CN108494699B - 一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，测量各个中间节点的网络状态以及发送端的网络状态；根据网络状态，分别判定发送端和中间节点是否发生拥塞；若发送端和中间节点发生了拥塞，则获取拥塞通告；依据拥塞判定结果和拥塞通告，分别对发送端和中间节点进行拥塞处理。本发明通过发送端和网络中心控制节点掌握网络拥塞状况，通过调整数据包发送速率避免拥塞，不依赖于拥塞窗口。

Description

一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及私人或者公共网络的拥塞控制技术领域，具体涉及一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法。

背景技术

当前，网络的拥塞控制方法大多数是基于端到端的拥塞控制机制，包括TCP(Transmission Control Protocol)及其变种。在端到端的拥塞控制机制中，网络拥塞是否发生是通过拥塞控制信号(即拥塞确认数据包)来判定的，发送节点根据拥塞信号动态地调整拥塞窗口来控制数据包的发送。这种机制具有以下缺点，一方面发送速率具有慢启动的特点，影响数据速率。另外一方面，非拥塞事件也会引发拥塞控制信号，导致发送端对网络的拥塞状况产生误判，降低数据速率。因此，如何克服端到端拥塞控制机制存在问题，提升传输效率，是目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，通过发送端和网络中心控制节点掌握网络拥塞状况，通过调整数据包发送速率避免拥塞。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，该方法包括以下步骤：

测量各个中间节点的网络状态以及发送端的网络状态；

根据网络状态，分别判定发送端和中间节点是否发生拥塞；

若发送端和中间节点发生了拥塞，则获取拥塞通告；

依据拥塞判定结果和拥塞通告，分别对发送端和中间节点进行拥塞处理。

进一步的，所述中间节点的网络状态包括链路利用率和中间节点的缓存占用率。

进一步的，所述发送端的网络状态包括发送端传输层的下层缓存队列长度。

进一步的，所述判定发送端是否发生拥塞的步骤包括：

若发送端传输层的下层缓存队列长度小于设定阈值，则发送端没有发生拥塞，否则发送端发生了拥塞。

进一步的，所述判定中间节点是否发生拥塞的步骤包括：

若中间节点的缓存中数据包的数量超过了设定阈值，则中间节点发生了拥塞；或者，若中间节点的数据链路的速率超过了设定阈值，则中间节点发生了拥塞。

进一步的，若中间节点发生了拥塞，比较数据流i的数据包缓存率与中间节点的数据流个数的倒数的大小，若数据流i的数据包缓存率大于或等于中间节点的数据流个数的倒数，则中间节点是由数据流i引起的拥塞。

进一步的，当发送端发生拥塞，即传输层检测到下层缓存队列长度超过设定阈值时，则发送端传输层获得拥塞通告，不再向下层发送数据包。

进一步的，当中间节点发生拥塞，向中心控制节点发生拥塞通告，获取拥塞数据流信息，并通告拥塞数据流的第一跳中间节点，第一跳中间节点发送拥塞通告至发送端。

进一步的，所述对发送端进行拥塞处理的步骤包括：

当收到来自应用层的数据包或者来自第一跳中间节点拥塞通告定时器超时时，检查下层队列长度Q_L，如果下层队列长度Q_L小于设定阈值，则向下层发送数据包；否则，启动定时器，在定时器超时后再次检查下层队列长度Q_L，直到下层队列长度Q_L小于设定阈值。

进一步的，所述对中间节点进行拥塞处理的步骤包括：

当收到来自中间节点的拥塞通告，中心控制节点检查该拥塞通告，标记拥塞数据流并启动拥塞通告定时器，并持续监听中间节点的拥塞解除信息，如果收到拥塞解除信息，则通告拥塞数据流的第一跳中间节点拥塞已经解除；否则直到拥塞通告定时器超时，通告第一跳中间节点拥塞解除。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法不依赖于拥塞窗口，由于中心控制节点掌握了诸如中间件的缓存使用情况或者队列发送速率等网络状态信息，拥塞窗口也是没有必要的，因此，采用本发明提出的方法可以取消拥塞窗口；

(2)本发明通过发送端和中心控制节点检测网络拥塞状况，而不是像传统的端到端拥塞控制机制那样通过拥塞确认数据包推测拥塞状况，因此具有拥塞状态判断准确，不存在发送端对网络的拥塞状况产生误判的问题；

(3)本发明依据拥塞判据和拥塞通告，发送端和网络端通过调整数据包发送速率共同解决拥塞。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是具有中心控制节点的网络结构示意图。

图2是发送端本地拥塞判据示意图；

图3是发送端数据发送算法流程图；

图4是中间节点网络拥塞示意图；

图5是中间节点网络拥塞判据示意图；

图6是中心控制节点拥塞处理算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在发送速率具有慢启动的特点，影响数据速率，非拥塞事件也会引发拥塞控制信号，导致发送端对网络的拥塞状况产生误判，降低数据速率的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法和系统。该方法通过发送端和网络中心控制节点掌握网络拥塞状况，通过调整数据包发送速率避免拥塞。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种网络中心控制节点的网络拥塞控制方法，在现有网络中增加中心控制节点，监控中间节点的网络状态，各个数据流的第一跳中间节点接收来自中心控制节点的拥塞通告信息，并向发送端传递拥塞通告信息。这样，发送端准确实时的掌握网络拥塞状况，及时调整数据包的发送速率，有效避免和解除拥塞。该方法包括以下步骤：

步骤1：检测网络状态。

网络结构组成如图1所示。网络具有一个中心控制节点CCE(Central ControlEntity)，与网络各个中间节点MB(Middle Box)通过控制通道相互传递控制信息，控制信息包括诸如MB的缓存使用情况或者队列发送速率等网络状态信息。其中第一跳中间节点IMB(Ingress Middle Box)，通过确认数据包ACK(Acknowledgement)向发送端传递确认信息包括拥塞通告信息等。

从发送端到接收端的数据流经过中间节点传输，并被中心控制节点掌握数据流状态和网络单元状态等网络状态信息。所述中心控制节点是实际的物理装置，也可以是逻辑的控制单元。所述中心控制节点通过数据流所经过的网络单元，检测中间节点的网络状态信息，即检测中间节点缓存占用情况、队列发送速率等网络状态信息，其拥塞检测由发送端和中心控制节点共同完成，其中网络内部拥塞通过拥塞信息通告中心控制节点，并由发送端和网络共同完成拥塞控制。

在数据流所经过的中间节点所组成的网络中，通过中心控制节点检测中间节点的网络状态信息，中心控制节点与该网络范围内的中间节点互联，通过中心控制节点与中间节点之间的控制信号通道，中间节点可以向中心控制节点上报网络状态，包括链路利用率、中间节点的缓存、流量矩阵等。中心控制节点由此具有全局的网络状态，并可以向中间节点发送由其他中间节点检测到的网络状态通告，用于判定中间节点是否拥塞。

还通过发送端传输层获取下层缓存队列长度Q_L使用情况，用于判定发送端是否拥塞。

步骤2：拥塞判据。

在步骤1所述的具有中心控制节点的网络中，网络拥塞通过中间节点的缓存使用情况或者链路利用率判定。

所述步骤2的拥塞判据采用如下方式实现：

发送端拥塞判据，发送端传输层基于下层缓存队列长度(Q_L)占用情况判定是否发生拥塞，只要下层缓存队列长度Q_L小于设定阈值Q_threshold，则认为发送端没有发生拥塞，否则则认为发送端发生拥塞。

发送端发送数据包。发送端在发送数据包之前，会检查下层缓存使用情况，只有当缓存Q_L小于设定阈值才会向下层发送数据包。如图2所示。该阈值Q_threshold设定可以为总队列长度的90％，亦可以通过实际经验来设定。

中间节点拥塞判据，中间节点是否发生拥塞是通过测量缓存使用情况或者链路状态而判断的。一旦缓存中数据包的数量超过了门限值T_C，则认为中间节点发送了拥塞，或者数据链路的速率超过一定门限值，则也认为中间节点发送了拥塞，或者缓存使用情况和链路状态共同决定拥塞状态。为判定是哪个数据流引起的拥塞，中间节点采用公平度量机制来判定，例如，设通过中间节点的数据流个数为N，一旦数据流i的数据包缓存率满足

则中间节点认为数据流i引起拥塞。

步骤3：拥塞通告。

在所述的步骤2中拥塞状态一旦被检测到，需要上报中心控制节点以备采取拥塞控制策略。

发送端拥塞通告，当发送端的传输层检测到下层缓存占用率超过设定阈值，则发送端传输层获得拥塞信息，发送端传输层不再向下层发送数据包。

中间节点拥塞通告，一旦中间节点检测到拥塞，则通过与中心控制节点的控制信号传输通道通告中心控制节点。如果有多个数据流满足拥塞条件

则向中心节点上报最大值或者所有满足条件的都上报，这取决于实际的操作实现。中心控制节点收到拥塞通告，得知拥塞数据流信息，通告该拥塞数据流的第一跳中间节点，第一跳中间节点通过向发送端的反向链路，采用标记ACK数据包或者显示拥塞通知的方式通告发送端，并启动定时器，其时长设定为该数据流RTT时间的一半,亦可以通过实际经验来设定。

当网络发生拥塞时，如图4所示。拥塞的中间节点会上报拥塞通告到CCE，CCE然后通告拥塞数据流的IMB拥塞信息。中间节点是否拥塞是通过测量缓存使用情况或者链路状态，或者两者结合而判断的。图5所示的是用过测量缓存方法判定拥塞。一旦缓存中数据包的数量超过了门限值T_C，如总缓存长度的90％，亦可以通过实际经验来设定，就认为拥塞发生了。为判定是哪个数据流引起的拥塞，中间节点采用公平度量机制来判定，例如，设通过中间节点的数据流个数为N，一旦数据流i的数据包缓存率满足

则中间节点认为数据流i引起拥塞。根据实际的操作情况，有多个数据流满足所述的拥塞条件，则向中心节点上报最大值或者所有满足条件的都上报。

步骤4：拥塞控制。

依据步骤2的拥塞判据和步骤3的拥塞通告，发送端和网络端通过调整发送速率共同解决拥塞。

在发送端，当收到来自应用层的数据包或者来自第一跳中间节点拥塞通告定时器超时时，检查下层队列长度Q_L，如果Q_L小于设定阈值Q_threshold，则向下层发送数据包。否则，启动定时器，在该定时器超时后再次检查下层队列长度Q_L，直到Q_L小于阈值。

发送端数据发送算法流程图如图3所示，在发送端，当收到来自应用层的数据包或者来自第一跳中间节点拥塞通告定时器超时时，检查下层队列长度Q_L，如果Q_L小于预设阈值Q_threshold，则向下层发送数据包。否则，启动定时器，其时长设定为该数据流RTT(Round-Trip Time)时间的一半，亦可以通过实际经验来设定。在该定时器超时后再次检查下层队列长度Q_L，直到Q_L小于阈值。

在网络端，中心控制节点处理拥塞如图6所示，当收到来自中间节点的拥塞通告，中心控制节点检查该拥塞通告，标记拥塞数据流并启动拥塞通告定时器，并持续监听中间节点的拥塞解除信息，如果收到拥塞解除信息，则通告拥塞数据流的第一跳中间节点拥塞已经解除。否则直到拥塞通告定时器超时，通告第一跳中间节点拥塞解除。

IMB通告发送端的方式：第一跳中间节点IMB从中心控制节点接收到拥塞信息，通过向发送端的反向链路，采用标记ACK数据包或者显示拥塞通知的方式通告发送端，并启动定时器，其时长设定为该数据流RTT时间的一半，亦可以通过实际经验来设定。如果从中心控制节点收到拥塞解除的消息则提示所有中间节点该拥塞数据流的拥塞情况已解除。否则等待拥塞定时器超时。

本发明提出的具有网络中心控制节点的网络拥塞控制方法，通过发送端和网络中心控制节点掌握网络拥塞状况，通过调整数据包发送速率避免拥塞；针对拥塞判据，数据流的发送端根据底层缓存占用情况判定网络拥塞与否；中间节点根据本地数据包占用缓存情况判定拥塞是否拥塞；针对拥塞通告，中间节点并把拥塞信息通过控制信号通道上报到中心控制节点，一旦收到拥塞报告，中心节点通告拥塞数据流的第一跳中间节点，第一跳中间节点发送拥塞通告信息通知发送端；针对拥塞控制，若发送端拥塞，则停止向下层发送时数据直到底层缓存占用低于门限值，若发送端收到来自中心控制节点和第一跳中间节点的拥塞通告，则降低发送速率，直到拥塞通告解除。在此具有网络中心控制节点的网络中，拥塞控制机制可以不依赖于拥塞窗口。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，在现有网络中增加中心控制节点，监控中间节点的网络状态，拥塞数据流的第一跳中间节点向发送端传递拥塞通告信息；从发送端到接收端的数据流经过中间节点传输，并被中心控制节点掌握数据流状态；具体包括以下步骤：

测量各个中间节点的网络状态以及发送端的网络状态；

根据网络状态，分别判定发送端和中间节点是否发生拥塞；

若发送端或中间节点发生了拥塞，则获取拥塞通告；

依据拥塞判定结果和拥塞通告，分别对发送端和中间节点进行拥塞处理；当中间节点发生拥塞，中间节点向中心控制节点发送拥塞通告，中心控制节点获取拥塞数据流信息，并通告拥塞数据流的第一跳中间节点，第一跳中间节点发送拥塞通告至发送端；发送端准确实时的掌握网络拥塞状况，调整数据包的发送速率；当发送端发生拥塞，即传输层检测到下层缓存队列长度超过设定阈值时，则发送端传输层获得拥塞通告，不再向下层发送数据包；所述对发送端进行拥塞处理的步骤包括：

当收到来自应用层的数据包或者来自第一跳中间节点拥塞通告定时器超时时，检查下层缓存队列长度Q_L，如果下层缓存队列长度Q_L小于设定阈值，则向下层发送数据包；否则，启动定时器，在定时器超时后再次检查下层缓存队列长度Q_L，直到下层缓存队列长度Q_L小于设定阈值。

2.根据权利要求1所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，所述中间节点的网络状态包括链路利用率和中间节点的缓存占用率。

3.根据权利要求1所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，所述发送端的网络状态包括发送端传输层的下层缓存队列长度。

4.根据权利要求1所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，所述判定发送端是否发生拥塞的步骤包括：

若发送端传输层的下层缓存队列长度小于设定阈值，则发送端没有发生拥塞，否则发送端发生了拥塞。

5.根据权利要求1所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，所述判定中间节点是否发生拥塞的步骤包括：

若中间节点的缓存中数据包的数量超过了设定阈值，则中间节点发生了拥塞；或者，若中间节点的数据链路的速率超过了设定阈值，则中间节点发生了拥塞。

6.根据权利要求5所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，若中间节点发生了拥塞，比较数据流i的数据包缓存率与中间节点的数据流个数的倒数的大小，若数据流i的数据包缓存率大于或等于中间节点的数据流个数的倒数，则中间节点是由数据流i引起的拥塞。

7.根据权利要求1所述的具有中心控制节点的网络拥塞控制方法，其特征在于，所述对中间节点进行拥塞处理的步骤包括：

当收到来自中间节点的拥塞通告，中心控制节点检查该拥塞通告，标记拥塞数据流并启动拥塞通告定时器，并持续监听中间节点的拥塞解除信息，如果收到拥塞解除信息，则通告拥塞数据流的第一跳中间节点拥塞已经解除；否则直到拥塞通告定时器超时，通告第一跳中间节点拥塞解除。

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