CN103929369A - 一种基于tcp友好的多路传输控制机制 - Google Patents

Abstract

本发明以现有技术为基础，提出了一种新颖的基于TCP友好并行多路传输机制，属于计算机网络技术领域。所述方案包括：面向TCP友好的并行多路传输拥塞控制和TCP友好的数据调度策略，以及面向节能的重传路径选择方案。本发明能够在实现并行多路传输性能的同时保持TCP的友好性、公平性，实现并行多路传输过程中各路径的负载均衡，提高数据传输性能，而且满足用户以绿色节能等方面为重要特征的智慧多路数据传输需求。

Description

一种基于TCP友好的多路传输控制机制

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，特别涉及一种基于TCP友好的多路传输控制机制。

背景技术

作为多路径传输体系的一个重要组成部分，并行多路传输机制得到了国内外计算机网络与通信领域研究者的深入探讨，并行多路传输也将成为未来互联网最核心的传输机制之一。然而，并行多路传输能够在未来互联网中大规模部署和应用的最重要前提之一在于，基于并行多路传输机制的数据流必须保持对现有互联网其他基于传统单一路径传输协议的数据流(如TCP流)的友好性。另一方面，未来智慧协同互联网最重要的特征之一在于绿色节能。因此，是否可以提供能量感知和绿色节能特征，也成为了衡量是否面向智慧服务的多路径数据传输控制机制的重要因素。因此，研究绿色友好的并行多路传输机制具有十分重要意义。

当前，Internet的主流传输协议还是基于传统单一路径的传输协议，如面向可靠连接的TCP协议和面向不可靠连接的UDP协议等。基于这些传输协议，数据包只会在网络的某一条路径上进行传输。一般地，在同等无线传输条件下，基于单一路径的传输协议要比并行多路传输机制(如MPTCP协议和CMT-SCTP)要消耗更小的能量，并且在和其他网络流量共享网络瓶颈带宽时，也不会过度的“侵占”网络资源，造成对其他网络背景流的不友好性问题。

然而，这些基于单一路径的传输协议不能够支持多宿特性，因此无法满足未来多宿网络用户对高效数据传输的需求。随着当前用户终端多接口化的普及以及多路传输机制相关国际标准草案的制定和不断完善，多路传输具备了网络部署和应用的条件。

并行多路径传输作为多路径传输的重要组成部分，其具有很多显著的优点，例如能够充分利用网络资源提高数据传输效率，特别是在宽带资源紧张、链路不可靠的异构无线网络环境中，能够拟合多条链路资源提高系统吞吐量，适合高带宽和实时性要求的流媒体传输。

当前并行多路传输方案并不具备对其他基于单一路径传输协议的网络流量的友好性控制机制，尤其是对占Internet网络流量80％以上的TCP流的友好性。另外，相比于传统的TCP、UDP等单一路径传输协议，并行多路传输也将耗费更多的能量。这些因素成为了制约并行多路传输机制在未来互联网大规模部署的瓶颈。因此，需要研究提升并行多路传输机制性能的同时兼顾对其他非多路传输数据流的公平友好和能耗控制，以满足未来互联网对绿色友好数据传输的需求。目前学术界开始对并行多路传输在TCP友好性和绿色节能方面的研究处于起步阶段。据本发明所知，当目前为止，国际上仅有的2篇讨论TCP友好性并行多路传输方案都是基于Resource Pooling的设计思想实现并行多路传输吞吐量优化的同时满足对TCP友好性和拥塞平衡的目标。然而，在传输协议中注入ReourcePsooling算法增加了传输协议设计的复杂度。另外，这些方案也没有兼顾绿色节能方面的设计。另一方面，对绿色节能并行多路径传输方案的研究近年来也逐渐被国内外学者所关注，然而，这些基于MPTCP机制的扩展方案缺乏对友好性方面研究和探讨。

现有并行多路传输机制如CMT-SCTP的设计，每条路径都有其对应的拥塞窗口(congestion window，cwnd)和慢启动门阀值(slow start threshold，ssthresh)。CMT-SCTP和SCTP协议都延续了传统TCP中的AIMD机制(additive-increase/multiplicative-decrease，加性增，乘性减)实现对路径cwnd的调节和拥塞控制。传统TCP中基于AIMD机制进行cwnd调节的算法可以通过下面的算法1表示。

算法1基于AIMD机制的cwnd调节算法

虽然CMT-SCTP继承TCP中的AIMD机制进行拥塞控制可以使得CMT-SCTP可以保持对TCP流的友好性。然而，本发明注意到，AIMD机制设计的初衷是为了实现对有线网络环境下的拥塞控制。在无线网络环境下，其性能存在不足，比如，单一数据包的丢失将导致CMT-SCTP发送端对发送丢包的路径的cwnd进行减半操作。再如，当发生超时事件，CMT-SCTP将进入慢启动阶段。另外，受限于传统TCP/IP分层协议体系结构，即便是无线信道差错(比如，无线信道误码率等)引起的数据包丢失，CMT-SCTP也将会对相应链路的cwnd进行减半操作。因为路径的cwnd值是限制其数据发送速率的主要因素之一。这也就意味着一旦某一条路径发生偶然的单一丢包或者超时事件，也将严重影响其数据发送速率。因此，AIMD机制并不适合无线网络环境中并行多路传输的拥塞控制。

为了使得各条路径的负载相对均衡，经典的CMT-SCTP机制利用轮询(round-robin)的数据调度机制发送数量均等的数据包到每一条路径上。这种轮询数据调度机制忽略了异构无线网络环境中各路径传输质量的差异性，容易导致数据的失序和接收端缓存阻塞问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明实施提出一种TCP友好的并行多路传输机制TCP-friendly CMT方案。有别于已有友好性多路传输方案，TCP-friendlyCMT不需要注入外在模型和算法，仅仅只对CMT-SCTP本身拥塞控制机制的修改，简单而便于实现，所述技术如下：

一种TCP友好的并行多路传输机制TCP-friendly CMT，所述方法包括：

面向TCP友好的并行多路传输拥塞控制；

面向TCP友好的并行多路传输数据调度策略；

面向节能的重传路径选择方案。

所述面向TCP友好的并行多路传输拥塞机制，可以实现在保持AIMD机制中对TCP友好特性同时提高异构无线并行多路传输性能，通过设计一种加权移动平滑cwnd调节机制(WM-cwnd)。WM-cwnd实质上是AIMD的变种，其目的在于为并行多路传输机制提供一个高效自适应的、面向TCP友好的拥塞控制机制。为了方便阐述，本发明定义了一些WM-cwnd拥塞控制机制设计过程中所涉及的变量(如表1所示)。

表1变量及其描述

为了预测CMT-SCTP中每条路径cwnd可能的增长空间，首先需要借助数据包的传输信息(针对活跃的路径)或者HEATBEAT传输信息(针对非活跃的路径)来探测路径的可用带宽。针对路径d_i，其可用带宽可以通过式(a)来计算。

则d_i的cwnd可能增长空间可以用式(b)来预测。

其中，RTT_min表示路径d_i上最小的RTT值，其目的在于避免离散丢包事件(sporadic losses)。

基于路径d_i的值，TCP-friendly CMT则可以通过算法2中所设计的WM-cwnd拥塞控制机制来延续AIMD中的TCP友好特性，并实现根据实时网络传输条件高效自适应调节d_i的cwnd大小，提高并行多路数据传输性能。在算法2中，为了兼顾和的公平性，权重因子和的值设置为1/2。

算法2WM-cwnd拥塞控制机制

相比于AIMD机制：1)在网络拥塞发生时，由于因此 可以看出，此时WM-cwnd拥塞控制机制实际上等同于AIMD机制。这也就意味着，在并行多路传输过程中，每条路径在遇到瓶颈带宽时(即网络发送拥塞)，都能够对其cwnd减半以保持对TCP流的友好性和公平性；2)当无网络拥塞或者发送连续网络拥塞情况下，本发明认为当和之间的差异小于一个标准值时，则有因此WM-cwnd机制可以根据网络可用带宽调节各条路径cwnd的值至最大或者最小，实现了并行多路数据高效自适应传输和网络资源的充分利用。

算法2中，WM-cwnd机制的实现还需要一个网络拥塞探测机制。当前关于网络拥塞探测的研究非常成熟。然而，选择传输层固有的参数实现对网络拥塞状态的探测可以减少算法设计的复杂性。在很多并行多路传输相关研究中，RTT作为最重要的网络参数之一，被普遍用于网络拥塞状态的检测。因此，本发明可以通过观察路径d_i的RTT变化(记为)来感知路径是否发生拥塞。式(c)可以用于的计算。如果并且(t_n和t_n-1表示前后的观察时间)，则可以推测路径d_i正在经历拥塞。

$d_i^{\mathrm{\ΔRTT}}=\frac{d_i^{\mathrm{RTT}}-d_i^{\mathrm{avgRTT}}}{d_i^{{\mathrm{\Ξ}}_{\mathrm{RTT}}}-d_i^{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RTT}}}},---\left(c\right)$

其中，表示当前路径d_i的RTT值。假设d_i上测得的所有RTT值的集合为则和可以通过下式计算得出，

同时，的值可以通过式(e)测量得出。

$d_i^{\mathrm{avgRTT}}=\frac{1}{N}\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^{{\mathrm{RTT}}_j}---\left(e\right)$

所述TCP友好数据调度策略，为了使得各条路径的负载相对均衡，经典的CMT-SCTP机制利用轮询(round-robin)的数据调度机制发送数量均等的数据包到每一条路径上。这种轮询数据调度机制忽略了异构无线网络环境中各路径传输质量的差异性，容易导致数据的失序和接收端缓存阻塞问题。因此，设计一种路径质量感知的自适应数据调度机制可以减缓并行多路传输过程中的数据失序和接收端缓存阻塞问题，提高数据传输性能。

可以看出，路径的cwnd值实际上是制约该路径数据发送速率的主要因素。因此，cwnd值的大小也在一定程度上可以反映出路径的传输质量。基于VM-cwnd机制对并行多路传输中各路径cwnd的加权滑动预测，本发明设计了一种基于加权滑动预测cwnd的数据调度机制，实现数据的高效自适应调度并面向TCP友好。基于该数据调度机制，一旦有数据需要传输，TCP-friendly CMT在发送端将执行下列操作：

利用算法2预测SCTP关联中每一条路径的cwnd值；

将所有活跃路径根据其所探测的cwnd值按降序排列；

选择列表中第一个路径(记为d_list(0))为候选数据发送路径(记为d_send)；

如果有多条路径具有相同且最大的cwnd值，则选择这些路径中的任意一条作为d_send；

如果当前被选为d_send的路径的cwnd值发送数据已满，则按顺序依次选择下一条路径作为d_send。

算法3给出了基于加权滑动预测cwnd的数据调度机制伪代码。

算法3基于WM-cwnd的数据调度机制

所述面向节能的重传路径选择方案，作为面向智慧服务的传输控制协议，必须具有绿色节能特性。因此，本发明在此也提出一种可以使得TCP-friendly CMT尽可能降低能耗的建议。即在执行上述步骤中的第4)步时，如果用户设备同时连接3G、4G和WiFi，而这三条链路的cwnd都一样大是，可以通过优选选择WiFi(而不是任意选择其中一条链路)作为d_send以实现降低能耗的目的。

有益效果

本发明提出了一种新颖的TCP友好并行多路传输机制，实现了并行多路传输数据流对传统TCP流的公平性；实现了并行多路传输过程中各路径的负载均衡；提高了数据传输，尤其是内容丰富的流媒体数据传输的性能；找到并提出了绿色节能并行多路传输传输解决方案。研究内容对未来绿色友好多路传输机制的进一步研究和设计以及并行多路径传输机制在未来互联网的广泛应用提供了参考。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例面熟中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为TCP友好的多路传输控制机制流程图；

图2为TCP友好拥塞控制原理流程图；

图3为TCP友好数据调度策略流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本发明实施例针对当前并行多路传输方案并不具备对其他基于单一路径传输协议的网络流量的友好性控制机制，尤其是对占Internet网络流量80％以上的TCP流的友好性。提出一种TCP友好的并行多路传输机制TCP-friendly CMT方案。

实施例一

如图1所示，实施例一为本发明提供的TCP友好的多路传输控制机制流程图，其中，

步骤001，TCP友好的并行多路传输拥塞控制。

如上所述：设计一种加权移动平滑cwnd调节机制，为并行多路传输机制提供高效自适应的、面向TCP友好的拥塞控制机制。

例如：为了预测CMT-SCTP中每条路径cwnd可能的增长空间，首先需要借助数据包的传输信息(针对活跃的路径)或者HEATBEAT传输信息(针对活跃的路径)，来探测路径的可用带宽，然后预测cwnd的可能增长空间。

步骤002，TCP友好的数据调度策略。

如上所述：设计一种路径质量感知的自适应数据调度机制可以减缓并行多路传输过程中的数据失序和接收端缓存阻塞问题，提高数据传输性能。路径的cwnd值实际上是制约该路径数据发送速率的主要因素。因此，cwnd值的大小也在一定程度上可以反映出路径的传输质量。基于VM-cwnd机制对并行多路传输中各路径cwnd的加权滑动预测，设计了一种基于加权滑动预测cwnd的数据调度机制，实现数据的高效自适应调度并面向TCP友好。

步骤003，面向绿色节能的重传路径选择。

如上所述：一种可以使得TCP-friendly CMT尽可能降低能耗的路径选择。作为面向智慧服务的传输控制协议，必须具有绿色节能特性。例如：如果有多条路径具有相同且最大的cwnd值，如果设备同时连接3G，4G和WiFi，则可以通过优先选择WiFi而不是选择其中任意一条链路作为发送路径来实现降低能耗的目的。

实施例二

如图2所示，实施例二为本发明TCP友好拥塞控制原理流程图，其中，

步骤100，借助数据包的传输信息或者HEATBEAT传输信息来探测路径的可用带宽。

如上所述：为了实现在保持AIMD机制中队TCP友好特性同时提高异构无线并行多路传输性能，设计了一种加权移动平滑cwnd调节机制(CW-cwnd),其目的在于为并行多路传输机制提供一个高效自适应的、面向TCP友好的拥塞控制机制。为了预测CMT-SCTP中每条路径cwnd可能的增长空间，首先需要借助数据包的传输信息(针对活跃的路径)或者HEATBEAT传输信息(针对非活跃的路径)来探测路径的可用带宽。

步骤101，TCP-friendly CMT则可以通过算法2中所设计的WM-cwnd拥塞控制机制来延续AIMD中的TCP友好特性，并实现根据实时网络传输条件高效自适应调节d_i的cwnd大小，提高并行多路数据传输性能。

步骤102，根据实时网络传输条件高效自适应调节的cwnd大小，提高并行多路数据传输性能。

如上所述：当网络拥塞发生时，在并行多路传输过程中，每条路径在遇到瓶颈带宽时(即网络发送拥塞)，都能够对其cwnd减半以保持对TCP流的友好性和公平性；当没有网络拥塞或者发送连续网络拥塞情况下，当路径d_i的cwnd可能的增长空间和路径d_i当前的cwnd大小差异小于一个标准值时，WM-cwnd机制可以根据网络可用带宽调节各条路径cwnd的值至最大或者最小，实现了并行多路数据高效自适应传输和网络资源的充分利用。

步骤103，通过观察路径d_i的RTT变化来感知路径是否发生拥塞。

如上所述：本发明可以通过观察路径d_i的RTT变化来感知路径是否发生拥塞，如果d_i的RTT变化大于0并且t_n时刻的路径的RTT值大于t_n-1时刻的路径的RTT值，则可以推测出路径d_i正在经历拥塞。

实施例三

如图3所示，实施例三为本发明提供TCP友好数据调度策略流程图。

步骤200，利用算法2预测SCTP关联中每一条路径的cwnd值。

如上所述，cwnd值实际上是制约该路径数据发送速率的主要因素，通过预测cwnd的值可以在一定程度上反映出路径的传输质量。

步骤201，将所有活跃路径根据其所探测的cwnd值按降序排列。

步骤202，选择列表中的第一个路径为候选数据发送路径。

步骤203，如果有多条路径具有相同且最大的cwnd值，选择这些路径中的一条作为发送路径。

步骤204，如果当前被选择为发送路径的cwnd值发送数据已满，则按次序选择下一条作为发送路径。

Claims (10)

1.一种基于TCP友好的并行多路传输机制TCP-friendly CMT(concurrentmultipath transfer)方案，其特征在于，通过对CMT-SCTP本身拥塞控制机制的修改，有别于已有友好性多路传输方案，TCP-friendly CMT不需要注入外在模型和算法，简单而便于实现。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，TCP-friendly CMT机制包括了面向TCP友好的并行多路传输拥塞控制和数据调度策略，以及面向节能的重传路径选择方案。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，TCP-friendly CMT能够实现并行多路传输性能的同时保持对TCP流的友好性。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，TCP-friendly CMT还包括了一个可以减少并行多路传输能耗的策略，以满足用户对以友好性、绿色节能等方面为重要特征的智慧多路数据传输需求。

5.如权利要求2所述方法，其特征在于，面向TCP友好的并行多路传输拥塞控制，设计了一种加权移动平滑调节机制(WM-cwnd),WM-cwnd实质上是AIMD(加性增，乘性减)的变种，其目的在于为并行多路传输机制提供一个高效自适应的、面向TCP友好的拥塞控制机制。

步骤A、为了预测CMT-SCTP中每条路径cwnd可能的增长空间，首先需要借助数据包的传输信息(针对活跃的路径)或者HEATBEAT传输信息(针对非活跃的路径)来探测路径的可用带宽。

步骤B、TCP-friendly CMT则可以通过设计的WM-cwnd拥塞控制机制来延续AIMD中的TCP友好特性，并实现根据实时网络传输条件高效自适应调节路径d_i的cwnd大小，提高并行多路数据传输性能。

6.如权利要求2所述方法，其特征在于，设计一种路径质量感知的自适应数据调度机制可以减缓并行多路传输过程中的数据失序和接收端缓存阻塞问题，提高数据传输性能。

7.如权利要求2所述方法，其特征在于，通过WM-cwnd拥塞控制在并行多路传输过程中，每条路径在遇到瓶颈带宽时(即网络发送拥塞)，都能够对其cwnd减半以保持对TCP流的友好性和公平性；当无网络拥塞或者发送连续网络拥塞情况下，WM-cwnd机制可以根据网络可用带宽调节各条路径cwnd的值至最大或者最小，实现了并行多路数据高效自适应传输和网络资源的充分利用。

8.如权利要求2所述方法，其特征在于，提出一种可以使得TCP-friendly CMT尽可能降低能耗的建议，如果用户设备同时连接3G、4G和WiFi(Wireless-Fidelity)，而这三条链路的cwnd都一样大是，可以通过优选选择WiFi(而不是任意选择其中一条链路)作为dsend以实现降低能耗的目的。

9.如权利要求6所述路径感知的自适应调度机制方法，其特征在于，基于VM-cwnd机制对并行多路传输中各路径cwnd的加权滑动预测，本发明设计了一种基于加权滑动预测cwnd的数据调度机制，实现数据的高效自适应调度并面向TCP友好。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，基于该数据调度机制，一旦有数据需要传输，TCP-friendly CMT在发送端将执行下列操作：

步骤A、利用如下算法预测SCTP关联中每一条路径的cwnd值；

if(there is no network congestion detected)then

else

end if

步骤B、将所有活跃路径根据其所探测的cwnd值按降序排列；

步骤C、选择列表中第一个路径为候选数据发送路径(记为d_send)；

步骤D、如果有多条路径具有相同且最大的cwnd值，则选择这些路径中的任意一条作为发生路径；

步骤E、如果当前被选为发送路径的路径的cwnd值发送数据已满，则按顺序依次选择下一条路径作为发送路径。