CN1520104B - 提高tcp在异构网络中传输性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及互联网流量和拥塞控制技术领域，它的目的是为了提高TCP在异构网络中的传输性能。它通过通知报文方式让TCP发送端能够区别数据包丢失的原因，基站一旦检测到数据包在无线链路上丢失(即发送失败)便向接收节点发送一个通知报文，接收节点根据一定的策略确定发生丢包的TCP连接并在适当的时候将丢包情况告诉TCP发送端，TCP发送端据此得知丢包是因无线链路的误码引起，因此增大数据包的发送速率。该方法的主要优点是它不需要网络中间节点掌握数据包的TCP报头信息，因此适用于数据流被加密的通信。
Description
技术领域
本发明涉及互联网流量和拥塞控制技术领域，特别是一种提高传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)在异构网络中传输性能的方法。
背景技术
随着笔记本电脑的广泛使用以及无线技术的不断进步，无线网络将在下一代通信系统扮演一个十分重要的角色。TCP是在当前互联网普通使用的面向连接的可靠传输协议，目前它正逐步向无线网络扩展。
TCP本身具有的拥塞避免和控制算法使得它在丢包原因以拥塞为主的有线网络中具有良好的传输性能。TCP连接有两个重要参数，拥塞窗口和慢启动阈值。TCP发送端每收到一个新的确认包就增大拥塞窗口，慢启动阈值则用来控制拥塞窗口增大的速度。TCP已发送但还未得到确认的数据包个数不能大于拥塞窗口和接收窗口的较小值。当TCP接收端收到重复确认包或计时器超时后认为网络发生拥塞，这时它将慢启动阈值设为拥塞窗口的一半，并将拥塞窗口设为1，然后进入慢启动阶段，同时增大重传计时器值。拥塞避免和控制算法减轻了中间路由器的负担，因此有效的控制了有线网络上的拥塞。但是在由有线网络和无线网络组成的异构网络中，丢包往往是由于无线链路的突发误码引起的，这种情况下TCP发送端调用拥塞算法是没有必要的，它错误的降低了拥塞窗口大小，从而导致了端到端性能的急剧下降。
不少学者提出了许多用于提高异构网络中TCP传输性能的方法。很多这些方法都要求中间节点(如基站)有能力获得TCP报头的信息。这些方法我们称之为TCP-aware。它能有效的提高异构网络TCP的传输性能，但是这类方法不适用于数据流被加密的情况。IPv6协议标准明确要求支持IPsec，所以TCP-aware也不适用于IPv6互联网。另外也有学者提出链路层重传机制，它在一定程度上能降低无线链路的高误码率对TCP传输性能的影响，但效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高TCP在异构网络中传输性能的方法。
发明的技术方案
一种提高TCP在异构网络中传输性能的方法，其特征在于，通过通知报文方式让TCP发送端能够区别数据包丢失的原因，也就是数据包的丢失是因拥塞引起，还是无线链路的误码引起，如果是拥塞引起丢包，TCP就采用正常的拥塞控制机制，如果是无线链路的误码引起丢包，TCP就取消这种拥塞控制机制。
基站一旦发现数据包在无线链路上传送失败，将向数据包的接收节点发送一个通知报文，以告诉接收节点它和发送节点之间的某条TCP连接在无线链路上丢了数据包，通知报文是一个自行定义的数据包，它只包含丢失数据包的IP头部，不含丢失数据包的TCP头部。
由数据包的接收节点根据通知报文的数目和TCP连接的丢包次序和丢包个数来确定在无线链路上发生丢包的TCP连接。
被确认在无线链路上丢包的TCP连接收到重传的数据包后向TCP发送端发送一个丢失识别报文以告知重传的数据包不是因为拥塞原因而丢失的，丢失识别报文是一个定义并设置了标志位的TCP确认报文。
TCP发送端收到来自接收端的丢失识别报文后将拥塞窗口设为重传数据包之前的值，也就是两倍慢启动阈值的大小。
在此提出了一种新的不需要网络中间节点掌握TCP信息的方法。
附图说明
附图1是本发明提高TCP在异构网络中传输性能的方法之流程图；
图1中的①-⑧情况分别说明如下：
为描述方便，假设发出数据包的节点是位于有线网络的一个固定主机FH，接收数据包的节点是一个移动主机MH，基站BS和移动主机MH之间的无线链路是整个连接的最后一跳，这种假设代表了真实环境中的最普通的情况，如图1的(①)所示。
在我们提出的方法中，BS一旦检测到数据包在无线链路上丢失(即发送失败)，它向MH发送一个”丢包通知”报文，”丢包通知”是一个自行定义的数据包，他只包含丢失数据包的IP头部，不含丢失数据包的TCP头部(我们假设数据流被加密，所以BS无法获得TCP头部)。这样，”丢包通知”报文没有表明丢失的数据包属于FH和MH之间的那条TCP连接，MH收到”丢包通知”报文后将根据他正在运行的各个TCP连接丢包的次序和个数确定哪条TCP连接在无线链路上发生了丢包，并在该TCP连接的发送端降低拥塞窗口之后把无线链路上的丢包情况告诉它，TCP发送端收到这一情况后调节拥塞窗口到原来的值，也就是两倍慢启动阈值的大小。
一种提高TCP在异构网络中传输性能的方法，步骤过程如图所示，描述如下：
1)基站BS每检测到数据包在无线链路上丢失(如图1的(②))时，就向移动主机MH发送一个”丢包通知”报文，如图1的(③)；
2)移动主机MH为固定主机FH和移动主机MH的所有TCP连接维护一个计数器C，移动主机MH每收到一个”丢包通知”报文，计数器C的值增加1，如图1的(④)；
3)如果计数器C的值大于等于1，那么所有FH和MH之间的TCP连接，除了那些处于“等待重传”状态的连接，都将进入“可能丢失”状态。TCP连接处于“可能丢失”状态意味着该连接的数据包有可能在无线链路丢失，如图1的(④)；
4)处于“可能丢失”状态的TCP连接，如果接收到乱序的数据包，并根据序列号推断出来的丢包个数L小于等于计数器C的值，则表明数据包是在无线链路上丢失的，然后进入“等待重传”状态；同时C的值减小L，若C值减小L后为0，则处于“可能丢失”状态的TCP连接推出该状态。处于“等待重传”状态的TCP连接被认为在无线链路上发生了丢包，如图(⑤)；
5)处于“等待重传”状态的TCP连接收到了发送端重传的数据包后，它往回发送一个”误码丢包”报文告诉TCP发送端它所重传的数据包是因无线链路的误码而丢失的。”误码丢包”报文是一个定义并设置了标志位的TCP确认报文，如图(⑥⑦)；
6)TCP发送者接收到”误码丢包”报文后将拥塞窗口设为重传数据包之前的值(也就是两倍的慢启动阈值)，如图(⑧)。
一个例子是固定主机FH(TCP发送端)和移动主机MH(TCP接收端)之间有两条TCP连接，我们设为TCP1和TCP2。假设某个时刻TCP1在无线链路上丢了一个数据包，于是基站BS向MH发送一个”丢包通知”报文，MH的计数器C值变为1，TCP1和TCP2都进入“可能丢失”状态。随后TCP1接收端收到了一个乱序的数据包，由此判断自己丢了数据包，并根据TCP头部的序列号得知丢包个数L等于1。因为L值等于C值，所以TCP1进入“等待重传”状态。C值减小L，变为0，TCP2退出“可能丢失”状态。接着等TCP1接收端收到FH重传过来的数据包后它往回发送一个确认包，该确认包的TCP头部定义了一个标志位并置为1。等TCP1发送端收到这个标志位置1的确认包后它调节拥塞窗口大小为慢启动阈值的两倍，这就增大了发送速率，从而纠正了TCP拥塞控制机制因无线链路上的丢包而降低TCP发送速率的不适当行为。因此采用这种方法可以大幅度提高TCP的传输性能。倘若TCP2在有线网络中因拥塞丢失了一个数据包，等TCP2接收端收到乱序数据包从而判断自己丢包时，TCP2并不处于“可能丢失”状态，况且C值为0，而TCP2的丢包个数L值为1，大于C值，所以它不会认为丢包是在无线链路上发生的，因此也不会向TCP2发送端发送一个相应标志位置1的确认包，TCP2发送端将按照正常的拥塞控制机制对丢包做出反应，即降低传输速率。
通过这种方法，TCP发送端可以区分数据包丢失的原因，这就可以避免不必要的因无线链路的误码丢包而降低数据包的发送速率。这种方法能有效的提高TCP在异构网络中的传输性能，并且它不要求网络中间节点如BS必须掌握数据包的TCP头部信息，因此在数据流被加密情况下该方法仍是有效的。另外，它不需要中间节点如BS维护信息，由此带来的好处是一方面中间节点不需要增加额外的负荷，另一方面使得实现相对简单。而且，这种方法同样适用于无线链路不是TCP连接最后一跳的情况。
本发明的方法的主要优点是它不需要网络中间节点掌握数据包的TCP报头信息，因此适用于数据流被加密的通信。
Claims (6)
1.一种提高TCP在异构网络中传输性能的方法，其特征在于，通过通知报文方式让TCP发送端能够区别数据包丢失的原因，也就是数据包的丢失是因拥塞引起，还是无线链路的误码引起，如果是拥塞引起丢包，TCP发送端就采用正常的拥塞控制机制，如果是无线链路的误码引起丢包，TCP发送端将拥塞窗口设为重传数据包之前的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站一旦发现数据包在无线链路上传送失败，将向数据包的接收节点发送一个通知报文，以告诉接收节点它和发送节点之间的某条TCP连接在无线链路上丢了数据包，通知报文是一个自行定义的数据包，它只包含丢失数据包的IP头部，不含丢失数据包的TCP头部。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由数据包的接收节点根据通知报文的数目和TCP连接的丢包次序和丢包个数来确定在无线链路上发生丢包的TCP连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被确认在无线链路上丢包的TCP连接收到重传的数据包后向TCP发送端发送一个丢失识别报文以告知重传的数据包不是因为拥塞原因而丢失的，丢失识别报文是一个定义并设置了标志位的TCP确认报文。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重传数据包之前的值，是两倍慢启动阈值的大小。
6.一种提高TCP在异构网络中传输性能的方法，具体步骤过程描述如下：
1)基站BS每检测到数据包在无线链路上丢失时，就向移动主机MH
发送一个”丢包通知”报文；
2)移动主机MH为固定主机FH和移动主机MH的所有TCP连接维护一个计数器C，移动主机MH每收到一个”丢包通知”报文，计数器C的值增加1；
3)如果计数器C的值大于等于1，那么所有FH和MH之间的TCP连接，除了那些处于“等待重传”状态的连接，都将进入“可能丢失”状态，TCP连接处于“可能丢失”状态意味着该连接的数据包有可能在无线链路丢失；
4)处于“可能丢失”状态的TCP连接，如果接收到乱序的数据包，并根据序列号推断出来的丢包个数L小于等于计数器C的值，则表明数据包是在无线链路上丢失的，然后进入“等待重传”状态；同时C的值减小L，若C值减小L后为0，则处于“可能丢失”状态的TCP连接退出该状态，处于“等待重传”状态的TCP连接被认为在无线链路上发生了丢包；
5)处于“等待重传”状态的TCP连接收到了发送端重传的数据包后，它往回发送一个”误码丢包”报文告诉TCP发送端它所重传的数据包是因无线链路的误码而丢失的，”误码丢包”报文是一个定义并设置了标志位的TCP确认报文；
6)TCP发送者接收到”误码丢包”报文后将拥塞窗口设为重传数据包之前的值，也就是两倍的慢启动阈值。
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