CN107426102A - 基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法 - Google Patents

基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其考虑到路径质量的差异对整个网络传输性能的影响，首先发送探测数据包对决定路径质量的四个参数：时延、抖动、丢包率以及缓存占用比进行实时测量，测量之后的数据反馈给发送端，经过发送端缓存区中的TOPSIS方法对其进行处理，选择出最适合传输数据的路径组合，之后发送待传送数据包，当数据包到达接收端后，将选择出最小时延的路径发送反馈ACK到接收端。本设计充分发挥了动态决策路径的优势，提高网络吞吐量，实现了高效率的数据传输。

Description

基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法
技术领域
本发明涉及涉及互联网技术领域，具体涉及一种基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法。
背景技术
目前无线网络成指数增长，但无线网络稳定性差，如：网络带宽聚合小，网络路径随机丢包严重，网络路径切换不平滑等。如果采用传统单一的传输路径，在数据传输过程中进行区域切换时会需断开网络连接再重新建立，传输路径将不能适应环境随机实时变化，很难保障用户的正常通信。因此，一些网络新应用需要的数据需要在高效率的环境下进行传输，对于延时、抖动以及丢包率提出更高要求。
在异构网络中对数据传输的速率、安全可靠性等指标是需要重点考虑的问题，路径质量的差异比如时延、抖动、丢包率等对传输性能影响很大，且网络状态具有实时变化的特点，数据接收端必须等待发送端发送的数据包按顺序完全接收后，才能将消息向上一层应用层递交。因此，网络传输路径的质量检测，传输路径的选择，避免因数据乱序而导致的不必要的重传，拥塞控制窗口增长迟缓以及过多的确认包等问题需要解决。
由于在多路径并行传输中，每条传输路径在不同的传输条件下时延、丢包、抖动、缓存占用比方面都存在很大的差异，不恰当的算法会使得网络的传输性能下降，因此，在传输数据时，对每条路径质量进行动态地测量并动态选择，能达到提升传输效率的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的多路径并行传输静态选择路径的不足的问题，提供一种基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，包括如下步骤：
步骤S1.发送端将探测数据包发送到各条传输路径，探测数据包识别各条传输路径的目的IP地址和目的端口，并判断各条传输路径是否完好连接；
步骤S2.接收端利用上述探测数据包来测量各条传输路径的质量衡量参数，并将各条传输路径的质量衡量参数反馈给发送端；其中所测量的质量衡量参数包括传输路径的时延、时延抖动、丢包率和缓存占用比；
步骤S3.发送端记录所测量的质量衡量参数，并利用逼近理想排序法来周期性的选择当前最适合传输数据的传输路径作为当前活跃传输路径；
步骤S4.发送端识别当前活跃传输路径的IP地址以及传输端口号，并经由该当前活跃传输路径向接收端开始传输数据；
步骤S5.接收端从活跃传输路径集合中选择出时延最短的传输路径向发送端回传确认字符ACK。
上述步骤S3的具体方法为：
步骤S31.将路径质量的4个性能指标，即时延、抖动、丢包率以及缓存占用比作为路径的4个属性，将其划分为一一对应的属性集；将发送端到接收端并行传输的所有待质量评估的传输路径确定为方法集；
步骤S32.将某条传输路径下的某个属性值的集合确定为决策矩阵，并将实际网络传输情况下的时延、抖动、丢包率以及缓存占用比在路径传输中影响路径质量所占的比重值确定为属性权值向量；
步骤S33.根据上述确定的属性集、方法集、决策矩阵和属性权值向量，得出传输性能最好、吞吐量最高的路径作为活跃状态的理想传输路径即理想解；
步骤S34.分别计算待质量评估的传输路径的路径质量与理想解的距离，并得出与理想解的接近程度；
步骤S35.根据路径质量与理想解距离的接近程度，对待质量评估的传输路径进行排序，并将与理想解最解决的路径最接近即质量最优的那条待质量评估的传输路径作为当前活跃传输路径。
上述步骤S32中，时延、抖动、丢包率以及缓存占用比这4者的比重相加总和为1。
上述步骤S35还进一步包括如下步骤：将根据网络实时的变动情况，动态地舍弃与理想解最解决的路径最远即质量最差的那条待质量评估的传输路径。
上述步骤S1中，判断传输路径是否完好的具体方法为：如果传输路径的SYN＝1，则表明该传输路径已成功连接，否则，表明该传输路径没有成功连接。
上述步骤S2中，传输路径的时延的测量方法具体为：将探测数据包两次通过测量模块；当探测数据包输入测量模块时，测量模块的输入通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上打上输入时间戳，而测量模块的输出通道输入关门信号，闸门关闭；当探测数据包输出测量模块时，测量模块的输入通道输入关门信号，关闭闸门，而测量模块的输出通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上再一次打上输出时间戳；探测数据包的输入时间戳和输出时间戳差值即为传输路径的时延。
上述步骤S2中，传输路径的时延抖动的测量方法具体为：将探测数据包两次通过测量模块；当探测数据包输入测量模块时，测量模块的输入通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上打上输入时间戳，而测量模块的输出通道输入关门信号，闸门关闭；当探测数据包输出测量模块时，测量模块的输入通道输入关门信号，关闭闸门，而测量模块的输出通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上再一次打上输出时间戳；取探测数据包的输入时间戳和输出时间戳差值的方差，即为传输路径的时延抖动。
上述步骤S2中，传输路径的丢包率的测量方法具体为：探测数据包识别由传输路径构成的网络节点的源IP地址和接受端口号，并主动向临近的网络节点发送一定数量的探测数据包，然后经传输路径传输后在网络节点的输出端口接收探测数据包，由此计算丢失的数据包的百分比。
上述步骤S2中，传输路径的缓存占用比的测量方法具体为：将每条传输路径都分配一个相同大小的接收缓存区BUF，并在发送端设置时钟来按照相同的比例采样探测数据包，然后放入到发送端BUF中，判断路径上的缓存占用比例。
本发明考虑到路径质量的差异对整个网络传输性能的影响，首先发送探测数据包对决定路径质量的四个参数：时延、抖动、丢包率以及缓存占用比进行实时测量，测量之后的数据反馈给发送端，经过发送端缓存区中的TOPSIS方法对其进行处理，选择出最适合传输数据的路径组合，之后发送待传送数据包，当数据包到达接收端后，将选择出最小时延的路径发送反馈ACK到接收端。本设计充分发挥了动态决策路径的优势，提高网络吞吐量，实现了高效率的数据传输。
与现有技术相比，本发明可以利用路径质量来进行多路径并行传输中路径的动态决策，且该决策方法能适应实时网络变化，在保证有序传输的前提下，实现高效率的数据传输目的。
附图说明
图1是本发明优选实施例的路径动态决策方法总体框架示意图；
图2是本发明优选实施例的路径动态决策方法流程图；
图3是本发明优选实施例的TOPSIS方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。
本发明具体设计是：首先发送探测数据包来确定发送端与接收端的多路径是否成功建立连接，如果SYN＝1，则连接成功；反之，则没有，并通过探测数据包对影响传输路径质量的参数进行实时测量，包括时延、抖动、丢包率以及缓存占用比。之后利用实时测得的四个参数通过TOPSIS的方法对路径质量进行分析，根据其与理想解和负理想解的距离进行质量评估并进行优劣的排序，随时进行调整，实时舍弃质量最差的传输路径。最后在选择出来的路径集合中传输数据，并利用时延最小的路径发送反馈ACK到发送端，来提升网络传输效率。上述设计充分发挥了动态决策路径的优势，提高网络吞吐量，实现了高效率的数据传输。
基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，如图1与图2，其中图1是本发明的总体框架示意图，图2是本发明的整体流程图，包括如下步骤：
S1.发送周期性的探测数据包，探测数据包识别各路径的目的IP地址和目的端口，并将探测数据包发送到各条传输路径，利用探测数据包来判断多条路径是否完好连接，如果每条路径SYN＝1，则路径已连接。否则，路径中有一条或多条没有成功连接。
S2.参数测量，利用主动测量的方法发送探测数据包来测量各个传输路径的质量衡量参数：时延、丢包率、抖动以及缓存占用比，并将测量信息递交到路径评估模块。
S21.测量传输路径的时延，也就是测量数据在传输路径上往返时延，即从发送端发送探测数据包开始，接收端接收到该探测数据包，接收端向发送端发送反馈ACK，发送端接收到ACK结束为止所用的时间。在数据包的头部标上时间戳，并在测量模块内有两个相互独立的输入输出通道，并设置脉冲触发器。当有数据包输入时，其输入通道输入开门信号，打开闸门，对数据打上时间戳，而输出通道输入关门信号，闸门关闭。反之，数据包输出时，输入通道输入关门信号，关闭闸门，输出通道输入开门信号，打开闸门，并对输出的数据包再一次打上时间戳，两次时间戳的差值为测量的往返时延。
S22.测量传输路径的时延抖动，发送10次探测数据包测量得到传输路径的传输时延，并计算平均值，数据传输时延与平均传输时延差值的平均值为抖动，即将S21测量出的时延取其方差值。
S23.测量传输路径的丢包率，多路径并行传输中探测数据包识别由传输路径构成的网络节点的源IP地址和接收端口号，并主动向临近的节点发送一定数量的探测数据包，然后经路径传输后在节点的输出端口接收探测数据包，计算丢失的数据包的百分比。当检测到有一个包丢失时，实际上可能有多个数据包丢失，所以路径的丢包率需动态进行更新，超时重传比快速重传对路径吞吐量的负面影响更大些，故引入乘数因子λ，为放大超时重传的比例。
S24.测量传输路径的缓存占用比，为了更好地计算每条路径所占用的缓存，将每条传输路径都分配一个相同大小的接收缓存区BUF，并在数据发送端设置clk＝100ms的下降沿变化时钟，按照相同的比例采样探测数据包，然后放入到发送端BUF中，判断路径上的缓存占用比例。
需要指出的是：S21与后续S22、S23以及S24为并发执行，无先后顺序。
S3.传输路径动态选择，记录所测量的路径质量衡量参数，并且利用逼近理想排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)来周期性的选择当前最适合传输数据的路径，如图3所示，即：
S31.划分方法集和属性集，将路径质量的四个指标，时延、抖动、丢包率以及缓存占用比为路径的四个属性，将其划分为一一对应的属性集，将端到端并行传输的待质量评估的路径判定为方法集。
S32.确定决策矩阵和属性权值向量，将某个路径下的某个属性值的集合确定为决策矩阵，并将实际网络传输情况的时延、抖动、丢包率以及缓存占用比在路径传输中影响路径质量所占的比重值确定为属性权值向量，并满足其相加总和为1。
S33.根据上述确定的集合、矩阵和向量，得出传输性能最好、吞吐量最高的路径为活跃状态的理想传输路径和传输性能最差、吞吐量最低的路径为非活跃状态的负理想传输路径。
S34.分别计算路径传输质量与理想解的距离和与负理想解的距离，并得出与理想解的接近程度。步骤S34中的延时、抖动、丢包率以及缓存占用比属于成本型属性，属性值越大越接近负理想解的值。
S35.将得到的结果由大到小进行优劣次序也就是路径质量优劣的排列，同时根据网络实时的变动情况，动态地舍弃传输质量最差的路径。
需要指出的是：S31与S32并发执行，无先后顺序。
S4.识别路径传输质量较好的路径集合的IP地址以及传输端口号开始传输数据。
S5.从活跃路径集合中选择出传输时延最短的路径来进行传输接收端发送的ACK到发送端。
需要指出的是：S4与S5并发执行，无先后顺序，为描述方便记为S4与S5。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应该视为属于本发明的权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤S1.发送端将探测数据包发送到各条传输路径，探测数据包识别各条传输路径的目的IP地址和目的端口，并判断各条传输路径是否完好连接；
步骤S2.接收端利用上述探测数据包来测量各条传输路径的质量衡量参数，并将各条传输路径的质量衡量参数反馈给发送端；其中所测量的质量衡量参数包括传输路径的时延、时延抖动、丢包率和缓存占用比；
步骤S3.发送端记录所测量的质量衡量参数，并利用逼近理想排序法来周期性的选择当前最适合传输数据的传输路径作为当前活跃传输路径；
步骤S4.发送端识别当前活跃传输路径的IP地址以及传输端口号，并经由该当前活跃传输路径向接收端开始传输数据；
步骤S5.接收端从活跃传输路径集合中选择出时延最短的传输路径向发送端回传确认字符ACK。
2.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S3的具体方法为：
步骤S31.将路径质量的4个性能指标，即时延、抖动、丢包率以及缓存占用比作为路径的4个属性，将其划分为一一对应的属性集；将发送端到接收端并行传输的所有待质量评估的传输路径确定为方法集；
步骤S32.将某条传输路径下的某个属性值的集合确定为决策矩阵，并将实际网络传输情况下的时延、抖动、丢包率以及缓存占用比在路径传输中影响路径质量所占的比重值确定为属性权值向量；
步骤S33.根据上述确定的属性集、方法集、决策矩阵和属性权值向量，得出传输性能最好、吞吐量最高的路径作为活跃状态的理想传输路径即理想解；
步骤S34.分别计算待质量评估的传输路径的路径质量与理想解的距离，并得出与理想解的接近程度；
步骤S35.根据路径质量与理想解距离的接近程度，对待质量评估的传输路径进行排序，并将与理想解最解决的路径最接近即质量最优的那条待质量评估的传输路径作为当前活跃传输路径。
3.根据权利要求2所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S32中，时延、抖动、丢包率以及缓存占用比这4者的比重相加总和为1。
4.根据权利要求2所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S35还进一步包括如下步骤：将根据网络实时的变动情况，动态地舍弃与理想解最解决的路径最远即质量最差的那条待质量评估的传输路径。
5.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S1中，判断传输路径是否完好的具体方法为：如果传输路径的SYN＝1，则表明该传输路径已成功连接，否则，表明该传输路径没有成功连接。
6.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S2中，传输路径的时延的测量方法具体为：将探测数据包两次通过测量模块；当探测数据包输入测量模块时，测量模块的输入通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上打上输入时间戳，而测量模块的输出通道输入关门信号，闸门关闭；当探测数据包输出测量模块时，测量模块的输入通道输入关门信号，关闭闸门，而测量模块的输出通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上再一次打上输出时间戳；探测数据包的输入时间戳和输出时间戳差值即为传输路径的时延。
7.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S2中，传输路径的时延抖动的测量方法具体为：将探测数据包两次通过测量模块；当探测数据包输入测量模块时，测量模块的输入通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上打上输入时间戳，而测量模块的输出通道输入关门信号，闸门关闭；当探测数据包输出测量模块时，测量模块的输入通道输入关门信号，关闭闸门，而测量模块的输出通道输入开门信号，打开闸门，并在探测数据包上再一次打上输出时间戳；取探测数据包的输入时间戳和输出时间戳差值的方差，即为传输路径的时延抖动。
8.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S2中，传输路径的丢包率的测量方法具体为：探测数据包识别由传输路径构成的网络节点的源IP地址和接受端口号，并主动向临近的网络节点发送一定数量的探测数据包，然后经传输路径传输后在网络节点的输出端口接收探测数据包，由此计算丢失的数据包的百分比。
9.根据权利要求1所述基于路径质量的多路径并行传输动态决策方法，其特征是，步骤S2中，传输路径的缓存占用比的测量方法具体为：将每条传输路径都分配一个相同大小的接收缓存区BUF，并在发送端设置时钟来按照相同的比例采样探测数据包，然后放入到发送端BUF中，判断路径上的缓存占用比例。
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