CN114629847B - 基于可用带宽分配的耦合多流tcp拥塞控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于可用带宽分配的耦合多流TCP拥塞控制方法,用于解决现有技术中存在的无法区分拥塞丢包和误码丢包和无法满足业务对于时延的不同要求的技术问题,实现步骤为:定义IP网络;每个发送端确定瓶颈链路,同时发送数据包;每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组和背景流组;每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组的可用带宽;每条瓶颈链路的网络控制器计算共享瓶颈流的发送速率;最后共享瓶颈流的发送端调整拥塞窗口大小。本发明根据瓶颈点路由器缓冲区队列长度来判断拥塞状态,解决了现有技术无法区分拥塞丢包和误码丢包的问题;并通过为不同业务预设最低发送速率,满足了业务对时延的不同要求,实现了多样化的服务质量保证。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,涉及一种TCP拥塞控制方法,具体涉及一种基于可用带宽分配的耦合多流TCP拥塞控制方法。
背景技术
传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,为各主机之间提供可靠有序的传输服务。一般情况下,如果传输实体以过快的速度发送过多的数据包,则会使网络不堪重负而变得拥塞,继而导致数据包被延迟和丢失,造成网络性能严重下降,因此拥塞控制是保证网络传输性能的必要方法。TCP协议通过调整拥塞窗口大小的方式来控制传输速率,从而避免网络拥塞。这里,拥塞窗口大小为任何时刻发送端可以向网络发送的字节数,而拥塞窗口的调整则主要通过慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等四个机制来实现,目标是在避免拥塞的情况下实现吞吐量的最大化。在如今的互联网中,用户数量以及网络服务种类日益增长,随之带来了庞大的数据量,再加上网络自身的异构性,这一现状对当前网络拥塞控制方法提出了新的挑战。
当前针对单个TCP流的网络拥塞控制方法主要包括以下三种:基于丢包的拥塞控制方法、基于带宽估计的拥塞控制方法和基于机器学习的拥塞控制方法。其中,基于丢包的拥塞控制方法主要根据丢包情况来控制网络拥塞,且默认丢包总是由拥塞所导致的,但是在无线网络中,这一假设并不总是成立;基于带宽估计的拥塞控制算法首先通过网络测量方法来估计当前信道的可用带宽,接着依据估计的可用带宽来调整发送速率。上述三种方法都是针对单TCP流的拥塞控制方法(简称单流拥塞控制方法),由于各个TCP流的拥塞控制机制相互独立运行,当多个流存在共享一个瓶颈链路的情况时,单流拥塞控制方法会使各流互相竞争带宽资源,而最终获取到的带宽则由各流自身的拥塞控制算法所决定。这种单流拥塞控制机制导致越激进的拥塞控制算法获得的带宽越多,严重影响了网络服务的公平性,因此各流获取带宽的大小不应该由算法的激进程度来决定,而应该根据各流本身的带宽需求和流所属的应用服务优先级来确定,这样才能够满足现代网络的服务质量要求。
为了解决单流拥塞控制方法存在的因为互相盲目竞争带宽资源所导致的排队延迟或分组丢失率增加的问题,研究者提出了通过耦合多个TCP流来进行拥塞控制的新方法,例如:Safiqul Islam,Michael Welzl等人于2018年在第21届IEEE全球互联网研讨会上发表的名称为“ctrlTCP:Reducing Latency through Coupled,Heterogeneous Multi-FlowTCP Congestion Control”(“ctrlTCP:通过耦合、异构多流TCP拥塞控制减少延迟”)的论文,文章中公开了一种基于耦合多流的TCP拥塞控制的方法,此方法通过在靠近发送端处采用共享瓶颈检测算法,将经过同一个瓶颈链路的多个TCP流作为一个共享瓶颈流组,然后再将组中各流的拥塞控制窗口统一设置为其中拥有最及时拥塞信息的TCP流的拥塞窗口。这样,各流不需要通过竞争就可以拥有相同大小的拥塞窗口,因而可以获得相同的可用带宽。此外,ctrlTCP方法根据优先级来调整发送速率。与单流拥塞控制算法相比,ctrlTCP方法避免了无意义的带宽资源竞争,减少了拥塞窗口的抖动,从而有效避免由于窗口抖动造成的持续拥塞,并且实现了一定意义上的公平性。另一方面,ctrlTCP方法采用了TCP NewReno算法,本质上仍属于基于丢包的拥塞控制方法。这种方法仅凭丢包作为判断链路是否拥塞的依据,而无法区分丢包是由拥塞造成的,还是由误码造成的,因此会在误码丢包的情况下误认为发生拥塞而限制吞吐量,导致传输性能下降。此外,ctrlTCP的带宽分配机制过于简单,仅仅通过优先级权重来直接决定可用带宽的分配比例,而没有考虑不同业务对于时延的要求,因此无法提供多样化的服务质量保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提出一种基于可用带宽分配的耦合多流TCP拥塞控制方法,用于解决现有技术中存在的因无法区分拥塞丢包和误码丢包导致吞吐量较低,以及带宽分配不能满足业务对于时延的不同要求,而无法提供多样化的服务质量保证的技术问题
为实现上述目的,本发明采取的技术方案包括以下步骤:
(1)定义IP网络N:
定义包括Q个发送端F={F1,F2,...,Fq,...,FQ}、W个接收端J={J1,J2,...,Jw,...,JW}、作为中间节点的P个路由器Y={Y1,Y2,...,Yp,...,YP}、M条路径I={I1,I2,...,Im,...,IM}的IP网络N,在路由器Y中为每条相连链路设置网络控制器模块O,用来获取链路信息,所有路由器缓冲区大小均为buffermax,其中P≥1,Q≥1,W≥1,M≥1,Yp表示第p个路由器,Fq表示第q个发送端,Jw表示第w个接收端,Im表示第m条路径;
(2)每个发送端确定瓶颈链路,同时发送数据包:
(2a)每条路径Im对应的发送端Fm测量Im的瓶颈点路由器Ymmax,并将Im上与Ymmax相连接的靠近接收端Jm的链路im作为Im的瓶颈链路,得到瓶颈链路集合i={i1,...,im,...,iM},同时向接收端Jm发送包括Hm个数据包的数据包序列im表示Im对应的网络控制器为Om,带宽为bm的瓶颈链路,Hm≥1,/>为第h个数据包;
(3)每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组和背景流组;
(3a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om以t为周期、在u时长内对经过瓶颈链路im的数据包序列packetm进行检测,并根据所检测的每个数据包的源IP地址/>目的IP地址/>传输层协议、源端口号/>和目的端口号/>将packetm分成J条TCP流,然后以im作为瓶颈链路将J条TCP流中的K条TCP流耦合为共享瓶颈流组Cm,将其余除Cm之外的Z条TCP流耦合为背景流组Bm:
其中,t≤100毫秒,u≥10毫秒,表示第k条共享瓶颈流,/>表示第z条背景流,Z=J-K;
(4)每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组的可用带宽:
(4a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om以T为周期检测并判断瓶颈点路由器Ymmax缓冲区队列长度buffer是否满足buffer≥α,若是,则瓶颈链路im处于拥塞状态,执行步骤(4b),否则im处于非拥塞状态,其中,α为拥塞状态判断阈值,buffermax≥α>0,50≤T≤100毫秒;
(4b)网络控制器Om在v时长内对背景流组Bm内的E个数据包进行检测,并通过G计算Bm的所占带宽/>然后通过/>计算共享瓶颈流组Cm的可用带宽/>
其中,r为数据包大小,r≤8000比特,30≥v≥10毫秒;
(5)每条瓶颈链路的网络控制器计算共享瓶颈流的发送速率;
(5a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om将共享瓶颈流中数据包/>的服务质量QoS优先级字段值记为优先级/>并根据/>记录/>的业务分级/>然后依照效用函数通过/>设置/>的最小发送速率要求/>同时计算最近的D个数据包到达瓶颈链路时刻的总间隔/>和D个数据包传输的总间隔/>并通过/>和/>计算共享瓶颈流/>占空比
其中,分别表示数据包/>到达、离开瓶颈链路im的时刻;
(5b)每条瓶颈链路im的网络控制器Om通过共享瓶颈流组Cm的可用带宽为Cm进行第一轮带宽分配:按照优先级/>从高到低的顺序依次为/>分配最低发送速率/>同时根据占空比/>计算为/>分配带宽后的冗余带宽/>剩余可用带宽加上冗余带宽继续为其他流分配最低发送速率/>直到剩余的带宽无法满足任意一个未分配的TCP流/>的最低发送速率/>或者所有的/>都已分配最低发送速率/>此时,共享瓶颈流/>第一轮分配得到的带宽为/>
(5c)每条瓶颈链路im的网络控制器Om进行第二轮带宽分配:将(5b)中剩余的带宽按照网络效用最大化原则分配给所有TCP流,第二轮分配共享瓶颈流得到/>两轮分配带宽相加得到共享瓶颈流/>的总带宽/>
(5d)网络控制器Om向的发送端Fm发送包含/>的数据包/>
(6)共享瓶颈流的发送端调整拥塞窗口大小:
TCP流的发送端Fm收到网络控制器Om发送的包含发送速率/>的数据包/>后,通过/>以及最大分段大小MSS调整拥塞窗口/>大小为:
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1.本发明通过在瓶颈链路上耦合共享瓶颈流,获取共享瓶颈流组的可用带宽,及时检测瓶颈点路由器缓冲区队列长度,并设置队列长度阈值来判断拥塞状态,在发生拥塞时检测共享瓶颈流组的可用带宽,并为共享瓶颈流分配合适的发送速率,在此拥塞控制过程中,不需要区分拥塞丢包还是误码丢包,而是在拥塞初期即瓶颈点路由器缓冲区产生队列时依照可用带宽调整拥塞窗口大小,避免了现有技术无法区分拥塞丢包和误码丢包导致的对拥塞的虚假判断的缺陷,有效提高了吞吐量。
2.本发明通过为不同业务预设最低发送速率,在可用带宽分配过程中,预先满足各共享瓶颈流的最低发送速率,保证了共享瓶颈流对于时延的要求,然后进行基于网络效用最大化原则的再次分配,实现了效用最大化以及共享瓶颈流组带宽分配的公平性,并且通过占空比计算并再次分配冗余带宽,提高了可用带宽的利用率,增大了共享瓶颈流的吞吐量,解决了现有技术中带宽分配过于简单,仅仅通过优先级的权重来直接决定可用带宽的分配比例,无法满足业务对于时延的不同要求的问题,实现了多样化的服务质量保证。
附图说明
图1为本发明的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步的详细描述:
参照图1,本发明包括如下步骤:
步骤1)定义IP网络N:
定义包括Q个发送端F={F1,F2,...,Fq,...,FQ}、W个接收端J={J1,J2,...,Jw,...,JW}、作为中间节点的P个路由器Y={Y1,Y2,...,Yp,...,YP}、M条路径I={I1,I2,...,Im,...,IM}的IP网络N,在路由器Y中为每条相连链路设置网络控制器模块O,用来获取链路信息,所有路由器缓冲区大小均为buffermax,其中P≥1,Q≥1,W≥1,M≥1,Yp表示第p个路由器,Fq表示第q个发送端,Jw表示第w个接收端,Im表示第m条路径;
IP网络N中发送端Fq至少与一个接收端Jw之间由若干条路径Im相连接。每条路径Im由若干条链路以若干个路由器Yp相连,不同路径之间可共享若干条链路和路由器。本实施例采用P=15,Q=10,W=8,M=20。
(2)每个发送端确定瓶颈链路,同时发送数据包:
(2a)每条路径Im对应的发送端Fm测量Im的瓶颈点路由器Ymmax,并将Im上与Ymmax相连接的靠近接收端Jm的链路im作为Im的瓶颈链路,得到瓶颈链路集合i={i1,...,im,...,iM},同时向接收端Jm发送包括Hm个数据包的数据包序列im表示Im对应的网络控制器为Om,带宽为bm的瓶颈链路,Hm≥1,/>为第h个数据包;
(3)每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组和背景流组;
(3a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om以t为周期、在u时长内对经过瓶颈链路im的数据包序列packetm进行检测,并根据所检测的每个数据包的源IP地址/>目的IP地址/>传输层协议、源端口号/>和目的端口号/>将packetm分成J条TCP流,然后以im作为瓶颈链路将J条TCP流中的K条TCP流耦合为共享瓶颈流组Cm,将其余除Cm之外的Z条TCP流耦合为背景流组Bm:
其中,t≤100毫秒,u≥10毫秒,表示第k条共享瓶颈流,/>表示第z条背景流,Z=J-K;
现行TCP/IP协议下,数据包的包头中含有包括源IP地址、目的IP地址、协议号、源端口、目的端口、检验和、数据包长度等信息,网络控制器Om接收数据包后读取包头,从中获取网络五元组数据;网络控制器Om需要检测瓶颈链路im中传输的数据包并将其分组,检测周期依照共享瓶颈流/>的传输时长确定,本实施例中不同业务的共享瓶颈流/>的最短传输时长为100毫秒,本实施例选择100毫秒作为检测周期。此外检测时长需要大于共享瓶颈流/>的最短的包到达间隔,本实施例中共享瓶颈流/>的最短包到达间隔为10毫秒,本实施例中选择等于10毫秒,所以网络监测器Om每隔100毫秒,每次时长为10毫秒检测记录经过瓶颈链路的数据包。
(4)每条瓶颈链路的网络控制器获取共享瓶颈流组的可用带宽:
(4a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om以T为周期检测并判断瓶颈点路由器Ymmax缓冲区队列长度buffer是否满足buffer≥α,若是,则瓶颈链路im处于拥塞状态,执行步骤(4b),否则im处于非拥塞状态,其中,α为拥塞状态判断阈值,buffermax≥α>0,50≤T≤100毫秒;
拥塞状态的检测周期越短,对于拥塞状态的处理就越及时,但同时拥塞窗口的抖动也会越频繁,为了尽可能平滑拥塞窗口,检测周期依照共享瓶颈流的最短传输时长确定,本实施例中不同业务的共享瓶颈流/>的最短传输时长为100毫秒,此外,由于检测周期不能过短,所以检测周期T选择大于等于50毫秒并且小于等于100毫秒,本实施例选择80毫秒。网络监测器Om每隔80毫秒检测一次瓶颈点路由器Ymmax的队列长度是否超过阈值。
(4b)网络控制器Om在v时长内对背景流组Bm内的E个数据包进行检测,并通过G计算Bm的所占带宽/>然后通过/>计算共享瓶颈流组Cm的可用带宽/>
其中,r为数据包大小,r≤8000比特,30≥v≥10毫秒;
可用带宽的检测需要实时性,所以检测时长v不能过于大,否则测量出的历史可用带宽不符合当前的情况,但是也不能过小,无法检测到共享瓶颈流组的绝大部分流,此外检测时长需要大于共享瓶颈流的最短的包到达间隔,并且小于网络平均时延,本实施例所讨论的共享瓶颈流/>的最短包到达间隔为10毫秒,网络平均时延为30毫秒,本实施例的v取20毫秒。在以太网中,数据包的大小范围是在64—1518字节之间,本实施例选择r为1000字节,即8000比特。
(5)每条瓶颈链路的网络控制器计算共享瓶颈流的发送速率;
(5a)每条瓶颈链路im的网络控制器Om将共享瓶颈流中数据包/>的服务质量QoS优先级字段值记为优先级/>并根据/>记录/>的业务分级/>然后依照效用函数通过/>设置/>的最小发送速率要求/>同时计算最近的D个数据包到达瓶颈链路时刻的总间隔/>和D个数据包传输的总间隔/>并通过/>和/>计算共享瓶颈流/>占空比
其中,分别表示数据包/>到达、离开瓶颈链路im的时刻;
在有限的带宽资源下,QoS为各种业务分配带宽,为业务提供端到端的服务质量保证。例如语音、视频和重要的数据应用在网络设备中可以通过配置QoS优先得到服务。本实施例的QoS采用区分服务模型,该模型将网络中的流量分成多个类,然后为每个类定义相应的处理行为,使其拥有不同的优先级、丢包率、时延等信息。数据包报文中用于标记QoS优先级的字段在头部中TOS字段中前三位,可以表示8个传输优先级,按照优先级从高到低顺序取值为7~0。业务分级可由优先级顺序由高到低分为路径协议报文、语音流、视频会议、呼叫信令、高优先级数据流、中等优先级数据流和BE数据流。效用函数用来衡量共享瓶颈流/>所获得的效用与所获得的发送速率之间的关系;弹性业务,比如文件传输FTP,域名服务DNS以及电子邮件等业务的效用函数可由一个严格凹函数表示,非弹性业务,比如视频会议、语音业务等的效用函数为一个非凹函数,存在一个最小发送速率阈值,满足此阈值,这些业务才能正常传输。一些重要的传感器信息或者控制信息对时延要求非常高,还有实时视频、实时语音等非弹性业务需要绝对保证时延,否则网络会拒绝服务此类业务。本实施例通过对最小发送速率的设置,能够优先保证此类实时业务的时延要求,提高此类业务接入网络的成功概率。占空比用来衡量业务流的实际传输时间占总传输时间的比例,通过计算占空比,可以在为共享瓶颈流/>分配带宽的同时,计算出未使用的冗余带宽/>再一次进行分配,可以提高带宽的利用率。
(5b)每条瓶颈链路im的网络控制器Om通过共享瓶颈流组Cm的可用带宽为Cm进行第一轮带宽分配:按照优先级/>从高到低的顺序依次为/>分配最低发送速率/>同时根据占空比/>计算为/>分配带宽后的冗余带宽/>剩余可用带宽加上冗余带宽继续为其他流分配最低发送速率/>直到剩余的带宽无法满足任意一个未分配的TCP流/>的最低发送速率/>或者所有的/>都已分配最低发送速率/>此时,共享瓶颈流/>第一轮分配得到的带宽为/>
(5c)每条瓶颈链路im的网络控制器Om进行第二轮带宽分配:将(5b)中剩余的带宽按照网络效用最大化原则分配给所有TCP流,第二轮分配共享瓶颈流得到/>两轮分配带宽相加得到共享瓶颈流/>的总带宽/>
速率分配公式基于网络效用最大化NUM的框架,网络效用最大化的目标为在链路带宽容量的约束下最大化所有用户效用函数之和;
(5d)网络控制器Om向的发送端Fm发送包含/>的数据包/>
(6)共享瓶颈流的发送端调整拥塞窗口大小:
TCP流的发送端Fm收到网络控制器Om发送的包含发送速率/>的数据包/>后,通过/>以及最大分段大小MSS调整拥塞窗口/>大小为:
MSS是通信设备所能接受的分段的最大数据量,默认TCP最大分段大小为536。
Claims (2)
1.一种基于可用带宽分配的耦合多流TCP拥塞控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)定义IP网络N:
定义包括Q个发送端F={F1,F2,...,Fq,...,FQ}、W个接收端J={J1,J2,...,Jw,...,JW}、作为中间节点的P个路由器Y={Y1,Y2,...,Yp,...,YP}、M条路径I={I1,I2,...,Im,...,IM}的IP网络N,在路由器Y中为每条相连链路设置网络控制器模块O,用来获取链路信息,所有路由器缓冲区大小均为buffermax,其中P≥1,Q≥1,W≥1,M≥1,Yp表示第p个路由器,Fq表示第q个发送端,Jw表示第w个接收端,Im表示第m条路径;
(2)每个发送端确定瓶颈链路,同时发送数据包:
(2a)每条路径Im对应的发送端Fm测量Im的瓶颈点路由器Ymmax,并将Im上与Ymmax相连接的靠近接收端Jm的链路im作为Im的瓶颈链路,得到瓶颈链路集合i={i1,...,im,...,iM},同时向接收端Jm发送包括Hm个数据包的数据包序列im表示Im对应的网络控制器模块为Om,带宽为bm的瓶颈链路,Hm≥1,/>为第h个数据包;
(3)每条瓶颈链路的网络控制器模块获取共享瓶颈流组和背景流组;
(3a)每条瓶颈链路im的网络控制器模块Om以t为周期、在u时长内对经过瓶颈链路im的数据包序列packetm进行检测,并根据所检测的每个数据包的源IP地址/>目的IP地址/>传输层协议、源端口号/>和目的端口号/>将packetm分成J条TCP流,然后以im作为瓶颈链路将J条TCP流中的K条TCP流耦合为共享瓶颈流组Cm,将其余除Cm之外的Z条TCP流耦合为背景流组Bm:
其中,t≤100毫秒,u≥10毫秒,表示第k条共享瓶颈流,/>表示第z条背景流,Z=J-K;
(4)每条瓶颈链路的网络控制器模块获取共享瓶颈流组的可用带宽:
(4a)每条瓶颈链路im的网络控制器模块Om以T为周期检测并判断瓶颈点路由器Ymmax缓冲区队列长度buffer是否满足buffer≥α,若是,则瓶颈链路im处于拥塞状态,执行步骤(4b),否则im处于非拥塞状态,其中,α为拥塞状态判断阈值,buffermax≥α>0,50≤T≤100毫秒;
(4b)网络控制器模块Om在v时长内对背景流组Bm内的E个数据包进行检测,并通过G计算Bm的所占带宽/>然后通过/>计算共享瓶颈流组Cm的可用带宽/>
其中,r为数据包大小,r≤8000比特,30≥v≥10毫秒;
(5)每条瓶颈链路的网络控制器模块计算共享瓶颈流的发送速率;
(5a)每条瓶颈链路im的网络控制器模块Om将共享瓶颈流中数据包/>的服务质量QoS优先级字段值记为优先级/>并根据/>记录/>的业务分级/>然后依照效用函数通过设置/>的最小发送速率要求/>同时计算最近的D个数据包到达瓶颈链路时刻的总间隔/>和D个数据包传输的总间隔/>并通过/>和/>计算共享瓶颈流/>占空比/>
其中,分别表示数据包/>到达、离开瓶颈链路im的时刻;
(5b)每条瓶颈链路im的网络控制器模块Om通过共享瓶颈流组Cm的可用带宽为Cm进行第一轮带宽分配:按照优先级/>从高到低的顺序依次为/>分配最低发送速率/>同时根据占空比/>计算为/>分配带宽后的冗余带宽/>剩余可用带宽加上冗余带宽继续为其他流分配最低发送速率/>直到剩余的带宽无法满足任意一个未分配的TCP流/>的最低发送速率/>或者所有的/>都已分配最低发送速率/>此时,共享瓶颈流/>第一轮分配得到的带宽为/>
(5c)每条瓶颈链路im的网络控制器模块Om进行第二轮带宽分配:将(5b)中剩余的带宽按照网络效用最大化原则分配给所有TCP流,第二轮分配共享瓶颈流得到/>两轮分配带宽相加得到共享瓶颈流/>的总带宽/>
(5d)网络控制器模块Om向的发送端Fm发送包含/>的数据包/>
(6)共享瓶颈流的发送端调整拥塞窗口大小:
TCP流的发送端Fm收到网络控制器模块Om发送的包含发送速率/>的数据包/>后,通过/>以及最大分段大小MSS调整拥塞窗口/>大小为:
2.根据权利要求1所述的基于可用带宽分配的耦合多流TCP拥塞控制方法,其特征在于,步骤(4b)中所述的背景流组Bm的所占带宽共享瓶颈流组Cm的可用带宽/>计算公式分别为:
其中r为数据包大小。
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