CN1610352A - 移动专用网络中调整传输速度以获得最佳传输速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种在移动专用网络环境下调整传输控制协议(TCP)中的传输速度的方法，所述方法包括以下步骤：计算当前传输速度(cur_bw)与先前传输速度(base_bw)之间的差值(Diff)，通过计算先前传输速度的标准变化(basebw_var)来设定上阈值和下阈值，以及根据Diff的比较结果和所述上阈值和下阈值的大小将先前传输速度更新为当前传输速度。

Description

移动专用网络中调整传输速度以获得最佳传输速度的方法

本申请要求于2003年10月18日提交给韩国知识产权局的申请号为10-2003-0072784的韩国专利申请的优先权，在此引用其公开文本作为参考。

技术领域

本发明大致涉及一种在专用网络环境中调整传输速度以获得最佳传输速度的方法，尤其涉及一种调整传输速度以获得适用于专用网络环境的最佳传输速度的方法，其中通过计算当前传输速度(cur_bw)与先前传输速度(base_bw)之间的差值(Diff)以及所述先前传输速度的标准变化(basebw_var)来设定上阈值和下阈值，其中根据Diff与上阈值和下阈值的大小之间的比较结果，拥挤窗口(congestion window)(在下文中称为“cwnd”)增加或减少，然后将先前传输速度更新为当前传输速度。

背景技术

这有一些相关技术资料。公开号为10-2001-0058119的未审查韩国专利涉及一种控制传输控制协议(TCP)Vegas的方法，通过考虑拥挤窗口(CWND)的指数增长和减少以及CWND的线性增长和减少来提高TCP Vegas的收敛速度(convergence speed)，而最终增强TCP性能。

公开号为10-2003-0044465的未审查韩国专利涉及一种通过使用传输控制协议(TCP)Vegas来控制TCP的拥挤的方法，从而减少了网络的突然拥挤，并且通过将x¹和x²与α和β相加而能以一种有效方式来使用网络。

公开号为2002-0154602的未审查美国实用新型专利涉及一种经由无线链接来提高TCP性能的方法，而公开号为11-177618的未审查日本专利涉及一种控制拥挤以获得根据Reno算法的频带与根据其它算法的频带之间的频带保留公平的方法，所述频带在其通过使用选择确认(SACK)来改变CWND的减速比(reduction rate)的相同网络中彼此互相混合。

移动专用网络(在下文中称为“MANET”)环境是指一种网络环境，其中当需要时可动态地构造网络而不必基于移动终端构造任何固定的基础设施。图1是图解专用网络系统的概念的视图。在采用IEEE802.11的MANET中，所有的节点都共享一个通信信道。因此，在相同通信区域内的所有的节点通过相同的信道进行通信，从而在传输期间数据很可能发生冲突或丢失。而且，由于无线网络的固有特征，链路层上的传输可靠性将急剧恶化。发送器将分组发送给接收器，而接收器将响应所接收的分组的确认(ACK)-响应分组发送给发送器。由于ACK-响应分组包含关于在那时所接收的后续分组的顺序号的最大值的信息，所以甚至当部分ACK-响应分组丢失时，发送器所发送的数据量也不会减少。

传输控制协议(TCP)处于传输控制协议/网际协议(TCP/IP)结构之中的传输层中，并且主要作用于控制数据的流量和误差。如果通过应用程序将要被传输的数据保存在缓冲器中，则通过TCP仅传输相当于窗口大小的数据。这时，根据目的主机或网络的拥挤来确定窗口大小，并且窗口大小可能增加或减少。通过使用窗口这个概念，可以最大化无线链接的利用率。

在传统的TCP拥挤控制算法中，由于在第一阶段中的传输速度的简单指数增长，所以就会突然发生拥挤，而由于在拥挤状态中传输速度无条件减少一半，所以网络就不是那么有效率。

图2A是示出根据传统技术的TCP-Reno版本中的传输速度的变化的图，而图2B是示出根据传统技术的TCP-Vegas版本中的传输速度的变化的图表。在传统TCP中，通过两个阶段来执行传输速度的调整。

第一阶段称为缓慢起动阶段(slow start phase)，在此期间探查任何可供使用的带宽(参见图2A)。通过高速增加要传输的数据量来监测网络的状态，直至探测到任何可用带宽。如果数据量在不断增长时超过预先所定义的缓慢起动阈值(ssthreshold)，这个阶段则进入了一个控制要传输的数据量的阶段(根据网络的状态，称为拥挤回避阶段(congestion avoidance phase))，在这个阶段中，传输的数据量缓慢增加。

在缓慢起动阶段中，先前拥挤窗口(cwnd)每个往返时间(在下文中称为“RTT”)增加两倍，即所述往返时间为在数据的往返传输中所消耗的时间。同时，cwnd增加，从而在拥挤回避阶段中，在每RTT中除了发送一个分组之外还发送数据。

在TCP-Vegas版本中，根据RTT来计算可供使用的最大带宽和当前使用的带宽。如果当前使用的带宽远远小于可供使用的最大带宽，则TCP通过增加传输速度来争取最大限度地使用带宽。如果当前使用的带宽接近最大带宽，则TCP通过减小传输速度来争取在网络中将分组保持得尽可能小。这在图2B中示出。

但是，仅当由于将超过可供传输的数据量的额外数据不可避免地传输给网络而出现分组丢失时，这种传统的传输方法才控制传输速度，从而将给网络带来很大的负荷。尤其是按照专用网络的特性，可供传输的数据量会基于环境而发生很大的改变，并不同于有线网络。链路层具有避免冲突的技术和用于再传输的机制，因此连续地增加传输速度直到发生分组丢失，将给整个网络带来很大的负荷，并且导致TCP的连续超时。这个操作将导致网络资源的急剧恶化效应。

图3是示出按照传输失败分组的数目，根据传统技术的TCP-Reno版本和TCP-Vegas版本之间的比较的图表。诸如TCP-Vegas版本等的传输速度控制方法在专用网络中是十分具有优势的。但是，从图3所示的图表中可以了解，在网络中所丢弃的分组的数目上，TCP-Vegas与TCP-Reno版本并无太大差别。

由于网络资源已被使用却在传输中失败，所以网络资源并没有得到有效的使用。而且，传输失败会导致其它对话传输被阻塞。如果在专用网络中存在任何背景业务，则上述的问题将进一步恶化。就TCP-Vegas版本来说，由于在RTT中测量直至ACK分组到达的时间，所以将ACK分组的生成保持在现有的有线网络中的水平，因此，相对于其实际需要，将过度使用无线网络资源。而且，在该基础上控制传输的数据量，并且改正这个错误是不合理的。

发明内容

本发明旨在解决上述问题。本发明的一方面是提供一种TCP控制方法，其通过修改控制TCP中要传输的数据量的传统方法来最大化使用TCP的网络资源，并通过采用减少冲突的方法来获得在移动专用网络中的最佳传输速度。

根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种在移动专用网络环境下调整传输控制协议(TCP)中的传输速度的方法，所述方法包括以下步骤：计算当前传输速度(cur_bw)与先前传输速度(base_bw)之间的差值(Diff)，通过计算先前传输速度的标准变化(basebw_var)来设定上阈值和下阈值，以及根据Diff的比较结果以及上阈值和下阈值的大小将先前传输速度更新为当前传输速度。

可根据 $\mathrm{base}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{baseRTT}}$ 来计算先前传输速度，可以根据 $\mathrm{cur}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{curRTT}}$ 来计算当前传输速度，并且根据Diff＝cur_bw-base_bw来计算所述差值(Diff)，其中cwnd表示拥挤窗口，baseRTT表示在先前所测量的数据的往返传输中所消耗的时间，以及curRTT表示在当前所测量的数据的往返传输中所消耗的时间。

可以根据 $(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})=\sqrt{(1-\mathrm{\α})\·{(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})}_{\mathrm{before}}^2+\mathrm{\α}\·{\left(\mathrm{Diff}\right)}^2}$ 来计算所述先前传输速度的所述标准变化，其中α是一个表示加权值的平均值的参数，而(basebw_var)_before对应于先前时间值的标准变化。

最好在更新步骤中，当Diff为正时，Diff则与上阈值比较大小，而当Diff为负时，Diff则与下阈值比较大小，此后，将先前传输速度更新为当前传输速度。

并且在更新步骤中，当Diff为正并且大于上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将先前传输速度更新为当前传输速度；而当Diff为负并且大于下阈值时，则拥挤窗口不变，并且将先前传输速度更新为当前传输速度。

最好在设定步骤中，将上阈值和下阈值设定为±k*basebw_var，其中k是值为1或大于1的常数，此时在更新步骤中，当Diff为正并且大于上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将先前传输速度更新为当前传输速度；而当Diff为负并且小于下阈值时，则拥挤窗口减少，然后将先前传输速度更新为当前传输速度。

更新步骤进一步包括以下步骤：当所述拥挤窗口小于缓慢起动阈值时，将拥挤窗口自适应地调整到缓慢起动阈值。

附图说明

从以下结合附图所给出的优选实施例的描述中，本发明的上述和其它目的以及优势将变得更加明白，其中

图1是图解移动专用网络系统的概念的示意图；

图2A是图解根据传统技术的TCP-Reno版本中传输速度变化的示意图；

图2B是图解根据传统技术的TCP-Vegas版本中的传输速度变化的示例性图；

图3是示出在传输失败分组的数目上、根据传统技术的TCP-Reno版本与TCP-Vegas版本之间的比较的图；

图4是示出当前吞吐量和最大吞吐量的比较的图；

图5是图解根据本发明一方面的、一种在移动专用网络环境中控制传输以获得移动最佳传输速度的方法的流程图；

图6是图解根据本发明另一方面的、一种在移动专用网络环境中控制传输以获得最佳传输速度的方法的流程图；

图7A和7B是图解根据本发明的一方面的吞吐量与根据传统TCP-Reno版本和TCP-Vegas版本的吞吐量的比较的图；以及

图8A和8B是图解在本发明的一个方面中所丢失的分组的数目与在传统TCP-Reno版本和TCP-Vegas版本中所丢失的分组的数目的比较的图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述在移动专用网络中获得最佳传输速度的控制传输方法。

在图4中，将当前吞吐量与最大吞吐量相比较。如图所示，可以知道由于最大吞吐量40随着时间变化而在专用网络中急剧变化，并且通过与当前吞吐量42的比较可以估计网络的状态变化，所以可以在TCP发送器方控制传输速度。因此可以理解的是，控制当前吞吐量42的方法十分重要。

图5是图解根据本发明一方面的、一种在移动专用网络环境中获得最佳传输速度的控制传输方法的流程图，并且图6是图解根据本发明另一方面的、一种在移动专用网络环境中获得最佳传输速度的控制传输方法的流程图。

TCP发送器每次并不发送一个分组，而是仅发送相当于网络能够传输的数量的分组，这是受拥挤窗口(cwnd)控制的。

分两个阶段来进行传输。最初，开始缓慢起动阶段以进行传输，其目的在于探测适合网络的任何带宽。当RTT所传输的数据量超过预定阈值(ssthresh)时，传输则进入拥挤回避阶段以控制cwnd，从而根据网络的状态探测在其中生成小拥挤的状态。图5描述了最初的缓慢起动阶段，而图6描述拥挤回避阶段。

已经接收到新ACK的TCP发送器确定当前传输速度为 $\mathrm{cur}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{curRTT}},$ 其中curRTT表示在当前数据往返传输中所消耗的时间。计算先前传输速度为 $\mathrm{base}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{baseRTT}},$ 先前传输速度为可在第一分组交换时间使用的带宽的初始值，其中baseRTT表示在先前数据往返传输中所消耗的时间。在设定了传输速度(base_bw)的初始值之后，不断地更新当前传输速度(cur_bw)，并且仅当需要更新base_bw时，将base_bw设定为当前传输速度(cur_bw)。然后，在图5和6的S500和S600中分别计算当前传输速度(cur_bw)与传输速度的初始值(base_bw)之间的差值Diff。通过从cur_bw中减去base_bw来获得DIFF，从而用于识别当前网络的状态。在每个分组交换时计算DIFF的值；但是，由于在很多情况下RTT的值并没有改变，所以当更新RTT时会出现其实际改变。

在获得关于网络的当前状态的信息之后，可以在各个缓慢起动和拥挤回避步骤中进行的步骤减少在网络上的负荷和使用，以下将描述最大带宽。

设定两个阈值以确定在缓慢起动和拥挤回避阶段中的状态改变。通过计算base_bw的标准变化，将正标准变化值设为上阈值，并且将负标准变化值设为下阈值S502和S602。

基本上需要大量数据来获得标准变化。当前传输速度作为用于上述目的的数据。当当前传输速度连续改变时，则必须计算每个分组的新的标准变化。因此，用于计算标准变化的值的开销会极大地增加。所以，最好通过采用以下近似值： $(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})=\sqrt{(1-\mathrm{\α})\·{(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})}_{\mathrm{before}}^2+\mathrm{\α}\·{\left(\mathrm{Diff}\right)}^2}$ 来替换实际获得的标准变化，其中α是一个表示加权值的平均值的参数，而(basebw_var)_before对应于先前时间值的标准变化。使用它们的原因是为了解决一些由于需要根据事物的状态而调整在现有TCP-Vegas版本中的α和β的值而引起的问题。

首先考虑缓慢起动阶段，先设定上阈值和下阈值S502，并确定Diff是否具有正值S504。当Diff的值为正时，则与上阈值比较大小S506。如果Diff大于上阈值，则意味着传输的当前状态是好的，从而cwnd增加S508。然后，将先前传输速度(base_bw)更新为当前传输速度(cur_bw)S510。如果Diff并不比上阈值大，则cwnd不改变，并且将先前传输速度(base_bw)直接更新为当前传输速度(cur_bw)S510。

如果Diff的值不为正，则确定所述值为负S512。如果Diff为负，则意味着相对于传输的先前状态，传输的当前状态并不好，从而将Diff与下阈值比较大小S514。如果Diff的值大于下阈值，则cwnd不改变，并且将先前传输速度(base_bw)直接更新为当前传输速度(cur_bw)S510。如果Diff的值并不比下阈值大，或者Diff为零(0)，则不更新传输速度，并且确定是否结束传输S516。如果需要继续传输，则保持当前传输速度S518。此后，步骤又返回至初始步骤S500来计算Diff的值S500。

将先前传输速度(base_bw)更新为当前传输速度(cur_bw)是非常重要的，因为缓慢起动阶段是探测任何适当的base_bw的过程，从而在缓慢起动阶段所设定的base_bw值被用作确定拥挤回避阶段中网络的拥挤状态的参考。

在缓慢起动阶段中，如果当前Diff值在上阈值和下阈值的范围内移动，则更新base_bw而不用改变cwnd值。特别是仅当Diff为正并且大于上阈值时，cwnd值增加，然后更新base_bw以提高网络资源的利用。

在缓慢起动阶段中，将上阈值设定为+basebw_var，并且将下阈值设定为-basebw_var。但是，在拥挤回避阶段，可以通过将它们乘以k来设定上阈值和下阈值，即，±k*basebw_var(其中k是值为1或大于1的常数)，从而减少要传输的数据量的增加/减少范围。图6中的实施例描述了当k为1时的情况。

考虑拥挤回避阶段，计算Diff值S600，并且如在缓慢起动阶段一样在步骤S602中设定上阈值和下阈值。

确定Diff值是否为正S604。如果确定Diff值为正，则与上阈值比较大小S606。如果Diff值大于上阈值，则意味着当前传输状态是好的，从而增加cwnd值S608。此后，将先前传输速度(base_bw)更新为当前传输速度(cur_bw)S610。如果Diff值并不比上阈值大，则将先前传输速度(base_bw)直接更新为当前传输速度(cur_bw)而不用改变CWND值S610。

如果Diff的值不为正，则确定所述值是否为负S612。如果Diff为负，则意味着相对于传输的先前状态，传输的当前状态并不好，从而将Diff与下阈值比较大小S614。如果Diff的值小于下阈值，则意味着当前传输状态非常坏，因此要减少cwnd值S616。然后更新传输速度S610。但是，当Diff并不小于下阈值时，则直接更新传输速度而不用改变cwnd值S610。

在经过更新步骤之后，确定cwnd值是否减少到缓慢起动阈值之下S618。如果Diff值即非正亦非负，而只是零(0)，则确定cwnd值是否减少到缓慢起动阈值之下S618。

如果cwnd值小于缓慢起动阈值，则表示还剩余大量可供发送分组的空间。因此，在将cwnd值修改成缓慢起动阈值之后S620，确定是否结束传输S622。即使cwnd值不小于缓慢起动阈值，也要确定是否结束传输S622。此后，如果需要继续传输，则步骤返回只初始步骤S600。

在拥挤回避阶段中，仅当Diff值超过从上阈值到下阈值的范围时，则自适应地调节cwnd大小以调整传输速度，从而避免网络超载。

图7A和7B是图解根据本发明一方面的吞吐量与根据传统TCP-Reno和TCP-Vegas版本的吞吐量的比较的图。图7A示出了当不存在背景业务时的比较，而图7B示出了当存在背景业务时的比较。鉴于根据本发明的模拟，本发明中的吞吐量高于传统TCP-Reno和TCP-Vegas版本中的吞吐量，而与背景业务的存在无关。

图8A和8B是图解在本发明一方面中所丢失的分组的数目与在传统TCP-Reno和TCP-Vegas版本中所丢失的分组的数目的比较的图。同样，图8A示出了当不存在背景业务时的比较，图8B示出了存在背景业务时的比较。鉴于根据本发明的模拟，在本发明中所丢失的分组的数据少于在传统TCP-Reno和TCP-Vegas版本中所丢失的分组的数目，而与背景业务的存在无关。

根据本发明，尽管传输速度增加或减小，但cwnd值并不直接改变。如果Diff值存在于通常所生成的变化值的范围内，则将先前传输速度更新为当前传输速度，而不用改变cwnd，从而改善传输状态。

如上所述，已经提供了一种在当前网络状态中获得最佳传输速度的方法。通过使用所述方法，可以估算保持根据如图4所示的网络状态的最佳传输速度的轨迹的网络传输速度，并且在这个基础上调整传输速度，从而增加专用网络的传输速度和防止使用无线局域网(LAN)的专用网络的性能的恶化。

此外，减少网络中所丢失的分组，并且将吞吐量保持在较高状态，从而相对于现有方法，网络资源可以得到更有效的使用。尤其是，甚至当背景业务增加时，也能达到相同的效果。

尽管结合附图所示的本发明的实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于此。本领域的技术人员需要明白的是：在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行各种替换，修改和改变。

Claims (11)

1.一种在移动专用网络环境下调整传输控制协议(TCP)中的传输速度的方法，所述方法包括以下步骤：

计算当前传输速度(cur_bw)与先前传输速度(base_bw)之间的差值(Diff)；

通过计算所述先前传输速度的标准变化(basebw_var)来设定上阈值和下阈值；和

根据Diff的比较结果以及所述上阈值和所述下阈值的大小，将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据 $\mathrm{base}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{baseRTT}}$ 来计算所述先前传输速度，根据 $\mathrm{cur}\_\mathrm{bw}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{curRTT}}$ 来计算所述当前传输速度，并且根据Diff＝cur_bw-base_bw来计算所述差值(Diff)，其中cwnd表示拥挤窗口，baseRTT表示在先前所测量的数据的往返传输中所消耗的时间，以及curRTT表示在当前所测量的数据的往返传输中所消耗的时间。

3.如权利要求1所述的方法，其中根据 $(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})=\sqrt{(1-\mathrm{\α})\·{(\mathrm{basebw}\_\mathrm{var})}_{\mathrm{before}}^2+\mathrm{\α}\·{\left(\mathrm{Diff}\right)}^2}$ 来计算所述先前传输速度的标准变化，其中α是表示加权值的平均值的参数，而(basebw_var)_before对应于先前时间值的标准变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正时，Diff则与所述上阈值比较大小，而当Diff为负时，Diff则与所述下阈值比较大小，从而将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

5.如权利要求2所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正时，Diff与所述上阈值比较大小，而当Diff为负时，Diff与所述下阈值比较大小，从而将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

6.如权利要求3所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正时，Diff与所述上阈值比较大小，而当Diff为负时，Diff与所述下阈值比较大小，从而将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

7.如权利要求4所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正并且大于所述上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度；而当Diff为负并且大于所述下阈值时，则所述拥挤窗口不变，并且将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

8.如权利要求5所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正并且大于所述上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度；而当Diff为负并且大于所述下阈值时，则所述拥挤窗口不变，并且将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

9.如权利要求6所述的方法，其中在更新步骤中，当Diff为正并且大于所述上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度；而当Diff为负并且大于所述下阈值时，则所述拥挤窗口不变，并且将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

10.如权利要求1所述的方法，其中在设定步骤中，将所述上阈值和下阈值设定为±k*basebw_var，其中k是值为1或大于1的常数，以及

在所述更新步骤中，当Diff为正并且大于所述上阈值时，则拥挤窗口增加，然后将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度；而当Diff为负并且小于所述下阈值时，则所述拥挤窗口减少，然后将所述先前传输速度更新为所述当前传输速度。

11.如权利要求10所述的方法，其中更新步骤进一步包括以下步骤：当所述拥挤窗口小于缓慢起动阈值时，将所述拥挤窗口自适应地调整到所述缓慢起动阈值。

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