CN110971671B

CN110971671B - 一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法及系统

Info

Publication number: CN110971671B
Application number: CN201911113932.6A
Authority: CN
Inventors: 杨历
Original assignee: Yonyou Network Technology Co Ltd
Current assignee: Yonyou Network Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: CN110971671A

Abstract

本发明涉及一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法及系统，在不改变原客户端、原服务器的之间的通信协议的条件下，缩短互联网通信过程中，跨地理区域，跨洲际的远距离通信的时延。通过在链路中预先建立部分段落的连接，减少整体TCP连接建立延迟的手段，属于overlay network。由于TCP握手、TLS密钥交换并没有经过远距离通信，只有业务请求本身进行了远距离通信，显然减少了TCP握手，TLS密钥交换需要的时间，缩短了整个通信过程的延迟。

Description

一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法及系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体的说是一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法及使用该方法缩短远距离通信时网络连接延迟的系统。

背景技术

随着经济全球化和信息化时代的来临，跨国合作中通信交流延迟成为亟待解决的问题。当通信距离达到几千公里，甚至跨洲际的上万公里时，受到现有技术条件以及光速物理极限的影响，通信的延迟时间受到挑战。

比如说北京到纽约直线距离约1万公里，光速单程需要约33毫秒。当前互联网标准通信协议TCP协议，建立通信过程需要进行三次握手，算上通信本身的一次来回，则需要至少需要单程通信的4倍时间，即33ms×4，约120ms。这个120ms现有TCP协议在理论最优值。考虑到目前通信设备，以及海底光缆并非直线的影响，实际北京-纽约的通信延迟超过200ms。如果通信需要加密，按照目前最先进的TLS 1.3协议，还需要增加一个往返，即理论最优值高达190ms，实测数据普遍大于300ms。

目前现有技术中采取如下方案来解决该问题：

CDN(内容分发网络)：它可以缩短静态资源的访问延迟，但对于动态请求，比如类似QQ、微信、移动支付等这些实时通信应用，CDN技术对此无效。

TCP/HTTP KeepAlive：虽然能提高短期(一般是5分钟内)内第二次通信的效率，但对于第一次通信无效。而类似移动支付场景，手机发出支付指令后，在之后的几个小时并不会产生新的支付指令。

QUIC通信协议：这是Google研究的新一代通信协议。应用此协议需要修改原客户端软件与服务端软件。工作量较大。

公开号为US7933257B2的美国专利中，公开了一种TCP通讯延迟的解决办法，是在整个网络链路中，采用QoS tunnels的方式建立部分连接，可以减少通信延迟，且无需将服务器修改成为QUIC通信协议，主要是为了解决公司总部与公司分支机构两个网络之间的TCP slow start的慢启动问题。但是，该方案要求网络客户端设备、两个网络的边缘路由器及服务器都在同一个公司的控制之下；只能用于用户可控的网络环境内，比如公司总部与公司分支机构之间，无法使用在整个互联网场景。

公开号为US8489670B1的美国专利中提出一种TCP优化方案，是通过在链路中预先建立部分段落的连接，减少整体TCP连接建立延迟的手段，属于overlaynetwork(重叠网络)。但是该方案无法减少加密通信时，TLS过程中的密钥协商使用的一次通信往返。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，在不改变原客户端、原服务器的之间的通信协议的条件下，缩短互联网通信过程中，跨地理区域，跨洲际的远距离通信的时延。

本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，所述方法包括：

建立以边缘节点持久连接为基础的加速网络，服务器加速网络注册及客户端加速访问服务器。

在第一方面的一种可能的实施方式中，持久连接所采用的协议包含但不仅限于TCP、HTTP/2、WebSocket。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述边缘节点为在每一个子网内建立的一个具有独立IP地址的通信节点；所述加速网络为，由多个边缘节点组合而成建立在IP网络之上的重叠网络，其中，网关与边缘节点对称存在。

结合第一方面的上述实施方式，在第一方面的一种可能的实施方式中，每个边缘节点组合之间建立多条持久连接或一条具有多路复用能力的持久连接。

第二方面，本发明实施例提供一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，包括服务器加速网络注册方法，应用于服务器，所述服务器加速网络注册方法包括：

与最近的边缘节点T建立持久连接，连入已建立的加速网络中；

将注册信息通过边缘节点T向整个加速网络广播，使所有边缘节点获得注册信息；

向DNS服务器注册，将服务器域名注册为所有边缘节点的IP地址，并配置源地址解析。

在第二方面的一种可能的实施方式中，注册信息包括服务器最近的边缘节点T的信息以及服务器对应得域名证书和域名私钥。

第三方面，本发明实施例提供一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，包括客户端加速访问服务器的方法，应用于客户端，所述客户端加速访问服务器的方法包括：

向DNS服务器查询目标服务器IP地址，从DNS服务器获取与客户端最近的边缘节点C的IP地址；

向边缘节点C发起请求，与边缘节点C建立TCP连接；

通过边缘节点C利用第一方面实施例提供的加速网络向边缘节点T转发请求；

通过边缘节点T向服务器转发请求并接受响应；

接受服务器通过边缘节点T、边缘节点C转发的响应；

其中，边缘节点T和边缘节点C可以为同一个边缘节点。

在第三方面的一种可能的实施方式中，向边缘节点C发起请求还需要完成TLS密钥协商。

第四方面，本发明实施例提供一种用于缩短远距离通信时网络连接延迟的系统，包括：

基于若干个边缘节点持久连接的加速网络；

一个或多个服务器；

一个或多个客户端；

当所述一个或多个服务器被所述一个或多个客户端访问时，使用如第一方面所述的一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，该方法可以采用第二方面实施例中提供的服务器加速网络注册方法和第三方面实施例中提供的客户端加速访问服务器的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于TCP握手，TLS密钥交换并没有经过远距离通信，只有业务请求本身进行了远距离通信，显然减少了TCP握手，TLS密钥交换需要的时间，缩短了整个通信过程的延迟；

2、本发明可以缩短TLS通信过程中密钥协商需要的一次通信往返时延；

3、本发明中没有额外设计备份服务器，整体系统简单不冗余。

附图说明

图1是本发明实施例中三次握手协议建立TCP连接的流程示意图；

图2是本发明实施例的系统框架示意图；

图3是本发明实施例中未加密情况的通讯流程示意图；

图4是本发明实施例中加密通信的流程示意图。

附图标记如下：

1、服务器，2、持久连接，3、加速网络，4、客户端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了方便描述，本实施例中主要组件以英文代码代替，为了防止与附图标记冲突，部分不标注附图标记，易混淆处另做说明。

本实施例中涉及的专业术语及技术名词均采用现有技术中的通用名词，部分名词解释如下：

Client：客户端2，指可以通过某种方式实现人机互动的工具，通常是一部手机或者是个人电脑上的软件。

Target Server：服务端，即通信过程中的目标服务器1。在引入本实施例之前，Client与Target Server直接建立TCP通信。

TCP:Transmission Control Protocol传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义,使用三次握手协议建立连接，如图1所示。

三次握手协议：

第一次握手：起初两端都处于CLOSED关闭状态，Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq＝x，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN-SENT状态，等待Server确认；第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN＝1得知Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack＝x+1，随机产生一个值seq＝y，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN-RCVD状态，此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量；第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack＝y+1，并且此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client和Server就可以开始传输数据。

EDGE-Node：边缘节点。互联网由若干个子网构成，在每个子网内的每个节点通信延迟较低，而子网与子网之间通信延迟较高。在本实施例中，在每一个子网内建立一个具有独立IP地址的通信节点，此节点称为EDGE-Node，即边缘节点。比如华北联通节点、西北电信节点、日本电信、美国Amazon等等。

Overlay-Network：重叠网络，是一种运行在一个或多个已存在网络之上的网络，提供特定的附加功能；其将在一个或多个方面改变下层网络的性能/功能/特性。

加速网络3：由多个EDGE-Node组合成，建立在IP网络(分组交换网络)之上的Overlay-Network(重叠网络)。

持久连接2：本加速网络内使用的网络连接技术，包含但不仅限TCP，HTTP/2，WebSocket。该名词并不是本实施例的“创造”，只是对一种被本实施例使用的现有技术的利用的再命名。对于本实施例来说，建立持久连接，就是从现有技术中任选一种相对成熟稳定的连接方式。就本实施例的实际技术选型，选择的是相对成熟，穿透性好的WebSocket协议。

多路复用：指以同一传输媒质(线路)承载多路信号进行通信的方式。各路信号在送往传输媒质以前，需按一定的规则进行调制，以利于各路已调信号在媒质中传输，并不致混淆，从而在传到对方时使信号具有足够能量，且可用反调制的方法加以区分、恢复成原信号。

本实施例实际运行需要两个阶段。

1、准备注册阶段，即Target Server将自身注册到加速网络中；

2、客户端2访问目标服务器1的加速过程；

准备注册阶段：

Ra：在EDGE-Node与EDGE-Node之间建立持久连接2。如果持久连接数据具有多路复用功能(比如HTTP/2)，则每一个节点组合建立一条连接；如果采用的持久连接技术不具有多路复用能力，比如TCP，WebSocket这些协议，则每个节点组合建立多条连接。如图2所示，EDGE-Node-A、EDGE-Node-B、EDGE-Node-D、EDGE-Node-E之间相互连接形成加速网络。

Rb：找到与Target Server最近的EDGE-Node(下称EDEG-Node-T)之后，与之建立持久连接。根据连接是否支持多路复用技术，建立一条或多条链接。图2中Target Server A和Target Server B对应的EDEG-Node-T分别为EDEG-Node-B和EDEG-Node-E.

Rc：如果需要加密通信，则还需要将Target Server的域名证书与域名私钥提交给EDEG-Node-T。

Rd：EDEG-Node-T收到Rb，Rc两个步骤的Target Server信息后，将其向整个EDGE网络广播。所有EDGE-Node都能获得此Target Server的注册信息。注册信息包含EDEG-Node-T是哪个节点以及Rc这一步Target Server对应的域名证书和域名私钥。

Re：Target Server的所有者向DNS注册，将原本Target Server的域名注册为所有EDGE-Node的IP地址，并配置源地址解析。

客户端访问目标服务器的加速过程：

A：Client访问Target Server。首先，它会向DNS查询Target Server的IP地址，DNS服务器告知Client与Client最近的EDGE-Node(下称EDGE-Node-C)的IP地址。图2中ClientA和Client B对应的EDEG-Node-C分别为EDEG-Node-B和EDEG-Node-D.

B：Client向EDGE-Node-C发起请求。由于EDGE-Node此前已经进行了全球部署，在合理的部署密度下，可保证任意Client到达最近的EDGE-Node不超过10毫秒。

C：EDGE-Node-C与Client通过三次握手协议，建立TCP连接。如果是加密访问，还需要完成TLS密钥协商。

D：由于此前在准备阶段的Rd步骤，EDGE-Node-C已经获得EDEG-Node-T的注册信息；此前在准备阶段Ra步骤，Edge-Node-C与Edge-Node-T已经建立持久连接，可以从现有已经建立好的持久连接中随机选择一条，转发Client请求；如果Edge-Node-C恰好是Edge-Node-T，则无需转发。如图2中，当Client A需要访问Target Server A时，Edge-Node-C恰好是Edge-Node-T，均为Edge-Node-B,则无需转发；当Client A需要访问Target Server B时，则需要从Edge-Node-B向Edge-Node-D转发Client A请求。

E:由于此前在准备阶段Rb步骤，已经建立了Edge-Node-T与Target Server的连接。所以无需发起连接，可直接发送请求并接收响应。

F:Target Server响应通过Edge-Node-T，Edge-Node-C转发回Client。

本实施例是通过在链路中预先建立部分段落的连接，减少整体TCP连接建立延迟的手段，属于overlay network。由于TCP握手、TLS密钥交换并没有经过远距离通信，如图3、图4所示，只有业务请求本身进行了远距离通信,显然减少了TCP握手，TLS密钥交换需要的时间,缩短了整个通信过程的延迟。

本实施例中，要求EDGE与TARGET必须保持连接。连接协议包含但不限TCP。比如建立在IP之上的TLS，HTTP/2，WebSocket均可。只要是基于连接的协议，EDGE可获得当前连接状态即可。

本实施例中，不区分EDGE(节点)与GATEWAY(网关)，他们是对称存在的。

本实施例中，具有EDGE直达TARGET设计。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，其特征在于，包括服务器加速网络注册方法，应用于服务器，所述服务器加速网络注册方法包括：

与最近的边缘节点T建立持久连接，连入以边缘节点持久连接为基础的加速网络中；

向DNS服务器注册，将服务器域名注册为所有边缘节点的IP地址，并配置源地址解析；

其中，所述加速网络为，由多个边缘节点组合而成建立在IP网络之上的重叠网络，网关与边缘节点对称存在；

所述边缘节点为在每一个子网内建立的一个具有独立IP地址的通信节点；

持久连接所采用的协议包含但不仅限于TCP、HTTP/2、WebSocket；

注册信息包括服务器最近的边缘节点T的信息以及服务器对应的域名证书和域名私钥。

2.一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法，其特征在于，包括客户端加速访问服务器的方法，应用于客户端，所述客户端加速访问服务器的方法包括：

向边缘节点C发起请求，与边缘节点C建立TCP连接，其中，向边缘节点C发起请求还需要完成 TLS密钥协商；

通过边缘节点C利用以边缘节点持久连接为基础的加速网络向边缘节点T转发请求；

通过边缘节点T向服务器转发请求并接受响应；

接受服务器通过边缘节点T、边缘节点C转发的响应；

其中，边缘节点T和边缘节点C可以为同一个边缘节点；

所述加速网络为，由多个边缘节点组合而成建立在 IP 网络之上的重叠网络，网关与边缘节点对称存在；

所述边缘节点为在每一个子网内建立的一个具有独立 IP 地址的通信节点；

持久连接所采用的协议包含但不仅限于TCP、HTTP/2、WebSocket。

3.一种用于缩短远距离通信时网络连接延迟的系统，其特征在于，包括：

基于若干个边缘节点持久连接的加速网络；

一个或多个服务器；

一个或多个客户端；

当所述一个或多个服务器被所述一个或多个客户端访问时，使用如权利要求1-2中任一所述的一种缩短远距离通信时网络连接延迟的方法。