CN107302504A - 一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统，本发明所述方案通过添加接收时间戳选项，计算相对单程传输时延，并通过对样本数据的平滑处理获得平滑相对单程传输时延的同时，利用虚拟发送队列中的数据量与当前子路径发送速率计算排队时延，将相对单程传输时延与排队时延的加和可以计算出当前路径的相对到达时延，实现数据包到达预测；利用数据包的相对到达时延进行数据包调度，并在每条子路径的发送窗口之外建立虚拟发送队列，从而起到确保数据包最大程度上按序到达，提高传输效率的有益效果。

Description

一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统。

背景技术

近年来，随着在线高清视频、即时网络游戏等流媒体业务的快速发展，用户带宽需求的急剧增加，网络传输数据量爆炸式增长。传统的以TCP(Transmission ControlProtocol,传输控制协议)为代表的单子路径传输协议难以满足用户的传输需求，因此以MPTCP(MultiPath TCP,多路处传输控制协议)、SCTP(Stream Control TransmissionProtocol，流控制传输协议)为代表的多子路径传输协议应运而生。多子路径传输协议能够利用终端设备的多个网络接口，在用户与服务器间建立多端到端的子路径，并利用多子路径进行并行传输，从而大大提高用户的可用带宽。

然而，目前的多子路径传输协议还并不完善，特别是面向对实时性要求极高的流媒体业务时，仍然存在许多问题。其中一个重要的问题是子路径质量差异导致的数据包乱序问题。异构网络环境下，例如，一个移动用户在自己的智能手机上同时使用WIFI与4G端口建立多路连接，在线观看视频。4G子路径往往拥有较低的丢包率，但是传输时延往往较长。而WIFI子路径正好相反，拥有较高的丢包率，但传输时延相对较短。此时，如果采用传统轮询调度算法，依次向两路发送等量数据包，由于延迟与丢包的影响，顺序发送的数据包，会乱序到达接收方，造成接收方缓存堵塞，出现视频卡顿现象，严重影响用户的体验质量。目前多子路径传输协议默认的调度算法是最快子路径优先算法。该算法对轮询算法进行了改进，每次发送数据时选择可用子路径中往返时延(Round Trip Time,RTT)最小的，将其发送窗口填满为止，如果还有剩余数据，就选择RTT次小的，依次类推，直至所有数据发送完毕。

上述现有技术能够在一定程度上缓解数据包乱序的问题，然而当子子路径间时延差异较大时，效果并不好；此外，最快子路径优先算法选用往返时延作为数据包到达接收方快慢的预测标准，没有考虑累积确认、往返单程时延差异造成的误差，进一步降低了控制精度。

发明内容

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种多路传输调度方法，包括：

步骤1，获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

步骤2，基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。

进一步，所述步骤1进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延；获取各子路径的当前排队时延；

将所述各子路径的单程传输时延和当前排队时延加和，获得所述各子路径的相对到达时延。

进一步，所述步骤2中获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略的步骤进一步包括：

打破各子路径的发送窗口限制，为所述各子路径建立虚拟发送队列，用以存储所述各子路径发送窗口之外被分配到各子路径发送的数据包序号。

进一步，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳；

基于所述接收时间戳与原有传输协议中自带的发送时间戳，计算相对单程传输时延。

进一步，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳的步骤进一步包括：

为传输协议增加接收时间戳选项，接收方记录收到数据包的本地时间，存入接收时间戳内；

接收方将收到所述测试数据包的本地时间数据包通过确认字段反馈给所述发送方。

进一步，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取所述测试数据包多次通过各子路径的相对单程传输时延，对所述多次相对单程传输时延进行平滑处理。

进一步，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

将待发送数据包分配到各子路径中发送至接收方的时延最短的子路径。

进一步，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

如果所述时延最短的子路径的发送窗口有空闲，将所述待发送数据包放入所述发送窗口进行发送；

如果所述发送窗口没有空闲，所述待发送数据包放入所述延迟最短子路径的虚拟发送队列；

更新所述发送窗口或虚拟发送队列的大小。

进一步，所述步骤2后还包括：

任一条子路径收到确认字段时，检测当前子路径的虚拟发送队列是否有待发送数据包，如果有则发送所述待发送数据包，并将其移出所述虚拟发送队列，更新所述虚拟发送队列的长度。

根据本发明另一个实施例，提供一种多路传输调度系统，包括：

时延获取模块，用于获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

策略获取模块，用于基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。

本申请提出一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法及系统，本发明所述方案通过添加接收时间戳选项，计算相对单程传输时延，并通过对样本数据的平滑处理获得平滑相对单程传输时延的同时，利用虚拟发送队列中的数据量与当前子路径发送速率计算排队时延，将相对单程传输时延与排队时延的加和可以计算出当前路径的相对到达时延，实现数据包到达预测；利用数据包的相对到达时延进行数据包调度，并在每条子路径的发送窗口之外建立虚拟发送队列，从而起到确保数据包最大程度上按序到达，提高传输效率的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法的整体流程示意图；

图2根据本发明实施例一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法的中接收时间戳选项格式示意图；

图3根据本发明实施例一种基于虚拟发送队列的多路传输调度方法的中虚拟发送队列示意图；

图4为根据本发明实施例一种基于虚拟发送队列的多路传输调度系统的整体框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如背景技术部分内容所示，为了解决多路径传输过程中的数据包乱序问题，首先需要对多条子路径的状态进行评估，准确预测数据包通过不同路径发送时到达接收方的时间。而后，通过设计科学的调度方案，将数据包分配到不同的子路径，从而实现高效的数据调度，提高传输效率。

如图1，本发明一个具体实施例中，示出一种多路传输调度方法，包括：

步骤1，获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

步骤2，基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤1进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延；获取各子路径的当前排队时延；

将所述各子路径的单程传输时延和当前排队时延加和，获得所述各子路径的相对到达时延。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤2中获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略的步骤进一步包括：

打破各子路径的发送窗口限制，为所述各子路径建立虚拟发送队列，用以存储所述各子路径发送窗口之外被分配到各子路径发送的数据包序号。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳；

基于所述接收时间戳与原有传输协议中自带的发送时间戳，计算相对单程传输时延。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳的步骤进一步包括：

为传输协议增加接收时间戳选项，接收方记录收到数据包的本地时间，存入接收时间戳内；

接收方将收到所述测试数据包的本地时间数据包通过确认字段反馈给所述发送方。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取所述测试数据包多次通过各子路径的相对单程传输时延，对所述多次相对单程传输时延进行平滑处理。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

将待发送数据包分配到各子路径中发送至接收方的时延最短的子路径。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

如果所述时延最短的子路径的发送窗口有空闲，将所述待发送数据包放入所述发送窗口进行发送；

如果所述发送窗口没有空闲，所述待发送数据包放入所述延迟最短子路径的虚拟发送队列；

更新所述发送窗口或虚拟发送队列的大小。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度方法，所述步骤2后还包括：

任一条子路径收到确认字段时，检测当前子路径的虚拟发送队列是否有待发送数据包，如果有则发送所述待发送数据包，并将其移出所述虚拟发送队列，更新所述虚拟发送队列的长度。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种预测数据包到达时延的方法，通过接收时间戳选项计算单程到达时间，对数据包分配到不同子路径时到达接收方的时间进行预测。而后，以到达时间最短为依据，对数据包在子路径间进行分配调度。与传统调度方法不同，本发明并不受限于子路径发送窗口的限制，而是创新性构建虚拟发送队列，从而在路径质量差异较大的异构网络环境下更好的保证数据包顺序到达接收方，进而提高传输效率。到达时间从而在发送窗口之外构建虚拟队列。

以多路径传输控制协议(MPTCP)为例，可利用TCP头部的选项字段，增加接收时间戳选项。选项格式如图2所示，包括1个字节的选项头部与4个字节的时间戳内容。每当接收方收到一个数据包时，会记录此时的系统时间，并将其放入接收时间戳内，随该数据包的ACK字段反馈给发送方。

由于MPTCP本身是TCP协议的多路径扩展，因而，MPTCP的每条子路径也继承了标准TCP的时间戳选项。该选项记录了发送方发送该数据包时的系统时间，接收方收到该选项后，将其随该数据包的ACK字段反馈给发送方。因此，在添加了接收时间戳选项的多路径传输系统中，接收方每次收到ACK后，都能从中提取该数据包的发送时间(发送方发送该数据包时的方发送系统时间)与到达时间(接收方收到该数据包时的接收方系统时间)。由于，发送方与接收方的系统时间并不统一，所以，通过两者作差只能得到相对的传输时延。该时延虽然不能作为绝对时间直接使用，但是可以比较各条子路径的该参数，得到传输时延最小的路径。

设一个有n条子路径的多路连接S＝{1,…,n}。OWD_i ^k表示第i条子路第k次测量获得的单程传输时延。通过如下公式，子路径i维护平滑相对单程时延SOWD_i：

其中，α为平滑权重因子，反应新数据对平滑值的影响，此处可令α＝0.2。

为了预测数据包到达接收的时延，在获得了SOWD_i之后，还应计算当前子路径的排队时延QD_i：

其中，q_i表示子路径i当前虚拟发送队列中数据包的个数；SRTT_i表示子路径i的平滑往返时间；swnd_i表示子路径i的发送窗口大小，单位为数据包的个数。SRTT_i的获得方法与标准TCP相同：

其中，RTT_i ^k表示第i条子路第k次测量获得的往返传输时延；β为平滑权重因子，此处β＝0.125。

在获得了平滑相对单程传输时延与排队时延后，可以通过下式获得子路径i当前的相对到达时延AD_i：

AD_i＝SOWD_i+QD_i，

获得了相对到达时延AD_i之后，就可对数据包通过不同子路径发送时到达接收方的快慢进行比较。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种利用虚拟发送队列构造方法，方法流程包括：

设第i条子路径的发送窗口大小为swnd_i，表示发送方可以连续发送的数据量。MPTCP默认的调度算法，只利用发送窗口本身的大小，每次选择往返时延(RTT)最小的路径，填满其发送窗口即止。当路径间时延差异较大时，并不能很好的解决乱序问题。例如，MPTCP两条子路径的RTT分别为10ms与100ms。发送窗口大小都为2MTU(Maximum TransmissionUnit，最大传输单元)。如果按照MPTCP默认的调度算法，数据包1、2会被分配到子路径1，数据包3、4被分配到子路径2，然后等数据包1、2传输完毕后，再利用子路径1传送数据包5、6。通过计算可知，数据包3、4到达接收方的时间约为100÷2＝50ms。而数据包5、6到达接收方的时间约为10+10÷2＝15ms。数据包5、6先于数据包3、4到达接收方，出现了乱序。

因此，考虑到这种情况，为每条子路径设立虚拟发送队列，如图2所示，设子路径i的虚拟发送队列为Q_i，用来表示发送窗口之外预期分配到该路径的数据包，其长度为q_i。其中，发送窗口内的数据可以一次性发送，而发送窗口之外的数据需要排队等候，直到发送窗口空闲之后方可发送。

每次有数据包需要发送时，需要按照实施例一中提供的方法，计算其对应到每一条子路径的相对到达时延AD_i，而后将其分配到相对到达时延最短的路径上。如果该路径的发送窗口未满，则将其放入发送窗口中。如果该路径的发送窗口未满，则将其放入该子路径对应的虚拟队列中。完成上述操作后，需要更新虚拟队列长度及发送窗口大小。

每当某条子路径收到ACK时，检测当前子路径的虚拟发送队列是否有数据包需要发送，如果有则发送该数据包，并将其移出虚拟发送队列，并更新虚拟发送队列与发送窗口。

综合上述两个具体实施例，本发明提供一种基于虚拟发送队列的最快到达调度(FAS)方法，本实施例具体流程包括：

对于任意子路径i，定义一个三元组Π(SRTT_i,SOWD_i,swnd_i)描述子路径的状态信息。其中，SRTT表示该路径的平滑往返时间，其维护方法与标准TCP相同。S表示当前连接中所有子流的集合。基于该三元组，提出最快到达调度(FAS)算法如下：

算法1.FAS算法

输入：各子流状态信息Π(SRTT_i,SOWD_i,swnd_i),i∈S

输出：最快到达接收方的子路径序号

1:WHILE有数据包需要发送DO

2:FOR每一条子流i∈S

3:IF q_i＝0//虚拟发送队列为空，此时无需排队

4:T_i＝SOWD_i

5:ELSE//虚拟发送队列不为空，此时需要排队

6:

7:IF i为第一条子路径//初始化T_min与Select_Path

8:T_min＝T_i

9:Select_Path＝i

10:ELSE IF T_i<T_min

11:T_min＝T_i

12:Select_Path＝i

13:RETURN Select_Path

在该算法中，q_i与swnd_i的单位都为最大传输单元MTU。如果q_i<swnd_i，说明当前数据包只要被分配到该子路径就可以被立即发送，所以数据包到达接收方的时间等于SOWD_i。否则，需要计算在虚拟队列中等待的时间并加上SOWD_i才是预计到达时间。选择所有路径中预计到达时间最短的路径进行发送。

综上所述，本发明实施例通过添加接收时间戳选项计算单程到达时间，对数据包分配到不同子路径时到达接收方的时间进行预测。而后，以到达时间最短为依据，对数据包在子路径间进行分配调度。通过构建虚拟发送队列，避免子路径发送窗口的限制，在路径质量差异较大的异构网络环境下更好的保证数据包顺序到达接收方，提高传输效率。

如图2，在本发明又一个具体实施例中，展示出一种多路传输调度系统，包括：

时延获取模块A1，用于获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

策略获取模块A2，用于基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述时延获取模块还用于：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延；获取各子路径的当前排队时延；

将所述各子路径的单程传输时延和当前排队时延加和，获得所述各子路径的相对到达时延。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述策略获取模块还用于：

打破各子路径的发送窗口限制，为所述各子路径建立虚拟发送队列，用以存储所述各子路径发送窗口之外被分配到各子路径发送的数据包序号。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述时延获取模块还用于：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳；

基于所述接收时间戳与原有传输协议中自带的发送时间戳，计算相对单程传输时延。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述时延获取模块还用于：

为各子路径增加接收时间戳选项，接收方记录收到数据包的本地时间，存入接收时间戳内；

接收方将收到所述测试数据包的本地时间数据包通过确认字段反馈给所述发送方。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述时延获取模块还用于：

获取所述测试数据包多次通过各子路径的相对单程传输时延，对所述多次相对单程传输时延进行平滑处理。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述策略获取模块还用于：

将待发送数据包分配到各子路径中发送至接收方的时延最短的子路径。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，所述策略获取模块还用于：

如果所述时延最短的子路径的发送窗口有空闲，将所述待发送数据包放入所述发送窗口进行发送；

如果所述发送窗口没有空闲，所述待发送数据包放入所述延迟最短子路径的虚拟发送队列；

更新所述发送窗口或虚拟发送队列的大小。

在本发明上述任一具体实施例的基础上，提供一种多路传输调度系统，还包括确认发送模块，用于：

任一条子路径收到确认字段时，检测当前子路径的虚拟发送队列是否有待发送数据包，如果有则发送所述待发送数据包，并将其移出所述虚拟发送队列，更新所述虚拟发送队列的长度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多路传输调度方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

步骤2，基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延；获取各子路径的当前排队时延；

将所述各子路径的单程传输时延和当前排队时延加和，获得所述各子路径的相对到达到达时延。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略的步骤进一步包括：

打破各子路径的发送窗口限制，为所述各子路径建立虚拟发送队列，用以存储所述各子路径发送窗口之外被分配到各子路径发送的数据包序号。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳；

基于所述接收时间戳与原有传输协议中自带的发送时间戳，计算相对单程传输时延。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的接收时间戳的步骤进一步包括：

为传输协议增加接收时间戳选项，接收方记录收到数据包的本地时间，存入接收时间戳内；

接收方将收到所述测试数据包的本地时间数据包通过确认字段反馈给所述发送方。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1中获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的相对单程传输时延的步骤进一步包括：

获取所述测试数据包多次通过各子路径的相对单程传输时延，对所述多次相对单程传输时延进行平滑处理。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

将待发送数据包分配到各子路径中发送至接收方的时延最短的子路径。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中为所述各子路径建立虚拟发送队列的步骤进一步包括：

如果所述时延最短的子路径的发送窗口有空闲，将所述待发送数据包放入所述发送窗口进行发送；

如果所述发送窗口没有空闲，所述待发送数据包放入所述延迟最短子路径的虚拟发送队列；

更新所述发送窗口或虚拟发送队列的大小。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2后还包括：

任一条子路径收到确认字段时，检测当前子路径的虚拟发送队列是否有待发送数据包，如果有则发送所述待发送数据包，并将其移出所述虚拟发送队列，更新所述虚拟发送队列的长度。

10.一种多路传输调度系统，其特征在于，包括：

时延获取模块，用于获取测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延；

策略获取模块，用于基于所述测试数据包通过各子路径发送至接收方的时延，获得待发送数据包基于虚拟队列的多路传输策略。