个与SCTP会话总拥塞窗口有关的区间范围内。保证SCTP平行数据传输的效率和友好性。

2.如权利要求1所述的基于模拟TCP拥塞控制的多路径友好窗口维护算法，其特征在于：

a)模拟TCP的拥塞控制算法，为整个SCTP会话定义一个友好窗口fwnd和门限值fthresh。Fwnd在收到数据包的确认时逐步增长，由fthresh决定执行慢开始或者拥塞避免算法；在网络拥塞时，执行快速重算法传或者超时重传算法；

b)为每条路径设置惩罚计数器fcount。当路径发生不同的活动时，如路径变为不活动的、发生快速重传或者超时重传，对fcount进行不同的处理（例如加上不同的数值），该计数器值值用于后续的调整算法。

3.如权利要求1所述的多路径友好窗口调整算法，其特征在于：

a)窗口奖励算法。设置奖励系数α，当SCTP会话的总拥塞窗口值小于α·fwnd时，执行窗口奖励算法，给予所有活动路径的cwnd值额外的增长，保证数据传输的效率；

b)窗口惩罚算法。设置惩罚系数β，当SCTP会话的总拥塞窗口值大于β·fwnd时，执行窗口惩罚算法，选取fcount值最大的路径，采取类似于快速重传算法减小门限值和窗口值，修改fcount并禁止该路径在一段时间内的数据分配。若仍有SCTP会话的总拥塞窗口值大于β·fwnd，则继续选择下一条路径进行惩罚,从而保证平行数据传输的友好性。

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