TWI610579B

TWI610579B - 跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法

Info

Publication number: TWI610579B
Application number: TW105112754A
Authority: TW
Inventors: 張本杰; 陳信賓
Original assignee: 國立雲林科技大學
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-01-01
Also published as: TW201739282A

Abstract

一種跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，依據無線傳輸的傳輸資料量與網路發生壅塞情況分析，根據分析的資料量和壅塞狀態來合適調整媒體存取控制層媒體存取控制競爭視窗來降低媒體存取層的存取延遲時間以提升媒體存取控制傳輸速率，藉此可以達成自適應調整無線網路壅塞控制的技術功效。

Description

跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法

[0001 ] 一種網路壅塞方法，尤其是指一種跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法。

[0002 ] 在現有對雲端服務與移動終端相互傳輸大數據封包時，為了確保資料的高速傳輸及可靠性，利用傳輸控制協定（Transmission Control Protocol，TCP）的壅塞視窗（Congestion Window，CWND）協定控制流量防止網路壅塞，但現有 TCP 網路協定NewReno、Westwood+、Vegas、BIC、CUBIC、Tahoe…等，並沒有考量到無線網路媒體存取層的媒體存取控制（Layer 2 Medium Access Control）傳輸速率問題，當L2 MAC傳輸速率無法依網路壅塞來合適控制，容易造成封包衝突率（Packet Collision Rate）上升並間接發生TCP Time Out和Three Duplicate ACK。 [0003 ] 綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在L2 MAC並無取得傳輸資料量訊息來控制競爭視窗的問題，因此有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

[0004 ] 有鑒於先前技術存在L2 MAC並無取得傳輸資料量訊息來控制競爭視窗的問題，本發明遂揭露一種跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中： [0005 ] 本發明所揭露的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其包含下列步驟： [0006 ] 首先，移動終端的傳輸層（Layer 4，L4）透過跨層傳輸機制（cross layer based）自移動終端的媒體存取層（Layer 2，L2）取得資料傳輸量、資料傳輸狀態以及資料傳輸時間；接著，移動終端的傳輸層依據資料傳輸量、資料傳輸狀態以及資料傳輸時間計算出壅塞視窗（Congestion Window，CWND）的上升斜率；接著，移動終端的媒體存取層透過跨層傳輸機制自移動終端的傳輸層獲得壅塞視窗的上升斜率，並配合資料傳輸量、資料傳輸狀態以及資料傳輸時間判斷壅塞狀態；最後，移動終端的媒體存取層依據判斷出的壅塞狀態以及壅塞視窗的上升斜率計算出移動終端的媒體存取層的最大競爭視窗（Maximum Contention Window，Maximum CW）。 [0007 ] 本發明所揭露的方法如上，與先前技術之間的差異在於本發明依據無線傳輸的傳輸資料量與網路發生壅塞情況分析，根據分析的資料量和壅塞狀態來合適調整媒體存取控制層媒體存取控制競爭視窗來降低媒體存取層的存取延遲時間以提升媒體存取控制傳輸速率。 [0008 ] 透過上述的技術手段，本發明可以達成自適應調整無線網路壅塞控制的技術功效。

[0010 ] 以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。 [0011 ] 以下將以一個實施例來說明本發明的運作與方法，並請參考「第1圖」所示，「第1圖」繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的傳輸層壅塞狀態圖。 [0012 ] 首先，移動終端的傳輸層（Layer 4，L4）透過跨層傳輸機制（cross layer based）自移動終端的媒體存取層（Layer 2，L2）取得資料傳輸量、資料傳輸狀態以及資料傳輸時間，上述移動終端包含智慧型手機、平板電腦…等，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。 [0013 ] 在現有的傳輸層壅塞控制，常受到資料突發傳輸導致網路常常進入壅塞狀態，上述壅塞狀態例如是逾時（TimeOut，TO）以及重複確認（Duplicate Acknowledgments，DupACKs）。當壅塞狀態為逾時狀態時，會讓傳輸層的壅塞視窗（Congestion Window，CWND）降為1，若壅塞狀態為3次重複確認狀態時，壅塞視窗降為壅塞視窗的一半。 [0014 ] 為了避免壅塞狀態為逾時以及重複確認，由頻寬-延遲乘積（Bandwidth-Delay-Product，BDP）估算出閥值（threshold）為下一次的最大傳輸量，如下方程式所示： [0015 ] [0016 ] 其中， B表示為平均頻寬，當發生嚴重壅塞例如是TimeOut以及3 DupACKs時的壅塞視窗定義為最大壅塞視窗定義為 W _max 。 [0017 ] 在避免壅塞（Congestion Avoidance，CA）的控制時，當發送端收到新的ACK時，壅塞視窗會透過對數成長函數（Logarithm Growth Function）動態成長，如下方程式所示： [0018 ] [0019 ] 其中，定義為增加參數，當目前的壅塞視窗遠比設定壅塞視窗值若前次3DupACKs時的最大壅塞視窗來的小時，設定為，因此壅塞視窗會快速成長。相反的，若壅塞視窗越接近時，設定為，壅塞視窗會緩慢增加以避免再度發生壅塞。表示為下一個壅塞視窗。 [0020 ] 在避免壅塞（CA）或緩啟動（SS）狀態時，當接收到3DupACKs，表示頻寬降低。為了避免資料的遺失，新的壅塞視窗，透過當前壅塞視窗、 , …等，這些影響因子被降低，如下方程式所示： [0021 ] [0022 ] 在壅塞狀態為避免壅塞（CA）或緩啟動（SS）狀態時，當沒有收到任何ACK造成TimeOut，表示嚴重壅塞。此時新的壅塞視窗，降為1，即。 [0023 ] 在接收3DupACKs 或 TimeOut 兩狀態，新的緩起動閥值（ssthresh）被設定為新的壅塞視窗，如下方程式所示： [0024 ] [0025 ] 接著，請參考「第2圖」所示，「第2圖」繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗逆映射圖。 [0026 ] 經由跨層機制，將移動終端的傳輸層的資料傳輸狀態、經計算後決定的壅塞視窗和緩起動閥值傳至傳給移動終端的媒體存取層。 [0027 ] 可以明顯得知，壅塞視窗曲線與競爭視窗（Contention Window，CW）曲線互相反轉，例如當網路開始變壅塞時，由於ACK delay增加，傳輸層發送的封包（segment）也應變少來避免變得更壅塞。在媒體存取層中，最大競爭視窗（Maximum Contention Window，Maximum CW）應被增加來避免更多的MAC frame被發送。 [0028 ] 在壅塞狀態狀態下，先計算出壅塞視窗的上升斜率，如下方程式所示： [0029 ] [0030 ] 其中定義為在時間下發送第個封包的壅塞視窗。顯然的，當網路平均頻寬增加，傳輸層發送更多壅塞視窗因此讓也增加。相反，當變得更壅塞時，傳輸層壅塞視窗減少導致也降低。 [0031 ] 具體而言，在避免壅塞（CA）狀態的第三區在壅塞視窗減少降低網路壅塞後，傳輸層的壅塞視窗會以對數成長函數做為增加的基礎。壅塞視窗曲線會以對數（logarithmically）方式上升，因此媒體存取層需根據壅塞視窗的上升斜率來降低最大競爭視窗。顯然的，在避免壅塞（CA）狀態的第三區，媒體存取層需降低最大競爭視窗。 [0032 ] 請參考「第3圖」所示，「第3圖」繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗逆映射圖。 [0033 ] 在獲得媒體存取層最大競爭視窗後，媒體存取層的競爭視窗根據傳輸層的壅塞視窗、壅塞視窗的上升斜率和各自不同的壅塞狀態來自適的計算。需要注意的是，上述壅塞狀態包含緩啟動（Slow Start，SS）、避免壅塞（Congestion Avoidance，CA）、快速恢復（Fast Recovery，FR）、快速重傳（Fast Retransmission，FRT）以及逾時（TimeOut，TO），在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。 [0034 ] 在傳輸層中，壅塞視窗曲線變化在非嚴重性的壅塞狀態下（例如：緩啟動、避免壅塞…等），壅塞視窗曲線變化進入成長模式，當發生嚴重的壅塞狀態時（例如：3DupACKs或TimeOut…等），壅塞視窗曲線變化進入遞減模式。 [0035 ] 在傳輸層於緩啟動（SS）與避免壅塞（CA）狀態下，因全域網路較不壅塞壅塞視窗曲線增加，也就表示，平均的頻寬可以滿足雲端計算服務的服務級別協議（Service Level Agreements，SLAs）。在這種情況下通常會立即發送壅塞視窗封包（segments）。因此在接收到傳輸層壅塞訊息後，媒體存取層自適收縮最大競爭視窗。 [0036 ] 基於反向對應的特性分析傳輸層的壅塞視窗和媒體存取層的競爭視窗曲線，媒體存取層的最大競爭視窗曲線的斜率(定義為 ) ，可從傳輸層的壅塞視窗曲線推導得出，如下方程式所示： [0037 ] [0038 ] 其中為狀態 ( 代表緩啟動（SS）與避免壅塞（CA）狀態)的調整因子。最大競爭視窗的斜率（），如下方程式所示： [0039 ] [0040 ] 依此再推導 [0041 ] [0042 ] 在避免壅塞（CA）狀態時，對於中度或重度壅塞，判斷壅塞視窗分別以對數或線性方式來增加。在對數增加情況下，計算最大競爭視窗，如下方程式所示： [0043 ] [0044 ] 當網路負載增加且，為了避免網路嚴重壅塞，傳輸方式變為線性方式。在線性方式情況下，計算最大競爭視窗，如下方程式所示： [0045 ] [0046 ] 其中，定義為在連線i下合適的最大競爭視窗，定義為IEEE 802.11系列在連線下最大的競爭視窗，定義為IEEE 802.11系列中最大的競爭視窗。 [0047 ] 當流量負載增加導致3DupACK 事件的發生（例如，和），進入對數狀態且壅塞視窗以對數增加（）。進一步假設比來得小， =35，, =5且 =2，可以得到，則。 [0048 ] 在對數和緩啟動（SS）狀態下，最大競爭視窗（即）根據壅塞視窗的上升斜率( )來降低調整，做計算調整。假設 =7， =2， =1， =5且 =4，可以得到，即。 [0049 ] 值得注意的是，在對數狀態時，壅塞視窗增加，從增加至 ;相反的，最大競爭視窗減少，從降到。 [0050 ] 當壅塞視窗持續增加至，狀態改變為線性狀態，壅塞視窗增加方式改為。假設 =35， =36且，則我們可得到，即。 [0051 ] 在線性狀態下，最大競爭視窗（即）以對數方式成長，。假設 =15且 =14，我們可以得到 = ，即 = 。 [0052 ] 如果L2發生碰撞，在線性狀態下，下一次競爭的最大競爭視窗， = ，即 = 。需要注意的是，在線性狀態下，最大競爭視窗以對數方式成長，從成長至。但在IEEE 802.11系列中，最大競爭視窗為靜態成長，從 =15 直接成長到 =31，而不是根據網路傳輸負載或L4狀態來調整增加。顯然的，在IEEE 802.11系列上的媒體存取控制競爭機制都是獨立操作的。 [0053 ] 如果L2傳輸成功，在線性狀態下，下一次競爭的最大競爭視窗， = ，即 = 。需要注意的是，因為仍然在線性狀態，則表示傳輸負載沉重，最大競爭視窗以對數方式增加。 [0054 ] 在進入3DupACKs 或 TimeOut狀態，因中間轉傳的頻寬不足或封包排隊損失讓全域網路發生嚴重壅塞，造成壅塞視窗曲線顯著的下降。在這情況下，節點必須降低壅塞視窗至1 並進入緩啟動（SS）狀態或降低至再進入避免壅塞（CA）狀態。 [0055 ] 在媒體存取層接收到傳輸層壅塞訊息後，媒體存取層應該立即增加最大競爭視窗來實現延遲存取等待的時間和在競爭隨機存取（contention　based random access）機制下，避免或減少碰撞機率。傳輸層之所以會進入3DupACKs 或TimeOut 狀態，主要因為網路發生嚴重壅塞。藉由透過限制競爭次數以減少重度（或中度）的傳輸負載。動態調整第i次傳輸的最大競爭視窗，如下方程式所示： [0056 ] [0057 ] 其中為目前發生3DupACKs或TO狀態時最大的壅塞視窗，為目前的壅塞視窗，以即為經由標準IEEE 802.11所定義最大的競爭視窗（例如：或是255）。藉以確認不會超過IEEE 802.11所定義的最大CW，即。 [0058 ] 需注意的是，進入TO 或3DupACK狀態時，應大於，即。由結果決定出來的大於第i次傳輸的IEEE 802.11最大的CW。肯定的是，在TO 或 3DupACK兩狀態下，增加最大競爭視窗，請參考「第4圖」以及「第5圖」所示，「第4圖」繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的狀態轉換示意圖；「第5圖」繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗對照圖。 [0059 ] 綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於本發明依據無線傳輸的傳輸資料量與網路發生壅塞情況分析，根據分析的資料量和壅塞狀態來合適調整媒體存取控制層媒體存取控制競爭視窗來降低媒體存取層的存取延遲時間以提升媒體存取控制傳輸速率。 [0060 ] 藉由此一技術手段可以來解決先前技術所存在L2 MAC並無取得傳輸資料量訊息來控制競爭視窗的問題，進而達成自適應調整無線網路壅塞控制的技術功效。 [0061 ] 雖然本發明所揭露的實施方式如上，惟所述的內容並非用以直接限定本發明的專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許的更動。本發明的專利保護範圍，仍須以所附的申請專利範圍所界定者為準。

[0062 ] L2 媒體存取層 L4 傳輸層 CWND 壅塞視窗 CW 競爭視窗 SS 緩啟動 CA 避免壅塞 FR 快速恢復 FET 快速重傳 TO 逾時

[0009 ] 第1圖繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的傳輸層壅塞狀態圖。第2圖繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗逆映射圖。第3圖繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗逆映射圖。第4圖繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的狀態轉換示意圖。第5圖繪示為本發明跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法的壅塞視窗與競爭式窗對照圖。

L2 媒體存取層 L4 傳輸層 CWND 壅塞視窗 CW 競爭視窗 SS 緩啟動 CA 避免壅塞 FR 快速恢復 FET 快速重傳 TO 逾時

Claims

一種跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其包含下列步驟：一移動終端的傳輸層（Layer 4，L4）透過跨層傳輸機制（cross layer based）自所述移動終端的媒體存取層（Layer 2，L2）取得一資料傳輸量、一資料傳輸狀態以及一資料傳輸時間；所述移動終端的傳輸層依據所述資料傳輸量、所述資料傳輸狀態以及所述資料傳輸時間計算出一壅塞視窗（Congestion Window，CWND）的上升斜率；所述移動終端的媒體存取層透過跨層傳輸機制自所述移動終端的傳輸層獲得所述壅塞視窗的上升斜率，並配合所述資料傳輸量、所述資料傳輸狀態以及所述資料傳輸時間判斷一壅塞狀態；及所述移動終端的媒體存取層依據判斷出的所述壅塞狀態以及所述壅塞視窗的上升斜率計算出所述移動終端的媒體存取層的一最大競爭視窗（Maximum Contention Window，Maximum CW）。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述移動終端的傳輸層依據所述資料傳輸量、所述資料傳輸狀態以及所述資料傳輸時間計算出所述壅塞視窗的上升斜率的步驟是當前的壅塞視窗減去前次的壅塞視窗除以當前資料傳輸與前次資料傳輸之間的傳輸時間以計算出所述壅塞視窗的上升斜率。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述移動終端的媒體存取層依據判斷出的所述壅塞狀態以及所述壅塞視窗的上升斜率計算出所述移動終端的媒體存取層的所述最大競爭視窗的步驟是當所述壅塞狀態被判斷出為壅塞時，所述最大競爭視窗依據所述壅塞視窗以及發生壅塞時的最大壅塞視窗的比值提升。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述移動終端的媒體存取層依據判斷出的所述壅塞狀態以及所述壅塞視窗的上升斜率計算出所述移動終端的媒體存取層的所述最大競爭視窗的步驟是當所述壅塞狀態被判斷出為良好時，所述最大競爭視窗依據所述壅塞視窗的上升斜率計算得到。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法更包含所述移動終端的媒體存取層依據標準的最大競爭視窗與計算後的最大競爭視窗之間隨機取值為所述移動終端的媒體存取層的競爭視窗。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述壅塞狀態包含緩啟動（Slow Start，SS）、避免壅塞（Congestion Avoidance，CA）、快速恢復（Fast Recovery，FR）、快速重傳（Fast Retransmission，FRT）以及逾時（TimeOut，TO）。
如申請專利範圍第1項所述的跨層級的自適應調整無線網路壅塞控制方法，其中所述資料傳輸時間為封包來回時間（Round-Trip Time，RTT）。