CN107733811A - 一种动态调整编码强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态调整编码强度的方法，包括根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；根据有效吞吐率动态调整编码强度。使得MPTCP传输能对网络质量变化具备自适应能力，提高高数据传输的可靠性。

Description

一种动态调整编码强度的方法

技术领域

本发明涉及多路径传输控制协议(MPTCP，Multi-path Transmission ControlProtocol)的自适应网络编码技术领域，特别是指一种动态调整编码强度的方法。

背景技术

在现有的MPTCP协议中，路径质量的评估指标主要利用数据在该路径上的传输延迟，传输延迟是表征路径质量的直观指标之一，对于该指标的评测方法为测量路径的往返时间(RTT，Round-Trip Time)值。某路径上的RTT表示从发送端在该路径上发送数据包开始，到发送端在该路径上接收到来自接收端对该数据报的确认(接收端收到数据包后便立即发送确认)，总共经历的时延。RTT越小，表明路径传输质量越高，反之越差。

采用RTT评估路径质量，进而进行路径选择尽管测量方法相对简单，准确度相对较高，但也存在如下缺点：1)RTT测量时需要发送冗余数据包或启动实际数据传输，前者通过发送专用数据包测量RTT，会占用路径的带宽资源，后者等价于实际使用该路径进行数据传输，通过传输过程中发送的数据包测量RTT，如果路径质量较差，则会直接引发接收端数据缺失等问题；2)RTT测量涉及到数据包的发送过程，接收端的接收数据包和处理过程，接收端发送确认包过程，以及发送端接收确认包和处理过程，测量时间至少包含数据包的往返时间，因此，测量存在一定的时间延迟。路径质量越差，相应的测量延迟也就越长，这将降低MPTCP路径选择的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种提高数据传输的可靠性，同时使网络编码和数据传输适应网络动态变化情况的动态调整编码强度的方法。

基于上述目的本发明提供的一种动态调整编码强度的方法，包括：根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；根据有效吞吐率动态调整编码强度。

进一步的，所述马尔可夫模型包括状态集S和一步转移概率P，状态集S中的元素s_i表示为集合{CW₁,CW₂…CW_k}，CW_i表示第i条子流的拥塞窗口大小，P(s_t|s_t-1)代表无线移动设备在t-1时刻发送状态为s_t-1，而在t时刻发送状态转换为s_t的一步转移概率。

进一步的，所述平均拥塞窗口的大小的算法为：

其中，表示状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小，μ_j表示第j个状态所对应的平稳分布的概率。

进一步的，各子流的有效吞吐率的算法为：

其中，p_i为丢包率、MSS_i为最大传输报文段大小、为平均拥塞窗口大小，RTT_i为往返时延，为子流i上的平均有效吞吐率。

进一步的，所述根据有效吞吐率动态调整编码强度具体包括：

动态调整信源符号的数量值K和符号大小值T，使预测吞吐率满足下式，

G_i≤K_i*T_i≤θ_T*G_i，θ_T>1

G_i为预测吞吐率，θ_T为预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值。

进一步的，还包括：

判断是否遍历所有子流，预测到各子流的有效吞吐率，若遍历所有子流，则计算预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值；若没有遍历所有子流，则重新遍历所有子流，预测各子流的有效吞吐率。

从上面所述可以看出，本发明提供的动态调整编码强度的方法，包括根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；根据有效吞吐率动态调整编码强度。使得MPTCP传输能对网络质量变化具备自适应能力，提高高数据传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明动态调整编码强度的方法的一个实施例的流程图；

图2为本发明动态调整编码强度的方法的一个具体实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种动态调整编码强度的方法，包括：根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；根据有效吞吐率动态调整编码强度。

通过上述方法，使得MPTCP传输能对网络质量变化具备自适应能力，提高高数据传输的可靠性。

作为本发明的一个实施例，所述马尔可夫模型包括状态集S和一步转移概率P，状态集S中的元素s_i表示为集合{CW₁,CW₂…CW_k}，其中CW_i表示第i条子流的拥塞窗口大小，P(s_t|s_t-1)代表无线移动设备在t-1时刻发送状态为s_t-1，而在t时刻发送状态转换为s_t的一步转移概率。

进一步的，所述平均拥塞窗口的大小的算法为：

其中，表示状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小，μ_j表示第j个状态所对应的平稳分布的概率。

进一步的，各子流的有效吞吐率的算法为：

其中，p_i为丢包率、MSS_i为最大传输报文段大小、为平均拥塞窗口大小，RTT_i为往返时延，为子流i上的平均有效吞吐率。

进一步的，所述根据有效吞吐率动态调整编码强度具体包括：

动态调整信源符号的数量值K和符号大小值T，使预测吞吐率满足下式，

G_i≤K_i*T_i≤θ_T*G_i，θ_T>1

G_i为预测吞吐率，θ_T为预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值。

进一步的，还包括：

判断是否遍历所有子流，预测到各子流的有效吞吐率，若遍历所有子流，则计算预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值；若没有遍历所有子流，则重新遍历所有子流，预测各子流的有效吞吐率。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，为本发明动态调整编码强度的方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：

步骤101：根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；

步骤102：根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；

步骤103：根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；

步骤104：根据有效吞吐率动态调整编码强度。

通过上述方法，使得MPTCP传输能对网络质量变化具备自适应能力，提高高数据传输的可靠性。

如图2所示，为本发明动态调整编码强度的方法的一个具体实施例的流程图，包括以下步骤：

步骤201：根据各子流拥塞窗口建立Markov模型，在假设数据均匀调度到各子流的基础上，结合各子流丢包率，综合MPTCP各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型，该模型的状态集S定义为：对于利用k个网络接口的多径并行传输设备而言，在t时刻设备的发送状态s用k个元素的元组，k个元素分别记录k条传输子流的拥塞窗口大小。CW_i表示第i条子流的拥塞窗口大小，则t时刻设备的发送状态s_i表示为集合{CW₁,CW₂…CW_k}。该模型的一步转移概率定义为：P(s_t|s_t-1)代表无线移动设备在t-1时刻发送状态为s_t-1，而在t时刻发送状态转换为s_t的一步转移概率。由于发送状态是取决于所有子流的拥塞窗口大小的，而拥塞窗口大小又跟各子流的丢包率有关，因此P(s_t|s_t-1)间接受限于Δt间隔内各子流的丢包率。

步骤202：根据Markov模型得到各子流平均拥塞窗口大小。在上述二元组模型(S、P)的基础上，首先根据各子流丢包率推导出设备发送状态的转移概率矩阵P，P是一个(k*k)维的矩阵。据此计算出极限平稳分布，即在遵循P矩阵的概率转移规律下，所有子流最终稳定在相应拥塞窗口大小的概率分布。各子流的平稳拥塞窗口大小可以根据Markov模型的极限平稳分布得到，记极限平稳分布为特征向量μ，μ是一个具备k个元素的向量(μ₁,μ₂…μ_k)。特征向量μ满足的约束条件有三个：

μP＝μ………………………….(1)

μ₁+μ₂+…+μ_k-1+μ_k＝1….(2)

μ_i≥0,i∈{1,2…k}…………….(3)

本发明通过计算机编程推导平稳分布，显然转移概率矩阵P是个稀疏矩阵，因此编程求解μ的时间复杂度不高，具备求解的可行性。推导出平稳分布μ后再根据以下表达式求出每各子流的拥塞窗口大小：

其中，表示状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小，μ_j表示第j个状态所对应的平稳分布的概率。

步骤203：根据平均拥塞窗口和RTT，预测各子流有效吞吐率.根据丢包率p_i、最大传输报文段大小MSS_i、平均拥塞窗口大小和往返时延RTT_i，可得出子流i上的平均有效吞吐率为：

步骤204：判断是否遍历所有子流，预测所述子流的有效吞吐率，若是，则进入步骤205，若否，则返回步骤201。

步骤205：计算预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值。

步骤206：计算各子流的编码强度。

步骤207：判断各子流的编码强度是否小于预测到的各子流的有效吞吐率，若各子流的编码强度小于预测到的各子流的有效吞吐率，则进入步骤208，若各子流的编码强度大于预测到的各子流的有效吞吐率，则进入步骤209。

步骤208：增大编码强度。

步骤209：进一步判断各子流的编码强度是否大于预测到的各子流的有效吞吐率的临界值的倍数，若各子流的编码强度大于预测到的各子流的有效吞吐率的临界值的倍数，则进入步骤210，若各子流的编码强度小于预测到的各子流的有效吞吐率的临界值的倍数，则进入步骤211。

步骤210：减小编码强度。

步骤211：保持编码强度。

影响编码强度的两个参数分别为信源符号的数量K和符号大小T，这两个参数跟预测吞吐率G_i在理论上应满足以下关系：

G_i≤K_i*T_i≤θ_T*G_i，θ_T>1

当已有的乘积K_i*T_i小于预测吞吐率G_i时，可适当增加编码强度，使得K_i*T_i的值满足上式。要达到增加编码强度的目的，要么增加信源符号的数量K，要么增大符号大小T。但由于涉及到接收端对各子流的编码符号的重组，不能单一地增大某条子流的符号大小T，而应该统一增大所有子流的符号大小T，因此符号大小的调整仅适用于MPTCP中所有子流的预测吞吐率都有较大提升的情况。因此在某些子流的预测吞吐率提升时应增大K值。

当已有的乘积K_i*T_i大于θ_T*G_i时，意味着当前子流的吞吐率无法满足已有的编码强度，因此应该适当减小编码强度，使得K_i*T_i的值满足上式，从而使MPTCP传输进入拥塞避免阶段。

这里θ_T是预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值，超过这个临界值则将预测吞吐率最小子流的当前拥塞窗口适当减小，以针对即将出现的拥塞或丢包现象，称之为“伪拥塞避免”阶段。

临界值θ_T是根据接收缓冲大小,即接收端能容纳的最大数据包数量而定的。记接收端缓冲区大小为N_Buf，则有：

(G_max-G_min)+1<N_Buf<(G_max-G_min)+2

又由

联立两式得到：

可以求出θ_T大小，进而得到编码强度K_i*T_i应满足的约束关系。

本实施例的上述方法，根据聚合吞吐率预测模型动态调整编码强度，使得MPTCP传输能对网络质量变化具备自适应能力。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (6)

1.一种动态调整编码强度的方法，其特征在于，包括：

根据多路径传输控制协议各子流的拥塞窗口离散状态建立马尔可夫模型；

根据所述马尔可夫模型得到各子流的平均拥塞窗口的大小；

根据各子流的平均拥塞窗口的大小和测量路径的往返时间值预测各子流的有效吞吐率；

根据有效吞吐率动态调整编码强度。

2.根据权利要求1所述的动态调整编码强度的方法，其特征在于，所述马尔可夫模型包括状态集S和一步转移概率P，状态集S中的元素s_i表示为集合{CW₁,CW₂…CW_k}，CW_i表示第i条子流的拥塞窗口大小，P(s_t|s_t-1)代表无线移动设备在t-1时刻发送状态为s_t-1，而在t时刻发送状态转换为s_t的一步转移概率。

3.根据权利要求2所述的动态调整编码强度的方法，其特征在于，所述平均拥塞窗口的大小的算法为：

<mrow> <mover> <mrow> <msub> <mi>cw</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <msub> <mi>iI</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow>

其中，表示状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小，μ_j表示第j个状态所对应的平稳分布的概率。

4.根据权利要求3所述的动态调整编码强度的方法，其特征在于，各子流的有效吞吐率的算法为：

<mrow> <mover> <mrow> <msub> <mi>Goodput</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>MSS</mi> <mi>i</mi> </msub> <mover> <mrow> <msub> <mi>cw</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> <mrow> <msub> <mi>RTT</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，p_i为丢包率、MSS_i为最大传输报文段大小、为平均拥塞窗口大小，RTT_i为往返时延，为子流i上的平均有效吞吐率。

5.根据权利要求4所述的动态调整编码强度的方法，其特征在于，所述根据有效吞吐率动态调整编码强度具体包括：

动态调整信源符号的数量值K和符号大小值T，使预测吞吐率满足下式，

G_i≤K_i*T_i≤θ_T*G_i，θ_T>1

G_i为预测吞吐率，θ_T为预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值。

6.根据权利要求5所述的动态调整编码强度的方法，其特征在于，还包括：

判断是否遍历所有子流，预测到各子流的有效吞吐率，若遍历所有子流，则计算预测最大子流吞吐率和最小子流吞吐率差异的临界值；若没有遍历所有子流，则重新遍历所有子流，预测各子流的有效吞吐率。