CN116232545A - 一种低时延quic协议传输方法及系统 - Google Patents

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CN116232545A CN202310017934.5A CN202310017934A CN116232545A CN 116232545 A CN116232545 A CN 116232545A CN 202310017934 A CN202310017934 A CN 202310017934A CN 116232545 A CN116232545 A CN 116232545A
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李业
陈亮
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种低时延QUIC协议传输方法及系统，本发明传输方法中采用一种主动的基于丢包率估计的前向纠错编码机制，将编码机制称为流编码；在传输过程中所有丢失分组都依赖流编码进行恢复；发送端通过对链路丢包率的估计自适应的调整流编码的目标码率并基于目标码率自动选择是否发送修复分组；在传输过程出现分组丢失时，接收端利用之后接收到的修复分组完成数据恢复；传输方法中采用Westwood+作为QUIC的拥塞控制算法，降低了长时延链路中的端到端有序递送时延，并提高了链路的吞吐量。

Description

一种低时延QUIC协议传输方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种低时延QUIC协议传输方法及系统。
背景技术
近些年随着传统地面网络在吞吐量和用户接入量的爆炸性增长，单纯的地面网络已经无法满足用户在任何时间、任何地点接入高数据速率和可靠的网络接入需求,尤其是在海洋和山脉等地面蜂窝网络难以覆盖的地方。空天地海一体化网络(Space-Air-Ground-Sea Integrated Network,(SAGSIN))是下一代无线通信系统的发展方向。SAGSIN网络是以地面网络为基础，天基网络和空基网络为补充和延申，为包括海洋，天空，深地在内的广域空间范围内提供高效通信的基础设施。
传输层设计是决定SAGSIN端到端应用体验的关键之一。但是目前广泛使用的传输控制协议(TCP)在SAGSIN网络的长距离有损链路上面临挑战。一方面，TCP将网络分组丢失视为拥塞，无线链路中偶尔的随机分组丢失可能导致不必要的CWND下降，降低网络利用率；另一方面，对于长时延链路来说，基于请求重传的分组恢复机制会显著降低连接的端到端分组递送时延，带来队头阻塞问题，从而使传输层递送到应用的有效吞吐量剧烈波动。在流媒体、交互式应用等场景下会严重破坏用户的使用体验。
虽然TCP也产生了很多如Cubic、Hybla、BBR等变种体来解决这些问题，但是由于协议僵化问题，TCP变种体的部署存在困难，难以普及。基于UDP的设计则不存在这些问题，其中典型的就是基于UDP的快速UDP互联网连接(QUIC)。QUIC由谷歌提出并于2021年5月确定规范。由于它可运行于用户空间，QUIC比TCP更容易部署扩展。与传统TCP相比，一方面QUIC省去了TCP的三次握手，降低了网络建立时间，另一方面其还支持流复用，可以防止从单个服务器下载不同对象时的队头阻塞问题。最后由于QUIC对几乎所有的数据和报头进行了加密，中间件不能干扰协议的扩展。
不过由于QUIC仍采用类似TCP的拥塞控制和分组丢失恢复机制，TCP在长距离有损链路中所面临的问题在QUIC上同样存在。针对这些问题，在QUIC中应用FEC可以很好地解决。IETF QUIC工作组定义的QUIC的关键目标之一就是提供FEC支持。Garrido和Michel等人为QUIC协议添加了FEC机制。但是由于其仍然依赖基于请求重传的分组恢复机制来确保协议的可靠性，因此在SAGSIN网络中表现并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种链路带宽利用率高并且端到端有序交付延迟低的QUIC协议传输方法及系统。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案具体为：
一种低时延QUIC协议传输方法，其特征在于，传输方法中采用一种主动的基于丢包率估计的前向纠错编码机制，将该编码机制称为流编码；在传输过程中所有丢失分组都依赖流编码进行恢复；发送端通过对链路丢包率的估计自适应的调整流编码的目标码率并基于目标码率自动选择是否发送修复分组；在传输过程出现分组丢失时，接收端利用之后接收到的修复分组完成数据恢复；传输方法中采用Westwood+作为QUIC的拥塞控制算法。
.优选地，本发明传输方法具体包含以下步骤：
步骤S1、初始化QUIC连接，发送端和接收端分别初始化流编码参数；
步骤S2、将需要发送的数据以字节的形式传递到发送端中；
步骤S3、发送端判断拥塞窗口和流控窗口是否有剩余，如果拥塞窗口或流控窗口没有剩余则重复步骤S3；
步骤S4、当拥塞窗口和流控窗口有剩余时，QUIC发送端生成数据包并进行加密得到QUIC分组；经过加密后的QUIC分组输入到SCEncoder模块中并根据其分组类型做不同的操作；QUIC分组类型包括源分组和不被保护的分组，其中源分组为被流编码保护的分组，其发生丢失时可以进行修复，不被保护的分组发生丢失时不可恢复；对于源分组，SCEncoder模块将其作为字节流并在其开头添加SCheader后传递到UDP发送队列；对于不被保护的分组，SCEncoder模块直接将其传递到UDP发送队列；
步骤S5、发送端基于当前流编码的目标码率选择是否发送修复分组；
步骤S6、将接收端所有接收到的QUIC分组输入SCDecoder模块中；SCDecoder模块会去除接收到的QUIC分组的SCheader并递送到QUIC会话中；若发生QUIC分组丢失则激活SCDecoder模块中的解码器并利用接收到的修复分组进行数据恢复；所有到达的QUIC分组遵循QUIC的默认设置被递送到上层，并向发送端反馈ACK分组；
步骤S7、发送端对ACK分组进行处理，计算往返时间RTT、已确认分组数和链路丢包率；使用Westwood+拥塞控制算法根据已确认分组数和往返时间RTT更新链路拥塞窗口并进行拥塞控制；SCEncoder模块根据链路丢包率调整流编码的目标码率；
步骤S8、重复步骤S4-S7直到数据传输结束。
优选地，在步骤S1中发送端流编码参数包括所请求文件大小、待发送的源分组数、伽罗华域大小、传输分组大小、发送修复分组的频率和随机编码系数种子；接收端流编码参数包括伽罗华域大小，传输分组大小，发送修复分组的频率，随机编码系数种子。若所请求文件大小和待发送的源分组数为0，则表明分组为陆续到达没有确定的大小。
优选地，本发明还提出一种低时延QUIC协议传输系统，其特征在于，该系统包含发送端，接收端，流编码传输单元，拥塞控制单元和损失检测单元；其中：
发送端用于发送分组；分组种类包括：源分组、不被保护的分组、修复分组；源分组为被流编码保护的分组，其在链路中发生丢失时可以修复；不被保护的分组若在链路中丢失无法恢复；修复分组由流编码传输单元中的编码器生成的修复分组，用以恢复丢失的被保护的分组；
接收端用于接收分组并保证分组完整有序地传输到上层，同时接收端还向所述发送端发送ACK分组来表明分组接收情况；ACK分组由一组ACKrange组成，每个ACKrange表征一段接收到的有序分组序号；
流编码传输单元包括SCEncoder模块和SCDecoder模块，SCEncoder模块提供流编码传输的编码功能，包含编码器和自适应FEC码率模块；SCDecoder模块提供流编码传输的译码功能，包含解码器和保存源分组模块；流编码传输单元采用一种基于丢包率的分组级主动式前向纠错代码，通过对链路丢包率的估计自适应地发送修复分组；
拥塞控制单元采用Westwood+拥塞控制算法，通过接收端的反馈信息估计当时传输链路的带宽，并基于此计算拥塞窗口；
损失检测单元利用接收端反馈的ACK分组进行链路丢包率估计。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明中使用流编码提供损失恢复能力，分组发生丢失时激活接收端的SCDecoder，SCDecoder使用接收到的修复分组恢复数据，降低长时延链路中的端到端有序递送时延；
2)本发明中采用Westwood+作为拥塞控制算法，通过对接收端的反馈信息进行处理，估计链路当前的带宽、往返时延与丢包率，能够动态地调整编码码率，解决了随机丢包导致的拥塞窗口频繁下降问题，提高了链路的有效吞吐量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明提供的实施例的方法原理框架图；
图2是本发明提供的实施例中的卫星网络中不同随机损耗下本发明方法、QUIC和rQUIC的吞吐量和延迟比较图。
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。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种低时延QUIC协议传输方法，其特征在于，传输方法采用一种主动的基于丢包率估计的前向纠错(FEC)编码机制，将该编码机制称为流编码；在传输过程中所有丢失分组都依赖流编码进行恢复；发送端通过对链路丢包率的估计自适应FEC流编码的目标码率并基于目标码率自动选择是否发送修复分组；在传输过程出现分组丢失时，接收端利用之后接收到的修复分组完成数据恢复；传输方法中采用Westwood+作为QUIC的拥塞控制算法。
本发明传输方法具体包含以下步骤：
步骤S1、初始化QUIC连接，发送端和接收端分别初始化流编码参数。
步骤S2、将需要发送的数据以字节的形式传递到发送端中。
步骤S3、发送端判断拥塞窗口和流控窗口是否有剩余，如果拥塞窗口或流控窗口没有剩余则重复步骤S3。
步骤S4、当拥塞窗口和流控窗口有剩余时，QUIC发送端生成数据包并进行加密得到QUIC分组；经过加密后的QUIC分组输入到SCEncoder模块中并根据其分组类型做不同的操作；QUIC分组类型包括源分组和不被保护的分组，其中源分组为被流编码保护的分组，其发生丢失时可以进行修复，不被保护的分组发生丢失时不可恢复；对于源分组，SCEncoder模块将其作为字节流并在其开头添加SCheader后传递到UDP发送队列；对于不被保护的分组，SCEncoder模块直接将其传递到UDP发送队列。
步骤S5、发送端基于当前流编码的目标码率选择是否发送修复分组。
步骤S6、将接收端所有接收到的QUIC分组输入SCDecoder模块中；SCDecoder模块会去除接收到的QUIC分组的SCheader并递送到QUIC会话中；若发生QUIC分组丢失则激活SCDecoder模块中的解码器并利用接收到的修复分组进行数据恢复；QUIC会话接收到分组后向发送端反馈ACK分组；
步骤S7、发送端对ACK分组进行处理，计算往返时间RTT、已确认分组数和链路丢包率；使用Westwood+拥塞控制算法根据已确认分组数和往返时间RTT更新链路拥塞窗口并进行拥塞控制；SCEncoder模块根据链路丢包率调整流编码的目标码率；
步骤S8、重复步骤S4-S7直到数据传输结束。
在步骤S1中发送端流编码参数包括所请求文件大小、待发送的源分组数、伽罗华域大小、传输分组大小、发送修复分组的频率和随机编码系数种子；接收端流编码参数包括伽罗华域大小，传输分组大小，发送修复分组的频率，随机编码系数种子。若所请求文件大小和待发送的源分组数为0，则表明分组为陆续到达没有确定的大小。
在步骤S5中，修复分组为已经发送的被保护的分组的线性组合；令iseq表示最近一次发送的未编码的源分组的编号，初始化iseq＝-1，每当发送一个源分组后，iseq加1；修复分组表示为：
Figure BDA0004040632330000051
其中ck为编号为k的修复分组；gk,i为从有限域
Figure BDA0004040632330000052
中随机提取的流编码系数，其中k为修复分组的编号；ws对应目前发送队列中最早的源分组的编号。初始化ws＝0，根据接收端的反馈，从队列中移除已确认接收到的源分组，此时ws进行更新。令we＝iseq，[ws,we]称为当前修复分组的编码窗。
在步骤S6中，进行修复的过程如下：令iord表示最新的有序传输分组编号，初始化iord＝-1，SCDecoder模块中的解码器初始状态为有序状态。如果解码器下一个接收的分组既不是
Figure BDA0004040632330000053
也不是具有we＝iord特性的修复分组，则表示有序传输被中断，其中/>
Figure BDA0004040632330000054
表示编码为iord+1的QUIC分组。之后解码器进入失序状态，此时解码器将缓冲收到的QUIC分组并尝试解码。缓冲分组是无序源分组或者修复分组，即其编号大于iord+1或其中we＞iord+1。令
Figure BDA0004040632330000055
Figure BDA0004040632330000056
为缓冲的修复分组中编码窗口上界的最大编号，/>
Figure BDA0004040632330000057
称为解码器当前的解码窗。随着缓冲的分组增多，窗口会扩展，即/>
Figure BDA0004040632330000058
增长。解码器使用高斯消元法进行解码，即动态构建线性方程组AS＝B并在线执行前向消去，其中A和B的行分别是缓冲的分组的编码系数和编码信息符号，无序源分组看作编码系数只有一个非零元素1的特殊修复分组。当解码成功时，解码窗中的解码出的源分组全部被传输到上层应用，解码器恢复到有序状态，有序传输以/>
Figure BDA0004040632330000059
重新开始。当解码器激活时，后续达到的分组仍会和之前一样被转发到上层。
在步骤S7中，Westwood+拥塞控制算法将整个传输过程划分为一个个采样周期，每当ACK间隔时间达到这个周期时就计算估计当前链路带宽，计算公式如下：
Figure BDA0004040632330000061
其中bk是第k个采样周期的估计带宽，tk-tk-1表示第k个采样周期，dk为第k个采样周期内确认的数据量。使用一个低通滤波器来平均采样测量值，具体方式如下：
Figure BDA0004040632330000062
Figure BDA0004040632330000063
其中bns_est_k是第k个采样周期的中间遍历，表示经过一次平滑后的带宽值，bns_est_k-1表示第k-1个采样周期的中间遍历，
Figure BDA0004040632330000064
为第k个采样周期的平滑估计带宽，/>
Figure BDA0004040632330000065
为第k-1个采样周期的平滑估计带宽；
当分组丢失发生时，Westwood+将拥塞窗口与慢启动门限设置为当前平滑估计带宽与最小RTT的乘积，即：
Figure BDA0004040632330000066
Figure BDA0004040632330000067
其中CWND为拥塞窗口，ssthresh为慢启动门限，RTTMin表示最小RTT的乘积；
之后Westwood+进入慢启动状态。SCEncoder根据链路丢包率调整流编码的目标码率，丢包率为已发送的丢失分组数与确认分组数之商，公式如下：
Figure BDA0004040632330000068
其中
Figure BDA0004040632330000069
为丢包率，tn为第n个ACK到达发送端时的时间，/>
Figure BDA00040406323300000610
是在tn时刻所确认的最大源分组的序号，/>
Figure BDA00040406323300000611
是在tn时刻所跳过的分组序号的数目。/>
Figure BDA00040406323300000612
即在tn时刻所发送的源分组的总数目。/>
Figure BDA00040406323300000613
是在tn时刻QUIC判断丢失的分组的总数目。采用一个平滑滤波器对其所述丢包率进行平滑处理，公式如下：
Figure BDA00040406323300000614
其中
Figure BDA0004040632330000071
表示tn时刻的平滑丢包率，/>
Figure BDA0004040632330000072
表示tn-1时刻的平滑丢包率，α表示滤波器系数，本实施例中α＝0.9。
是否发送修复分组由当前链路丢包率决定。若当前修复插入频率低于
Figure BDA0004040632330000073
时，则将发送修复包，即：
Figure BDA0004040632330000074
其中
Figure BDA0004040632330000075
和/>
Figure BDA0004040632330000076
分别是当前时间tc所述发送端所发送的源分组和修复分组的数量，/>
Figure BDA0004040632330000077
为当前时间tc的平滑丢包率，δ∈(0，1)。/>
本发明中提出的一种低时延QUIC协议传输系统包含发送端、接收端、流编码传输单元、拥塞控制单元和损失检测单元；其中：
发送端用于发送分组；分组种类包括：被保护的分组、不被保护的分组、修复分组；不被保护的分组若在链路中丢失则无法恢复；修复分组由流编码传输单元的编码器生成的修复分组，用以恢复丢失的被保护的分组；
接收端用于接收分组并保证分组完整有序地传输到上层，同时接收端还向所述发送端发送ACK分组来表明分组接收情况；ACK分组由一组ACK range组成，每个ACK range表征一段接收到的有序分组序号；
流编码传输单元包括SCEncoder模块和SCDecoder模块，SCEncoder模块提供流编码传输的编码功能，包含编码器和自适应FEC码率模块；SCDecoder模块提供流编码传输的译码功能，包含解码器和保存源分组模块；流编码传输单元采用一种基于丢包率的分组级主动式前向纠错代码，通过对链路丢包率的估计自适应地发送修复分组；
拥塞控制单元采用Westwood+拥塞控制算法，通过接收端的反馈信息估计当时传输链路的带宽，并基于此计算拥塞窗口；
损失检测单元利用接收端反馈的ACK分组进行链路丢包率估计。
该实施例中在Mininet中进行了测试，将本发明方法与QUIC和rQUIC等方案在卫星网络中进行了比较，结果如图2所示，其中SC表示本发明方法。对于每种协议类型，采取点对点的方式分别传输2500和25000个分组，每个分组大小为1400字节以模拟传输小文件和大文件时的情况。结果表明，本发明方法在链路有损的情况下可以取得更低的时延，与传统QUIC和rQUIC协议相比可以取得更高的吞吐量。
需要说明的是，本发明实施例系统的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果，因此不做赘述。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低时延QUIC协议传输方法，其特征在于，所述传输方法采用一种主动的基于丢包率估计的前向纠错编码机制，将所述编码机制称为流编码；在传输过程中所有丢失分组都依赖所述流编码进行恢复；发送端通过对链路丢包率的估计自适应的调整所述流编码的目标码率并基于目标码率自动选择是否发送修复分组；在传输过程出现分组丢失时，接收端利用之后接收到的修复分组完成数据恢复；传输方法中采用Westwood+作为QUIC的拥塞控制算法。
2.根据权利要求1所述的低时延QUIC协议传输方法，其特征在于，传输方法具体包含以下步骤：
步骤S1、初始化QUIC连接，发送端和接收端分别初始化流编码参数；
步骤S2、将需要发送的数据以字节的形式传递到发送端中；
步骤S3、发送端判断拥塞窗口和流控窗口是否有剩余，如果拥塞窗口或流控窗口没有剩余则重复步骤S3；
步骤S4、当拥塞窗口和流控窗口有剩余时，QUIC发送端生成数据包并进行加密得到QUIC分组；经过加密后的QUIC分组输入到SCEncoder模块中并根据其分组类型做不同的操作；所述QUIC分组类型包括源分组和不被保护的分组，其中所述源分组为被流编码保护的分组，其发生丢失时可以进行修复，所述不被保护的分组发生丢失时不可恢复；对于源分组，SCEncoder模块将其作为字节流并在其开头添加SCheader后传递到UDP发送队列；对于不被保护的分组，SCEncoder模块直接将其传递到UDP发送队列；
步骤S5、发送端基于当前流编码的目标码率选择是否发送修复分组；
步骤S6、将接收端所有接收到的QUIC分组输入SCDecoder模块中；SCDecoder模块会去除接收到的QUIC分组的SCheader并递送到QUIC会话中；若发生QUIC分组丢失则激活SCDecoder模块中的解码器并利用接收到的修复分组进行数据恢复；所有到达的QUIC分组遵循QUIC的默认设置被递送到上层，并向发送端反馈ACK分组；
步骤S7、发送端对ACK分组进行处理，计算往返时间RTT、已确认分组数和链路丢包率；使用Westwood+拥塞控制算法根据所述已确认分组数和往返时间RTT更新链路拥塞窗口并进行拥塞控制；SCEncoder模块根据所述链路丢包率调整流编码的目标码率；
步骤S8、重复步骤S4-S7直到数据传输结束。
3.根据权利要求2所述的低时延QUIC协议传输方法，其特征在于，在步骤S1中所述发送端流编码参数包括所请求文件大小、待发送的源分组数、伽罗华域大小、传输分组大小、发送修复分组的频率和随机编码系数种子；所述接收端流编码参数包括伽罗华域大小，传输分组大小，发送修复分组的频率，随机编码系数种子；若所述所请求文件大小和待发送的源分组数为0，则表明分组为陆续到达没有确定的大小。
4.一种低时延QUIC协议传输系统，其特征在于，该系统包含发送端，接收端，流编码传输单元，拥塞控制单元和损失检测单元；其中：
所述发送端用于发送分组；所述分组种类包括：源分组、不被保护的分组、修复分组；所述源分组为被流编码保护的分组，其在链路中发生丢失时可以修复；所述不被保护的分组若在链路中丢失无法恢复；所述修复分组由所述流编码传输单元中的编码器生成的修复分组，用以恢复丢失的被保护的分组；
所述接收端用于接收分组并保证分组完整有序地传输到上层，同时接收端还向所述发送端发送ACK分组来表明分组接收情况；所述ACK分组由一组ACKrange组成，每个ACK range表征一段接收到的有序分组序号；
所述流编码传输单元包括SCEncoder模块和SCDecoder模块，所述SCEncoder模块提供流编码传输的编码功能，包含编码器和自适应FEC码率模块；所述SCDecoder模块提供流编码传输的译码功能，包含解码器和保存源分组模块；流编码传输单元采用一种基于丢包率的分组级主动式前向纠错代码，通过对链路丢包率的估计自适应地发送修复分组；
所述拥塞控制单元采用Westwood+拥塞控制算法，通过所述接收端的反馈信息估计当时传输链路的带宽，并基于此计算拥塞窗口；
所述损失检测单元利用所述接收端反馈的ACK分组进行链路丢包率估计。
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