CN115665060A - 一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置，所述方法包括：获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将报文划分为多个数据包；利用马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；根据快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；利用调度器调度各数据包，并利用快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。本申请提出的技术方案，在网络异构时调度器可动态感知每条子流的网络状态并根据状态特性，将数据包分配到不同的子流上，保证接收端可以按数据包编号顺序，由小到大接收数据包，进而避免了因数据包在接收方缓存区等待而产生的高延迟，保障了链路带宽聚合效果。

Description

一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置

技术领域

本申请涉及数据传输领域，尤其涉及一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置。

背景技术

随着数据爆炸性增长，人们对于网络的吞吐率要求越来越高。在传统网络中，单路径的带宽瓶颈已经越来越难以提升。因此研究者们将关注点放在了多路径传输技术。通过多路径的带宽聚合，来提升端到端之间的网络带宽。因此，多路径传输协议（Multi Path-TCP.MPTCP)协议就应运而生,MPTCP协议可以聚合多条网络路径的带宽来并行传输数据。

在MPTCP协议中，调度器是MPTCP的核心部件，它决定了什么时候，怎么将数据包分发给各个子流。当MPTCP使用的网络异构时，链路质量会有较大差异，如果使用默认的调度器，会导致数据包乱序到达接收端。发生这类情况时，数据包需要在接收缓存区重新排序，再交付上层，所以默认调度器会导致MPTCP协议占用的缓存远远大于经典的传输控制协议(Transmission Control Protocol.TCP)，且重排序过程会增大数据接收的延迟。

发明内容

本申请提供一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置，以至少解决在网络异构时调度器会导致MPTCP协议占用的缓存较大且数据接收延迟时间大大增加的技术问题。

本申请第一方面实施例提出一种用于异构网络的多路径传输调度方法，所述方法包括：

获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

优选的，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

优选的，所述利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小，包括：

利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

进一步的，所述快速子流的平均有效吞吐率的计算式如下：

式中，

为调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率，

为快速子流的丢包 率，

为快速子流的最小拥塞窗口个数，

为快速子流的平均拥塞的窗口大小，

为快 速子流当前的往返延迟时间。

进一步的，所述快速子流的窗口大小的计算式如下：

式中，

为快速子流的窗口大小值，

为慢速子流当前的往返延迟时间。

优选的，根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包，包括：

将各数据包按照预设顺序进行编号；

按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

本申请第二方面实施例提出一种用于异构网络的多路径传输调度装置，所述装置包括：

获取模块，用于获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

第一确定模块，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

第二确定模块，用于根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

调度模块，用于利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

优选的，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

优选的，所述第一确定模块，包括：

第一确定单元，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

计算单元，用于根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

第二确定单元，用于根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

第三确定单元，用于根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

优选的，所述第二确定模块，包括：

编号单元，用于将各数据包按照预设顺序进行编号；

划入单元，用于按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

第四确定单元，用于将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本申请提出了一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置，其中所述的方法包括：获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。本申请提出的技术方案，在网络异构时调度器可动态感知每条子流的网络状态并根据状态特性，将数据包分配到不同的子流上，保证接收端可以按数据包编号顺序，由小到大接收数据包，进而避免了因数据包在接收方缓存区等待而产生的高延迟，保障了链路带宽聚合效果。

本申请附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面以及优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请一个实施例提供的一种用于异构网络的多路径传输调度方法的流程图；

图2为根据本申请一个实施例提供的调度器发送过程第一种示意图；

图3为根据本申请一个实施例提供的调度器发送过程第二种示意图；

图4为根据本申请一个实施例提供的一种用于异构网络的多路径传输调度装置的结构图；

图5为根据本申请一个实施例提供的第一确定模块的结构图；

图6为根据本申请一个实施例提供的第二确定模块的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

本申请提出的一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置，其中所述的方法包括：获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。本申请提出的技术方案，在网络异构时调度器可动态感知每条子流的网络状态并根据状态特性，将数据包分配到不同的子流上，保证接收端可以按数据包编号顺序，由小到大接收数据包，进而避免了因数据包在接收方缓存区等待而产生的高延迟，保障了链路带宽聚合效果。

下面参考附图描述本申请实施例的一种用于异构网络的多路径传输调度方法及装置。

实施例一

图1为根据本申请一个实施例提供的一种用于异构网络的多路径传输调度方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤1：获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

在本公开实施例中，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

步骤2：利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

需要说明的是，所述马尔科夫模型是基于各子流的拥塞窗口和丢包率建立的：

令s代表发送状态的集合，终端具有k个网卡并支持MPTCP协议，在t时刻设备的发送状态s可用各个子流的拥塞窗口大小来表示。

在t时刻，发送端的状态

可以用集合

来表 示。令

代表

转换为

的转移概率。对于调度器而言，发送端的当前状态可以用子流 的拥塞窗口表示。拥塞窗口的大小由子流的拥塞控制算法与子流的链路瓶颈所决定。下一 时刻，拥塞窗口的变化情况将由该子流的拥塞控制算法决定，进一步说，由该子流是否产生 丢包来决定，因此

受各子流的丢包率影响。

在本公开实施例中，所述步骤2具体包括：

步骤2-1：利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

示例的，根据马尔可夫模型的变化规律，能够确定各个子流在稳定状态时相应拥塞窗口大小的概率；

根据马尔可夫模型的特性，进一步可以计算出极限平稳分布，最终可以算出平均拥塞窗口大小。

具体的，a)依据各个子流的丢包率的历史统计，计算设备调度状态转移概率矩阵：

记接收缓存的最大拥塞窗口为W个MSS(maximum segment size)，而最小拥塞窗口 为2个MSS(Linux慢启动初始设置)，则TCP子流的拥塞窗口取值大小范围为

;

记

为子流的数量，

为子流i的拥塞窗口大小。发送状态空 间是k维离散状态空间，表示为

，则状态 空间I包含有

个可能的元素,据此可得状态转移概率矩阵P。

b)按照转移概率矩阵，根据马尔可夫模型规律计算极限平稳分布：

按照转移概率矩阵P，计算极限平稳分布：

各个子流的平稳拥塞窗口可根据马尔可夫模型的极限平稳分布计算得出，记极限 平稳分布为特征向量

。

依据极限平稳分布得出平均拥塞窗口大小：

得到极限平稳分布分布μ后，就可以计算出各个子流的平均拥塞窗口大小。令max 为特征向量的元素个数，

；

表示状态空间I中，在第j个状态中，子流i的当前窗口 大小，

表示极限平稳分布；利用公式

，确定平均拥塞窗口大小

。

步骤2-2：根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

需要说明是的，MPTCP的各个子流采用常规的TCP协议传输数据包。TCP协议头的 Timestamp选项包含了Timestamp_Value和Timestamp_Echo_Reply，Timestamp_Value表示 当前时刻发送该报文时对应的时间戳，Timestamp_Echo_Reply是收到的ACK包中记录的接 收端最近一次收到的报文的Timestamp_Value值，一般可以采用指数加权移动平均法来预 测下一次的RTT值。有以下公式：

，

，式中，

。

步骤2-3：根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

步骤2-4：根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

进一步的，所述快速子流的平均有效吞吐率的计算式如下：

所述快速子流的窗口大小的计算式如下：

式中，式中，

为调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率，

为快速子流的 丢包率，

为快速子流的最小拥塞窗口个数，

为快速子流的平均拥塞的窗口大小，

为快速子流当前的往返延迟时间，

为快速子流的窗口大小值，

为慢速子流当前的往 返延迟时间。

需要说明的是，在异构的网络情况下，可以从子流网卡采集到往返时延(Round-Trip Time.RTT)数据进行判断两条子流谁为快速子流和谁为慢速子流，而对于Win的初始化数值，先设置为0。具体流程：为每一条子流维护一个Win数值，设置为0，等待初始化。根据收集到的子流RTT数据判断谁为快速子流，谁为慢速子流，并标注。之后仅对快速子流的Win做调整。

当链路条件变化，例如快速子流变成慢速子流，慢速子流变成快速子流，即两者角色交换时，调度器算法就可以进行快速反应。具体操作：

1）在每一轮调度器算法调整Win前，先根据采集到的RTT数据判断快、慢速子流有没有角色交换；

2）如果没有，正常进行调度器算法，分配数据包，等待进行下一轮调度。如果有，则重新标记，再进入数据包的划分调度。

步骤3：根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

在本公开实施例中，所述步骤3具体包括：

步骤3-1：将各数据包按照预设顺序进行编号；

步骤3-2：按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

步骤3-3：将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

步骤4：利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

示例的，快速子流总是发送本轮发送过程中较小序列号的数据包，慢速的子流发送更大序列号的数据包，窗口（Win）内是为快速子流预留的数据包，后面的分配给慢速子流。该时刻发送时，快速子流发送编号为a-b的数据包，慢速子流发送编号为(b+1)-c的数据包。快速子流发送完成a-b的数据包后，继续发送数据包(b+1)-c，如图2所示；

当来自慢速子流的第一个数据包到达接收端时，所有来自快速子流、序列号较小的数据包应该已经到达（a-b），且来自快速子流的最后一个数据包b应该与慢速子流的第一个数据包(b+1)接连先后到达。因此，MPTCP发出的数据包是按顺序到达接收端的，如图3所示；

当本轮慢速子流的最后一个数据包到达接收端后，进行下一轮发送。发送方法与上述一致，其中在进行下一轮发送前先获取当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流。

综上所述，本实施例提出的一种用于异构网络的多路径传输调度方法，在网络异构时调度器可动态感知每条子流的网络状态并根据状态特性，将数据包分配到不同的子流上，保证接收端可以按数据包编号顺序，由小到大接收数据包，进而避免了因数据包在接收方缓存区等待而产生的高延迟，保障了链路带宽聚合效果。

实施例二

图4为根据本申请一个实施例提供的一种用于异构网络的多路径传输调度装置的结构图，如图4所示，所述装置包括：

获取模块100，用于获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

第一确定模块200，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

第二确定模块300，用于根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

调度模块400，用于利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

在本公开实施例中，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

在本公开实施例中，如图5所示，所述第一确定模块200，包括：

第一确定单元201，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

计算单元202，用于根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

第二确定单元203，用于根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

第三确定单元204，用于根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

进一步的，所述快速子流的平均有效吞吐率的计算式如下：

式中，

为调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率，

为快速子流的丢包 率，

为快速子流的最小拥塞窗口个数，

为快速子流的平均拥塞的窗口大小，

为快 速子流当前的往返延迟时间。

进一步的，所述快速子流的窗口大小的计算式如下：

式中，

为快速子流的窗口大小值，

为慢速子流当前的往返延迟时间。

在本公开实施例中，如图6所示，所述第二确定模块300，包括：

编号单元301，用于将各数据包按照预设顺序进行编号；

划入单元302，用于按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

第四确定单元303，用于将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

综上所述，本实施例提出的一种用于异构网络的多路径传输调度装置，在网络异构时调度器可动态感知每条子流的网络状态并根据状态特性，将数据包分配到不同的子流上，保证接收端可以按数据包编号顺序，由小到大接收数据包，进而避免了因数据包在接收方缓存区等待而产生的高延迟，保障了链路带宽聚合效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于异构网络的多路径传输调度方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小，包括：

利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述快速子流的平均有效吞吐率的计算式如下：

式中，

为调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率，

为快速子流的丢包率，

为快速子流的最小拥塞窗口个数，

为快速子流的平均拥塞的窗口大小，

为快速 子流当前的往返延迟时间。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述快速子流的窗口大小的计算式如下：

式中，

为快速子流的窗口大小值，

为慢速子流当前的往返延迟时间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包，包括：

将各数据包按照预设顺序进行编号；

按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

7.一种用于异构网络的多路径传输调度装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取待传输的报文和当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流，然后将所述报文划分为多个数据包；

第一确定模块，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定所述快速子流的窗口大小；

第二确定模块，用于根据所述快速子流的窗口大小确定快速子流所需传输的数据包及慢速子流所需传输的数据包；

调度模块，用于利用调度器调度各数据包，并利用所述快速子流或慢速子流对各数据包进行传输。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述当前异构网络的调度器对应的快速子流及慢速子流的获取过程包括：

获取当前异构网络的调度器对应的各子流的往返延迟时间；

将各子流的往返延迟时间进行对比，并将往返延迟时间小的子流作为快速子流，将往返延迟时间大的子流作为慢速子流。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，包括：

第一确定单元，用于利用预先建立的马尔科夫模型确定各子流的平均拥塞的窗口大小；

计算单元，用于根据各数据包中的时间戳字段计算各子流当前的往返延迟时间；

第二确定单元，用于根据各子流的平均拥塞的窗口大小和各子流当前的往返延迟时间确定调度器对应的快速子流的平均有效吞吐率；

第三确定单元，用于根据所述吞吐率确定所述快速子流的窗口大小。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，包括：

编号单元，用于将各数据包按照预设顺序进行编号；

划入单元，用于按照编号从小到大的顺序依次将各数据包划入快速子流的窗口中，直至所述快速子流的窗口划满；

第四确定单元，用于将划入所述快速子流的窗口的数据包作为快速子流所需传输的数据包，将所述多个数据包中剩余的各数据包作为慢速子流所需传输的数据包。

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