CN103973587A - 多路径网络拥塞控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多路径网络拥塞控制方法及装置，其中方法包括以下步骤：检测已接收的应答分组中是否含有CE标记；判断网络是处于拥塞状态还是正常状态；当检测到CE标记，且网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态；当没有检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，将缓冲区增加预设大小；以及判断当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。根据本发明实施例的方法，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

Description

多路径网络拥塞控制方法及装置

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别涉及一种多路径网络拥塞控制方法及装置。

背景技术

随着互联网的蓬勃发展，越来越多的基于云计算的数据处理和大规模分布式计算应用不断出现，由此建立起了数据中心网络，以满足云应用的需求。一个数据中心网络通常由数千台服务器与交换机组成，网络结构十分复杂，服务器节点之间能够有多条并行路径互相连接。

数据中心中的服务器通常具有多宿主的特性，使得多路径TCP的相关技术能够大大提高网络的传输效率。与以往的因特网相比，数据中心网络除了拥有更高的带宽、更低的延迟，在流量模式方面有了很大的区别。在数据中心网络中，有两种数据流共存于复杂的网络环境里。一种是传输大量数据的大数据流，例如，为了管理数据，实现数据备份或复制功能的数据流等。另一种是对延迟敏感的小数据流，这种数据流广泛存在于对外提供搜索、网络社交以及零售服务的数据中心网络中。这两种数据流互相竞争着链路缓冲区的空间。与因特网不同，分组在交换机中排队的时延支配着数据中心网络中的数据流的时延。

由于该两种数据流会对有限的空间进行竞争从而严重影像数据中心网络的性能。然而，一些适用于因特网的处理方式不适用于数据中心网络，已成为数据中心网络的一个瓶颈。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明一方面提供一种多路径网络拥塞控制方法。

本发明的另一方面提出一种多路径网络拥塞控制装置。

有鉴于此，本发明一方面的实施例提出一种多路径网络拥塞控制方法，包括：检测步骤，检测已接收的应答分组中是否含有CE标记；

网络状态判断步骤，判断网络是处于拥塞状态还是正常状态；

缓冲区调节步骤，当上述检测步骤检测到CE标记，且上述网络状态判断步骤中判断网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态；

慢启动步骤，当上述检测步骤没有检测到CE标记，且上述网络状态判断步骤中判断网络处于正常状态时，将所述缓冲区增加预设大小；以及

网络状态复位步骤，判断当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。

根据本发明实施例的方法，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

在本发明的一个实施例中，上述缓冲区调节步骤中，根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小所述缓冲区的大小。

在本发明的一个实施例中，上述多个数据流路径的传输速度根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出。

在本发明的一个实施例中，在所述慢启动步骤中，根据多个数据流路径的传输速度和传输时延额权重将所述缓冲区增加预设大小。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲区减少通过如下公式表示，所述公式为，其中，T_s,rx_s,r(t)为传输速度，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和。

在本发明的一个实施例中，所述传输速度通过如下公式获得，所述公式为，其中，β为所述缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。

本发明另一方面的实施例提出了一种多路径网络拥塞控制装置，包括：检测模块，用于检测已接收的应答分组中是否含有CE标记；网络状态判断模块，用于判断网络是处于拥塞状态还是正常状态；缓冲区调节模块，用于在检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态；慢启动模块，用于当没有检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，将所述缓冲区增加预设大小；以及网络状态复位模块，用于当当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。

根据本发明实施例的装置，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲区调节模块根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小所述缓冲区的大小。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲区调节模块根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出上述多个数据流路径的传输速度。

在本发明的一个实施例中，慢启动模块根据多个数据流路径的传输速度和传输时延额权重将所述缓冲区增加预设大小。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲区减少通过如下公式表示，所述公式为，其中，T_s,rx_s,r(t)为传输速度，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和。

在本发明的一个实施例中，所述传输速度通过如下公式获得，所述公式为，其中，β为所述缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为根据本发明一个实施例的多路径网络拥塞控制方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例进行CE标记之后的数据处理过程图；

图3为根据本发明一个实施例发送方接收应打包后的数据处理过程图；

图4为根据本发明一个实施例发送方传输轮次序列好示意图；以及

图5为根据本发明一个实施例的多路径网络拥塞控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个实施例的多路径网络拥塞控制方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的多路径网络拥塞控制方法包括以下步骤：检测已接收的应答分组中是否含有CE标记(步骤101)。判断网络是处于拥塞状态还是正常状态(步骤103)。当检测到CE标记，且网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态(步骤105)。当没有检测到CE标记，且网络处于正常状态时，将缓冲区增加预设大小(步骤107)。判断当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态(步骤109)。

根据本发明实施例的方法，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

在本发明的一个实施例中，根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小缓冲区的大小，且多个数据流路径的传输速度根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出。另外，可根据多个数据流路径的传输速度和传输时延的权重将缓冲区增加预设大小。

在本发明的一个实施例中，可根据具体情况设定每个数据流路径的最大瞬时队列长度为K，当交换机待处理的队列长度大于K时，对K+1个数据包进行显示拥塞通知的CE标记操作。如果交换机待处理的队列长度小于K，则不对数据包进行标记处理。该标记可通过拥塞通告机制(ECN)来完成。

接收方根据所接收到的CE数量以在应答头部的ECE和CWR位的数据进行反馈。该ECE和CWR位两位数据最多可表示3个CE标记，以满足延迟确认的情况。

当发送方接收到ECE和CWR位为0的应答时，增加一个单位的拥堵窗口(即增加缓冲区)。

当发送方接收到ECE和CWR位并非均是0的应答时，以比例1/β减少拥塞窗口(即减少缓冲区)。如果不是，则表示数据流路径处于正常状态且未有CE标记，此时对拥堵窗口进行增加δ(即增大缓冲区的大小)。由于发送方拥塞窗口传输多少次传输轮次只减少一次，因此，δ的数值与流量迁移算法有关。

在本发明的一个实施例中，对多路径TCP的各个数据流耦合起来。

多路径TCP中，每一条数据流通过不同的路径传输数据，如果只让各个数据流独立的执行拥塞控制的话，网络传输的公平性就无法保证。所以，多路径拥塞控制的主要目标是将各个数据流耦合起来，以实现高效和公平的目标。具体如下：

步骤201，设置t＝0，对于数据流s所有的路径r∈R_s，设置每个传输轮次后，拥塞窗口增长量δ_s,r(0)＝1。

步骤202，在第t步，数据流s的各数据流通过上述过程直到速率收敛，传输速度通过如下公式获得，公式为，其中，β为缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。

步骤203，在第t的步数据流s的数据综合为并查找最小的速度时延T_s，T_s＝min{T_s,r,r∈R_s}，因此在t+1步的缓冲区的增加量通过如下公式表示，其中，T_s,r(t)为传输速度，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和，每个路径r∈R_s。

在本发明的一个实施例中，使用EWMA算法估计每个交换机输出接口的平均队列长度，以估计队列长度阈值进行标记分组。该长度阈值W_q可为为1.0，且最大瞬时队列长度为K。

图2为根据本发明一个实施例进行CE标记之后的数据处理过程图。如图2所示，在发送方收到CE标记后，它会累积一个传输轮次收到CE的个数。然后根据算法的状态，在NORMAL的状态下减小窗口，最后在数据发送方的网络协议栈内调整拥塞算法的标示所处状态的慢启动阈值，避免由于减小窗口而错误改变算法状态。

图3为根据本发明一个实施例发送方接收应打包后的数据处理过程图。如图3所示，为其处理过程。在收到应答包后，首先判断一个传输轮次是否结束，如果已经结束就需要计算数据流的速度和每条流增加的缓冲区空间，即权重。根据当前发送方所处的拥塞状态，增加窗口。最后判断能否将算法的状态改为NORMAL。为了能够表达的简洁明了，下面使用数组元素的形式，表示每个数据流的变量。在拥塞避免阶段，算法在每个传输轮次，调整拥塞窗口snd_cwnd[r]以及相关的参数。为了能够识别每个传输轮次，算法增加了一个变量beg_seq[r]来记录特定分组的序列号。

图4为根据本发明一个实施例发送方传输轮次序列号示意图。如图4所示，根据传输序列号判断一个传输轮次的结束，以及改变当前方法的状态。为了能够表达的简洁明了，下面使用数组元素的形式，表示每个数据流的变量。在拥塞避免阶段，算法在每个传输轮次，调整拥塞窗口snd_cwnd[r]以及相关的参数。为了能够识别每个传输轮次，算法增加了一个人工变量beg_seq[r]来记录特定分组的序列号。

当数据流r收到一个大于人工变量beg_seq[r]的应答号时，结束一次轮次，并将人工变量beg_seq[r]重新设置成将要发送的数据包的序列号snd_nxt[r]以识别下一个传输轮次做准备。在接收方定义记录CE个数的变量cnt_ce[r]以记录收到的CE的个数，例如接收方会通过对ECE和CWR位的标记以完成对数据的CE标记，并将CE的个数反馈给发送方。由于可以最多表示3个CE，所以延迟应答机制不会受到影像。当发送方在r数据流上接收到CE后，在一个传输轮次内，只减少拥塞窗口snd_cwnd[r]一次。

如图4所示，为了能够避免以前的CE影响到当前的传输轮次，进行了如下操作：

(1)当数据流r收到第一个反馈CE的应答分组后，减少发送方拥塞窗口snd_cwnd[r]。同时，将当前将要发送的数据包的序列号snd_nxt[r]记录到与算法状态相关的变量cwr_seq[r]中，然后将当前状态从NORMAL状态变为REDUCED状态。

(2)在REDUCED状态下，数据流r不在携带CE的应答分组到达发送方时进行操作。

(3)数据流r在将要接收到的应答包序列号snd_una[r]≥cwr_seq[r]时，将REDUCED状态变为NORMAL状态。

上述操作是基于在数据流r上的CE的数量在一个传输轮次内是不会超过发送方拥塞缓冲区snd_cwnd[r]。当状态从NORMAL转换到REDUCED时，将要接收到的应答包序列号snd_una[r]和算法状态相关的变量cwr_seq[r]序列号之间大约有snd_cwnd[r]个分组。所有前一传输轮次反馈的CE都会在snd_una[r]≥cwr_seq[r]之前完成。

在内部级别，在δ_s,r固定的条件下，每条数据流r∈R_s能够完成速率的收敛。在外部级别，数据流s完成在流量切换上的收敛。然而，实际上速率收敛并不是用来调整参数的一个严格的条件。本发明使用传输轮次作为控制每条数据流的间隔，以便能够更快的响应网络中拥塞程度改变的情况。本发明中，数据流r通过snd_cwnd[r]和一个传输轮次的时间srtt_us[r]的除法，更新变量的瞬时速度instant_rate[r]。并且在每个传输轮次后调整delta[r]。instant_rate[r]担当数据流r的收敛速度的角色。srtt_us[r]是数据流r平滑的时延(简称RTT)。另外，Linux内核现在已经能够提供微秒级的RTT测量，实现出的算法也提供了内核参数来配置β参数。

根据本发明实施例的方法，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

图5为根据本发明一个实施例的多路径网络拥塞控制装置的结构框图。如图1所示，根据本发明实施例的多路径网络拥塞控制装置包括：检测模块100、网络状态判断模块300、缓冲区调节模块500、慢启动模块700和网络状态复位模块900。

具体地，检测模块100用于检测已接收的应答分组中是否含有CE标记。网络状态判断模块300用于判断网络是处于拥塞状态还是正常状态。缓冲区调节模块500用于在检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态。慢启动模块700用于当没有检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，将缓冲区增加预设大小。网络状态复位模块900用于当当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。

根据本发明实施例的装置，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

在本发明的一个实施例中，缓冲区调节模块500根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小缓冲区的大小，缓冲区调节模块500根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出上述多个数据流路径的传输速度。同时，慢启动模块700根据多个数据流路径的传输速度和传输时延额权重将缓冲区增加预设大小。

在本发明的一个实施例中，检测模块100所检测的CE标记的最大瞬时队列长度K可根据具体情况进行相应的设定，当交换机待处理的队列长度大于K时，对K+1个数据包进行显示拥塞通知的CE标记操作。如果交换机待处理的队列长度小于K，则不对数据包进行标记处理。该标记可通过拥塞通告机制(ECN)来完成。

接收方根据所接收到的CE数量以在应答头部的ECE和CWR位的数据进行反馈。该ECE和CWR位两位数据最多可表示3个CE标记，以满足延迟确认的情况。

当发送方接收到ECE和CWR位为0的应答时，增加一个单位的拥堵窗口(即增加缓冲区)。

当发送方接收到ECE和CWR位并非均是0的应答时，以比例1/β减少拥塞窗口(即减少缓冲区)。如果不是，则表示数据流路径处于正常状态且未有CE标记，此时对拥堵窗口进行增加δ(即增大缓冲区的大小)。由于发送方拥塞窗口传输多少次传输轮次只减少一次，因此，δ的数值与流量迁移算法有关。

多路径TCP中，每一条数据流通过不同的路径传输数据，如果只让各个数据流独立的执行拥塞控制的话，网络传输的公平性就无法保证。所以，多路径拥塞控制的主要目标是将各个数据流耦合起来，以实现高效和公平的目标。具体如下：

步骤201，设置t＝0，对于数据流s所有的路径r∈R_s，设置每个传输轮次后，拥塞窗口增长量δ_s,r(0)＝1。

步骤202，在第t步，数据流s的各数据流通过上述过程直到速率收敛，传输速度通过如下公式获得，公式为，其中，β为缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。

步骤203，在第t的步数据流s的数据综合为并查找最小的速度时延T_s，T_s＝min{T_s,r,r∈R_s}，因此在t+1步的缓冲区的增加量通过如下公式表示，其中，T_s,r(t)为传输速度，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和，每个路径r∈R_s。

在本发明的一个实施例中，使用EWMA算法估计每个交换机输出接口的平均队列长度，以估计队列长度阈值进行标记分组。该长度阈值W_q可为为1.0，且最大瞬时队列长度为K。

根据本发明实施例的装置，通过数据流路径的CE标记和数据传输状态对缓存区进行减少或加大，从而提高了每个数据流路径的利用率以达到每个数据流路径的网络吞吐量，以应对同一数据流路径的传输碰撞。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种多路径网络拥塞控制方法，其特征在于，对每个数据流路径，以每个传输轮次为单位，执行以下步骤：

检测步骤，检测已接收的应答分组中是否含有CE标记；

网络状态判断步骤，判断网络是处于拥塞状态还是正常状态；

缓冲区调节步骤，当上述检测步骤检测到CE标记，且上述网络状态判断步骤中判断网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态；

慢启动步骤，当上述检测步骤没有检测到CE标记，且上述网络状态判断步骤中判断网络处于正常状态时，将所述缓冲区增加预设大小；以及

网络状态复位步骤，判断当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。

2.根据权利要求1的多路径网络拥塞控制方法，其特征在于：

上述缓冲区调节步骤中，根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小所述缓冲区的大小。

3.根据权利要求2的多路径网络拥塞控制方法，其特征在于：

上述多个数据流路径的传输速度根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出。

4.根据权利要求1的多路径网络拥塞控制方法，其特征在于：

在所述慢启动步骤中，根据多个数据流路径的传输速度和传输时延额权重将所述缓冲区增加预设大小。

5.根据权利要求4的多路径网络拥塞控制方法，其特征在于，所述缓冲区减少通过如下公式表示，所述公式为，

${\mathrm{\δ}}_{s,r}(t+1)=\frac{T_{s,r}{x}_{s,r}\left(t\right)}{T_s{y}_s\left(t\right)},$

其中，T_s,rx_s,r(t)为传输速度，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和。

6.根据权利要求5的多路径网络拥塞控制方法，其特征在于，所述传输速度通过如下公式获得，所述公式为，

$x_{s,r}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β\δ}}_{s,r}\left(t\right)(1-p_{s,r}\left(t\right))}{T_{s,r}{p}_{s,r}\left(t\right)},$

其中，β为所述缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。

7.一种多路径网络拥塞控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测已接收的应答分组中是否含有CE标记；

网络状态判断模块，用于判断网络是处于拥塞状态还是正常状态；

缓冲区调节模块，用于在检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，减小缓冲区的大小，并将网络状态置为拥塞状态；

慢启动模块，用于当没有检测到CE标记，且判断网络处于正常状态时，将所述缓冲区增加预设大小；以及

网络状态复位模块，用于当当前传输轮次的数据分组对应的应答分组均已经接收到时，将上述网络状态置为正常状态。

8.根据权利要求7的多路径网络拥塞控制装置，其特征在于：

所述缓冲区调节模块根据多个数据流路径的传输速度和传输时延减小所述缓冲区的大小。

9.根据权利要求8的多路径网络拥塞控制装置，其特征在于：

所述缓冲区调节模块根据各个数据流路径的传输时延和传输轮次中接收到的应答分组中含有CE标记的概率算出上述多个数据流路径的传输速度。

10.根据权利要求7的多路径网络拥塞控制装置，其特征在于：

慢启动模块根据多个数据流路径的传输速度和传输时延额权重将所述缓冲区增加预设大小。

11.根据权利要求10的多路径网络拥塞控制装置，其特征在于，所述缓冲区减少通过如下公式表示，所述公式为，

${\mathrm{\δ}}_{s,r}(t+1)=\frac{T_{s,r}{x}_{s,r}\left(t\right)}{T_s{y}_s\left(t\right)},$

其中，T_s,rx_s,r(t)为传输速度，T_s为最小传输时延，y_s(t)为速度总和。

12.根据权利要求11的多路径网络拥塞控制装置，其特征在于，所述传输速度通过如下公式获得，所述公式为，

$x_{s,r}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β\δ}}_{s,r}\left(t\right)(1-p_{s,r}\left(t\right))}{T_{s,r}{p}_{s,r}\left(t\right)},$

其中，β为所述缓冲区的减少比例，δ_s,r(t)为缓冲区的大小，p_s,r(t)为当前传输轮次中标上CE标记的概率，T_s,r为传输时延。