CN101645765A - 面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法 - Google Patents

Abstract

一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法，属互联网端到端可靠传输的方法。在FAST TCP协议的基础上，依据以下方法区分网络发生丢包的原因：在发送端收到3个重复ACK包时，可以判断前一个RTT的传输速率与当前RTT传输速率的差值，若当前RTT的传输速率大于前一个RTT的传输速率时，表示网络中还没有拥塞发生，丢包原因是链路错误；若当前RTT的传输速率远小于前一个RTT的传输速率，则表示网络中可能有拥塞发生，可认为丢包是由于网络拥塞造成的。本发明使计算的RTT能更为准确、及时地反映当前网络状况，进而提高发送端拥塞窗口对网络状况的反映灵敏度。

Description

面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法

技术领域

本发明涉及互联网端到端可靠传输的方法，特别是面向高误码率、长时延网络的单边可靠传输加速方法。

背景技术

随着无线网络技术的发展和应用的不断深入，各种类型无线网络(如卫星网络、航空通信网络、无线移动网络等)与传统地面固定有线网络的融合趋势日渐明显。网络的演化造成网络的结构更加复杂，网络的异构性加强。从应用的角度来看，这类网络具有高比特误码率(Bit Error Rate，BER)、长时延等特性，网络的带宽时延积(Bandwidth Delay Product，BDP)较大。在这类网络上使用传统的可靠传输协议(Transmission Control Protocol，TCP)时，会造成传输性能大幅度地减退。这是因为传统TCP协议起初是为有线网设计的，在有线网中出错率相当低，一般认为丢包都是由网络拥塞引起的，但是在一些高误码率、长时延的网络环境中，丢包的原因不再是唯一的，它可能是由拥塞引起，也可能是由链路错误引起；同时由于长时延的特性，使得网络恢复的速度减慢。因此在高误码率、长时延特性的网络中，如何有效区分丢包原因并采取相应的发送方法(即在拥塞丢包时，调用拥塞控制算法，降低数据包发送速率；在链路错误引起丢包时，显式重传，保持原有发送速率)成为传输加速，提高可靠传输性能的关键。

针对上述问题，已经提出了许多的改进方法，其中当前主流的有显示拥塞通知机制方法(Explicit Congestion Notification，ECN)、基于NIL数据包探测的TCP-Peach方法和基于接收端确认(Acknowledgement，ACK)有效带宽测量技术的TCP-Westwood方法。其中ECN方法需要中间路由器做特殊支持，与现行网络结构的互操作性不强；TCP-Peach方法则是通过发送探测报文对链路丢包进行判断，需要中间路由器支持优先级策略，同时探测报文也占用了网络带宽，增加了网络的负担；TCP-Westwood方法是通过源端在一个TCP连接上测量平均返回的ACK速率来完成端到端的有效带宽估计，在每次遇到拥塞时将拥塞窗口和慢启动阈值调整为估计的链路可利用带宽大小，但试验表明TCP-Westwood方案在高误码率、长时延网络中性能仍然很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法(New Fast Tcp)，以判断当前网络丢包原因是网络拥塞还是链路错误造成，再利用判断结果调整可靠传输协议中发送端的发送策略。

本发明的目的是这样实现的：一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法，在FAST TCP协议的基础上，依据以下方法区分网络发生丢包的原因：在发送端收到3个重复ACK包时，可以判断前一个RTT的传输速率与当前RTT传输速率的差值，若当前RTT的传输速率大于前一个RTT的传输速率时，表示网络中还没有拥塞发生，丢包原因是链路错误；若当前RTT的传输速率远小于前一个RTT的传输速率，则表示网络中可能有拥塞发生，可认为丢包是由于网络拥塞造成的；

当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})的计算公式如下：

${\mathrm{TP}}_{\mathrm{Current}\_\mathrm{rtt}}=\frac{\mathrm{snd}\_\mathrm{nxt}-\mathrm{seg}\_\mathrm{ack}}{\mathrm{avgRTT}\×\mathrm{snd}\_\mathrm{mss}}---\left(1\right)$

其中，snd_nxt是正在被发送的段的序列号，seg_ack是当前收到的ACK包确认的段的序列号，两者之差是当前RTT内发送的数据量，snd_mss是传输层的最大段大小，avgRTT是当前的平均RTT；

diff＝TP_{Last_rtt}-TP_{Current_rtt}    (2)

其中，diff是前一个RTT的传输速率(TP_{Last_rtt})与当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})之差；根据阈值参数α判断包丢失原因的方法如下：

(a)如果diff＞α，则认为丢包是由网络拥塞引起的；

(b)如果diff≤α，则认为丢包是由链路错误引起的；阈值参数α取值0.99～1。

在区分出丢包原因后发送端采取如下的发送策略：

(a)如果包丢失是由于网络拥塞，则发送端调用拥塞控制算法，快速重传丢失的包，然后进入快速恢复阶段，降低数据包发送速率；

(b)如果是由于链路错误引起的包丢失，则显式重传，进入完全恢复阶段，即将拥塞窗口增加3个，保持原有发送速率。

根据当前的平均RTT和当前测到的RTT值构造一个变量δ，其值可以通过下面公式得到：

$\mathrm{\δ}=\frac{|T_i\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{T}}_i\left(k\right)|}{{\stackrel{\‾}{T}}_i\left(k\right)}---\left(5\right)$

其中T_i(k)是对第k个测量到的RTT值，T_i(k)是第k个测量到的RTT值；再构造两组门限值，分别为{δ₁，δ₂，...，δ_i，...，δ_n}和{λ₁，λ₂，...，λ_i，...，λ_n，λ_n+1}，其中0≤δ₁＜δ₂...δ_i＜δ_i+1...＜δ_n，0≤λ₁＜λ₂...λ_i＜λ_i+1...λ_n＜λ_n+1＜1，改进后计算平均RTT的计算方法中的平滑因子η(t)的计算公式为：

$\mathrm{\&eta;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_1,& 0\&le;\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ {\mathrm{\&lambda;}}_i,& {\mathrm{\&delta;}}_{i-1}<\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_i,1<i\&le;n\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{n+1},& \mathrm{\&delta;}>{\mathrm{\&delta;}}_n\end{array}\right.---\left(6\right)$

可利用式(5)和式(6)，按照式(3)来更新，能准确地反映网络的可用宽带情况的平均RTT值；

T_i(k+1)＝(1-η(t_k))T_i(k)+η(t_k)T_i(k)    (3)。

区分丢包原因的方法如下：

该方法的基本原理为：由于相邻RTT的传输速率可以反映网络的可用带宽的变化情况，若当前RTT的传输速率大于前一个RTT的传输速率时，表示网络还没有饱和，网络中没有拥塞发生；如果当前RTT的传输速率远小于前一个RTT的传输速率，则表示网络已经开始饱和，网络中可能有拥塞发生。因此，在发送端收到3个重复ACK包时，可以判断前一个RTT的传输速率与当前RTT传输速率的差值，若当前RTT的传输速率大于前一个RTT的传输速率时，表示网络中还没有拥塞发生，丢包原因是链路错误；若当前RTT的传输速率远小于前一个RTT的传输速率，则表示网络中可能有拥塞发生，可认为丢包是由于网络拥塞造成的。其中当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})的计算公式如下：

${\mathrm{TP}}_{\mathrm{Current}\_\mathrm{rtt}}=\frac{\mathrm{snd}\_\mathrm{nxt}-\mathrm{seg}\_\mathrm{ack}}{\mathrm{avgRTT}\&times;\mathrm{snd}\_\mathrm{mss}}---\left(1\right)$

其中，snd_nxt是正在被发送的段的序列号，seg_ack是当前收到的ACK包确认的段的序列号，两者之差是当前RTT内发送的数据量，snd_mss是传输层的最大段大小，avgRTT是当前的平均RTT。

diff＝TP_{Last_rtt}-TP_{Current_rtt}    (2)

其中diff是前一个RTT的传输速率(TP_{Last_rtt})与当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})之差，它能够反映网络的可用带宽情况。我们引入一个阈值参数α，判断包丢失原因的方法如下：

(a)如果diff＞α，则认为丢包是由网络拥塞引起的；

(b)如果diff≤α，则认为丢包是由链路错误引起的。

经过大量试验分析，得到阈值参数α取0.99～1范围的值时效果较好。

在区分出丢包原因后发送端采取如下的发送策略：

(a)如果包丢失是由于网络拥塞，则发送端调用拥塞控制算法，快速重传丢失的包，然后进入快速恢复阶段(TCP-NewReno快速恢复)，降低数据包发送速率；

(b)如果是由于链路错误引起的包丢失，则显式重传，进入完全恢复阶段，即将拥塞窗口增加3，保持原有发送速率；

New Fast TCP的平均RTT的计算方法如下：

FAST TCP协议中计算平均RTT的算法为：

T_i(k+1)＝(1-η(t_k))T_i(k)+η(t_k)T_i(k)    (3)

η(t)＝min(3/w_i(t)，1/4)                (4)

其中T_i(k+1)是对第k个平均RTT(即T_i(k))的更新，T_i(k)是第k个测量到的RTT值，t_k是测量到T_i(k)的时刻，η(t)与w_i(t)分别是在时刻t的平滑因子和窗口值。

从式(4)可以看出η(t)的值远小于传统TCP协议中所用的值1/8，所以平滑后的RTT不能准确地反映网络的可用带宽情况，使得拥塞窗口的更新也不灵敏，不能很好地利用链路的带宽，因此本专利提出了一种计算平均RTT的改进方案。其改进方法如下：

设定一个变量δ，其值可以通过下面公式得到：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{|T_i\left(k\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_i\left(k\right)|}{{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_i\left(k\right)}---\left(5\right)$

设定两组门限值，分别为{δ₁，δ₂，...，δ_i，...，δ_n}和{λ₁，λ₂，...，λ_i，...，λ_n，λ_n+1}，其中0≤δ₁＜δ₂...δ_i＜δ_i+1...＜δ_n并且0≤λ₁＜λ₂...λ_i＜λ_i+1...λ_n＜λ_n+1＜1，改进后计算平均RTT的计算方法中的平滑因子η(t)的计算公式为：

$\mathrm{\&eta;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_1,& 0\&le;\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ {\mathrm{\&lambda;}}_i,& {\mathrm{\&delta;}}_{i-1}<\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_i,1<i\&le;n\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{n+1},& \mathrm{\&delta;}>{\mathrm{\&delta;}}_n\end{array}\right.---\left(6\right)$

可以根据实际情况选择相应的门限值个数和门限值的大小，选择合适的值可以提高链路的利用率和可靠传输性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在FAST TCP协议的基础上，通过对其拥塞控制机制、错误恢复机制的改进，极大地提高了可靠传输性能。本发明主要解决了两个关键问题，即：(1)区分丢包原因，避免拥塞窗口盲目地减半，增强了可靠传输协议的传输性能；(2)提出一种基于分段平滑因子的平均RTT计算方式，使得拥塞窗口根据网络状况更新地更灵敏，从而提高了链路带宽利用率和传输性能。

附图说明

图1是验证高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法(New FAST TCP)性能的试验拓扑图；

图2是在瓶颈链路的误码率为5×10^-6，传播时延为50ms时，多种可靠传输方法的吞吐量比较；

图3是在瓶颈链路的误码率为10^-5，传播时延为50ms时，多种可靠传输方法的吞吐量比较；

图4是在瓶颈链路的误码率为5×10^-6，传播时延为125ms时，多种可靠传输方法的吞吐量比较；

图5是在瓶颈链路的误码率为10^-5，传播时延为125ms时，多种可靠传输方法的吞吐量比较。

具体实施方式

本发明可应用于高误码率、长时延的网络中。下面结合附图对本发明的实施作进一步说明：

参考图1所示，为我们对本发明进行验证所作试验的拓扑结构图，仿真试验模拟了10对业务进行FTP文件传输，每对业务都是客户端从FTP服务器下载60M的文件，它们共享同一段带宽为3Mbps的瓶颈链路。其中图中还标出了一些链路的带宽及传播时延。按照图1所示的拓扑结构，我们验证了不同链路误码率和不同链路传播时延下，各协议的传输性能。

参考图2所示，为瓶颈链路的误码率为5×10^-6，传播时延为50ms时，TCP-Reno、TCP-NewReno、FAST TCP以及本专利所提出的方法(New FAST TCP)的吞吐量对比。由于误码率较大，有很多链路错误而引起的丢包，传统的TCP协议及FAST TCP方法没有区分包丢失原因机制，所以导致大量的不必要的拥塞窗口减半，传输性能严重降低，而本专利所提出的方法则能够有效区分丢包原因，从而采用相应的发送策略，提高了链路的利用率和传输性能。从图中可以看出本专利的吞吐量性能比其它几种协议的性能有较大提升。

参考图3所示，为瓶颈链路的误码率为10^-5，传播时延为50ms时，四种可靠传输方法的吞吐量对比，其结果与前面一种情况类似，由于此时误码率更大，New FAST TCP与其它协议的吞吐量相差更大。

参考图4和参考图5所示，为在瓶颈链路的传播时延为125ms，误码率分别为5×10^-6和10^-5时，四种可靠传输方法的吞吐量对比。从图中可以看出试验结果与前面两种情况类似，在高误码率、长时延环境下，New FAST TCP的传输性能远远高于其它几种协议。

表1(表1中RTT指往返时延，Round Trip Time，RTT)是四种可靠传输方法在各种误码率和传播时延下，一对业务下载10M文件所消耗的时间，由表1中的数据可以看出New FAST TCP的所花的时间远小于其它几种可靠传输方法，一些情况下，其所耗时间为其它方法的20％左右。

表1

Claims (3)

1、一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法，其特征在于，在FAST TCP协议的基础上，依据以下方法区分网络发生丢包的原因：在发送端收到3个重复ACK包时，可以判断前一个RTT的传输速率与当前往返时延(RoundTrip Time，RTT)传输速率的差值，若当前RTT的传输速率大于前一个RTT的传输速率时，表示网络中还没有拥塞发生，丢包原因是链路错误；若当前RTT的传输速率远小于前一个RTT的传输速率，则表示网络中可能有拥塞发生，可认为丢包是由于网络拥塞造成的；

当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})的计算公式如下：

${\mathrm{TP}}_{\mathrm{Current}\_\mathrm{rtt}}=\frac{\mathrm{snd}\_\mathrm{nxt}-\mathrm{seg}\_\mathrm{ack}}{\mathrm{avgRTT}\&times;\mathrm{snd}\_\mathrm{mss}}---\left(1\right)$

其中，snd_nxt是正在被发送的段的序列号，seg_ack是当前收到的ACK包确认的段的序列号，两者之差是当前RTT内发送的数据量，snd_mss是传输层的最大段大小，avgRTT是当前的平均RTT；

diff＝TP_{Last_rtt}-TP_{Current_rtt}               (2)

其中，diff是前一个RTT的传输速率(TP_{Last_rtt})与当前RTT的传输速率(TP_{Current_rtt})之差；根据阈值参数α判断包丢失原因的方法如下：

(a)如果diff＞α，则认为丢包是由网络拥塞引起的；

(b)如果diff≤α，则认为丢包是由链路错误引起的；阈值参数α取值0.99～1。

2、根据权利要求1所述一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法，其特征在于，在区分出丢包原因后发送端采取如下的发送策略：

(a)如果包丢失是由于网络拥塞，则发送端调用拥塞控制算法，快速重传丢失的包，然后进入快速恢复阶段，降低数据包发送速率；

(b)如果是由于链路错误引起的包丢失，则显式重传，进入完全恢复阶段，即将拥塞窗口增加3个，保持原有发送速率。

3、根据权利要求1所述一种面向高误码率、长时延特性网络的可靠传输加速方法，其特征在于，根据当前的平均RTT和当前测到的RTT值构造一个变量δ，其值可以通过下面公式得到：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{|T_i\left(k\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_i\left(k\right)|}{{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_i\left(k\right)}---\left(5\right)$

其中T_i(k)是对第k个测量到的RTT值，T_i(k)是第k个测量到的RTT值；再构造两组门限值，分别为{δ₁，δ₂，...，δ_i，...，δ_n}和{λ₁，λ₂，...，λ_i，...，λ_n，λ_n+1}，其中0≤δ₁＜δ₂...δ_i＜δ_i+1...＜δ_n，0≤λ₁＜λ₂...λ_i＜λ_i+1...λ_n＜λ_n+1＜1，改进后计算平均RTT的计算方法中的平滑因子η(t)的计算公式为：

$\mathrm{\&eta;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_1,& 0\&le;\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ {\mathrm{\&lambda;}}_i,& {\mathrm{\&delta;}}_{i-1}<\mathrm{\&delta;}\&le;{\mathrm{\&delta;}}_i,1\&le;i\&le;n\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{n+1},& \mathrm{\&delta;}>{\mathrm{\&delta;}}_n\end{array}\right.---\left(6\right)$

可利用式(5)和式(6)，按照式(3)来更新，能准确地反映网络的可用宽带情况的平均RTT值；

T_i(k+1)＝(1-η(t_k))T_i(k)+η(t_k)T_i(k)            (3)。

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