CN103873479A - 一种基于跨层评估的平行数据传输算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于跨层评估的平行数据传输算法，解决多路并行数据传输中由于简单数据调度而引发的数据包失序问题。首先利用心跳机制获取RTT时间并判断路径活动性，再根据数据链路层的有效信噪比以及传输层的速率、带宽估计值得到路径容量，两者共同决定路径质量。根据路径质量智能进行数据分发调度。利用路径容量判断丢包原因，采取不同重传措施。该算法能够感知数据链路层和传输层的双重信息，获得更加准确全面的路径质量评估，进行高效的数据分发，减少失序和重排序。同时区分丢包原因，避免不必要的拥塞窗口减小。通过基于跨层评估的平行数据传输算法，能够感知并适应无线网络的动态性，提供高质量的数据传输服务。

Description

一种基于跨层评估的平行数据传输算法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，通讯数据传输技术。具体涉及在流控制传输协议上通过跨层方法对路径质量进行评估及基于路径质量的多路径并行传输的实现。

背景技术

随着互联网和相关技术的发展，移动设备趋向于存在多个网络接口，同时具有更强的计算能力、存储能力以及更先进的通信功能。在未来，网络将支持随时随地的多种网络接入，多宿主（Multihoming）技术被普遍认为可以应用这些接入设备，提供网络多样性。这使得多路并行传输CMT（ConcurrentMultipathTransfer）成为提高无线通信性能的最好方式。CMT可以利用多个网络接口多路并行传输数据。与单路径相比，多路径拥有更大的带宽，而且某条路径上的错误可以在另一条路径上恢复。更重要的是，发送端可以在多条路径之间进行数据调度以及拥塞平衡，最大限度地提高网络服务和应用的服务质量QoS。总的来说，在无线网络的并行分布式系统中，CMT拥有较好的带宽聚合能力、容错性以及负载平衡能力。

流控制传输协议SCTP（Stream Control Transmission Protocol）是IETF制订的一种新的支持多宿主特性的传输层协议，能够在同一关联上同时支持多个IP地址以实现多路径传输。SCTP固有的多宿主特性使其在CMT实现上非常有前景。迄今为止，IETF在SCTP CMT上已取得了一些有价值的进步，但还存在许多重要且充满挑战性的工作需要进行。在SCTP CMT中，需要重点考虑的问题是如何处理数据重排序和丢包。由于各路径参数存在较大的差异性和动态性，传统的循环轮转调度会引发缓存阻塞，即超负载的缓存中发生严重的数据包失序接收和重排序。为了决策如何在多路径之间分发数据并减少重排序，人们做了大量的工作，但大多数工作都是基于数据交换、监测发送-接收交互或者仅仅是依靠传输层上的连接参数。由于无线链路的时间和频率变化特性不会直接反应到传输层，这些机制获取的无线连接的信息并不完整，因而可能并不准确。

除此之外，因为无线信道非常不可靠，所以经常发生丢包，并且与数据包重排混淆。在无线环境中，丢包经常是由无线错误引起的，若按照SCTP/TCP的原始设计将其按照拥塞来处理是不合适的。如果错误地重复发送窗口减半算法，CMT的性能会由此降低。因此，判别丢包到底是因为拥塞还是无线错误引起的，然后采取不同的丢包相应措施是非常重要的。显然，由于对物理层和数据链路层的无知，传输层并不能准确判断丢包原因。

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跨层评估的平行数据传输算法，在流控制传输协议的多路并行传输过程中，根据传输层和数据链路层的信息获得路径质量，根据路径质量优先权智能分发传输数据，提供高性能的数据传输服务。本发明设计了一个有效信噪比计算模块和一个速率&带宽估计模块，分别获得数据链路层和传输层的信息，采用了一个基于跨层合作的路径质量评估模型判断路径质量，设计了一个基于路径质量的平行数据分发算法进行数据分发，最后提出了一个感知重传策略进行重传处理。本发明能够有效地对路径质量进行评估，智能地进行数据分发调度，适应无线网络的动态性，为移动用户提供有效的多媒体传输。

1、一种基于跨层评估的平行数据传输算法，其步骤包括：

a)路径活动性判断。利用HEARTBEAT机制测量路径活动性；

b)有效信噪比ESNR计算。在数据链路层上，对需要重传的帧进行计数得到FER，由FER计算BER，根据BER-SNR的关系得到ESNR；

c)速率&带宽估计。时间平均速率值估计获得路径资源的占用情况，实时带宽估计值跟踪路径实时变化情况；

d)基于路径质量的平行数据分发策略。一个基于跨层合作的路径质量评估模型，利用跨层参数获得路径剩余容量，根据路径容量设置路径数据分发优先权，形成路径列表SL；一个基于路径质量的平行数据分发算法，按照路径列表SL的顺序，依次根据每条路径的剩余容量向路径分发适量的数据，数据总量受到窗口限制；

e)感知重传策略。根据路径剩余容量分析丢包原因，对于由无线误码和拥塞引起的丢包分别采取不同的重传算法。

2、如权利要求1所述的路径活动性判断，其特征在于：

a)为每条路径设置动态估计区间u，比较u和RTO时间判断路径活动性；

b)发送两个HEARTBEAT chunks探测路径，若发生重传且超过最大重传次数，设置路径为不活动的；若成功接收两个ACK，则设置路径为活动的；发生重传但接收到两个ACK，即使路径为不活动也允许数据分配。

3、如权利要求1所述的有效信噪比ESNR计算，其特征在于：

a)在数据链路层上，将需要重传的帧标记为error_frame，对error_frame进行计数，通过记录测量区间的错帧和所有发送的帧，可以得到FER。利用独立比特模型由FER得到BER，最后根据BER-SNR的关系得到ESNR。

4、如权利要求1所述的速率&带宽估计，其特征在于：

a)利用在估计区间内成功发送的数据量以及这些数据占用缓存的总时间，得到在一个估计区间中路径的平均发送速率R_e。可用带宽用平均数据包长度和平均进入-离开时间的比值表示，利用时间移动平均滤波器得到带宽样本，再用卡尔曼滤波器进行预测-校验处理，得到带宽估计值BW_e。

5、如权利要求1所述的基于路径质量的平行数据分发策略，其特征在于：

a)基于跨层合作的路径质量评估模型：由跨层参数有效信噪比ESNR，平均发送速率R_e和可用带宽估计值BW_e计算得到路径剩余可用容量，根据路径容量设置数据分发优先权，形成路径列表SL；

b)基于路径质量的平行数据分发算法：按照路径列表SL的顺序，依次根据每条路径的剩余容量向路径分发适量的数据，路径剩余容量R_c为正值时，分发的数据量可在当前拥塞窗口的基础上适量增加，反之，则保守地根据窗口值分发数据。发送数据的总量受窗口限制。

6、如权利要求1所述的感知重传策略，其特征在于：

a)当快速重传检测到丢包时，发送端根据路径剩余容量R_c对丢包原因进行判断，若其值为正则判断为无线错误引起的丢包，仅仅调整门限值；反之判断为拥塞丢包，调整门限值的同时减小拥塞窗口。

b)当超时重传检测到丢包时，采用标准的SCTP的重传处理方法进行拥塞窗口和门限值调整。

本发明具有如下技术效果：

1、在本发明中，数据链路层周期地向传输层报告ESNR信息。由FER测量得到ESNR，步骤简单而且方便，解决了在实际的直接SNR测量中因不能处理同信道干扰、信号多路影响、频率选择性衰落和不同帧大小的问题而带来的不准确性。该ESNR集合了无线传输中的各种因素，将复杂的无线通信简单化，能够很好地向上层反应无线通信的路径状况。

2、在本发明中，传输层对路径状态进行了双重认知。一为速率估计，提供了一个相对长期的路径平均发送速率值，反应路径资源占用情况；一为带宽估计，表示了每条路径的实时发送速率，反应路径的实时变化情况。双重认知能得到对路径状态的清楚认知，为传输层的决策提供有效信息。

3、在本发明中，利用跨层参数有效信噪比ESNR，平均发送速率R_e和可用带宽估计值BW_e得到路径的综合信息，对路径质量进行评估。跨层合作方式可以获得完整的无线连接的信息，为平行数据分发算法提供完善的路径质量评估，使路径得到高效合理的应用，减少因不当的数据分发算法而导致的数据重排和丢包。

附图说明

图1为本发明平行数据传输算法的整体框架；

图2为路径活动性判断算法流程图；

图3为路径带宽估计算法流程图；

图4为数据分发算法流程图；

图5为感知重传策略算法流程图；

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

为了解决在SCTP CMT中，由于路径的多样性而产生的数据重排序和丢包问题，本发明提出了一种基于跨层评估的平行数据传输算法。如图1所示，即为本发明的系统整体框架，包括发送端，接收端和无线网络上的多路径。SCTP接收端接收从发送端发来的数据，然后反馈接收状态。SCTP发送端收集反馈，通过传输层的状态和数据链路层的信息获得路径质量，根据路径质量分发传输数据。

跨层评估模型利用有效信噪比ESNR，速率估计值以及带宽估计值判断路径容量，发送HEARTBEAT判断路径活动性，两者构成路径质量。平行数据分发调度利用跨层评估模型获得的参数，按序且按量地进行数据分发。丢包由感知重传策略处理。

2、路径活动性判断

在跨层合作中，首要问题是需要多久计算一次ESNR并更新路径质量。为每条路径设置了一个动态估计区间u。当发生丢包时，利用置信区间得到一个区间样本x_k。

$\mathrm{Pr}\{\stackrel{\&OverBar;}{X}-Z_{1-\mathrm{\&epsiv;}/2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\sqrt{N}}<u<\stackrel{\&OverBar;}{X}+Z_{1-\mathrm{\&epsiv;}/2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\sqrt{N}}\}=1-\mathrm{\&epsiv;}---\left(1\right)$

其中为平均值，σ为标准偏差，Z_1-ε/2为ε的一个函数，当前一个估计区间完成的时候，选取下界更新u的值。

$u=\stackrel{\&OverBar;}{X}-Z_{1-\mathrm{\&epsiv;}/2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\sqrt{N}}---\left(2\right)$

估计区间与路径活动性有关：更新u之后，如果某条路径有u≤RTO，即经常发生丢包，则将该路径置为不活动的；否则，将路径置为活动的。这两种状态与标准SCTP中的定义一样。

但是，这种算法有不足之处。因为u是一个基于历史样本的统计结果，发送端只能知道路径的长期性能。如果路径突发波动，不能保证这种路径活动性能迅速地改变数据分发。再者，SCTP CMT允许在另外的路径上回复SACK，传统的RTT测量方式可能会带来错误的延时估计，这样就不能用于路径质量的评估。在这里，我们不采用DATA chunks的RTT测量方式。由于HEARTBEAT_ACK必须在和HEARTBEAT相同的路径上回复，我们提取HEATBEAT chunks的RTT时间作为参考RTT即RTT_ref。

为了得到准确的路径活动性和RTT_ref，我们将SCTP的固定HEARTBEAT间隔改为动态的u。在每个估计区间的开始，发送端发送两个HEARTBEAT chunks来探测路径。如果在一个RTO时间内路径回复了相应的两个HEARTBEAT_ACK，就清除错误计数器，即使此时u≤RTO也将路径置可分配数据。否则，错误计数器计数，同时重发HEARTBEAT。当计数器到达Path.Max.Retrans时，路径被置为不活动的。当发送端成功接收到两个HEARTBEAT_ACK时，选取时间较短的RTT作为RTT_ref。最后，我们可以得到n条可用的活动路径，所有不活动的路径都不得参加后面的过程。

图2为该算法的流程图，其步骤如下：

1）根据u判断路径活动性：若u≤RTO，将路径置为inactive，否则置为active。

2）发送两个HEARTBEATS，分别启动两个HEARTBEATS的计时器，将路径置为不可分配数据，记录成功接收HEARTBEAT_ACK次数的计数器HBcount置零。

3）如果计数器HBcount的值小于2，进行步骤4，否则，转到步骤6。

4）对于每一个发送的HEARTBEATS，若成功接收到HEARTBEAT_ACK，记录RTT时间，计数器HBcount加1，并停止相应的计时器；若计时器超时，重传HEARTBEAT，计时器重新计时，超时计数器error加1。

5）如果计数器error的值大于路径最大重传次数，将路径置为不活动的，转入步骤6。否则回到步骤3。

6）如果计数器HBcount的值为2，即成功接收两个HEARTBEAT_ACK，进行步骤7，否则算法结束。

7）如果此时路径状态为不可活动的而且error计数器的值为0，即没有出现HEARTBEAT超时，则将路径状态改为活动的。

8）将路径置为可分配数据，超时计数器error清零，选择较短的RTT时间为RTT_ref。算法结束。

3、有效信噪比ESNR计算

由于不同类型的噪声、衰落和干扰，无线信道具有不可预测性和不可靠性。通常，SNR可以提供一个无线通信的综合评估。但是在实际的SNR测量中，现有的设备都只在物理层的PLCP的前序和头部测量，并没有考虑速率较高的数据帧。再者，这种直接报告的SNR不能处理同信道干扰、信号多路影响、频率选择性衰落和不同帧大小。所以我们采取ESNR的概念来解决直接报告SNR的不足。

在特定的无线通信中，BER和SNR之间有可知的确定的一对一关系。假设在当前环境中，BER＝F(SNR)，则ESNR被定义为：

ESNR=F^-1(BER)    （3）

计算SNR可转为测量BER。BER的直接测量会在物理层带来很大开销，所以选择利用数据链路层的FER来计算BER。在一个估计区间u内，记录传输的帧和FER是非常方便的。在数据链路层上，一旦一个数据帧要求重传，就将这个帧标记为error_frame。通过记录error_frame和所有发送的帧，可以得到FER：

$\mathrm{FER}=\frac{\mathrm{error}\_\mathrm{frame}\_\mathrm{num}}{\mathrm{rotal}\_\mathrm{frame}\_\mathrm{num}}---\left(4\right)$

在这里，error_frame_num是一个估计区间内error_frame的数量，total_frame_num是一个估计区间内总共发送的帧的数量。如果有路径的FER=0，则将该路径的FER置为合理的最小值。当且仅当一个帧的所有比特都译码成功时，一个帧才算成功接收，所以，BER可由下式得到：

在这里，L是一个数据帧的字节数。再由式（3），可计算得到ESNR。

4、速率&带宽估计

在进行SCTP数据交换的处理时，已经有一些数据在传送并占用了路径资源。我们采用一个时间平均速率估计来告知系统路径资源的占用情况。定义R_e为在一个估计区间中路径的平均发送速率：

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

在这里，sendsize是在估计区间中已成功发送的数据量，T_e是第一个数据进入路径缓存的时间，T_l是最后一个数据离开缓存的时间。

将带宽估计的观点转变为发送时长，即：可用带宽等于平均数据包长度和平均进入-离开时间的比值。为了消去随机发送行为引起的波动，带宽样本须先经过时间平均滤波器做平滑处理。再利用卡尔曼滤波器得到带宽估计值。卡尔曼滤波器是一个离散时间递归滤波器，首先进行时间更新，通过以前的结果预测当前的带宽状态；再进行测量更新，将新的样本带入先验估计，得到后验估计。

如图3所示，为路径带宽估计的算法流程：

1）获得数据长度样本和时间样本。

2）发送数据。记录发送最后数据的时间。

3）更新平均数据长度和平均时间长度，计算得到带宽样本。

4）进行时间更新，得到带宽和误差方差的先验估计值。

5）进行测量更新，根据带宽样本得到带宽和误差方差的后验估计值。

5、基于路径质量的平行数据分发策略

a)基于跨层合作的路径质量评估模型

选择在另外一个动态周期中分发数据。这样，跨层评估和数据分发可以同时进行但以不同的步调结合。分发周期P_d与各路径的处理能力动态相关。一条路径的处理时间为：

$T_{\mathrm{handle}}=\frac{\mathrm{cwnd}}{B{W}_e}---\left(7\right)$

为了充分利用所有的活动路径，P_d会选择最大的处理时间：

$P_d=\max (T_{{\mathrm{handle}}_1},T_{{\mathrm{handle}}_2},T_{{\mathrm{handle}}_n})---\left(8\right)$

之后，数据将在P_d时间内被同时分发到所有候选路径中。在固定环境中，分发频率为：

路径容量C可通过跨层方式获得：

C=BW_e·log₂(1+ESNR)    （9）

由于一条路径已经被占用了R_e，该路径的剩余容量R_c为：

R_c=C-R_e    （10）

接着，将所有的候选路径按照R_c降序排列，形成一个新的且分类的路径列表SL。这使得R_c较大的路径具有数据分发的较高优先权。

在分发间隔P_d中，最大能分发的数据量D_max受下式限制：

$D_{\max }=\min \begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{cwnd}}_i-{\mathrm{outs}\tan \mathrm{ding}}_i)\\ a\_\mathrm{rwnd}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{outs}\tan \mathrm{din}{g}_i\end{array}---\left(11\right)$

b)基于路径质量的平行数据分发算法

按照SL的队列顺序，依次根据每条路径的R_c向路径分发适量的数据。如果R_c为正值，表示该路径有潜在的处理能力来增加其吞吐量，分发的数据量为当前cwnd并加上一些R_c。否则，仅保守地分发数据为cwnd与outstanding的差值。在该周期P_d中，只要cwnd允许，分发的数据量D会逐渐接近D_max。如果数据分配量已达到D_max，则完成了该周期内的数据分发任务并立即停止数据分发。等待该周期结束，再重新计算T_handle和下一个P_d。更新C和R_c，在下一个P_d重复算法继续数据的分发。

如图4所示，为数据分发算法的流程：

1）对于列表SL中路径i，如果R_c大于零，则按式（11）设置分发数据量D，否则，按照式（12）设置分发数据量为：

2）计算已经分发的数据D_total=D_total+i.D。

3）如果D_total≤D_max，当cwnd允许时在路径i上分发数据i.D；如果D_total>D_max,则停止数据分配，等待下一个数据分发时间。

4）对于下一条路径，重复步骤1-3，直到分配完所有路径。

6、感知重传策略

如果在数据交换中发生了丢包，可根据Rc分析引起丢包的原因。并采用不同的步骤来恢复丢包。

当快速重传检测到丢包时，发送端可对丢包原因进行判断：如果R_c>0则表示该路径没有达到拥塞程度，将丢包归于无线误码，调整ssthresh但并不调整cwnd：

ssthresh=max(R_eRTT_ref,cwnd/2,4MTU)    （13）

其中R_e是速率估计的结果，RTT_ref前文所述的reference RTT。我们采用周期的速率估计值是因为无线误码是随机且突发的，其调整需要重新回到平均水平。反之，R_c<0，路径被过度利用，将丢包归结于拥塞，调整ssthresh的同时调整cwnd:

ssthresh=max(BW_eRTT_ref,cwnd/2,4MTU)    （14）

cwnd＝min(cwnd,ssthresh)    （15）

其中BW_e为带宽估计值。我们采用实时的带宽估计值是因为拥塞代表了连接本质上的变化。

对于超时重传，因为RTO是一个相对较长的时间，T3-rtx计时器的超时预示了有严重的拥塞或者无线错误，我们仅保守地采用标准SCTP的处理办法。

调整之后，选取拥有最大cwnd的路径且尽可能快地重传丢失的数据包。图5为重传算法的流程。

Claims (6)

1.一种基于跨层评估的平行数据传输算法，其步骤包括：

a)路径活动性判断。利用HEARTBEAT机制测量路径活动性；

b)有效信噪比ESNR计算。在数据链路层上，对需要重传的帧进行计数得到FER，由FER计算BER，根据BER-SNR的关系得到ESNR；

c)速率&带宽估计。时间平均速率值估计获得路径资源的占用情况，实时带宽估计值跟踪路径实时变化情况；

d)基于路径质量的平行数据分发策略。一个基于跨层合作的路径质量评估模型，利用跨层参数获得路径剩余容量，根据路径容量设置路径数据分发优先权，形成路径列表SL；一个基于路径质量的平行数据分发算法，按照路径列表SL的顺序，依次根据每条路径的剩余容量向路径分发适量的数据，数据总量受到窗口限制；

e)感知重传策略。根据路径剩余容量分析丢包原因，对于由无线误码和拥塞引起的丢包分别采取不同的重传算法。

2.如权利要求1所述的路径活动性判断，其特征在于：

a)为每条路径设置动态估计区间u，比较u和RTO时间判断路径活动性；

b)发送两个HEARTBEAT chunks探测路径，若发生重传且超过最大重传次数，设置路径为不活动的；若成功接收两个ACK，则设置路径为活动的；发生重传但接收到两个ACK，即使路径为不活动也允许数据分配。

3.如权利要求1所述的有效信噪比ESNR计算，其特征在于：

a)在数据链路层上，将需要重传的帧标记为error_frame，对error_frame进行计数，通过记录测量区间的错帧和所有发送的帧，可以得到FER。利用独立比特模型由FER得到BER，最后根据BER-SNR的关系得到ESNR。

4.如权利要求1所述的速率&带宽估计，其特征在于：

a)利用在估计区间内成功发送的数据量以及这些数据占用缓存的总时间，得到在一个估计区间中路径的平均发送速率R_e。可用带宽用平均数据包长度和平均进入-离开时间的比值表示，利用时间移动平均滤波器得到带宽样本，再用卡尔曼滤波器进行预测-校验处理，得到带宽估计值BW_e。

5.如权利要求1所述的基于路径质量的平行数据分发策略，其特征在于：

a)基于跨层合作的路径质量评估模型：由跨层参数有效信噪比ESNR，平均发送速率R_e和可用带宽估计值BW_e计算得到路径剩余可用容量，根据路径容量设置数据分发优先权，形成路径列表SL；

b)基于路径质量的平行数据分发算法：按照路径列表SL的顺序，依次根据每条路径的剩余容量向路径分发适量的数据，路径剩余容量R_c为正值时，分发的数据量可在当前拥塞窗口的基础上适量增加，反之，则保守地根据窗口值分发数据。发送数据的总量受窗口限制。

6.如权利要求1所述的感知重传策略，其特征在于：

a)当快速重传检测到丢包时，发送端根据路径剩余容量R_c对丢包原因进行判断，若其值为正则判断为无线错误引起的丢包，仅仅调整门限值；反之判断为拥塞丢包，调整门限值的同时减小拥塞窗口。

b)当超时重传检测到丢包时，采用标准的SCTP的重传处理方法进行拥塞窗口和门限值调整。

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