CN105357138A - 一种基于低优先级的自适应可靠传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，包括以下步骤：通过单向时延进行网络状态的探测；根据网络参数结合数据包丢失情况判断网络状态：当数据包发生丢失同时有额外排队延时发生时，网络状态判断为拥塞；当数据包丢失但是没有额外的排队延时时，网络判断为未被完全利用；根据判断的网络状态和通过单向延时探测的网络状态判断丢包原因：如果丢包事件发生同时探测到网络拥塞，则判定丢包是因为拥塞；否则，判断丢包由随机误码造成；根据丢包原因和网络状态通过不同的低优先级策略对当前网络窗口进行调整；本发明具有基于时延策略和基于丢包策略的协同性质，能在网络拥塞状态和空闲状态切换，可以利用额外的可用带宽。

Description

一种基于低优先级的自适应可靠传输方法

技术领域

本发明涉及可靠传输协议技术领域，具体涉及一种基于低优先级特性的自适应可靠传输方法。

背景技术

随着无线网络无处不在的日常访问活动的不断增长，“为所有人提供免费上网”这一概念被提出，该想法在解决各种全球性网络问题中发挥显著作用，但实际实现尚未解决。为实现这一想法，最低成本标准网络(LowestCostDenominatorNetworking，LCD-Net)这一新模式被提出，该模式从尽可能使用现有的基础设施、组网技术和经济制约等方面方案提出对现有问题的解决方案；从组网技术的角度看，它提出了利用多个现有资源将互联网技术集成开发，从而提供免费因特网，为成功实现这一机制并保证其可持续发展，确保用户和网络运营商可以自由并被激励地其他任何人共享资源成为重要前提。

为达到全球共享，新的互联网接入方案被提出，其中一类接入方法是通过实行低优先级的尽力而为(Less-than-BestEffort,LBE)质量(QoS)服务，相较于给传统用户提供的标准因特网尽力而为(BestEffort,BE)服务，该方法为可用资源提供低访问优先级；LBE被认为不仅能保护更高优先级避免拥塞(由于低优先级流是不太重要或有潜在危害的流，同时也可作为一种在非高峰时段切换为充分利用网络资源的方法；本发明所提出的工作旨在提供一种LBE服务。

TCP承载了互联网中多达95％的流量，因此，在网络传输层与LBE服务有关的拥塞控制(CongestionControl，CC)机制显得尤为重要。为了克服部署问题和提供一定的QoS保障，各类不同网络提出了不同的基于低优先级数据流服务的TCP分化拥塞控制算法，它们共同的思想是提供一个单级、低优先级的数据传输服务；从80年代末Jain提出的思想开始，基于时延的CC机制已经存在已久，如在90年代末的TCPVegas、2000年初的TCPNICE和TCPLP以及2012年的LEDBAT；TCPVegas是最先被发现当两个协议共存于一个瓶颈链路时，比标准TCP中具有更小的发送速率的协议之一；然而，它的设计目标是实现提高TCP对带宽利用；被设计为非侵入式的基于时延的传输协议包括TCPNICE和TCPLP，TCPNICE遵循与TCPVegas相同的基本方法，但在某些方面进行了一些改进，尽管Vegas具有早期检测拥塞的能力，有适度的线性减拥塞响应，但Vegas会影响标准TCP；TCPNICE通过减半拥塞窗口(像标准的TCP一样每个RTT最多一次)来克服这一问题；TCPLP使用单向延迟(One-wayDelay，OWD)代替双向时延(RoundTripTime,RTT)作为早期拥塞信号，并采用恒定平滑参数，TCPLP特点是计算测量的单向延迟的指数加权移动平均值(ExponentiallyWeightedMovingAverage，EWMA)；TCPWestwoodLP(TCPW-LP)是TCPWestwood的LBE版本，和Vegas一样，Westwood追踪记录在一个连接生存周期中最小的RTT值，Westwood发送方基于传回的TCP确认包估计所建连接带宽估计值(BandwidthEstimate，BWE)。

大多数现有的低优先级拥塞控制研究集中于文件共享网络或者测试现有LBECC机制在高带宽时延积网络中的性能；结果表明，现有的LBECC在长时延链路上传输LBE流量是较合适的；然而，为了不影响高优先级数据流的传输，队列目标值target必须取值很小，因此会低传输性能；同时，大多数LBECC的加性增乘性减(additiveincrementmultiplicativedecrement，AIMD)算法过于保守不适用于高速网络，即不能在网络使用的非高峰时段实现最大化的带宽利用率；其次，每次丢包事件后的恢复机制过于激烈，因为LBE服务同样需要有一定的QoS保障；研究发现目前没有针对专用于基于高带宽时延积特性网络使用的LBECC算法研究，而目前的互联网由大量高带宽时延积网络组成；同时，对没有干扰性的流量的研究需求迫切。

发明内容

本发明提供一种可以利用额外可用带宽，并对共存的TCP流或其他更高优先级流的排队时延不产生较大影响的一种基于低优先级特性的自适应可靠性传输方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，包括以下步骤：

通过单向时延进行网络状态的探测；

根据网络参数结合数据包丢失情况判断网络状态：当数据包发生丢失同时有额外排队延时发生时，网络状态判断为拥塞；当数据包丢失但是没有额外的排队延时时，网络判断为未被完全利用；

根据判断的网络状态和通过单向延时探测的网络状态判断丢包原因：如果丢包事件发生同时探测到网络拥塞，则判定丢包是因为拥塞；否则，判断丢包由随机误码造成；

根据丢包原因和网络状态通过不同的低优先级策略对当前网络窗口进行调整。

进一步的，所述网络状态的探测通过探测当前网络参数：目标队列Γ、排队时延和额外排队时延来确定。

进一步的，所述网络简化为源端、目的端和一个瓶颈链路，假设每个连接在有相同传播时延D_base,i的同质网络中，连接是同步的；

所述排队时延估计如下：

式中：D_base,i为最小单向时延，D_ack,i表示由i源端发送的数据包包括队列时延的单向时延；当源发送端检测增长的判断有排队现象；

所述额外排队时延算法如下：

式中：为发送端的实际发送速率，为发送端的期望发送速率，F_i ^t为和之间的差值，为当前网络窗口。

进一步的，所述当前网络窗口调整方法如下：

网络没有发生拥塞，没有丢包情况时，窗口更新方式如下：

式中：μ是比例因子，τ是从最后一个窗口减半后经过时间，ω_max是上次窗口减半在窗口大小，β为额外排队时延的目标值，δ是上次丢包发生窗口减半的窗口乘性减因子；

排队时延低于目标时延，同时具有额外排队时延时，网络窗口更新方法如下：

网络发送端排队时延大于目标时延时，网络窗口更新方法如下：

丢包发生时，慢启动阈值S和当前网络窗口大小的计算方法如下：

其中：丢包发生时，当丢包是由于随机误码，δ＝δ_max，当丢包是由于网络拥塞，δ＝δ_min。

进一步的，所述网络状态探测机制给每个数据包产生一个多位的排队时延采样和一个一位的丢包机制；目的端接收到一个否定确认字符时，则判断该数据包丢失。

进一步的，所述否定确认字符为三个重复确认字符或超时触发。

本发明的有益效果是：

(1)本发明增加更精确的网络估计机制，将单向时延信号、队列目标和额外的排队时延网络参数共同作为拥塞指标调整窗口大小，满足低速网络和高带宽时延积网络下的设计要求；

(2)本发明具有基于时延策略和基于丢包策略的协同性质，能在网络拥塞状态和空闲状态切换，可以利用额外的可用带宽，对共存的TCP流或是其它更其他更高优先级流的排队时延并不产生较大影响，很快地为共存于同一瓶颈链路采用标准TCP拥塞控制的数据流让出所占带宽。

附图说明

图1为流量近似模型图。

图2为简单瓶颈链路网络拓扑图。

图3为场景A下各低优先级协议单条流归一化吞吐量随丢包率变化的比较。

图4为场景B下各低优先级协议单条流归一化吞吐量随丢包率变化的变化。

图5为场景A下各低优先级协议单条流归一化吞吐量随缓冲区大小变化的比较。

图6为场景B下各低优先级洗衣单条流归一化吞吐量随缓冲区大小变化的比较。

图7为场景A下与标准TCP协议单条流归一化吞吐量随缓冲区大小变化的比较。

图8为场景B下与标准TCP协议单条流归一化吞吐量随缓冲区大小变化的比较。

图9为场景A下各低优先级协议共存时归一化吞吐量随丢包率变化的比较。

图10为场景B下各低优先级协议共存时归一化吞吐量随丢包率变化的比较。

图11a为场景B下从链路利用率角度查看拥塞窗口变化情况。

图11b为场景B从链路利用率角度查看缓冲区大小变化情况。

图12为数据包大小为1000字节时，不同BDP链路下不同目标值的宽带容量使用情况。

图13为数据包大小为5000字节时，不同BDP链路下不同目标值的宽带容量使用情况。

图14为各低优先级与Reno共存时，各低优先级乘性减机制比较。

图15为各低优先级与Reno共存时，总体链路利用率比较。

图16为真实网络测试平台拓扑结构图。

图17为教育网不同时段吞吐量变化。

图18为电信网不同时段吞吐量变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，包括以下步骤：

通过单向时延进行网络状态的探测；

根据网络参数结合数据包丢失情况判断网络状态：当数据包发生丢失同时有额外排队延时发生时，网络状态判断为拥塞；当数据包丢失但是没有额外的排队延时时，网络判断为未被完全利用；

根据判断的网络状态和通过单向延时探测的网络状态判断丢包原因：如果丢包事件发生同时探测到网络拥塞，则判定丢包是因为拥塞；否则，判断丢包由随机误码造成；

根据丢包原因和网络状态通过不同的低优先级策略对当前网络窗口进行调整。

将网络简化为源端、目的端和一个瓶颈链路，假设每个连接在有相同传播时延D_base,i的同质网络中，连接是同步的；网络流量被近似的形式化建模来表示使用不同CC算法的多条流的相互间作用，该模型假定数据包大小是无限小的，假定为一个配有先进先出弃尾队列机制的路由器；当发生缓冲器溢出的情况，所有连接同时检测到丢包，所积压的队列额外时延为乘性减机制使用δ因子动态减小窗口。该建模只针对传输层上提供LBE服务的CC阶段行为分析；

所述排队时延估计如下：

式中：D_base,i为最小单向时延，D_ack,i表示由i源端发送的数据包包括队列时延的单向时延；当源发送端检测增长的判断有排队现象，超过排队目标Γ后，降低发送速率。

基于低优先级特性的自适应可靠传输方法(Low-PriorityTransportforExtraError-ProneBackground，LTEB)LTEB数据流通过监测各种输入参数来评估网络状态，计算三种发送数据包的反馈信息(目标队列Γ、排队时延和额外排队时延)；当接收到正确确认字符(ACK)时，它计算相应数据包的单向时延(OWD)，并更新平均排队时延和最小的单向时延D_base,i，其测量可用上述公式表示；通过OWD进行的早期拥塞判断，我们期望基于单向的时延的方法能仅探测发送路径(从源到目的端)上的拥塞情况，从而防止反向链路的背景流量对ACK数据包带来的早期拥塞信号的误导，这一点尤其适用于长时延网络，通过这一方法LTEB会比通过丢包探测网络拥塞的TCP更早的做出相应策略；

网络状态估计机制给每个数据包产生一个多位的排队时延采样和一个一位的丢包机制；当接收到一个否定ACK(由三个重复ACK或超时触发)时，则判断该数据包丢失，由于标准TCP将数据包丢失作为网络拥塞进行拥塞窗口更新的信号，并将其发送窗口减半后重发该数据包；LTEB协议中丢包现象不是网络拥塞的唯一信号，拥塞也可由其它网络现象(例如额外的排队时延)共同决定，从而达到在易出错的网络链路上更准确地判断网络状态。

所述额外排队时延算法如下：

式中：为发送端的实际发送速率，为发送端的期望发送速率，F_i ^t为和之间的差值，为当前网络窗口。

当前网络窗口调整方法如下：

本发明为不同的网络状态设置了不同的低优先级滑动窗口更新策略；由于标准TCP各版本有很多很好的方案可以提供LBE服务实现；因此，本发明在不同的估计网络状态分别选择不同的基于时延的和基于丢包的方法来达到带宽利用率最大化，同时不会引起端系统或中间链路中的队列时延增加，具体方法如下：

所选用的基于丢包方法可以让LTEB在高速长时延网络下窗口快速增长利用带宽，同时用凸函数增长的形式以保证LBE服务不要过于激进；实际上，LTEB首先要能动态探测网络，对于空闲或轻量负载的高带宽时延积网络，协议的主要目标是高效快速利用大量的链路带宽，理想的状态是链路中没有高优先级的流量，此时，LTEB探测到队列时延为0并表现得很激进，LTEB利用三次方函数进行窗口更新，具体说明为当没有拥塞状况发生，即没有达到target值、没有丢包；窗口更新方式如下：

式中：μ是比例因子，τ是从最后一个窗口减半后经过时间，ω_max是上次窗口减半在窗口大小，β为额外排队时延的目标值，δ是上次丢包发生窗口减半的窗口乘性减因子；基于以上方法LTEB能以凹窗口函数增长方式快速利用带宽，其增长函数独立于OWD来保障不同数据流之间的OWD的公平性；

对于有负载的高带宽时延积网络，LTEB检测到有高优先级TCP流进入网络，这使得路由器逐渐累积数据包，LTEB的增长速率要低于TCP；LTEB用Γ作为一个非零目标排队时延；显然，当估计的队列时延低于target同时额外排队数据包大于β值，发送速率应该不太激进的增长所述排队时延低于目标时延，同时具有额外排队时延时，网络窗口更新方法如下：

发送端不能使队列时延大于Γ，发送端增加发送速率直到达到目标值Γ，即则否则，发送端为不使路由器拥塞按下述公式降低发送速率：

所述丢包发生时，慢启动阈值S和当前网络窗口大小的计算方法如下：

其中：丢包发生时，当丢包是由于随机误码，δ＝δ_max，当丢包是由于网络拥塞，δ＝δ_min。

所述网络状态探测机制给每个数据包产生一个多位的排队时延采样和一个一位的丢包机制；目的端接收到一个否定确认字符时，则判断该数据包丢失；所述否定确认字符为三个重复确认字符或超时触发。

最后，本发明对算法的友好性，平衡性和稳定性进行评估；低优先级服务的一个重要目标是在共享瓶颈链路时为TCP流让出带宽，LTEB能探测链路中已有的流量同时为新的高优先级流量让出带宽，同时能在带宽又空闲后重新进行利用；事实上，LTEB会对任何流量让出带宽(如长流FTP和UDP)，LTEB可能不会为不会在瓶颈链路引入排队的低负载和时延敏感的流让出带宽。

众所周知，TCP平均拥塞窗口反比于丢失率的ρ的平方根，如均衡公式为因此当网络空闲时，要保证有极小的丢包率才能维持很大的发送窗口。

算法的稳定性评估，LTEB的窗口每收到一个ACK增加1/ω_i，因此其中T是两次数据包发送间隔时间，则稳态时为吞吐量为

采用仿真实验对本发明进行验证，如在图2中所示的模拟参考网络拓扑；使用多用户共享单瓶颈链路的哑铃状的网络拓扑结构，瓶颈路由器容量为B数据包大小并使用先进先出的弃尾队列机制；路由器缓存容量B是从数据包角度高带宽时延积网络的BDP容量，即其中是即上限函数；C为瓶颈链路容量，使用B表示目标队列Γ，Γ默认值为25(排除目标值需要比较小)；数据包大小P默认为1000字节(有40字节的TCP头部)，仿真时间为300s，实验使用的所有TCP版本都使用默认参数，使用基于IETFRFC6817的LEDBAT，使用以下两个主要场景进行仿真实验：

场景A：C为10Mbps和单向传播延迟50ms，代表低速链路；

场景B：C为400Mbps和单向传播延迟为400ms，代表高速链路。

本发明对协议单条流在丢包率从10^-6到10^-2的瓶颈链路效率进行评价；如图3和图4所示，所体验的协议性能在场景A和场景B中都随丢包率的增大而下降，LTEB协议无论在有损或无损情况都能维持高的吞吐量；从图3场景A可以看出，当所有低优先级协议吞吐量随丢包率增大而减小时，LTEB和LEDBAT与其它协议相比较性能更好，TCPLP性能最差；其中当丢包率范围在10^-6到10^-3时，LTEB的归一化吞吐量都大于0.95。

图4场景B显示LEDBAT归一化吞吐量低于0.02，是所有低优先级协议中最低的，这是由于目标值Γ的限制和AIMD机制过于保守，而LTEB能达到0.3，其主要原因是尽管LTEB有值Γ的限制，但LTEB的增长速率更快，LEDBAT随丢包率增加快速性能退化，其主要原因LEDBAT将所有的丢包原因视为网络拥塞，而在场景中很多丢包是随机误码造成的。

本发明评估LTEB协议在不同路由器缓冲区大小B下的性能；如图5-8所示，实验随机丢包率为0；图5场景A中所有协议的归一化吞吐量随缓冲区增大而增大，其中LTEB低于其它低优先级；同时，在缓冲区小于150个数据包时，TCPLP和NICE性能快速下降，其原因是LTEB能动态估计网络状态和排除情况，以达到对空余缓冲区的最大化利用，同时动态降低发送速率避免缓冲区溢出；在较大的缓冲区中，LTEB仍保持更好的性能并在缓冲区大于80数据包后基本达到对缓冲区的充分利用；LEDBAT同样不会随缓冲大小变化有太大变化，但其性能差于LTEB，TCPLP在达到稳定利用率时，仅能利用链路10％的带宽。

从图6场景B所示，LEDBAT在高带宽时延积网络中性能最差，低于0.003；在较小缓冲区时，NICE和TCPLP增长速度小于LTEB，因为它们采用线性增长方式；而LTEB能探测到网络空闲状态并利用凹凸函数进行窗口更新；图7和图8表明在这两种空闲网络状态下，LTEB能像标准TCP一样利用带宽，因为此时网络中没有其它更高优先级流；综上所述LTEB被证明比其它低优先级协议能更好的利用剩余带宽，同时在空闲的易出错的高带宽时延积网络中性能更好。

为了评价LTEB在低优先级各版本共存的情况下的效率，实验将评估丢包率从10^-6到10^-2时的性能，仿真实验的四个源发送端分别执行四个不同的低优先级协议在相同OWD网络中；如图9、10所示，场景A中四条数据流同时经过同一中间瓶颈链路；图9场景A中LTEB较其它协议利用更多的带宽，这是由于LTEB通过时延能探测到更多的带宽，然后进行快速增长；其它协议有如前面我们提到的各种限制同时随丢包率增大性能降低；如图10所示，场景B中所有数据流随丢包率增大性能降低，而LTEB是其中性能最优的；同样由于其它协议是慢速增长，同时不对丢包原因进行区分，在这类高带宽时延积网络，这类协议的劣势更加明显，当丢包率达到10^-5时，已几乎对网络没有太大利用。

为评价LTEB最重要的低优先级特性，本实验在场景A中另一个发送源执行LTEB，一个发送源执行Reno共享瓶颈链路；图11a和图11b显示了从拥塞窗口和缓冲区大小两方面显示优先级特性，在开始阶段可以看出，这两个LTEBA和Reno都增加窗口的大小，由于两者都没有发现丢包并且探测到额外的带宽，仅在几秒后，LTEB探测到缓冲区队列增加并降低其窗口，在20s左右，LTEB最终窗口减小到零；与此同时，Reno窗口增加到125并在20s到300s进行周期性减半，同时LTEB尝试探测是否有剩余带宽，由于LTEB探测到有高优先级流，因此一直让出带宽；当Reno窗口减半时，LTEB探测到剩余带宽但排队时延较大，LTEB轻微增加窗口；如11b所示，在开始几秒钟内，LTEB和Reno共享缓冲区，随后LTEB探测到剩余缓冲区减小，于是LTEB降低其对带宽的占用，20s后LTEB定期进行缓冲区探测，每次大约占用25个数据包大小；综上所述，可以看出LTEB具有良好的低优先级特性，当网络拥塞时LTEB能在几秒后快速为高优先级流让出带宽。

通过不同的瓶颈链路带宽和OWD组合场景进行实验，场景中(C,D)＝{(10Mbps,50ms),(100Mbps,100ms),(300Mbps,300ms),(400Mbps,400ms)}，缓冲区容量B为1，对于每组实验使用不同的目标值Γ∈{10,25,50,100}，仿真实验中一个源端执行LTEB协议，另一个使用Reno协议共享瓶颈链路；链路利用率运行时间进过300s；在图12中，高宽带时延积网络为低负载网络，数据包大小为1000字节；从图中可以看出在带宽为10Mbps和100Mbps时，LTEB流会使Reno有所减少，但对高优先级的影响是很小的；在带宽为300Mbps和400Mbps时，Reno在LEDBAT或LTEB为背景流的情况都使用相同的带宽，而LTEB探测到更多的剩余带宽，最终，在高带宽时延积网络中LTEB和Reno总体占用率为LEDBAT和Reno的两倍。

在图13中网络为高负载网络，数据包大小为5000字节，LTEB会引入小于2％的流量，无论是LTEB还是LEDBAT，Reno几乎占用所有的网络带宽，仍可以看到，当网络有一点没有被充分使用时，LTEB尝试发送更多的数据，从而提高总体的带宽占用，并不影响高优先级数据流，同时在减速和最大化总体利用率间作出权衡。

图14显示了为评价低优先级数据流拥塞避免速率，实验使用一条Reno数据流和一条LBE数据流共存同一瓶颈链路，并测量其归一化吞吐量；如图14所示，LTEB在开始阶段快速增长，但数十秒后快速降低发送速率，其原因是网络在开始阶段存在空闲带宽，当Reno数据流发送速率增加并占用带宽后，LTEB快速将所占带宽释放；图15显示，与其它共存方案相比，Reno与LTEB共存的总体归一化吞吐量最高，带宽利用率领先；综上，当网络中高优先级数据流进入网络时，LTEB能快速降低发送窗口，同时达到总体对带宽的占用率最大化。

对LTEB在真实网络中的部署和现实进行测试，我们将LTEB作为模块嵌入Linux内核(v2.6.28)，用LEDBAT作对比，同时使用内核中已有的Reno协议；图16为真实网络测试平台拓扑结构图，被测试的LTEB和其它TCP版本在中国成都四川大学内的客户端，其它协议在韩国首尔的建国大学的服务器上，建国大学服务器连接到首尔韩国先进研究网络(KOREN)XP的1Gbps网络，首尔XP连接到中国教育科研网(CERNET)香港XP的10Gbps网络，本实验通过不同的接入网络(包括中国电信宽带和CERNET)进行实验。

真实场景实验使用SCP作为文件传输服务；Iperf(v2.0.5)作为网络用带宽测试工具，它使用-Z选项来测试不同的TCPCC偏好算法性能；Linux的流量控制器(TC)作为提供复杂真实网络场景配置器进行LTEB严格测试，TC通过命令配置网络环境，我们使用先进先出的队列机制。

为了评价协议在重负载网络中性能，我们使用TC控制器给每个网络出口上的数据包增加250ms的队列时延，并用ping命令测量网络往返时延；LEDBAT和LTEB都使用默认目标值Γ＝100；测试时间持续5-10分钟，以使测试算法能够达到稳态，三条流同时发送，其结果如图17、图18和表1所示，LTEB和Reno分别在一天不同的时段与LEDBAT和Reno进行比较，可以看到在重负载CERNET和电信网中LTEB比LEDBAT获得更小的流量，这是由于LTEB能更精确的探测网络状态并在网络拥塞时缓慢增长；表1显示了重负载网络中的平均吞吐量，能看到不论在什么时段，Reno在LTEB为背景流时占用更多的网络带宽，尤其是在CERNET网络的7：00-8：00时段，LTEB也能让出更多的带宽，能达到只占用LEDBAT的一半的性能。

表1.增加额外排队时延的高负载真实网络中平均吞吐量

对于轻负载网络，其的结果如表2所示，我们用TC控制器在网卡出口处添加随机丢包率：0.0、0.2和0.5，LEDBAT和LTEB都使用默认目标值Γ＝25；由2表可以看出，LTEB没有随丢包率的变化有很大的性能波动，而LEDBAT有变化，有两个原因：1)LTEB探测网络空闲带宽，同时快速进行窗口增长，而LEDBAT速度较慢；2)当网络空闲时，但有丢包产生时，LTEB不会将窗口减半，实验结果表明在电信网下23：00-0：00时段，LTEB最多能增长144.90％的带宽占用率。

表2.增加随机丢包的低负载真实网络中平均吞吐量

对于协议公平性实验，本发明使用Jains公平性公式两条LTEB共存于瓶颈链路中，F值应该最大为1(当链路被公平使用时)最小为0.5(当只有一条能充分使用链路时)，实验结果表明F在0.55到0.96之间，与LEDBAT公平性相似。

综上所述，LTEB协议能在普通低速网络和高带宽时延积网络中传输LBE数据，它结合基于丢包和基于时延的方法动态探测网络状态，包括使用排队目标值、队列时延和额外排队时延三个参数，本发明在仿真环境和真实网络中进行实验测试；在仿真的效率和低优先级特性实验测试中，LTEB在高带宽时延积中优于现有的LBE协议在以下几个方面：1)LTEB能很好的在高带宽时延积网络中运行，能利用大量的剩余带宽并避免对网络拥塞的错误估计引起的会窗口振荡；2)LTEB的窗口控制会基于网络状态动态的更新；3)LTEB能达到协议间的友好性和协议内公平性，同时在空闲、轻量负载和高负载网络下都能很好地利用带宽；4)当网络中没有其它流量时，LTEB表现为标准TCP协议特性，真实场景实验表明LTEB能为Reno让出更多的带宽，同时在高带宽时延积网络中达到更好的带宽总体利用率。

本发明能动态地探测网络状态，对于轻负载网络，使用更积极的窗口增长更新方案；对于高负载网络，该传输方法不会引起与高优先级数据流的竞争，并且能将所占的带宽让出给高优先级数据流；同时为适应高宽带时延积网络中长时延、高误码率链路，通过缓冲区负载探测法对数据包丢包原因进行区分；本发明对拥塞机制进行改进，可以更好的对网络中的背景剩余带宽进行充分利用；上述的仿真实验也表明，本发明能达到高效利用带宽的目的，同时本发明能为高优先级的TCP数据流让出更多的带宽；同时真实网络环境实验表明，本发明较其它高负载网络能让出更多的带宽，在轻负载网络中能够有更高的额外带宽利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过单向时延进行网络状态的探测；

根据网络参数结合数据包丢失情况判断网络状态：当数据包发生丢失同时有额外排队延时发生时，网络状态判断为拥塞；当数据包丢失但是没有额外的排队延时时，网络判断为未被完全利用；

根据判断的网络状态和通过单向延时探测的网络状态判断丢包原因：如果丢包事件发生同时探测到网络拥塞，则判定丢包是因为拥塞；否则，判断丢包由随机误码造成；

根据丢包原因和网络状态通过不同的低优先级策略对当前网络窗口进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于，所述网络状态的探测通过探测当前网络参数：目标队列Γ、排队时延和额外排队时延来确定。

3.根据权利要求2所述的一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于，所述网络简化为源端、目的端和一个瓶颈链路，假设每个连接在有相同传播时延D_base,i的同质网络中，连接是同步的；

所述排队时延估计如下：

$D_{base,i}^{t+1}=\left\{\begin{array}{cc}+INFINITY,& t=-1\\ min(D_{base,i}^t,D_{ack,i}^t),& t\≥0\end{array}\right.$

$Q_i^t=D_{ack,i}^t-D_{base,i}^t$

式中：D_base,i为最小单向时延，D_ack,i表示由i源端发送的数据包包括队列时延的单向时延；当源发送端检测增长的判断有排队现象；

所述额外排队时延算法如下：

${\mathrm{\ϵ}}_i^t=\frac{{\mathrm{\ω}}_i^t}{D_{base,i}}$

$A_i^t=\frac{{\mathrm{\ω}}_i^t}{D_{ack,i}}$

$F_i^t={\mathrm{\ϵ}}_i^t-A_i^t$

$D_{ack,i}^t=D_{base,i}^t+\frac{N_i^t}{A_i^t}$

$N_i^t=A_i^t\×Q_i^t=F_i^t\×D_{base,i}^t$

式中：为发送端的实际发送速率，为发送端的期望发送速率，为和之间的差值，为当前网络窗口。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于，所述当前网络窗口调整方法如下：

网络没有发生拥塞，没有丢包情况时，窗口更新方式如下：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&omega;}}_i^{t+1}=\mathrm{\&mu;}{(\mathrm{\&tau;}-K)}^3+{\mathrm{\&omega;}}_{max},& if{Q}_i^t<\mathrm{\&Gamma;},N_i^t\&le;\mathrm{\&beta;}\end{array}$

式中：μ是比例因子，τ是从最后一个窗口减半后经过时间，ω_max是上次窗口减半在窗口大小，β为额外排队时延的目标值，δ是上次丢包发生窗口减半的窗口乘性减因子；

排队时延低于目标时延，同时具有额外排队时延时，网络窗口更新方法如下：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&omega;}}_i^{t+1}={\mathrm{\&omega;}}_i^t+\frac{\mathrm{\&gamma;}\&times;(\mathrm{\&Gamma;}-Q_i^t)}{{\mathrm{\&omega;}}_i^t},& if{Q}_i^t<\mathrm{\&Gamma;},N_i^t>\mathrm{\&beta;}\end{array}$

网络发送端排队时延大于目标时延时，网络窗口更新方法如下：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&omega;}}_i^{t+1}={\mathrm{\&omega;}}_i^t+\frac{\mathrm{\&gamma;}\&times;(\mathrm{\&Gamma;}-Q_i^t)}{{\mathrm{\&omega;}}_i^t},& if{Q}_i^t>\mathrm{\&Gamma;}\end{array}$

丢包发生时，慢启动阈值S和当前网络窗口大小的计算方法如下：

$S_i^t=\mathrm{\&delta;}\&times;{\mathrm{\&omega;}}_i^t$

${\mathrm{\&omega;}}_i^{t+1}=S_i^t+3$

其中：丢包发生时，当丢包是由于随机误码，δ＝δ_max，当丢包是由于网络拥塞，δ＝δ_min。

5.根据权利要求3所述的一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于：所述网络状态探测机制给每个数据包产生一个多位的排队时延采样和一个一位的丢包机制；目的端接收到一个否定确认字符时，则判断该数据包丢失。

6.根据权利要求5所述的一种基于低优先级的自适应可靠传输方法，其特征在于：所述否定确认字符为三个重复确认字符或超时触发。