CN1647467A - 自适应速率控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自适应速率控制的方法和设备。本发明旨在能够在分组交换网中进行自适应速率控制ARC，所述ARC也适应于特定应用的要求。根据本发明的一种用于自适应速率控制在分组交换数据网络中的发送器和接收器之间的连接的设备，包括：类控制装置，用于根据类算法执行自适应速率控制，所述设备的特征在于，至少一个特定应用控制装置，所述特定应用装置被配置来根据所述应用的特性来控制所述类控制装置的功能。

Description

自适应速率控制的方法和设备

技术领域

本发明涉及分组数据网络传输的自适应控制方法。本发明还涉及用来自适应控制分组数据网络传输速率的设备。

背景技术

在分组数据网络中，发送器通过网络向一个或多个接收器发送数字分组数据。所述网络例如可以是，遵循互联网协议(IP)标准，并包括由数字通信链路连接起来的IP路由器和交换机的因特网。所述发送器和接收器通过无线或有线接入链路连接到所述网络上，这些接入链路例如可以使用非对称数字用户线路(ADSL)、公共电话交换网(PSTN)调制解调器，电缆调制解调器、通用分组无线电系统(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)或边缘接入技术。所使用的通信协议包括诸如传输控制协议(TCP)的可靠协议或者诸如用户数据报协议(UDP)的不可靠协议。

在本文献中，能够使发送器发送数据到接收器的接入链路和网络称之为信道。所述的能够使接收器发送诸如确认接收到数据的数据到发送器的接入链路和网络称之为后向信道。

信道和后向信道具有有限的带宽并允许等待时间和分组丢失。等待时间和分组丢失量依赖于所使用的网络和接入技术并且是依赖于时间的。等待时间例如可以是由缓存和拥塞引起的，而分组丢失例如可以是由在接入链路上的误码比特或在路由器中的缓存溢出而引起的。

发送器可以向接收器发送多种类别的应用数据。这些数据类别例如可以是媒体流应用中的视频、音频和文本数据或者是可缩放视频会议应用中的分层视频编解码器的不同层。在多玩家游戏中，游戏中不同对象属性的描述是不同的数据类别。

由于信道的带宽限制、延迟或拥塞，用户希望使用不同的优先级来传输不同类别的应用数据。在媒体流应用中，用户希望给音频比视频高的优先级。在可缩放的视频会议应用中，用户希望给基本层比增强层高的优先级。在多玩家游戏中，用户希望给主要对象比外围对象更高的优先级。

为了减少有限带宽、拥塞、等待时间和分组丢失对终端用户使用应用的影响，使用速率控制来适应于每种应用的需求或优先级是有益的。速率控制意味着发送器以优先级次序来发送数据并且控制所述速率以便使用可用的带宽同时避免发送太多。发送比信道所能处理多的数据将产生高的等待时间或高分组丢失。速率控制应该适应于所述信道特性的变化，例如可用带宽的变化。这种考虑应用优先级并适应于信道特性的变化的速率控制在此被称为自适应速率控制(ARC)。TCP和差别服务提供了一些这样的功能，但并不是所有的。例如，TCP不能在不同类别的应用数据之间区分优先次序。差别服务不能适应于信道容量上的变化。

很难为良好工作于所有通信系统中的ARC规定一种单一的算法或方法。不同的信道运转不同。作为例子，考虑通信等待时间是如何依赖于所述数据速率的。在一些信道中(例如一个拥挤的PSTN调制解调器链路)，如果数据速率降低的话，等待时间也就会降低。在一个不同的信道中(例如一个GPRS链路)，如果数据速率增加的话，在某些情况下等待时间可能降低。而且，GPRS性能依不同的实现方式和版本而不同。不同应用也具有不同的要求。例如，视频流应用允许等待时间但需要高的吞吐量，而实时多玩家游戏在至少最重要的对象上可以允许低的吞吐量但需要低的等待时间。

网络、接入链路、应用和用户偏爱的增加使得实事上不可能设计出最佳工作于所有条件下的单一ARC方法。一种方案是针对每种信道/应用组合实施一种方案。这是一个麻烦而且昂贵的方案，其将增加应用程序开发和通信系统的成本。

发明内容

本发明的目的是在分组交换网络中能够进行ARC，所述ARC也适应于具体应用的需要。

依据本发明，该目的是由用来自适应速率控制在分组交换数据网络中的发送器和接收器之间连接的设备来实现的。所述设备包括：用来根据类算法来执行自适应速率控制的类控制装置，所述设备的特征在于，至少一个特定应用控制装置，所述特定应用控制装置被配置来根据所述应用的特性来控制所述类控制装置的功能。因此，本发明无需为每个应用提供全部的控制装置就能够实现特定的应用控制。相反，提供一种类控制装置，其能够被不同的特定应用控制装置控制来适应于不同应用的需要。

所述目的也可以通过用来在分组数据网络中自适应速率控制的计算机程序产品来实现，所述产品包括计算机可读代码装置，当其在计算机上运行时，可以被配置来从特定应用控制装置接收至少一个配置参数以便控制所述计算机程序产品的功能。

该计算机程序产品包括在上述的类控制装置中。

所述目的也可以通过用来在分组数据网络中自适应速率控制的计算机程序产品来实现，所述产品包括计算机可读代码装置，当其在计算机上运行时，能够使计算机提供至少一个配置参数给类控制装置来进行自适应速率控制，以便控制由所述类控制装置提供的自适应速率控制。

该计算机程序产品包括在上述的特定应用控制装置中。

优选地，所述类控制装置通过至少一个配置参数来控制，并且所述特定应用控制装置被配置来提供所述的至少一个配置参数给所述类控制装置来控制所述类控制装置的功能。

所述类控制装置也可以被配置来监视所述速率控制的质量并输出一组代表这种质量的质量数据。典型地该组质量数据包括等待时间和/或分组丢失的测量值。优选地，该组质量数据被提供给所述特定应用控制装置并由所述特定应用装置使用来设定所述的至少一个配置参数。

在一个优选实施例中，所述类控制装置在至少一个网络服务器中用低级的客户软件来实现，并且所述特定应用控制装置作为应用层软件模块来实现。

所述特定应用控制装置可以根据连接所使用的信道类型来构成。

根据本发明的设备能够为每个应用单独设置自适应速率控制。它也可以适应于所使用的信道类型。因此它解决了用网络服务器和以低级客户软件实现类的同时为适应于信道类型和应用的多样性提供了不同的行为和需求。本发明基于对这样的实事的认知上，即，所述ARC的至少一部分必须以诸如通信协议栈的低级软件来实现。

通过使用根据本发明的设备和计算机程序产品，能够适应于不同的用户偏爱、应用类型和不同的信道特点而无需改变在客户端的通信协议、服务器端功能或低级协议功能。优选地在客户端所有的特定适应发生在高层软件上。

附图说明

下面将参考附图来具体描述本发明，其中：

图1示出了使用本发明的环境；

图2示出了在类和特定部分控制功能的创造性分割；

图3示出了创造性的自适应速率控制设备的实施例。

具体实施方式

图1非常简单地示出了本发明的技术环境。发送器，例如客户终端1，通过信道5发送数据到接收器3。所述接收器例如可以是网络服务器。信道5构成了能够使得发送器1发送数据到接收器的接入链路和网络。典型地，每个ARC发送器/接收器对建立作为后向信道7的通信链路，其中所述ARC发送器-接收器对构成了反方向上的通信链路。能够使接收器发送诸如确认接收到数据的数据到发送器的接入链路和网络被称之为后向信道7。

图2提供了表明逻辑单元和控制数据交换的本发明的逻辑视图。所述逻辑功能应用，G-ARC和S-ARC可以以多种不同方式分布在发送和接收单元之间。用来自适应速率控制的设备包括类部分G-ARC和特定应用部分S-ARC。所述类部分G-ARC控制信道5的功能。G-ARC根据类算法来执行速率控制。所述类算法可以基于任何自适应速率控制算法，例如，漏斗(leaky bucket)算法。所述类算法的行为由一组ARC配置参数控制。S-ARC通过设定ARC配置参数来控制G-ARC。该控制算法对用户的偏爱、应用类型和信道是特定的。

所述特定应用部分S-ARC也可以与应用11和管理单元13进行通信。所述应用向特定应用部分S-ARC提供指令从而间接控制自适应速率控制的功能。

尽管图2只示出了一个，但是多个特定应用部分S-ARC可以存在相同层上，每个适应于并由一个或多个应用控制。发送器算法和接收器算法由ARC配置参数来控制，该参数可以包括，例如，推荐的来自发送端数据报的输出流带宽。

典型地，所述类控制装置G-ARC从其中一个特定应用控制装置接收ARC配置参数。可选地，所述类控制装置可以包括ARC配置参数的硬连线缺省值。它也可以在开始通信会话之前从管理单元13接收ARC配置参数的缺省值。

G-ARC监视所述速率控制的质量并输出一组表明速率控制如何的数据。该组数据被称为ARC统计并可以包括，例如，等待时间和分组丢失测量值。特定应用部分S-ARC从G-ARC接收ARC统计。所述类部分G-ARC也可以执行有关所述自适应速率控制功能的质量分析。该分析的结果可以作为质量数据被传输到特定应用部分。该质量数据，即，ARC统计，可以被发送到特定应用部分，在这种情况下其将确定所述速率控制如何被影响。

在图2讨论的不同单元也适用于图3，反之亦然。

图3示出了根据本发明的系统，其中如图1所示的那样，发送器通过信道与接收器进行通信。客户端既包括ARC发送器又包括ARC接收器。网络服务器既包括ARC发送器又包括ARC接收器。每个ARC发送器和ARC接收器都包括类部分并且也可以包括特定应用部分。每个ARC通过信道与相应的ARC接收器进行通信。典型地，每个ARC发送器-接收器对建立充当后向信道的通信链路(图3没有示出)，其中所述ARC发送器-接收器对构成了相反方向上的通信链路。所述后向信道将被用来传输诸如确认和质量数据的数据。图3只示出了一个发送器-接收器对。

图3示出了ARC发送器/接收器对的具体结构。在该图中，发送应用21通过信道25发送数据到接收应用23。假设发送器端具有一个发送器类控制装置27和一个特定应用控制装置29，而接收器端具有一个接收器类控制装置31。所述发送器类控制装置27在发送器端执行所述ARC算法的类部分，而所述接收器类控制装置31在接收器端执行所述ARC算法的类部分。

图3中所述特定应用控制装置29位于发送器端，但下述的四种配置是可能的：

发送器端具有控制类控制装置27和31的特定应用控制装置。接收器端不具有特定应用控制装置。

接收器端具有控制类控制装置27和31的特定应用控制装置。发送器端不具有特定应用控制装置。

发送器和接收器端的每个都有共享类控制装置27、31的控制的特定应用控制装置。

在发送器和接收器端都不包括特定应用部分。这是一种没有使用特定应用控制的特殊情况。这种情况，例如是针对TCP通信的。

在发送器端，类控制装置27从使用自适应速率控制的应用那里接收数据报的输入流。每个数据报携带一个表明其应该被如何处理的标签。该标签包括一个表明是否所述数据报应该可靠或不可靠发送的优先级和/或指示符。

发送器类控制装置27根据为所述发送器类控制装置27提供的算法处理所述的数据报流并产生一个被发送到所述接收器类控制装置31的数据报输出流。所述数据报输出流适应于信道的能力，每个数据报的优先级和每个数据报的可靠/不可靠状态。通信协议栈通常包括设计，即属于较低协议层的数据报被作为在属于较高协议层的数据报中的负载来发送。作为在高层数据报中的负载来发送多个数据报被称之为数据报集。将多个数据报集结为一个大的数据报会给出高的吞吐量，但是也会有高的等待时间。所述G-ARC发送器可选地可以控制集结来在吞吐量和等待时间之间找到合适的平衡。

如果输入数据报流太快，发送器类控制装置就降低不可靠数据报的最低优先级并输出在信道上传输不会产生拥塞的数据报流。所述数据报输入流也可以被重新排列以便高优先级的数据报在低优先级数据报之前发送。如果它们丢失，那么可靠的数据报可以被重新发送。

接收器类控制器31通过信道25从发送器类控制器装置27接收数据报流。接收器类控制装置31根据为该功能提供的算法处理接收的数据报并将正确接收的数据报转发到应用。所述接收器类控制装置31可以请求重新发送丢失的可靠性的数据报。

特定应用控制装置29被配置来设定一定的参数，在类控制装置27、31中称之为ARC配置参数，从而确定类控制装置27、31是如何根据应用的需要来控制速率的。ARC配置参数的一个例子是来自于所述G-ARC发送器的数据报输出流的推荐带宽。优选地，其也从类控制装置接收ARC统计。它也从应用接收进一步的参数和设置。例如，所述应用可以提供应用指令来以高等待时间为代价优选高的吞吐量，或者反之亦然。所述特定应用控制装置使用基于所述信道模型和对所述应用程序需求的理解的算法。

在产生ARC配置参数的特定应用控制装置中的算法使用ARC统计作为输入。ARC统计给出了全部的或部分的有关在发送器和接收器之间的通信进行情况的信息。ARC统计的典型元素是：

针对所有分组，或可选地针对每个应用数据类别的，在信道中的分组丢失测量值。

在信道中的等待时间的测量值，可选地针对每个应用的数据类别。

有关由类控制装置算法执行的操作的信息，例如部分地或完全地丢弃在某些数据类别的分组。

为了展示本发明的优点，考虑这样一种情况，即应用服务提供者希望向许多不同GPRS运营商客户递送同样的业务。不同GPRS网络的属性是非常不同的。所述应用服务提供者将包括应用服务器和客户端软件的同样的系统提供给所有的GPRS运营商。该系统包括类速率控制装置G-ARC。不同版本的特定应用控制装置S-ARC可以由终端用户作为Java程序下载。每个用户获取适合本地GPRS业务特定属性版本的S-ARC。

进一步，考虑多个游戏开发者向3G无线运营商递送游戏的情况。不同的游戏类型需要不同的ARC方案。基于轮询的庞大多玩家游戏需要既高又可靠的吞吐量，而对抗游戏需要低的等待时间。运营商希望避免在游戏具体细节上的任何事务。G-ARC被在运营商的网络和所述无线终端中实现。每个游戏开发者编写一个S-ARC模块，该模块编制能够最佳执行所述特定游戏的ARC。

第三个例子是吸引了几十亿用户的流行多媒体聊天应用。运营商和网络设备提供商想通过表明流行聊天应用在其网络中运行最佳来赢得竞争性的优势。运营商或网络设备提供商可以使用它们网络构建的详细知识来编写一个S-ARC来优化聊天应用在它们特定网络中的性能。从而所述S-ARC可以被分布到运营商的客户。

Claims (13)

1、一种用于在分组交换数据网络中自适应速率控制发送器和接收器之间连接的设备，所述设备包括：

类控制装置(G-ARC；27，31)，用于根据类算法执行自适应速率控制，所述设备特征在于，

至少一个特定应用控制装置(S-ARC；29)，所述特定应用控制装置被配置来根据所述应用的特性来控制所述类控制装置(G-ARC；27，31)的功能。

2、根据权利要求1的设备，其中所述类控制装置(G-ARC；27，31)由至少一个配置参数来控制，并且所述特定应用控制装置(S-ARC；29)被配置来将所述至少一个配置参数提供给类控制装置，用于控制所述类控制装置的功能。

3、根据权利要求1或2的设备，其中所述类控制装置(G-ARC；27，31)被配置来监视速率控制质量并输出一组代表该质量的质量数据。

4、根据权利要求3的设备，其中所述质量数据组包括等待时间和/或分组丢失测量值。

5、根据前述任何一个权利要求的设备，其中所述质量数据组被提供给所述特定应用控制装置(S-ARC；29)并由所述特定应用控制装置(S-ARC；29)使用以设置所述至少一个配置参数。

6、根据前述任何一个权利要求的设备，其中所述类控制装置(G-ARC；27，31)在至少一个网络服务器中并以低级客户软件来实现。

7、根据前述任何一个权利要求的设备，其中所述特定应用控制装置(S-ARC；29)作为应用级软件模块来实现。

8、根据前述任何一个权利要求的设备，其中所述特定应用控制装置(S-ARC；29)依赖于所述连接使用的信道(5)的类型。

9、一种用于在分组数据网络中进行自适应速率控制的计算机程序产品，所述产品包括计算机可读代码装置，当其在计算机上运行时能够使计算机提供至少一个配置参数给类控制装置进行自适应速率控制，以便控制由所述类控制装置提供的自适应速率控制。

10、根据权利要求9的计算机程序产品，其中ARC统计数据包括等待时间和/或分组丢失的测量值。

11、一种用于在分组数据网络中进行自适应速率控制的计算机程序产品，所述产品包括计算机可读代码装置，当其运行在计算机上时被配置来从特定应用控制装置接收至少一个配置参数以便控制所述计算机程序产品的功能。

12、根据权利要求11的计算机程序产品，进一步配置来监视速率控制质量并输出一组代表该质量的质量数据。

13、根据权利要求11或12的计算机程序产品，进一步配置来发送所述质量数据到特定应用控制装置。

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