CN105577557A - 一种卫星网络中并发tcp连接复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星网络中并发TCP连接复用方法，根据对客户端发起的TCP连接进行复用，在卫星网络的小站网关和中心站网关之间建立多条并发TCP长连接流，小站网关将客户端发起的大量短流复用到并发TCP长连接上，中心站网关从并发TCP长连接上将客户端短流解复用。通过避免三次握手开销和加大的发送窗口加速客户端流数据的数据，以一定的复用比对客户端短流进行复用，避免卫星链路过高的传播延时，从而提高数据传输的整体效率。

Description

一种卫星网络中并发TCP连接复用方法

技术领域

本发明涉及一种卫星网络中并发TCP连接复用方法。

背景技术

在高延迟和高误码率的卫星网络中，基于TCP协议的网络应用具有很大的延迟，原因在于TCP的拥塞控制不能充分利用卫星网络的有效带宽。另一方面，现有互联网中绝大部分数据流的数据量很小，这也进一步造成TCP协议的传输效率低下。例如，Web服务是目前使用最广泛的互联网服务。根据HTTPArchive提供的全球范围内Top1000的网站对象大小分布可知：55％的web页面中包含的对象数超过76个，所有页面的传输量中有91％是静态对象，而这些静态对象的平均大小小于23KB。此外，各大浏览器厂商和Web应用提供方使用多种方式来加速web应用的访问。IE8、Firefox和GoogleChrome等主流的浏览器规定每个域名同时可以建立6条TCP连接，通过增大并行度以降低请求和响应的停等式传输带来的影响。而Web应用提供方为了进一步加快访问速度，将不同的对象部署在不同的域名下来进一步增大并行度。这些加速机制在低延迟的网络可以加快Web访问速度，但也导致Web应用传输的网页对象进一步分散到不同的TCP流中，形成了大量的短数据流。这些短流在卫星网络中的传输控制开销严重降低了卫星网络中的web服务访问速度。

目前，在卫星网络环境下，已有很多在传输层和应用层优化技术。其中，传输层优化技术包括：通过RTT动态指数增窗和动态的降窗算法来修改TCP中的拥塞控制策略；通过随机早期检测和窗口大小调整进行TCP拥塞控制；提升延迟敏感服务质量的包调度策略；针对近地卫星网络中卫星频繁切换的特点，使用MPTCP平滑网络切换延迟。

在应用协议的研究中，HTTPPEP是专门针对HTTP协议进行加速，其主要使用了HTTP对象缓存、HTTP预取等关键技术；FFDP是针对卫星网络中文件传输而设计的协议，该协议通过定时请求未确认数据包和重传丢失数据包充分利用链路带宽，从而可以快速传输文件；Google提出了spdy协议，该协议通过优先加载、多路复用、压缩、推送等技术加速HTTP的访问，在卫星网络中可以缩短页面加载时间，但是该协议需要在浏览器和服务端同步部署，且在高误码率的卫星网络中该协议的传输速率容易产生抖动。

以上的研究工作都忽略了目前短流占互联网流量绝大部分的特性。而实际上，TCP采用三次握手的过程来建立连接，这在高延时的卫星网络中大大降低短流的传输效率。

发明内容

本发明提供了一种卫星网络中并发TCP连接复用方法，其目的在于，解决上述卫星网络通信的高延迟和高误码率等问题，通过避免三次握手的过程和充分利用复用流窗口提升卫星网络中短流的传输效率。

一种卫星网络中并发TCP连接复用方法，包括以下步骤：

步骤一，启动网关，判断当前网关类型；

如果当前网关与客户端连接，则当前网关类型是小站网关，并转入步骤二；

如果当前网关与服务器相连，则当前网关是中心站网关，并转入步骤八；

步骤二，配置小站网关；

小站网关配置TCP并发连接数为最大值后，将客户端会话向小站网关与中心站网关间TCP连接的小站映射表初始化为空，并转入步骤三；

步骤三，小站网关依据网络状态确定并发TCP的连接数n后，并建立n条TCP长连接到中心站网关，把每条TCP连接加入到并发TCP的连接池队列中，并转入步骤四；

步骤四，小站网关接收来自客户端发送的数据包并判断接收的数据包类型；

如果数据包是客户端连接的请求则转入步骤五；

如果数据包是客户端的数据则转入步骤六；

如果数据包是中心站网关的数据则转入步骤七；

步骤五，小站网关收到客户端的建立连接请求后，采用最高速率优先策略分配1条TCP长连接给该客户端连接，在小站映射表中添加该客户端连接与其对应TCP长连接的映射关系，并转入步骤四；

步骤六，小站网关收到并读取客户端的数据后，首先封装该客户端所对应的会话信息，在该客户端所对应的TCP长连接上发送数据，并转入步骤四；

步骤七：小站网关收到中心站网关的数据后，首先解析数据包中的会话信息，然后在小站映射表上查找该会话所对应的客户端，向该客户端连接上转发数据，并转入步骤四；

步骤八：配置中心站网关；

中心站网关配置TCP并发连接数为最大值基本系统参数后，将小站网关与中心站网关间TCP连接向服务端会话的中心站映射表初始化为空，并转入步骤九；

步骤九：如果中心站网关收到小站网关的新建TCP流请求，则把该新建TCP流加入到并发TCP连接池的队列中，并转入步骤十；如果中心站网关没有收到小站网关的新建TCP流请求，则继续等待，并重复步骤九；

步骤十：中心站网关收到数据包并判断接收的数据包类型；

如果数据包为小站网关的数据则转入步骤十一；

如果数据包为是服务器端的数据则转入步骤十四；

步骤十一：中心站网关收到小站网关的数据后，首先解析数据包中的会话信息，然后在中心站映射表中查找该会话所对应的服务器端，如果可以找到，则转入步骤十二，否则转入步骤十三；

步骤十二：在该会话所对应的服务端连接上转发步骤十一收到的数据，并转入步骤十；

步骤十三：创建中心站网关到目的服务器地址的连接和会话，并在中心站网关的映射表中添加会话与网关之间TCP长连接的映射关系，然后在服务端连接上发送数据，并转入步骤十；

步骤十四：中心站网关收到服务端的数据后，首先封装对应的会话信息，然后在该会话所映射的TCP长连接上发送数据，并转入步骤十。

所述步骤三中并发TCP的连接数n由以下公式确定：

$n=\frac{BW}{v}$

其中，BW为带宽，v为每条TCP连接的速率，p和RTT分别为小站网关在初始化时设定的丢包率和延迟。

建立n条到中心站网关的TCP长连接流，此后保持这n条TCP长连接流且不会再添加新的TCP连接流，客户端和服务端的所有数据都在这n条TCP长连接流上传输，从而避免了建立TCP连接的三次握手过程，提升了传输的效率。

所述步骤五中采用最高速率优先策略分配1条TCP长连接给该客户端连接的具体过程如下：

根据每条TCP长连接流实时的拥塞窗口CW和往返延时RTT，计算出CW/RTT作为每条TCP长连接流的传输速率；从中选择传输速率最大的TCP长连接流与该客户端连接建立映射。

保证数据的快速传输。

有益效果

本发明提供了一种卫星网络中并发TCP连接复用方法，根据对客户端发起的TCP连接进行复用，在卫星网络的小站网关和中心站网关之间建立多条并发TCP长连接流，小站网关将客户端发起的大量短流复用到并发TCP长连接上，中心站网关从并发TCP长连接上将客户端短流解复用。通过避免三次握手开销和加大的发送窗口加速客户端流数据的数据，以一定的复用比对客户端短流进行复用，避免卫星链路过高的传播延时，从而提高数据传输的整体效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络环境下，通过浏览器访问本地部署的多个网站的网页加载时间示意图；

图3为在丢包为1％、不同RTT的卫星网络环境下，通过浏览器访问本地部署的多个网站的网页加载时间示意图；

图4为在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络环境下，通过浏览器访问国内访问量top5的门户网站的页面加载时间示意图；

图5为在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络环境下，通过浏览器访问国内访问量top5的门户网站的首字节到达时间示意图；

图6为在丢包为1％、不同RTT的卫星网络环境下，通过浏览器访问国内访问量top5的门户网站的页面加载时间示意图；

图7为在丢包为1％、不同RTT的卫星网络环境下，通过浏览器访问国内访问量top5的门户网站的首字节到达时间示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1，本发明所述的一种卫星网络中并发TCP连接复用方法的流程如下：

小站网关启动时会预先建立5条TCP长连接到中心站网关。

当客户端的建流请求到达小站网关后，小站网关根据最高速率优先的原则来选择一条到中心站的TCP长连接流，此后该客户端数据被封装会话后在此TCP长连接流上转发。

小站网关收到TCP长连接流上的数据后，解析数据并查找会话对应的客户端连接，然后将数据转发给该客户端连接。

中心站网关收到TCP长连接流上的数据后，解析数据并查找是否有会话对应的服务端连接，如果没有对应的服务端连接，则建立到对应服务器地址的连接，并发送数据；否则，直接在会话对应的服务器端连接上发送数据。

中心站网关收到服务端连接的数据后，将数据封装后在对应的TCP长连接流上转发。

图2是在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络条件下，客户端使用浏览器访问不同的本地部署网站的页面加载时间示意图。

从图中可以看出，丢包率为1％时，使用卫星网络中并发TCP连接复用方法最低可以缩短37％的页面加载时间，最高可以缩短55％的页面加载时间；增大丢包率后，较大的丢包率对使用网关和不使用网关的网页访问都产生了负面影响，导致页面加载时间波动变大，其中使用加速网关最低可以缩短36％的页面加载时间，最高可以缩短56％的页面加载时间。

图3是在丢包为1％、不同RTT的卫星条件下，客户端浏览器访问不同的本地部署网站的页面加载时间示意图。从图中可以看出，RTT为500ms时，使用加速网关最低可以缩短37％的页面加载时间，最高可以缩短55％的页面加载时间；增大RTT后，依然保持较高的加速比，最低缩短25％的页面加载时间，最高缩短49％的页面加载时间。

图4是在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络环境下，客户端使用浏览器访问不同的国内访问量top5的门户网站的页面加载时间示意图。从图中可以看出，随着丢包率的增大，整体的页面加载时间的波动也变大，总体加速效果明显。

图5是在RTT为500ms、不同丢包的卫星网络环境下，客户端使用浏览器访问不同的国内访问量top5的门户网站的首字节到达时间示意图，从图中可以看出，随着丢包率的增大，首字节达到时间均更加加速明显。

图6是在丢包为1％、不同RTT的卫星网络环境下，客户端使用浏览器访问不同的国内访问量top5的门户网站的页面加载时间示意图，从图中可以看出在不同的RTT条件下，页面加载时间均有明显的缩短。

图7是在丢包为1％、不同RTT的卫星网络环境下，可以看出随着RTT的增大，首字节的加速效果非常明显，这是因为采用本发明所述方法后，能有效地降低DNS解析和流传输的时间。

综上所述，本发明所述的方法能够很好的解决卫星网络通信中的高延迟和高误码率等问题，且该方法可靠性强，准确性高。

Claims (3)

1.一种卫星网络中并发TCP连接复用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，启动网关，判断当前网关类型；

如果当前网关与客户端连接，则当前网关类型是小站网关，并转入步骤二；

如果当前网关与服务器相连，则当前网关是中心站网关，并转入步骤八；

步骤二，配置小站网关；

小站网关配置TCP并发连接数为最大值后，将客户端会话向小站网关与中心站网关间TCP连接的小站映射表初始化为空，并转入步骤三；

步骤三，小站网关依据网络状态确定并发TCP的连接数n后，并建立n条TCP长连接到中心站网关，把每条TCP连接加入到并发TCP的连接池队列中，并转入步骤四；

步骤四，小站网关接收来自客户端发送的数据包并判断接收的数据包类型；

如果数据包是客户端连接的请求则转入步骤五；

如果数据包是客户端的数据则转入步骤六；

如果数据包是中心站网关的数据则转入步骤七；

步骤五，小站网关收到客户端的建立连接请求后，采用最高速率优先策略分配1条TCP长连接给该客户端连接，在小站映射表中添加该客户端连接与其对应TCP长连接的映射关系，并转入步骤四；

步骤六，小站网关收到并读取客户端的数据后，首先封装该客户端所对应的会话信息，在该客户端所对应的TCP长连接上发送数据，并转入步骤四；

步骤七：小站网关收到中心站网关的数据后，首先解析数据包中的会话信息，然后在小站映射表上查找该会话所对应的客户端，向该客户端连接上转发数据，并转入步骤四；

步骤八：配置中心站网关；

中心站网关配置TCP并发连接数为最大值基本系统参数后，将小站网关与中心站网关间TCP连接向服务端会话的中心站映射表初始化为空，并转入步骤九；

步骤九：如果中心站网关收到小站网关的新建TCP流请求，则把该新建TCP流加入到并发TCP连接池的队列中，并转入步骤十；如果中心站网关没有收到小站网关的新建TCP流请求，则继续等待，并重复步骤九；

步骤十：中心站网关收到数据包并判断接收的数据包类型；

如果数据包为小站网关的数据则转入步骤十一；

如果数据包为是服务器端的数据则转入步骤十四；

步骤十一：中心站网关收到小站网关的数据后，首先解析数据包中的会话信息，然后在中心站映射表中查找该会话所对应的服务器端，如果可以找到，则转入步骤十二，否则转入步骤十三；

步骤十二：在该会话所对应的服务端连接上转发步骤十一收到的数据，并转入步骤十；

步骤十三：创建中心站网关到目的服务器地址的连接和会话，并在中心站网关的映射表中添加会话与网关之间TCP长连接的映射关系，然后在服务端连接上发送数据，并转入步骤十；

步骤十四：中心站网关收到服务端的数据后，首先封装对应的会话信息，然后在该会话所映射的TCP长连接上发送数据，并转入步骤十。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中并发TCP的连接数n由以下公式确定：

$n=\frac{BW}{v}$

其中，BW为带宽，v为每条TCP连接的速率，p和RTT分别为小站网关在初始化时设定的丢包率和延迟。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤五中采用最高速率优先策略分配1条TCP长连接给该客户端连接的具体过程如下：

根据每条TCP长连接流实时的拥塞窗口CW和往返延时RTT，计算出CW/RTT作为每条TCP长连接流的传输速率；从中选择传输速率最大的TCP长连接流与该客户端连接建立映射。