CN113271256B - 一种信息年龄多路径传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种信息年龄多路径传输方法及系统，包括：根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。本发明通过提出的基于软件定义网络的多路径传输方法，由构建的四元组和两个传输阶段来评估数据新鲜状态，结合多路径传输系协议进行优化，以获得更加新鲜的数据信息年龄优化目标。

Description

一种信息年龄多路径传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信息年龄多路径传输方法及系统。
背景技术
随着实时网络应用的快速发展，越来越多的人开始重视信息的实效性，如股票行情、天气预报等应用更是如此。另外，一些物联网节点也需要尽快向远程目的地发送信息更新包，特别是在传感器网络、自主车辆通信系统、传输控制系统等场景，由于信息是不断更新的，传统传输领域时延的概念并不能很好地表达信息的新鲜度。
其中，信息年龄(Age of Information，AoI)作为一种新的数据新鲜度指标被提出，作为一种量化信息新鲜度的概念它表示数据包信息自产生至目的节点最后成功接收所花费的时间。而现有的AoI研究大多集中在M/M/1、M/M/n、PH/PH/1/1等排队模型上，这些研究将网络当作可被调度的用来分发资源的服务器网络。
另外，多路径传输控制协议(MPTCP)是一类很有前景的协议，它可以同时利用多条路径传输。这种优势可以聚合带宽、提高网络鲁棒性。到目前为止，MPTCP的性能指标是TCP友好性、对网络拥塞的相应和窗口波动，仅仅只是利用了其基本的传输特性。
而软件定义网络(SDN)利用其解耦特性(控制和转发相分离)和其网络管理的灵活性，已经应用于5G通信系统中。现有的关于SDN的传输模型的研究大多集中在分组级的数据处理上，没有考虑流级的数据处理。
发明内容
本发明提供一种信息年龄多路径传输方法及系统，用以解决现有技术中存在的缺陷，以实现通过修改MPTCP拥塞控制协议的方式，让数据包具有信息年龄友好的特性。
第一方面，本发明提供一种信息年龄多路径传输方法，包括：
根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；
基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；
由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
在一个实施例中，所述根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型，具体包括：
获取初始化子流包和添加新子流包；
基于所述初始化子流包和添加新子流包获取由连接更新包、数据更新包、单个子流队列长度和SDN控制器队列长度构建的四元组数据；
基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量。
在一个实施例中，所述基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量，具体包括：
在连接建立阶段，若所述初始化子流包或添加新子流包到达SDN交换机没有流表的传输服务系统时，获取第一转换变量，若所述传输服务系统服务于一个所述初始化子流包或添加新子流包时，获取第二转换变量，若在子流连接终止时，获取第三转换变量；
在数据传输阶段，若信息更新包到达所述传输服务系统时，获取第四转换变量，若所述传输服务系统服务于所述信息更新包时，获取第五转换变量。
在一个实施例中，所述基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法，具体包括：
初始化所述四元组数据、SYN包到达率、子流服务速率和SDN控制器服务率，进入连接建立阶段；
当任意初始化子流包或任意添加新子流包到达所述传输服务系统时，若判断所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包为第一个包，将所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包发送给SDN控制器，在流表中添加新的流条目，并根据所述SDN控制器的顺序建立子流，否则继续在子流入口转发数据包；
更新所述四元组数据，基于所述子流服务速率和所述SDN控制器服务率计算得到服务率，由到达率和所述服务率得到多路径传输系统利用率；
基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间。
在一个实施例中，所述基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间，具体包括：
由任意连接更新包的生成时刻以及被远程目的地接收时刻，得到所述连接更新包信息年龄，提取所述连接更新包等待时间和服务时间；
根据所述多路径传输系统利用率、所述连接更新包信息年龄和所述到达率的条件期望值得到所述平均连接更新时间；
分别获取所述等待时间和所述服务时间，并基于所述到达率的指数概率密度函数，得到持续更新的平均连接更新时间。
在一个实施例中，所述由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合，具体包括：
初始化所有子流、拥塞窗口和往返时间，进入数据传输阶段；
对每条子流进行根据流入口转发数据包的处理，分别计算子流级信息年龄、数据级信息年龄、年龄惩罚函数和传输调整系数；
基于所述流级信息年龄、所述数据级信息年龄、所述年龄惩罚函数和所述传输调整系数计算增加子流窗口值；
当信息年龄超过预设阈值且发生丢包时，减少所述子流窗口值；
调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合。
在一个实施例中，所述调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合，具体包括：
基于所述拥塞窗口和所述往返时间得到子流吞吐量，获取子流中每条链路的传输代价，每条链路的传输代价中包含的拥塞价格和年龄价格得到子流总价格；
由所述子流吞吐量、所述拥塞窗口和所述子流总价格构建单个子流的三维状态变量，基于所述三维状态变量得到结合信息年龄的MPTCP流模型；
基于所述结合信息年龄的MPTCP流模型获取包括提高吞吐量、TCP友好性、平衡拥塞和数据新鲜的所述网络调整目标集合。
第二方面，本发明还提供一种信息年龄多路径传输系统，包括：
第一处理模块，用于根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；
第二处理模块，用于基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；
第三处理模块，用于由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述信息年龄多路径传输方法的步骤。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述信息年龄多路径传输方法的步骤。
本发明提供的信息年龄多路径传输方法及系统，通过提出的基于软件定义网络的多路径传输方法，由构建的四元组和两个传输阶段来评估数据新鲜状态，结合多路径传输系协议进行优化，以获得更加新鲜的数据信息年龄优化目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的信息年龄多路径传输方法的流程示意图；
图2是本发明提供的SDN网络下建立过程示意图；
图3是本发明提供的基于信息新鲜度的多路径传输协议系统运行框架示意图；
图4是本发明提供的信息年龄多路径传输系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中的不足，本发明在SDN(Software Defined Network，软件定义网络)的基础上提出了一种新的基于信息新鲜度的多路径传输协议FAMT(Freshness-awareAge optimization solution for Multipath TCP，基于新鲜度的多路径TCP年龄优化方案)，这是一种新的基于SDN的传输体系结构的四元组模型，包含了连接建立阶段和数据传输阶段。在这两个阶段的基础上，FAMT了解多条路径的数据新鲜状态，并评估它们的信息年龄。此外，FAMT也是一种传统MPTCP(Multipath TCP，多路径TCP，即一种新型多路传输协议)与AoI结合而产生的流模型，能达到了四个网络调整目标。
图1是本发明提供的信息年龄多路径传输方法的流程示意图，如图1所示，包括：
S1，根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；
S2，基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；
S3，由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
具体地，本发明针对现有技术中没有将各技术进行有效整合，从全新的角度出发，将AoI引用于传输协议中，经过全新设计的传输协议能够提高全网络的信息度，并将数据新鲜度作为MPTCP的设计目标之一，定义了新的概念：“子流级”年龄、“数据级”年龄和年龄惩罚函数，还将软件定义网络与信息年龄友好的多路径传输协议进行结合，提出新的基于软件定义网络的多径传输系统，该系统由四元组状态和两个传输阶段组成；并设计基于流的MPTCP算法，从数据段新鲜度的角度考虑，加入了信息年龄这种度量。
图2展示了MPTCP初始化子流连接建立的过程。MPTCP源首先通过SDN交换机向MPTCP目的地发送包含MP_CAPBLE选项的SYN包。由于SYN+MP_CAPBLE包是初始化子流的第一个包，该包没有流记录，交换机必须通过消息中的包将该包转发给SDN控制器。控制器计算最优路由，相应地更新流量规则，并通过分组输出消息将该分组发回交换机。然后，交换机引用最新的流表来执行将该包转发到MPTCP目的地的操作。一旦MPTCP目的地接收到这个包，它将在SDN控制器的参与下返回SYN+ACK+MP_CAPBLE包。最后，当MPTCP信源接收到SYN+ACK+MP CAPBLE包时，发送一个ACK+MP_CAPBLE包到MPTCP目的地而不需要控制器。在SDN体系结构中，通过三次握手过程成功地建立了MPTCP初始连接。
添加新子流的过程与图2中的初始子流连接建立过程类似。区别在于SYN包包含MP_JOIN选项而不是MP_CAPBLE选项。以下步骤是基于三方握手的过程。在所有的子流连接建立后，数据包直接通过SDN交换机从MPTCP源发送到MPTCP目的地，而不需要请求SDN控制器。实际上，MPTCP子流可以表示为由一组SDN交换机组成的路径。此处为了便于说明，只使用一个SDN交换机来表示图2中的情况。
从MPTCP设计者的角度来看，所关注的性能指标是TCP友好性、响应性和窗口波动性。而对于用户来说，他们只是想要获得更高的体验质量，比如更高的吞吐量和更低的端到端延迟。然而在一些情况下过分地追求提升吞吐量和降低时延对于用户来说并不能达到预期中改善体验的效果。这是因为没有考虑到一个新的性能指标，称为信息年龄，它综合考虑了用户体验，以用户得到信息的新鲜程度作为新的优化目标，本发明通过在多路径传输协议的设计中加入AoI来填补这一空白。
本发明通过提出的基于软件定义网络的多路径传输方法，将信息年龄和多路径传输协议的特性进行有效结合，以获得更加新鲜的数据信息年龄优化目标。
基于上述实施例，该方法中步骤S1具体包括：
获取初始化子流包和添加新子流包；
基于所述初始化子流包和添加新子流包获取由连接更新包、数据更新包、单个子流队列长度和SDN控制器队列长度构建的四元组数据；
基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量。
其中，所述基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量，具体包括：
在连接建立阶段，若所述初始化子流包或添加新子流包到达SDN交换机没有流表的传输服务系统时，获取第一转换变量，若所述传输服务系统服务于一个所述初始化子流包或添加新子流包时，获取第二转换变量，若在子流连接终止时，获取第三转换变量；
在数据传输阶段，若信息更新包到达所述传输服务系统时，获取第四转换变量，若所述传输服务系统服务于所述信息更新包时，获取第五转换变量。
具体地，本发明考虑一个多径传输系统(MTS)，其中源产生信息更新包并通过m个路径发送到远程目的地。多径传输系统包括三个部分：信源(MPTCP发送方)、远程目的地(MPTCP接收机)和传输服务系统(多径有线/无线网络和SDN控制器)。研究了软件定义的网络环境下MPTCP的信息时代。信息更新包在时刻t1，t2，...，tn生成，在τ1，1，τ1，1，...，τ1，m时刻到达目的地，其中m定义的是数据包传输的路径。
在MPTCP连接中，MP_CAPBLE或MP_JOIN是跟随首先到达的包进入传输服务系统的，它需要SDN控制器来处理。而每个子流的其他数据包将不经过SDN控制器传送到远程目的地。MPTCP的信息更新包可以分为两类：连接更新包和数据更新包。然后我们将连接更新包定义为MPTCP1类型，数据更新包定义为MPTCP2类型。我们设计了一个全新的四元组(NMPTCP1，NMPTCP2，qsf，qc)来表示多径传输系统的现状。NMPTCP1，NMPTCP2，qsf，qc分别代表MPTCP1包数，MPTCP2包数，每个子流的队列长度，SDN控制器的队列长度。根据以上分析，整个传输过程可分为连接建立阶段和数据传输阶段。然后可以描述这两个阶段的状态转换：
对于连接建立阶段：
1、当MP_CAPBLE或MP-JOIN包到达交换机没有流表的传输服务系统时，发生第一转换。因此，应该将MP_CAPBLE或MP_JOIN包转发到SDN控制器，NMPTCP1，qsf，qc分别增加1，此时的转换率是MP_CAPBLE或MP-JOIN包的到达率与这些数据包重定向到SDN控制器概率的乘积；
2、当传输服务系统服务于一个MP_CAPBLE或MP_JOIN包时，发生第二转换。qsf和qc都降低了1，转化率为每条子流的服务率μsf和SDN控制器服务率μc的乘积；
3、第三转换发生在子流连接终止时，NMPTCP1降低1转化率为MPTCP连接终止率。
对于数据传输阶段：
1、当信息更新包(数据分组)到达传输服务系统时发生第四转换，NMPTCP2和qsf增加1，转化率是传输数据包的到达率和1减去这些数据包重定向到SDN控制器概率的乘积；
2、当传输系统服务于信息更新包(数据分组)时，发生第五转换，qsf降低1，转化率为每条子流的服务率。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S2具体包括：
初始化所述四元组数据、SYN包到达率、子流服务速率和SDN控制器服务率，进入连接建立阶段；
当任意初始化子流包或任意添加新子流包到达所述传输服务系统时，若判断所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包为第一个包，将所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包发送给SDN控制器，在流表中添加新的流条目，并根据所述SDN控制器的顺序建立子流，否则继续在子流入口转发数据包；
更新所述四元组数据，基于所述子流服务速率和所述SDN控制器服务率计算得到服务率，由到达率和所述服务率得到多路径传输系统利用率；
基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间。
其中，所述基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间，具体包括：
由任意连接更新包的生成时刻以及被远程目的地接收时刻，得到所述连接更新包信息年龄，提取所述连接更新包的等待时间和服务时间；
根据所述多路径传输系统利用率、所述连接更新包信息年龄和所述到达率的条件期望值得到所述平均连接更新时间；
分别获取所述等待时间和所述服务时间，并基于所述到达率的指数概率密度函数，得到持续更新的平均连接更新时间。
具体地，在上述实施例中系统模型的基础上，如下算法给出了在SDN体系结构下MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法：
Figure BDA0003008228000000101
Figure BDA0003008228000000111
在连接建立阶段，多径传输系统需要将连接更新包重定向到SDN控制器。虽然连接更新数据包来自不同的子流，但这些数据包将依次在SDN控制器的队列中被服务。总体年龄评估算法如上述算法1所示。为了简化分析，可以将多径传输系统建模为先到先得(FCFS)M/M/1系统，并将MP_CAPBLE或MP_JOIN包的到达率定义为λMP，而其服务率μMP被定义为μMP＝μsf×μc。换句话说，连接更新包根据速率λMP的泊松过程到达多径传输系统。连接更新包的到达时间间隔Yi是独立的、同分布的(i.i.d，independent identically distributed)和指数分布的，期望值E[YMP]＝1/λMP。在简化假设下，MP_CAPBLE或MP_JOIN包的传输时间(服务时间)服从1/μMP的指数分布。然后，多径传输系统(MTS)利用率可以表示为ρMP＝λMP/μMP。本发明将找到连接建立阶段的最佳利用率，以最小化平均年龄ΔMP。
连接更新包i在时刻ti生成，并在τi被远程目的地(完成服务)接收。在时刻τi，远程目的地的信息年龄Δ(τi)被更新为接收到的连接更新包的信息年龄Ti MP＝τi-ti。年龄Ti MP也可以计算为
Figure BDA0003008228000000121
其中Wi MP是等待时间，
Figure BDA0003008228000000122
是MP_CAPBLE或MP_JOIN分组i的服务时间(传输时间)，平均连接更新时间可以表示为：
Figure BDA0003008228000000123
得到等待时间的条件期望Wi MP，如下所示：
Figure BDA0003008228000000124
另外，服务时间
Figure BDA0003008228000000125
与Yi MP独立，可以得到：
Figure BDA0003008228000000126
根据前两式和Yi MP的指数概率密度函数(PDF)，可以得到：
Figure BDA0003008228000000127
基于这几个式子，可以获得持续更新的信息年龄表达式：
Figure BDA0003008228000000128
基于上述任一实施例，该方法中步骤S3具体包括：
初始化所有子流、拥塞窗口和往返时间，进入数据传输阶段；
对每条子流进行根据流入口转发数据包的处理，分别计算子流级信息年龄、数据级信息年龄、年龄惩罚函数和传输调整系数；
基于所述流级信息年龄、所述数据级信息年龄、所述年龄惩罚函数和所述传输调整系数计算增加子流窗口值；
当信息年龄超过预设阈值且发生丢包时，减少所述子流窗口值；
调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合。
在一个实施例中，所述调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合，具体包括：
基于所述拥塞窗口和所述往返时间得到子流吞吐量，获取子流中每条链路的传输代价，每条链路的传输代价中包含的拥塞价格和年龄价格得到子流总价格；
由所述子流吞吐量、所述拥塞窗口和所述子流总价格构建单个子流的三维状态变量，基于所述三维状态变量得到结合信息年龄的MPTCP流模型；
基于所述结合信息年龄的MPTCP流模型获取包括提高吞吐量、TCP友好性、平衡拥塞和数据新鲜的所述网络调整目标集合。
具体地，进一步地，本发明提出在SDN体系结构下年龄辅助的MPTCP流模型方案，具体算法如下所示：
Figure BDA0003008228000000131
Figure BDA0003008228000000141
其中，数据级是连接级别的，代表一次通信的所有子流之和；子流级是子流级别，只对应一条子流。
在数据传输阶段，由于多路径传输系统中存在的相应的流表条目，因此数据更新包不会被重定向到SDN控制器。所有的数据更新包通过m个子流从一个源传输到一个远端的目的地，m值等于NMPTCP1。当网络有多个路径(服务器队列)要传输(服务)时，信息年龄的计算方法变得相对复杂。因此，本发明利用多径传输系统(MTS)来进行更清晰的分析，框架结构如图3所示。
首先给出了一些符号和定义：
定义1、“子流级”的信息年龄：在多路径传输系统，“子流级”的信息年龄表示的是每一条互不相交子流的信息新鲜度。用向量A(t)＝[a1(t),a2(t),...,am(t)]来定义每个MPTCP子流的年龄。asf(t)被定义为asf(t)＝t-μsf(t)，其中μsf(t)是子流sf上一次到达的数据更新包的时间戳。当数据更新包发生丢包时，一旦后续数据包被成功传输，这些数据包会被视为过期的更新数据包。即使这些数据包将被重新传输，它们的丢包本身也不会对年龄造成影响。
定义2、“数据级”的信息年龄：与“子流级”的年龄不同，“数据级”的信息年龄是从整体传播的角度来描述新鲜度属性。所以“数据级”的信息年龄可以定义为
Figure BDA0003008228000000142
这个公式也反应了“数据级”和“子流级”之间的映射关系。
定义3、年龄惩罚函数：年龄惩罚函数的含义是对陈旧数据包的“不满”程度随着信息年龄的增长情况。我们将年龄惩罚函数定义为η(Δ)，它是非负的。只有当最新的数据包成功传输时，年龄惩罚函数才会以某种惩罚方式更新或减少。
结合信息年龄设计的一种新的基于流的MPTCP在这一部分中，首先结合信息年龄提出了一个新的MPTCP流体模型。然后分析了该模型的结构特性。此处将考虑与年龄相关的设计的影响，上述算法2详细介绍了MPTCP算法中年龄辅助流体模型的设计过程。
首先认为网络中有一组源设备有多个接口，表示为S＝{1,...,n,...,s}，而网络又是由一组容量为cl的链路组成的L＝{1,...,l}。从数据源生成更新数据包并通过多条子流发送到远端的目的地，一个MPTCP的子流包含一个链路的集合l，而所有子流的集合可以被表示为SF:＝{sf|sf∈s,s∈S}。定义子流链路的表示矩阵D＝[dsfl]∈{0,1}|SF|×|L|，如果l∈sf则dsfl＝1反之dsfl＝0。
对于每条子流sf∈SF来说，wsf和εsf分别表示拥塞窗口(cwnd)和往返时间(RTT)，然后将子流sf的吞吐量表示为xsf(t):＝wsf(t)/εsf。子流中每条链路的价格可以表示为pl(t)，它包含拥塞价格θl(t)和年龄价格al(t)，它们之间的关系可以表述为pl(t)＝θl(t)al(t)。让gsf(t)：＝∑l∈sfθl(t)×∑l∈sfal(t)表示该子流的总价格。
在本发明的模型中，对每个子流sf∈s使用三维状态(xsf(t),wsf(t),gsf(t))描述。对每个源s∈S，将三种状态定为xs(t):＝(xsf(t),sf∈s)，ws(t):＝(wsf(t),sf∈s)，gs(t):＝(gsf(t),sf∈s)。让yl(t):∑sf∈SFdsflxsf表示每条链路l的总流量，结合信息年龄的MPTCP流模型如下：
Figure BDA0003008228000000151
Figure BDA0003008228000000152
其中如果x≥0则
Figure BDA0003008228000000153
如果x小于0则表示max{0,r}。上面第一个式子模拟了发送速率如何适应拥塞价格和年龄价格的影响。第二个式子对每个环节的拥塞价格和信息年龄价格如何更新进行了建模。定义Ks(xs):＝(ksf(xs),sf∈s)和Υs(xs):＝(δsfφsf(xs),sf∈s)。Ks(xs)和Υs(xs)确定了动力学性质和平衡性质。在第一个式子里，引入了传输调整系数δsf＝ηsf(Δ)/η(Δ)，与
Figure BDA0003008228000000161
相互独立。将每个子流sf的年龄惩罚函数定义为ηsf(Δ)＝e0.2 Δ(t)-1，并且η(Δ)代表所有子流的年龄惩罚函数。第二个式子中
Figure BDA00030082280000001611
是确定AQM算法动态特性的正增益。这两个式子的平衡点(x,p)应满足以下等式：
Figure BDA0003008228000000162
Figure BDA0003008228000000163
然后得到：
Figure BDA0003008228000000164
Figure BDA0003008228000000165
如何设计函数φsf(xs)关系到传输效率。为了实现传输层的最佳传输速率，需要从以下角度自适应地调整传输率xs：
Figure BDA0003008228000000166
s.t.yl≤cl l∈L
其中Us(xs)∈R|s|→R是一个凹函数。上式的拉格朗日式如下：
Figure BDA0003008228000000167
其中p是对偶变量。则上式的对偶问题可表示为：
Figure BDA0003008228000000168
根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件表示最优xs需要满足：
Figure BDA0003008228000000169
和
Figure BDA00030082280000001610
与前式比较，可以得出结论：
Figure BDA0003008228000000171
其中sf∈s,xsf＞0，当且仅当Υs(xs)的雅可比对称存在时，Us(xs)连续可微，例如：
Figure BDA0003008228000000172
其中σ是数据新鲜度因子。
在原始MPTCP的协议rfc6353中，拥塞控制有三个设计目标。为了满足AoI的需求，本发明增加了一个新的设计目标，具体设计目标如下：
目标1：提高吞吐量：多路径流的吞吐量不应低于其最佳子路径上的单路径流的吞吐量；
目标2：TCP公平性：多路径流不应在具有单路径流的共享路径上占用更多带宽资源；
目标3：平衡拥塞：多路径流应该尽快将过多的流量从最拥挤的路径移动到其他路径；
目标4：数据新鲜：多路径流至少在信息的新鲜度方面比它所包含的子流表现得更好；
从现有MPTCP算法的模型可以得到
Figure BDA0003008228000000173
这里的m是子流数量。然后；将
Figure BDA0003008228000000174
定义为子流sf上单个TCP的吞吐量。为了满足目标4，可以得到以下等式：
Figure BDA0003008228000000175
另外，针对目标1和目标2，得到
Figure BDA0003008228000000176
和
Figure BDA0003008228000000177
因此，数据新鲜度因子的表达式如下：
Figure BDA0003008228000000181
为了满足目标3，cwnd的调整应适应网络状态的变化。接下来将讨论新的流体模型与MPTCP的“加法增大，惩罚减少”(AIMD)算法之间的关系。
Figure BDA0003008228000000182
定义Isf(ws)是接收到ACK时子流sf上cwnd的增量，Dsf(ws)表示当发生丢包事件且年龄达到阈值
Figure BDA0003008228000000183
一般情况下，Dsf(ws)＝wsf/2＝xsfεsf/2。子流sf上的cwnd的变化可以表示为
Figure BDA0003008228000000184
在不损失一般性的情况下，我们让
Figure BDA0003008228000000185
从而可以得出上述结论。
下面对本发明提供的信息年龄多路径传输系统进行描述，下文描述的信息年龄多路径传输系统与上文描述的信息年龄多路径传输方法可相互对应参照。
图4是本发明提供的信息年龄多路径传输系统的结构示意图，如图4所示，包括：第一处理模块41、第二处理模块42和第三处理模块43；其中：
第一处理模块41用于根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；第二处理模块42用于基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；第三处理模块43用于由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
本发明通过提出的基于软件定义网络的多路径传输方法，将信息年龄和多路径传输协议的特性进行有效结合，以获得更加新鲜的数据信息年龄优化目标。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(CommunicationsInterface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以信息年龄多路径传输方法，该方法包括：根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的信息年龄多路径传输方法，该方法包括：根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的信息年龄多路径传输方法，该方法包括：根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种信息年龄多路径传输方法，其特征在于，包括：
根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；
基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；
由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合；
所述根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型，具体包括：
获取初始化子流包和添加新子流包；
基于所述初始化子流包和添加新子流包获取由连接更新包、数据更新包、单个子流队列长度和SDN控制器队列长度构建的四元组数据；
基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量；
所述基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法，具体包括：
初始化所述四元组数据、SYN包到达率、子流服务速率和SDN控制器服务率，进入连接建立阶段；
当任意初始化子流包或任意添加新子流包到达传输服务系统时，若判断所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包为第一个包，将所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包发送给SDN控制器，在流表中添加新的流条目，并根据所述SDN控制器的顺序建立子流，否则继续在子流入口转发数据包；
更新所述四元组数据，基于所述子流服务速率和所述SDN控制器服务率计算得到服务率，由到达率和所述服务率得到多路径传输系统利用率；
基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间；
所述由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合，具体包括：
初始化所有子流、拥塞窗口和往返时间，进入数据传输阶段；
对每条子流进行根据流入口转发数据包的处理，分别计算子流级信息年龄、数据级信息年龄、年龄惩罚函数和传输调整系数；
基于所述流级信息年龄、所述数据级信息年龄、所述年龄惩罚函数和所述传输调整系数计算增加子流窗口值；
当信息年龄超过预设阈值且发生丢包时，减少所述子流窗口值；
调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合。
2.根据权利要求1所述的信息年龄多路径传输方法，其特征在于，所述基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量，具体包括：
在连接建立阶段，若所述初始化子流包或添加新子流包到达SDN交换机没有流表的传输服务系统时，获取第一转换变量，若所述传输服务系统服务于一个所述初始化子流包或添加新子流包时，获取第二转换变量，若在子流连接终止时，获取第三转换变量；
在数据传输阶段，若信息更新包到达所述传输服务系统时，获取第四转换变量，若所述传输服务系统服务于所述信息更新包时，获取第五转换变量。
3.根据权利要求1所述的信息年龄多路径传输方法，其特征在于，所述基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间，具体包括：
由任意连接更新包的生成时刻以及被远程目的地接收时刻，得到所述连接更新包信息年龄，提取所述连接更新包等待时间和服务时间；
根据所述多路径传输系统利用率、所述连接更新包信息年龄和所述到达率的条件期望值得到所述平均连接更新时间；
分别获取所述等待时间和所述服务时间，并基于所述到达率的指数概率密度函数，得到持续更新的平均连接更新时间。
4.根据权利要求1所述的信息年龄多路径传输方法，其特征在于，所述调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合，具体包括：
基于所述拥塞窗口和所述往返时间得到子流吞吐量，获取子流中每条链路的传输代价，每条链路的传输代价中包含的拥塞价格和年龄价格得到子流总价格；
由所述子流吞吐量、所述拥塞窗口和所述子流总价格构建单个子流的三维状态变量，基于所述三维状态变量得到结合信息年龄的MPTCP流模型；
基于所述结合信息年龄的MPTCP流模型获取包括提高吞吐量、TCP友好性、平衡拥塞和数据新鲜的所述网络调整目标集合。
5.一种信息年龄多路径传输系统，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于根据网络连接状态信息和网络传输状态信息建立基于SDN网络的多路径传输系统模型；
第二处理模块，用于基于所述多路径传输系统模型，获得MPTCP连接建立阶段的年龄评估算法；
第三处理模块，用于由所述年龄评估算法中的信息年龄辅助信息获得MPTCP流模型控制算法，得到网络调整目标集合；
所述第一处理模块具体用于：
获取初始化子流包和添加新子流包；
基于所述初始化子流包和添加新子流包获取由连接更新包、数据更新包、单个子流队列长度和SDN控制器队列长度构建的四元组数据；
基于所述四元组数据获取连接建立阶段状态转换变量和数据传输阶段转换变量；
所述第二处理模块具体用于：
初始化所述四元组数据、SYN包到达率、子流服务速率和SDN控制器服务率，进入连接建立阶段；
当任意初始化子流包或任意添加新子流包到达传输服务系统时，若判断所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包为第一个包，将所述任意初始化子流包或所述任意添加新子流包发送给SDN控制器，在流表中添加新的流条目，并根据所述SDN控制器的顺序建立子流，否则继续在子流入口转发数据包；
更新所述四元组数据，基于所述子流服务速率和所述SDN控制器服务率计算得到服务率，由到达率和所述服务率得到多路径传输系统利用率；
基于所述多路径传输系统利用率、所述到达率和连接更新包信息年龄获得平均连接更新时间；
所述第三处理模块具体用于：
初始化所有子流、拥塞窗口和往返时间，进入数据传输阶段；
对每条子流进行根据流入口转发数据包的处理，分别计算子流级信息年龄、数据级信息年龄、年龄惩罚函数和传输调整系数；
基于所述流级信息年龄、所述数据级信息年龄、所述年龄惩罚函数和所述传输调整系数计算增加子流窗口值；
当信息年龄超过预设阈值且发生丢包时，减少所述子流窗口值；
调整每条子流的传输速率，得到所述网络调整目标集合。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述信息年龄多路径传输方法的步骤。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述信息年龄多路径传输方法的步骤。
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