CN114979011A - 一种应用于园区网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于园区网络的拥塞控制方法，包括步骤1：接入点AP设备获取链路容量信息与缓冲区队列长度信息，并计算目标速率；步骤2：AP为每个经过AP的数据包进行流识别，建立流表，并根据目标速率计算每条流的窗口值；步骤3：AP修改返回的ACK的接收窗口值，填入流表中对应流的窗口值；步骤4：发送端执行拥塞控制：收到返回的ACK后，使用ACK中的接收窗口值和自身维护的拥塞窗口值中的最小值作为发送窗口大小，实现园区网络的拥塞控制本发明可以有效控制园区网中网络设备缓冲区的队列长度，在保证高带宽利用率的同时显著减小时延，并且使得流间具备公平性和快速收敛性。

Description

一种应用于园区网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明属于网络通讯技术领域，具体涉及一种应用于园区网络的拥塞控制方法。

背景技术

园区网络(Campus Network)是连接多个建筑物的计算机网络，由有限地理区域内的两个或多个局域网组成。园区网作为企业或组织的内部网络被广泛部署，在网络市场占有重要地位。园区网络可以是大学园区网络(例如斯坦福大学网络)或企业园区网络(例如Googleplex和微软园区网络)。

园区网络中的网络设备(交换机、路由器等)和传输介质(光纤、铜线、双绞线等)几乎完全归园区租户/业主所有。园区网通常采用高速以太网链路互联，用于提高企业协作、生产和运营效率，加速创新。

在园区网络中，大量实时通讯应用正开始被广泛应用，如实时视频、实时项目管理等。应用的变化一方面带来了对网络的低延迟和高带宽的需求，减少网络延迟可以提高效率以及用户体验，为企业带来更高的收益。另一方面，对于长流，有着对网络的高利用率要求，因此这些长流的高吞吐量与低延迟一样重要。总而言之，企业和组织的应用和基于网络的服务要求园区网络提供低延迟和大带宽。

作为因特网的一部分，TCP流主导着园区网络流量。当今在终端主机设备中广泛部署的TCP拥塞控制算法，如NewReno、Cubic等，大部分都是基于丢包的。这些协议努力提高大BDP路径上的TCP性能。它们在交换机缓冲区中不断建立队列，直到溢出并丢弃数据包，从而充分利用链路容量。然而，这些基于丢包的拥塞控制协议不再适用于园区网络。长而贪婪的TCP流将导致瓶颈队列的长度增加，直到发生丢包。长队列将减少用于吸收突发的可用缓冲区空间量并对缓冲区施加巨大压力。在这种情况下，突发时很容易丢包，从而引入高延迟并降低吞吐量，影响应用程序性能。另外，当大流和短流并存时，交换机中长队列的建立损害了短流对低延迟的需求，即使没有丢包。

由于设计空间有限，最小化队列长度以实现高吞吐和低时延是非常困难的。园区网中的大多数终端主机设备通常是个人用户设备，例如手机和笔记本电脑。在这些终端主机设备上部署定制的协议栈或对原始协议栈进行任何修改是不切实际的。除此之外，现有技术也不能为路由器/交换机更改太多，否则会给部署带来很大的困难。

现有的方法有各种限制，不符合我们的设计要求。为了减少延迟，已经提出了一些基于延迟的拥塞控制协议，例如Vegas、CTCP、FAST和BBR。其将RTT的增加作为网络拥塞的信号，这高度依赖于对网络延迟的准确测量。因此，这样的算法并没有被广泛使用。为了更好地控制队列长度，提出了一些基于显式反馈的方案，如ECN、XCP、VCP、RCP等。XCP、VCP和RCP等方案需要交换机来执行计算，这在大多数商品交换机中并不广泛使用。ECN需要网络中间设备和终端主机的共同支持。这与设计空间大相径庭：对终端主机设备进行任何修改都是不切实际的。

因此提出一种应用于园区网络的拥塞控制方案可以有效控制网络设备的队列长度，从而实现高带宽利用率与低时延，具有很大的价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种应用于园区网络的拥塞控制方法，最小化园区网网络设备的队列长度，并且不对终端协议栈做任何修改，从而满足园区网络应用的高吞吐和低时延需求，可以有效控制园区网中网络设备缓冲区的队列长度，在保证高带宽利用率的同时显著减小时延，并且使得流间具备公平性和快速收敛性。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种应用于园区网络的拥塞控制方法，包括：

步骤1：接入点AP设备获取链路容量信息与缓冲区队列长度信息，并计算目标速率；

步骤2：AP为每个经过AP的数据包进行流识别，建立流表，并根据目标速率计算每条流的窗口值；

步骤3：AP修改返回的ACK的接收窗口值，填入流表中对应流的窗口值；

步骤4：发送端执行拥塞控制：收到返回的ACK后，使用ACK中的接收窗口值和自身维护的拥塞窗口值中的最小值作为发送窗口大小，实现园区网络的拥塞控制。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1所述目标速率的计算公式为：

targetRate＝ηB-[Q(t)-K]/δ

其中，B是链路容量，Q(t)是在时刻t的缓冲区队列长度；

K是队列长度阈值，η是接近1的常数；

δ是一个时间单位常数，表示在经过δ时间后使用该目标速率能把队列从Q(t)减到K。

上述的步骤2所述每条流的窗口值计算方式为：

基于流表估计活跃流数量N；

将目标速率除以N来作为每条流应达到的速率，即每条流分配到的速率；

然后在AP上估计每条流的往返时延RTT大小；

用每条流分配到的速率乘上该条流的RTT，得到该条流应达到的窗口值。

上述的活跃流数量的估计方法为：

为流表增加一个表项的过期时间，逐条识别流是否处于空闲期，删去流表中不符合要求的表项，最终得到的表项数为活跃流数量，具体的：

当某条流在过期时间内进入AP的字节数为0，认为这条流已经不存在或处于空闲期，为不符合要求的表项，删去该表项。

上述的在AP上估计每条流的往返时延RTT大小的方法为：

利用TCP时间戳选项获取数据包从源端发出的时间，从而计算从源端到AP数据包经过的时间长度；

并且AP通过数据包序列号和ACK确认号，计算AP数据包从AP到终端节点的往返时间；

计算得到数据包全路径的时延，作为每条流的往返时延RTT大小。

上述的步骤4的发送端执行拥塞控制方法为：

发送端自身根据配置的拥塞控制协议维护一个拥塞窗口值，返回的ACK有一个接收窗口值，发送端取这两者的最小值作为发送窗口大小，执行真正的拥塞控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明的拥塞控制方法无需对终端协议栈做任何修改或配置，只需对AP做少量修改；

本发明借助链路信息进行主动精准拥塞控制，可以在拥塞未发生之前主动控制源端流速，以实现高带宽利用率和超低时延；

本发明的活跃流统计方法可以使竞争流公平共享瓶颈链路带宽，保证了流间公平性和快速收敛性；

本发明的拥塞控制方法可以使网络设备缓冲区队列始终维持在一个地队列长度状态，增大了吸收突发流量的空间，在突发场景下避免丢包；

本发明的拥塞控制方法应用在园区网络中，可有效提升网络质量，满足应用的高吞吐和低时延需求。

附图说明

图1为本发明拥塞控制的执行流程图；

图2为本发明活跃流判断流程图；

图3为本发明利用TCP时间戳选项的RTT估计示意图；

图4为本发明所利用到的TCP时间戳选项格式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

一种应用于园区网络的拥塞控制方法，包括如下步骤：

步骤1：接入点(Access point，AP)设备获取链路容量信息与缓冲区队列长度信息，并计算目标速率；

步骤2：AP为每个经过AP的数据包进行流识别，建立流表，并根据目标速率计算每条流的窗口值；

步骤3：AP修改返回的ACK(Acknowledge character，确认字符)的接收窗口值，填入流表中对应流的窗口值；

步骤4：发送端执行拥塞控制：收到返回的ACK后，使用ACK中的接收窗口值和自身维护的拥塞窗口值中的最小值作为发送窗口大小，实现园区网络的拥塞控制。

图1为本发明的拥塞控制执行流程图。

由于在园区网络中，管理者无法对终端主机设备的协议栈做任何修改或配置，因此本发明采用在AP上修改接收窗口来接管发送端拥塞控制的方法，这里利用了TCP使用拥塞窗口和接收窗口的最小值作为发送窗口的机制。

本发明只需要使接收窗口小于拥塞窗口，就能使真正起作用的变为接收窗口，而发送端维护的拥塞窗口值将变得无意义。

由于AP位于瓶颈位置，其能获取网络信息状态，如瓶颈链路容量以及缓冲区队列长度，根据这些信息可以精确计算出一个目标速率，使得进入AP的速率能够完美适配AP的转发能力，从而保证了高带宽利用率，又不产生排队时延。

由于发送端传输层使用窗口控制发包的速率，在计算出目标速率后，本发明为每条流分配合适的窗口大小，并且修改对应流返回的ACK上的接收窗口字段，从而接管源端拥塞控制。

在步骤1中，目标速率计算方法为：

targetRate＝ηB-[Q(t)-K]/δ

其中，B是链路容量，Q(t)是在时刻t的队列长度，K是队列长度阈值；

η是接近1的常数(比如0.95)，δ是一个时间单位常数(表示在经过δ时间后使用该目标速率能把队列从Q(t)减到K)。

该公式的含义是：

若当前的队列长度较低时，即Q(t)＜K时，本发明会将目标速率设置为ηB，其中η的值略小于1。

通过将目标速率设置为略低于链路容量，以少量带宽的牺牲换取大量延迟的减少。

由于本发明是在AP中计算目标速率，并通过该速率得到流的窗口值填入返回ACK的接收窗口字段，因此该速率的生效需要等待ACK返回源端，有1个RTT的延迟。所以，不可避免地，由于网络波动或其他原因使得队列仍然会被建立起来。

因此，本发明在目标速率计算中考虑排空队列，即公式中的后一项当Q(t)＞K时，通过此项将目标速率降低一定值，使得队列长度最多在δ秒内减少到K。

在步骤2中，需要为每流计算合适的窗口值，本发明将targetRate除以流数量N来作为每条流应达到的速率，然后需要在AP上估计每条流的往返时延(RTT)大小，用每条流分配到的速率乘上该条流的RTT即可得到该条流应达到的窗口值。

图2为本发明的活跃流判断流程图。

由流表的表项数可以得到当前总的流数目。

需要注意的是，由于有些流有可能处于空闲期，不能错误地将其加入活跃流数目中，否则会造成带宽的浪费。

为了识别流是否处于空闲期，为流表增加一个表项的过期时间。

当某条流在这个时间内进入AP的字节数为0，认为这条流已经不存在或处于空闲期，删去该表项。

这个过期时间设置为流的RTT大小。

因为本发明的速率窗口计算过程中，保证了流的最小窗口大小是2，即在一个RTT内至少能发出2个数据包。

图3为本发明利用TCP时间戳选项的RTT估计示意图。

一个数据包的往返时延可以由收到ACK的时间t8减去数据包发送的时间t1得到。通过TCP时间戳选项，如图4所示，TS Value(TSval)表示发送端发出该报文时的本地时间戳。因此在AP上利用这个选项可以获取数据包从源端发出的时间，从而计算从源端到AP数据包经过了多长时间，也就是t2减t1。

并且AP通过数据包序列号和ACK确认号，计算数据包从AP到终端节点的往返时间，即t6减t3。

通过这个方法，本发明计算得到了数据包全路径的时延，即RTT＝2*(t2-t1)+(t6-t3)，从而准确估计RTT。得到RTT采样后，本发明使用加权移动平均方式计算RTT估计值。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：接入点AP设备获取链路容量信息与缓冲区队列长度信息，并计算目标速率；

步骤2：AP为每个经过AP的数据包进行流识别，建立流表，并根据目标速率计算每条流的窗口值；

步骤3：AP修改返回的确认字符ACK的接收窗口值，填入流表中对应流的窗口值；

步骤4：发送端执行拥塞控制：收到返回的ACK后，使用ACK中的接收窗口值和自身维护的拥塞窗口值中的最小值作为发送窗口大小，实现园区网络的拥塞控制。

2.根据权利要求1所述的一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述步骤1所述目标速率的计算公式为：

targetRate＝ηB-[Q(t)-K]/δ

其中，B是链路容量，Q(t)是在时刻t的缓冲区队列长度；

K是队列长度阈值，η是接近1的常数；

δ是一个时间单位常数，表示在经过δ时间后使用该目标速率能把队列从Q(t)减到K。

3.根据权利要求1所述的一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，步骤2所述每条流的窗口值计算方式为：

1)基于流表估计活跃流数量N；

2)将目标速率除以N来作为每条流应达到的速率，即每条流分配到的速率；

3)在AP上估计每条流的往返时延RTT大小；

4)用每条流分配到的速率乘上该条流的RTT，得到该条流应达到的窗口值。

4.根据权利要求3所述的一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述活跃流数量的估计方法为：

为流表增加一个表项的过期时间，逐条识别流是否处于空闲期，删去流表中不符合要求的表项，最终得到的流表表项数为活跃流数量，具体的：

当某条流在过期时间内进入AP的字节数为0，认为这条流已经不存在或处于空闲期，为不符合要求的表项，删去该表项。

5.根据权利要求3所述的一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述在AP上估计每条流的往返时延RTT大小的方法为：

利用TCP时间戳选项获取数据包从源端发出的时间，从而计算从源端到AP数据包经过的时间长度；

并且AP通过数据包序列号和ACK确认号，计算AP数据包从AP到终端节点的往返时间；

计算得到数据包全路径的时延，作为每条流的往返时延RTT大小。

6.根据权利要求1所述的一种应用于园区网络的拥塞控制方法，其特征在于，步骤4的发送端执行拥塞控制方法为：

发送端自身根据配置的拥塞控制协议维护一个拥塞窗口值，返回的ACK有一个接收窗口值，发送端取这两者的最小值作为发送窗口大小，执行真正的拥塞控制。

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