CN105450321B - 一种网络数据传输方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网络数据传输方法及装置，应用于端到端异步传输网络，包括：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；当发包端的业务发送速率调整为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。本发明提供的网络数据传输方法及装置，用来减少异步网络数据传输过程中的丢包。

Description

一种网络数据传输方法及装置
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种网络数据传输方法及装置。
背景技术
在以太网中，传统的异步数据传输以发送和接收数据包的形式进行。理想状态下，收包端接收到的数据包数目等于发包端发送的数据包数目。而且，由于以太网中各节点之间的报文发送速率、接收速率和流量都具有突发性，因此，以太网中各设备均采用缓存机制，来平滑不同节点之间的报文交互时产生的突发性。具体来说，各设备预先设置固定大小的缓存空间。以传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)/网络协议(IP，Internet Protocol)标准中的滑动窗口和缓存机制为例进行说明，发包端把要发送的报文写入发送缓存，如图1所示，此时，发送缓存用来暂时存放：发包端准备发送的报文数据以及发包端已发送但接包端尚未确认已正确接收的数据，其中，已被确认接收的报文数据会从发送缓存中删除，因此，发送缓存与发送窗口的后沿是重合的。收包端从接收缓存中读取接收的报文字节信息，如图2所示，接收缓存用来暂时存放：按序到达的但尚未被接收端确认正确接收的数据报文以及未按序到达的数据报文。
然而，在实际网络中，由于物理线路故障、设备故障、病毒攻击、网络拥塞、路由信息错误等原因，通常并不会出现数据传输的理想状态的结果。收包端无法正常接收到发包端发来的全部数据，即，整个网络系统在数据传输过程中发生丢包，由此，导致收包端接收到的信息出现缺失，进而会影响业务的正常通信。上述这种情况在视频通信等对网络性能有较高要求的业务中影响更为恶劣，因此，如何减少以太网网络中数据传输丢包是一个亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种网络数据传输方法及装置，用来减少异步网络数据传输过程中的丢包。
为了达到上述技术目的，本发明提供一种网络数据传输方法，应用于端到端异步传输网络，包括：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；当发包端的业务发送速率调整为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带精确时间协议(PTP，Precious Time Protocol)字段的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，该方法还包括：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的网络节点根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；
所述网络节点比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
进一步地，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟、转接局时钟、本地局时钟、同步设备定时源、同步质量不知道以及不应用作同步。
进一步地，所述根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链 路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8，m为基本业务的网络需求带宽。
进一步地，所述根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
进一步地，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的每两个相连的网络节点之间通过协商确定时钟主从属性；
主时钟侧发送携带主时钟信息的Announce报文给从时钟侧；
所述主时钟侧发送Sync报文给所述从时钟侧，所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；
所述从时钟侧记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送Delay_Req报文给所述主时钟侧，所述Delay_Req报文携带所述Delay_Req报文的发送时间戳t3；
所述主时钟侧发送Delay_Resp报文给所述从时钟侧，所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4；
所述从时钟侧根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
本发明还提供一种网络数据传输装置，应用于端到端异步传输网络的网络节点，包括：
速率调整模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；
第一同步模块，用于当所述速率调整模块调整发包端的业务发送速率为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，上述装置还包括：第二同步模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，所述第二同步模块，用于传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
进一步地，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟、转接局时钟、本地局时钟、同步设备定时源、同步质量不知道以及不应用作同步。
进一步地，所述速率调整模块，用于根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8，m为基本业务的网络需求带宽。
进一步地，所述速率调整模块，用于根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
进一步地，所述第一同步模块，用于传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
当所述网络节点作为主时钟侧时，用于发送携带主时信息的Announce报文给从时钟侧；发送Sync报文给从时钟侧，且所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；在接收从时钟侧发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文给从时钟侧，且所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对 Delay_Req报文的接收时间戳t4；
当所述网络节点作为从时钟侧时，用于依次接收携带主时钟信息的Announce报文以及携带报文发送时间戳t1的Sync报文；记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送携带报文发送时间戳t3的Delay_Req报文给主时钟侧；接收携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4的Delay_Resp报文；根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
通过本发明，当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；当发包端的业务发送速率调整为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。如此，在端到端异步传输网络处于低负载状态时，通过减小发包端的业务发送速率，降低网络当前链路利用率，由此增加网络中间节点剩余可用的缓存和值，从而增大网络中无丢包的时间，即减小网络丢包发生概率；当通过减小发包端的业务发送速率导致网络业务无法满足要求时，通过PTP同步技术，使分布式网络内的最精确时钟与其它时钟保持同步，提供高精度的频率，并在满足精度的前提下(上下行时延保持一致)，实现高精度的频率和时间的同步。
进一步地，当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。如此，在端到端异步传输网络处于高负载状态时，将TCP/IP协议结合时钟质量等级编码技术，使时钟质量等级信息承载在TCP/IP协议报文中传递，通过高品质、可跟踪一级基准时钟信号同步其它时钟，从而降低频偏的产生对满负荷的业务影响，降低链路时延值，进而降低以太网系统中的丢包率。
附图说明
图1为现有技术中发包端的发送缓存的示意图；
图2为现有技术中收包端的接收缓存的示意图；
图3为本发明的应用场景示意图；
图4为本发明实施例提供的网络数据传输方法的流程图；
图5为本发明实施例中携带PTP报文字段的TCP/IP报文格式图；
图6为本发明实施例中携带时间质量等级同步控制(SC，SynchronizationControl)字段的TCP/IP报文格式图；
图7为本发明实施例提供的网络数据传输装置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的网络数据传输方法，应用于端到端异步传输网络，如图3所示。在端到端异步传输以太网中，当两个网络节点之间进行收发报文业务时，即一个网络节点为发包端，另一个网络节点为收包端，中间网络节点进行报文转发。发包端满负荷固定发包速率例如为V，发包端发送固定帧长的以太网报文，若发包时长为T，则发包端总计发送报文数量Q＝V*T，收包端总计接收报文数量Q’。当在发包时长T内收包端接收的报文数量Q’小于发包端发送的报文数量Q时，以太网网络中存在数据丢包。其中，以太网测试仪将收包端的数据接收情况反馈给发包端。
对于端到端异步传输网络而言，无论是发送缓存还是接收缓存，其大小都是预设的固定值，在网络运行状态时通常不会改变，而数据报文量也为固定值，由此，以太数据报文的发送速率直接影响了缓存由空到填满的时间大小，即不丢包的时间。
图4为本发明实施例提供的网络数据传输方法的流程图。如图4所示，本实施例提供的网络数据传输方法包括以下步骤：
步骤401：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率。
于此，预设的低负载状态例如为发包端到收包端的网络链路实际利用率小于网络链路最大利用率，且发包端到收包端的网络链路实际负载小于或等于网络链路最大负载的一半。
其中，发包端到收包端的网络链路上的网络节点例如包括作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点。于此，发包端可直接根据第一预设策略调整业务发送速率。或者，在端到端异步传输网络中设置独立于作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点之外的管理节点，由管理节点根据第一预设策略确定调整后的发包端的业务发送速率，并将调整后的发包端的业务发送速率指示给作为发包端的网络节点。然而，本发明对此并不限定。
进一步地，所述根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8，m为基本业务的网络需求带宽。
进一步地，所述根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等 于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
步骤402：当发包端的业务发送速率调整为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的每两个相连的网络节点之间通过协商确定时钟主从属性；
主时钟侧发送携带主时钟信息的Announce报文给从时钟侧；
所述主时钟侧发送Sync报文给所述从时钟侧，所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；
所述从时钟侧记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送Delay_Req报文给所述主时钟侧，所述Delay_Req报文携带所述Delay_Req报文的发送时间戳t3；
所述主时钟侧发送Delay_Resp报文给所述从时钟侧，所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4；
所述从时钟侧根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
步骤403：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据 量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
于此，预设的高负载状态例如为发包端到收包端的网络链路实际利用率等于网络链路最大利用率，或者，发包端到收包端的网络链路实际负载大于网络链路最大负载的一半。
进一步地，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的网络节点根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；
所述网络节点比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
其中，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟(PRC)、转接局时钟(TNC)、本地局时钟(LNC)、同步设备定时源(SETS)、同步质量不知道(UNKNOWN)以及不应用作同步(DNU)。
接下来对本发明实施例进行具体说明。
首先，为了清楚地说明本发明实施例提供的网络数据传输方法，先进行以下说明：
假设初始未工作的端到端以太网网络中，各中间节点设备1～n的设备缓存值分别为bk，其中，k＝1，…，n，n为大于1的整数，设备缓存值的单位为兆比特(Mb)；由此，端到端网络中的可用缓存值B等于中间节点设备1～n的设备缓存值之和，即当端到端的以太网网络工作后，除各中间节点滑动窗口占用的已用缓存部分，网络中间节点剩余可用的缓存值之和为其中，U’为以太网网络链路实际利用率，U为以太网网络链路最大利用率，U’＝V*8/M，其中，M为当前网络链路总带宽(单位：Mb/s)，V为当前网络发包端的总业务流发送速率(单位：Bps)；
一条业务流的最大负载C＝N*t，其中，N为单条业务带宽，单位：Mb； t为网络链路时延，单位：毫秒(ms)；当网络运行n条业务流时满足的网络链路最大负载为：Cmax＝M*t，其中，M为当前网络链路总带宽，t为网络链路时延；当网络中运行业务流条数为n时，网络链路实际负载为 其中，Nk为第k条业务流的业务带宽，t为网络链路时延；
由于在端到端以太网络中，网络链路的当前负载会不断变化，由此，使得网络可能处于低负载状态或者高负载状态；具体而言，当网络链路实际利用率U’小于网络链路最大利用率U，且网络链路实际负载小于或等于网络链路最大负载的一半，即，此时，网络处于低负载状态；否则，即网络链路实际利用率U’等于网络链路最大利用率U，或者，网络链路实际负载大于网络链路最大负载的一半，即，此时，网络处于高负载状态；
另外，根据网络不同业务需求，为保证重要基本业务带宽资源，基于基本业务网络的需求带宽m(m<M)，定义满足当前基本业务带宽的业务最小发送速率Vmin＝m/8，单位：MB/s。
具体而言，当端到端网络处于低负载状态且出现丢包的情况时，重新确定发包端的业务发送最优速率V0为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，单位：秒(s)；M为当前已知网络链路的系统设计最大带宽，单位：Mb；Vmax为系统设计时的业务发送最大速率，Vmax＝M/8，单位：Mb/s；△f为当前网络端到端产生的频偏，单位：赫兹(Hz)，通常网络设备使用晶振相同，晶振频偏已知，由于网络处于低负载状态时，不易出现网络超时重传，链路上产生的传输时延较小，可忽略不计，由此可以直接利用硬件频偏；为端到端网络的所有中间设备的缓存值之和，其中，中间设备缓存值已知。
于此，当发包端的业务发送速率调整为业务发送最优速率V0(Vmin<V0<Vmax)后，仍然出现网络业务丢包，则调整网络业务发送速率为 Vmin，并查看网络业务发送速率为Vmin时，当前网络业务是否存在丢包；当业务发送速率调整为Vmin后，不出现网络业务丢包，则确定调整当前网络业务发送速率为Vmin，此时，不仅满足当前网络基本业务的业务带宽，而且网络业务不丢包；
当发包端的业务发送速率调整为业务发送最优速率V0(Vmin<V0<Vmax)后，不出现网络业务丢包，那么第一次调整网络业务发送速率时，将网络业务发送速率定为V1＝(Vmax+V0)/2，查看采用V1发送数据报文时网络业务是否出现丢包；若网络业务出现丢包，则将V0确定为当前网络业务发送速率，V0即为业务发送最优速率；若网络业务未出现丢包，则继续调整网络业务发送速率，当第二次调整网络业务发送速率时，将网络业务发送速率定为V2＝(Vmax+V1)/2，以此类推，直至第n次调整网络业务发送速率后，网络业务出现丢包，则将第n-1(n≥1)次调整得到的网络业务发送速率Vn-1＝(Vmax+Vn-2)/2定为当前网络业务发送速率。如此，在网络处于低负载状态时，通过减小业务发送速率，降低以太网网络当前链路利用率U’，由此，增加网络中间节点剩余可用的缓存值之和△B’，从而增大网络中无丢包的时间，即减小网络丢包发生概率。
然而，本发明对具体的调整方式并不限定。于其他实施例中，当发包端的业务发送速率调整为业务发送最优速率V0(Vmin<V0<Vmax)后，不出现网络业务丢包，可以根据Vi＝Vi-1+Ai调整当前业务发送速率。具体而言，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为业务最优发送速率，且Vi≤Vmax。换而言之，从业务最优发送速率V0朝向Vmax步进式地进行调整，每一次调整步长值Ai可根据实际需要设定，直至网络发生丢包时停止调整，并以发送丢包前一次的业务发送速率作为当前业务发送速率。
当网络业务发送速率调整为Vmin后，网络仍然发生丢包，此时继续减小网络业务发送速率已无法满足当前网络业务需求。因此，对于节点间的同步报文结构进行改变，将PTP报文封装到TCP/IP报文中，占用TCP报文结构中的选项和填充字段，如图5所示。其中，PTP报文字段包括：PTP报文头、PTP报文主体以及PTP扩展字段可选项。
其中，PTP报文头对所有PTP报文均通用，占32字节(Octets)，具 体格式如表1所示。
表1 PTP报文头结构
如表1所示，PTP报文头的格式说明如下：
(1)messageId字段占1字节，定义当前PTP报文类型，如Sync、Delay_Req、Delay_Resp、Announce、PDelay_Req、PDelay_Resp；
(2)versionPTP字段占1字节，定义当前PTP报文协议版本，例如，versionPTP为1对应于IEEE1588v1，versionPTP为2对应于IEEE1588v2；
(3)messageLength字段占2字节，定义所发送PTP报文字段的总长度，包括PTP报文头、报文主体和报文扩展字段可选项字段；
(4)domainNumber字段占1字节，定义PTP报文所属的时间域；其中，当时钟类型是普通时钟(OC，Ordinary Clock)或边界时钟(BC，Boundary Clock)时，描述报文发送设备当前属于的时钟域；当时钟类型是透明时钟 (TC，Transparent Clock)时，描述最初报文发送设备属于的时钟域；
(5)flag字段占2字节，定义为PTP报文各种显示状态的标志字段；
(6)correction字段占8字节，定义PTP报文中携带的时间信息经TC时钟时，对停留时间的纳秒级别的修正值；
(7)Reserved字段占3字节，为保留字段；
(8)sourcePortId字段占2字节，定义发送PTP报文的源端口标识(ID，Identification)；
(9)sourcePortIdentify字段占8字节，定义发送PTP报文的时钟芯片源端口地址信息；
(10)sequenceId字段占2字节，定义每个时钟发送周期均对应唯一一个编号标识；
(11)controlField字段占1字节，特指IEEE1588v1版本描述的报文类型的字段；
(12)logMessageInterval字段占1字节，定义显示协商成功后的报文发送间隔。
其中，PTP报文主要包括以下类型：Announce、Sync、Delay_Req、Follow_Up、Delay_Resp、PDelay_Req、PDelay_Resp，具体报文类型定义如表2所示。
表2 PTP报文类型定义
接下来以发包端到收包端的网络链路上的任意两个网络节点为例说明通过携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步的过程。
在发送端节点与接收端节点建立TCP连接，典型地进行三次握手后，发送携带PTP字段的TCP报文，建立时钟同步连接，进行时钟同步。在端到端(E2E，End to End)模式下，上述过程的具体步骤如下：
步骤S101：自动协商两个相连网络节点之间端口的时钟主从属性，于此，主时钟侧为发送端节点，从时钟侧为接收端节点；
步骤S102：主时钟侧发送Announce报文给从时钟侧，通过Announce报文中grandmasterPriority1、grandmasterClockAccuracy、grandmasterClockQuality、grandmasterPriority 2以及timeSource字段携带的时钟信息，告知从时钟侧主时钟的时钟源质量等级；其中，Announce报文结构如表3所示；
表3 Announce报文结构
如表3所示，Announce报文的格式说明如下：
(1)originTimestamp字段占10字节，定义时间戳；
(2)originCurrentUtcOffset字段占2字节，定义世界统一时间(UTC，UniversalTime Coordinated)与国际原子时(TAI，International Atomic Time)时间标尺间的闰秒时间差；
(3)grandmasterPriority 1字段占1字节，定义用户自定义的主时钟(grandmaster)优先级1；
(4)grandmasterClockQuality字段占1字节，定义最优(grandmaster)时钟质量等级；
(5)grandmasterClockAccuracy字段占3字节，定义grandmaster时钟质量等级的具体描述信息；
(6)grandmasterPriority 2字段占1字节，定义用户自定义的grandmaster优先级2；
(7)reserved字段占1字节，保留字段；
(8)grandmasterClockIdentity字段占8字节，定义grandmaster时钟ID信息；
(9)localStepRemoved字段占2字节，定义grandmaster与从(slave)设备之间时钟路径跳数；
(10)timeSource字段占1字节，定义时钟源类型；
步骤S103：主时钟侧发送Sync报文，通过Sync报文中的originTimestamp字段，将主时钟侧设备发送Sync报文的精准时间戳t1发送给从时钟侧；其中，Sync报文结构如表4所示；
表4 Sync报文结构
如表4所示，originTimestamp字段占10字节，定义时间戳；
步骤S104：主时钟侧随后发送Follow_Up报文，通过preciseOriginTimestamp字段，通告上个Sync报文的实际发送时间戳t1，其中，Follow_Up报文只针对two step有效，one step无Follow_Up报文；
其中，Follow_Up报文结构表5所示；
表5 Follow_Up报文结构
如表5所示，preciseOriginTimestamp字段占10字节，定义时间戳；
步骤S105：对应的从时钟侧记录Sync报文的到达时间戳t2，并调整本地时钟；然后从时钟侧在时间戳t3发送Delay_Req报文，将时间戳t3通过携带的preciseOriginTimestamp字段告知主时钟侧；
其中，Delay_req报文结构与Sync报文结构一致；故于此不再赘述；
步骤S106：主时钟侧记录接收到Delay_Req报文的时间戳t4，并发送响应报文Delay_Resp报文；其中，Delay_Resp报文结构如表6所示；
表6 Delay_Resp报文结构
如表6所示，receiveTimestamp字段占10字节，定义为响应Delay_Req报文的接收时间戳；requestingSourcePortIdentity字段占8字节，定义为响应Delay_Req报文的grandmaster时钟ID信息；requestingSourcePortId字段占2字节，定义为响应Delay_Req报文的发送设备端口ID信息；
步骤S107：从时钟侧根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
于实际应用中，当作为发包端的网络节点调整业务发送速率为业务最小发送速率后，网络仍存在丢包，则作为发包端的网络节点向下游接收节点传输携带PTP字段的TCP报文，使得下游接收节点的时钟与作为发包端的网络节点的时钟同步，进而依次进行后续网络节点之间的时钟同步，最终使得作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及端到端之间的中间节点的时钟均同步。或者，在端到端网络设置独立的管理节点，在发包端采用业务最小发送速率且仍存在网络丢包时，管理节点指示作为发包端的网络节点向下游接收节点传输携带PTP字段的TCP报文，使得下游接收节点的时钟与作为发包端的网络节点的时钟同步，进而依次进行后续网络节点之间的时钟同步，最终使得作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及端到端之间的中间节点的时钟均同步。
如此，当网络处于低负载时，减小当前网络业务发送速率，即能够增大可用缓存值，增大无丢包时间，减少预定时长内网络丢包的产生，当通过减小业务发送速率导致网络业务无法满足要求时，通过采用PTP同步技术，能够使分布式网络内的最精确时钟与其它时钟保持同步。
然而，当端到端网络处于高负载状态时，如果仍然利用调整缓存和值的方法，易引发网络中超时重传时间发生，从而导致网络丢包时间发生。此时，需要考虑通过降低实际网络中的时延t，以减小由于的增大导致的△C的增大，减小实际网络负载，使得端到端网络一直处于低负载状态，进而保证固定时间内，以太网络无丢包。
具体而言，此时，通过在交互报文中增加传递同步信息来增加无丢包的时间，从而减少网络丢包。对于TCP报文结构进行改变，利用其中选项和填充字段携带时间质量等级同步控制(SC，Synchronization Control)字段，如图6所示，SC字段占选项和填充字段中4比特长度(bit0～bit3)。
其中，可以利用SC字段中不同的比特编码来描述同步时钟的质量等级。例如，结合同步网中信息的描述和传递，可对SC字段比特编码进行如下定义，如表7中：SC(b0-b3)值(Value)为二进制格式编码，当然也可以采用16进制编码或者其他形式编码，只要能够对于不同时钟源进行区分即可。
表7 SC字段比特编码
其中，当网络设备初次上电时，时钟参考源缺省的时钟质量等级为同步质量不知道(UNKNOWN)。
其中，SC字段编码的时钟参考源等级的高低顺序如下：基准参考时钟(PRC，Primary Reference Clock)＞转接局时钟(TNC，Transit Node Clock)＞本地局时钟(LNC，Local Node Clock)＞同步设备定时源(SETS，Synchronous Equipment Timing Source)＞同步质量不知道(UNKNOWN)＞不应用作同步(DNU，Do not use for synchronization)。若参考源的级别 为DNU，且SC字段参与控制，则保护倒换时不选择该路参考源。
接下来以发包端到收包端的网络链路上任意两个网络节点为例说明通过携带SC字段的TCP报文进行时钟同步的过程。
步骤S201：两个网络节点间建立TCP连接，由于TCP报文中携带了SC字段，因此，在完成TCP握手过程(典型地三次握手过程)中，通过所传递的SC字段可获知当前网络对端节点的时钟参考源等级；
步骤S202：当前网络节点比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，若对端节点的时钟参考源等级高于本地时钟参考源等级，则当前网络节点以对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源；若对端节点的时钟参考源等级低于本地时钟参考源等级，则当前网络节点通知对端节点，以当前网络节点的本地时钟参考源作为当前对端节点的时钟参考源。
于实际应用中，当作为发包端的网络节点获知当前网络属于高负载状态且存在网络丢包时，由作为发包端的网络节点开始向下游接收节点发送携带SC字段的TCP报文以进行时钟同步；或者，在端到端网络设置独立的管理节点，在当前网络属于高负载状态且存在网络丢包时，管理节点指示作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点发送携带SC字段的TCP报文以进行时钟同步。
由此，通过网络逐点跟踪的方式使得整个网络节点的时钟参考源均可置为当前网络中最高等级的时钟参考源，并且全网的时钟均达到同步，减少了网络数据传输时延，有效地减少了各网络节点间的丢包。
如此，当网络处于高负载状态时，将时钟质量等级编码字段承载在TCP/IP协议报文中传递，即：在TCP/IP协议报文头部中增加时钟质量等级编码SC字段，通过报文交互使得各网络节点保持时钟同步，进而减少网络丢包。
图7为本发明实施例提供的网络数据传输装置的示意图。如图7所示，本实施例提供的网络数据传输装置，应用于端到端异步传输网络的网络节点，包括：速率调整模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发 包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；第一同步模块，用于当所述速率调整模块调整发包端的业务发送速率为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，上述装置还包括：第二同步模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
进一步地，第二同步模块，用于传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
其中，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟、转接局时钟、本地局时钟、同步设备定时源、同步质量不知道以及不应用作同步。
进一步地，所述速率调整模块，用于根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8， m为基本业务的网络需求带宽。
进一步地，所述速率调整模块，用于根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
进一步地，所述第一同步模块，用于传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
当所述网络节点作为主时钟侧时，用于发送携带主时信息的Announce报文给从时钟侧；发送Sync报文给从时钟侧，且所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；在接收从时钟侧发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文给从时钟侧，且所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4；
当所述网络节点作为从时钟侧时，用于依次接收携带主时钟信息的Announce报文以及携带报文发送时间戳t1的Sync报文；记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送携带报文发送时间戳t3的Delay_Req报文给主时钟侧；接收携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4的Delay_Resp报文；根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为 所述时间差为
具体而言，本实施例提供的网络数据传输装置分布在端到端异步传输网络的网络节点上。端到端异步传输网络的网络节点例如包括：作为发包端的 网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点。其中，速率调整模块例如分布在作为发包端的网络节点上，第一同步模块以及第二同步模块例如分布在作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点上。或者，端到端异步传输网络的网络节点例如包括：作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点、中间节点以及管理节点。其中，速率调整模块例如分布在管理节点上，第一同步模块以及第二同步模块例如分布在作为发包端的网络节点、作为收包端的网络节点以及中间节点上。
于实际应用中，速率调整模块例如为处理器等元件，第一同步模块以及第二同步模块例如为发射器或接收器等通信元件。然而，本发明对此并不限定。上述模块的功能例如还可以通过处理器执行存储在存储器中的程序/指令实现。
此外，关于上述装置的具体处理过程同上述方法所述，故于此不再赘述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (14)

1.一种网络数据传输方法，应用于端到端异步传输网络，其特征在于，包括：
当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带精确时间协议PTP字段的传输控制协议TCP报文进行时钟同步。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的网络节点根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；
所述网络节点比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟PRC、转接局时钟TNC、本地局时钟LNC、同步设备定时源SETS、同步质量不知道UNKNOWN以及不应用作同步DNU。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8，m为基本业务的网络需求带宽。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在发包端到收包端的网络链路上传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
在发包端到收包端的网络链路上的每两个相连的网络节点之间通过协商确定时钟主从属性；
主时钟侧发送携带主时钟信息的Announce报文给从时钟侧；
所述主时钟侧发送Sync报文给所述从时钟侧，所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；
所述从时钟侧记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送Delay_Req报文给所述主时钟侧，所述Delay_Req报文携带所述Delay_Req报文的发送时间戳t3；
所述主时钟侧发送Delay_Resp报文给所述从时钟侧，所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4；
所述从时钟侧根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
8.一种网络数据传输装置，应用于端到端异步传输网络的网络节点，其特征在于，包括：
速率调整模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的低负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率；
第一同步模块，用于当所述速率调整模块调整发包端的业务发送速率为业务最小发送速率后，在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量时，传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：第二同步模块，用于当发包端到收包端的网络链路的实际运行参数属于预设的高负载状态，且在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量时，传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二同步模块，用于传输携带时钟质量等级信息的TCP报文进行时钟同步，包括：根据接收到的TCP报文获知对端节点的时钟参考源等级；比较本地时钟参考源等级与对端节点的时钟参考源等级，当本地时钟参考源等级低于对端节点的时钟参考源等级时，将对端节点的时钟参考源作为当前本地时钟参考源。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述时钟参考源等级由高至低包括：基准参考时钟PRC、转接局时钟TNC、本地局时钟LNC、同步设备定时源SETS、同步质量不知道UNKNOWN以及不应用作同步DNU。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述速率调整模块，用于根据第一预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
确定发包端的业务最优发送速率为：
其中，T为数据传输丢包测量周期时长，M为发包端到收包端的网络链路最大带宽，Vmax为业务最大发送速率，且Vmax＝M/8，△f为网络端到端产生的频偏，为发包端与收包端之间所有中间设备的缓存值之和；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量等于发包端发送的数据量，则根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率；
当发包端的业务发送速率调整为所述业务最优发送速率后，若在预定发包时长内收包端收到的数据量仍小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发包速率为业务最小发送速率，其中，所述业务最小发送速率Vmin＝m/8，m为基本业务的网络需求带宽。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述速率调整模块，用于根据第二预设策略调整发包端的业务发送速率，包括：
根据Vi＝(Vmax+Vi-1)/2调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，V0为所述业务最优发送速率，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1；或者，
根据Vi＝Vi-1+Ai调整发包端的业务发送速率，其中，i为大于或等于1的整数，Ai为预设值，V0为所述业务最优发送速率，且Vi≤Vmax，当发包端的业务发送速率为Vi时，若在预定发包时长内收包端收到的数据量小于发包端发送的数据量，则调整发包端的业务发送速率为Vi-1。
14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一同步模块，用于传输携带PTP字段的TCP报文进行时钟同步，包括：
当所述网络节点作为主时钟侧时，用于发送携带主时钟信息的Announce报文给从时钟侧；发送Sync报文给从时钟侧，且所述Sync报文携带所述Sync报文的发送时间戳t1；在接收从时钟侧发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文给从时钟侧，且所述Delay_Resp报文携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4；
当所述网络节点作为从时钟侧时，用于依次接收携带主时钟信息的Announce报文以及携带报文发送时间戳t1的Sync报文；记录Sync报文的到达时间戳t2，并发送携带报文发送时间戳t3的Delay_Req报文给主时钟侧；接收携带主时钟侧对Delay_Req报文的接收时间戳t4的Delay_Resp报文；根据所述时间戳t1、t2、t3及t4，确定主时钟侧与从时钟侧之间的双向平均时延差以及主时钟与从时钟的时间差，并根据所述双向平均时延差以及时间差调整从时钟以与主时钟同步，其中，所述双向平均时延差为所述时间差为
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