CN103929364A - 一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置，对现有的流控制传输协议(SCTP)进行改进。所述方法包括：建立一种基于接收端的发送速率评估器(SRE-rev)，根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值；建立一种接收端协助的路径切换触发器(PST-rev)，在接收端执行主路径选择和路径切换后的快速恢复；定义四种传输状态：慢启动、拥塞避免、路径选择与路径快速恢复，并描述四种传输状态的转换过程；通过本方案实现了接收端参与的速率控制和路径管理，均衡发送端和接收端的负载开销，提高用户对流媒体多路径传输的体验质量，为未来新型互联网中多节点智慧协同传输机制的建立提供有益的解决思路。

Description

一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置。

背景技术

近年来，无线通信技术如无线WiFi、WiMax、LTE等得到了空前发展，得益于此，越来越多的多网络接口无线终端也随之被广泛推广和应用。基于多路传输控制协议，这些多接口无线终端具有同时接入多个网络的能力，能够拟合多条链路带宽实现多路径通信，提高用户端到端的数据传输吞吐量等性能。由于其多宿、多流等特性，SCTP被认为是能够在移动异构无线网络环境下提供无缝、连续可靠的数据通信，尤其对于内容丰富、实时性强的流媒体业务，如支持用户交互性的VoD业务。然而，标准的SCTP协议只是利用关联中多条路径的其中一条路径(即主路径)传输上层应用数据。因此，其并不能达到充分利用网络资源的效果。

虽然学术界对SCTP协议提出了不少改进方案，然而，当前SCTP协议仍然存在一些性能瓶颈有待于解决。一方面，SCTP及现有SCTP改进方案都延续了传统TCP协议中的AIMD机制。这也就意味着，如果SCTP关联中的某一条路径一旦被探测有数据包丢失，其拥塞窗口(cwnd)值将会被减半。另外，当切换到新的主路径时，也可能导致SCTP进入慢启动状态。而在异构无线网络环境中，由于数据包丢失事件以及故障切换(即主路径切换)时有发生，因此，基于AIMD机制的SCTP将不可避免的引发突发而频繁的数据传输抖动，导致用户对流媒体业务的体验质量(QoE)下降。

另一方面，现有多路径传输机制(如SCTP和MPTCP)及其扩展算法都是基于发送端实现速率控制和路径管理等功能。例如，发送端需要承担如下路径管理功能：1)利用主路径Path1进行数据传输，其它路径作为主路径的备选路径；2)利用SACK应答块和心跳数据块分别探测主路径和备选路径的可用性；3)一旦探测到主路径断连，选择其中一条有效备选路径为新的主路径继续数据传输。而接收端的功能仅仅是通过SACK应答块被动反馈一些传输信息，如：接收端缓存大小、未接收数据块的传输序号(TSN)等。这种基于发送端的传输控制协议并没有考虑到发送端和接收端之间的负载均衡。

由接收端来分担发送端的部分速率控制和路径管理功能被认为是能够实现发送端和接收端负载均衡的有效解决方案。另一方面，接收端不仅仅是被动的向发送端反馈其探测到的拥塞信息以及其它网络参数信息，而是可以充分利用这些实时信息评估和决策其所期望的数据发送速率以及理想的数据传输路径(即主路径)。虽然基于TCP相关工作提出了基于接收端进行速率控制和决策改进方案，并通过实验证明了基于接收端速率控制比传统基于发送端速率控制方案在无线传输数据抖动方面取得更好的表现。然而，这些方案在拥塞控制上也是继续沿用了“固化”的AIMD机制，更重要的是，这些方案并没有考虑到多路径传输的特点，因此，并不适用于未来异构、多宿的互联网。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置，所述方法包括：

建立一种基于接收端的发送速率评估器(SRE-rev)，功能在于根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值给发送端；

建立一种接收端协助的路径切换触发器(PST-rev)，致力于在接收端执行主路径选择以及路径切换后的快速恢复；

在接收端定义四种传输状态：慢启动、拥塞避免、路径选择以及路径快速恢复，描述四种传输状态的转换过程。

所述的基于接收端的发送速率评估器包括：

标准SCTP协议延续了传统TCP中的AIMD机制进行数据发送速率的调节和拥塞控制。基于AIMD机制的速率调节可以表示为：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\Δrate}& \mathrm{ifnocongestionis}\det \mathrm{ected};\\ \frac{1}{2}\×{\mathrm{rate}}_i;& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.;$

在拥塞避免阶段，SCTP发送端将在每一个RTT后把发送速率增加大约假设1个RTT内有M个数据包成功被接收，可见当每一个数据包被成功接收时，发送速率大约增加了当检测到网络拥塞(数据包丢失)时，SCTP对发生丢包的路径的拥塞窗口进行减半操作。

建立一种基于接收端加权移动平滑速率控制机制。当有数据包到达接收端，SRE-rev将利用下式评估理想的ASR值：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Phi;}\&times;{\mathrm{rate}}_i+(1-\mathrm{\&Phi;})\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{ifPLR}<\mathrm{thresh};\\ (1-\mathrm{\&Theta;})\&times;{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\&Theta;}\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{otherwise},\end{array}\right..$

所述的接收端协助的路径切换触发器包括：

在接收端实现一种新颖的路径切换触发器，通过在接收端对比SCTP关联中所有路径的传输效能(即Rate_e值)，对路径进行切换。

所述的四种状态转换过程包括：

当第一个数据包达到接收端时，接收端即进入慢启动状态；

在数据传输过程中，一旦侦测到有数据丢失，接收端则进入拥塞避免状态；

当探测到有一条或多条备选路径的传输质量大于主路径的传输质量时，接收端进入路径选择状态；

当主路径切换时，接收端进入路径快速恢复状态。

本发明具有如下技术效果：

通过建立一种基于接收端的发送速率评估方法(SRE-rev)，根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值给发送端；为了在接收端执行主路径选择以及路径切换后的快速恢复，建立一种接收端协助的路径切换触发装置(PST-rev)；在接收端定义四种传输状态：慢启动、拥塞避免、路径选择以及路径快速恢复，并描述四种传输状态的转换过程；本发明所述的方案实现了接收端参与的速率控制和路径管理，均衡发送端和接收端之间的负载开销，同时提高用户对流媒体多路径传输的体验质量，为未来新型互联网中多节点智慧协同传输机制的建立提供有益的解决思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的接收端智慧协同的多路传输控制方法的***架构图；

图2为本发明所提供的基于(a)SACK和(b)HEARTBEAT Chunk的扩展；

图3为本发明所提供的PPSN数据块的构成；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将根据附图对本发明实施方式做进一步地详细阐述。

***整体架构

本发明在接收端建立了两种功能模块：基于接收端的发送速率评估器(SRE-rev)和接收端协助的路径切换触发器(PST-rev)，目的是实现发送端和接收端协同参与数据发送速率控制和路径管理。其中，SRE-rev的功能在于根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值给发送端。PST-rev致力于在接收端执行主路径选择以及路径切换后的快速恢复。图1给出了SCTP-Rev***架构图。

另外，本发明在接收端定义了四种传输状态，分别为慢启动、拥塞避免、路径选择以及路径快速恢复。四个传输状态的转换过程如下：1)当第一个数据包达到接收端时，接收端则进入慢启动状态；2)在数据传输过程中，一旦侦测到有数据丢失，接收端则进入拥塞避免状态；3)当探测到有一条或多条备选路径的传输质量大于主路径的传输质量时，接收端则进入路径选择状态；4)当主路径切换时，接收端则进入路径快速恢复状态。

为了方便后续功能模块的介绍，本发明首先介绍如何实现在接收端评估往返时延(RTT)和重传超时(RTO)。轮(round)的定义为：在发送端接收到一个SACK应答块，提取并使用接收端发送的ASR值，并按照这个ASR值发送数据块，这意味着一个新的round的开始；当发送端收到接收端反馈的新的SACK应答块时，表明一个round的结束和新的一个round的开始。为了帮助接收端对round的区分，可以在数据包里增加一个round ID字段。接收端可以通过记录SACK S_i的发送时间t_i，那么发送端接收到S_i并使用S_i中标记的ASR值发送第一个数据包(即开始一个新的轮Round_j)，当接收端接收到round ID为Round_j的第一个数据包时，则可以通过下式计算RTT：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{RTT}=t_{i+1}-t_i;\\ \mathrm{RTT}=(\mathrm{\&alpha;},1-\mathrm{\&alpha;})\left[\begin{array}{c}{\mathrm{RTT}}^{\&prime;}\\ \mathrm{RTT}\end{array}\right]=\mathrm{\&alpha;}\&times;{\mathrm{RTT}}^{\&prime;}+(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;\mathrm{RTT},\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中RTT表示接收端第一次测量的RTT值，RTT'表示当前的RTT值，调节因子α的值为1/8。接收端RTO的计算方式和标准的SCTP协议里的RTO计算方式一致。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于接收端的发送速率评估器，评估流程包括：

标准SCTP协议延续了传统TCP中的AIMD机制进行数据发送速率的调节和拥塞控制。基于AIMD机制的速率调节可以表示为：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\&Delta;rate}& \mathrm{ifnocongestionis}\det \mathrm{ected};\\ \frac{1}{2}\&times;{\mathrm{rate}}_i,& \mathrm{otherwise}.\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据式(2)中AIMD的数据调节策略，在拥塞避免阶段，SCTP发送端将在每一个RTT后把发送速率增加大约Δrate()。假设1个RTT内有M个数据包成功被接收，可见当每一个数据包被成功接收时，发送速率大约增加了当检测到网络拥塞(数据包丢失)时，SCTP对发生丢包的路径的拥塞窗口进行减半操作。

结合上述分析可知，AIMD机制将不可避免的导致突发的数据传输抖动，从而不适合无线流媒体的传输。为了避免突发无线传输过程流媒体数据突发抖动引起的用户体验质量下降，本发明考虑一种基于接收端加权移动平滑速率控制机制。当有数据包到达接收端，SRE-rev将利用下式评估理想的ASR值：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Phi;}\&times;{\mathrm{rate}}_i+(1-\mathrm{\&Phi;})\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{ifPLR}<\mathrm{thresh};\\ (1-\mathrm{\&Theta;})\&times;{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\&Theta;}\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{otherwise},\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，N表示在一个轮Round_j内接收端成功接收数据包的个数(或备选路径上成功接收HEARTBEAT个数)，可以通过上一轮Round_j-1内成功收到的数据包个数预测本轮内可能成功接收数据包的个数。L_size表示数据包(或HEARTBEAT)的大小。为了保持公平性，权重因子Φ和Θ的值设置为1/2。PLR表示路径的丢包率。thresh表示预设的PLR门阀值。Φ、Θ和thresh可以根据真实网络环境调节到最佳值。

相比于AIMD机制：1)在网络拥塞发生时，由于SRE-rev中的基于接收端加权移动平滑速率控制机制(即式(3))所计算的发送速率增量Δrate＝(1/M)×(L_size/RTT)≈0，因此，rate_i+i≈rate_i/2。可以看出，此时的式(3)等同于AIMD机制；2)当无网络拥塞或者发送连续网络拥塞情况下，本发明认为当rate_i和Δrate之间的差异小于一个标准值时，则有rate_i≈Δrate，因此式(3)可以根据网络环境的变化调节数据发送速率以实现网络资源自适应利用。通过式(3)得到预估的发送速率之后，接收端通过下式对其进一步平滑：

${\mathrm{Rate}}_e=\frac{\mathrm{\&gamma;}\&times;{\mathrm{\&Xi;}}_g}{\underset{s=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_s},---\left(4\right)$

其中，Rate_e表示接收端实际反馈给发送端的理想发送速率，γ表示一个加权系数数组，可以通过下式表示：

γ＝[γ₁,…,γ_s,…,γ_k],          (5)

γ_s(s∈[1,k])可以通过下式计算得出，

${\mathrm{\&gamma;}}_s=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{if}1\&le;s\&le;\frac{k}{2};\\ 1-\frac{s-k/2}{k/2+1},& \mathrm{if}\frac{k}{2}\&le;s\&le;k,\end{array}\right.---\left(6\right)$

而Ξ_g表示一个记录各条路径的最近k个rate值的矩阵，可以表示为：

Ξ_g＝[rate_g,1,rate_g,2,…,rate_g,κ].        (7)

当路径d_i上有一个新的round开始时，SRE-rev会启动一个时间长度为1RTT的计时器，一旦发生超时或者d_i的上的数据发送速率超过接收端所回馈的ASR值，发送端将通过SACK应答块或者HEARTBEAT ACK应答块反馈最新估计的Rate_e值给发送端。为了使得SACK和HEARTBEAT ACK能够承载Rate_e值，本发明对标准SCTP中的SACK和HEARTBEAT ACK进行了改进和扩展，分别在这两个应答块中增加了64-bit的Advertised Receiver Desried Sending Rate(a_rdsr)字段(如图2所示)。

实施例二

本发明实施例提供了一种接收端协助的路径切换触发器，实现流程包括：

在SCTP中，路径管理过于简单，比如，只有在主路径失效时，才会进行主路径切换，选取某一条可用备选路径作为新的主路径用于数据的传输。这种简单的路径管理策略也已成为制约SCTP性能的瓶颈。PST-rev的设计初衷即在于在接收端实现一种新颖的路径切换触发器，通过在接收端对比SCTP关联中所有路径的传输效能(即Rate_e值)，当探测到某一条或多条备选路径的Rate_e值大于当前主路径(记为d_cp)的Rate_e值，此时接收端进入路径选择传输状态，在此状态中，由接收端选择一条拥有最大Rate_e值的备选路径(记为d_ap)作为新的主路径用于数据传输。

另外，标准的SCTP在发生超时或者新路径被启用时，都会先进入慢启动状态。在异构移动互联网环境下，由于路径切换等因素引起超时时有发生，因此这种路径切换引起的慢启动机制也必将导致数据发送速率的频繁抖动和降低用户体验质量。为了解决这个问题，当有d_ap被选定为新的主路径时，接收端进入路径快速恢复传输状态，并且启动PST-rev为d_ap计算一个平滑的数据发送速率避免切换到d_ap后导致数据传输抖动。的计算方法如下，

${\mathrm{Rate}}_e^{\mathrm{new}}={\mathrm{Rate}}_e^{d_{\mathrm{cp}}}+\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Omega;}\right)\&times;{\mathrm{Rate}}_e^{d_{\mathrm{ap}}}\&times;\frac{{\mathrm{RTT}}_{\min }}{{\mathrm{RTT}}_{\mathrm{curr}}},---\left(8\right)$

其中，和分别表示当前d_cp和d_ap的Rate_e值。RTT_curr表示d_ap上测量的RTT值。RTT_min表示d_ap上测量的最小RTT值，用以避免离散丢包(sporadic losses)。RTT_min/RTT_curr表示校正因子。假设SCTP关联中有w条路径(d₁,d₂,…,d_w)，则可以表示为

而Ω和sgn(Ω)可以分别用式子(10)和(11)表示，

$\mathrm{\&Omega;}={\mathrm{RTT}}_{d_{\mathrm{cp}}}-{\mathrm{RTT}}_{d_{\mathrm{ap}}},---\left(10\right)$

如此，本发明所提出的接收端智慧协同的多路传输控制方法不仅能够避免在切换到新的主路径后的突发数据包注入问题，而且能够充分利用新主路径的带宽资源。相比标准的SCTP协议，在本发明中新增加了一个Primary PathSwitching Notification(PPSN)的数据块(如图3所示)。PPSN的目的在于帮助接收端反馈新的主路径d_ap的路径ID(记为pid)及给发送端。为了及时通知发送端进行路径切换，接收端可以选择一条最快的路径(即具有最小的反向时延)用于PPSN数据块的发送。当PPSN到达发送端后，发送端提取新主路径的a_pid和信息，切换到新主路径并以为数据发送速率发送数据。

在接收端触发主路径选择的方法如下：(i)确定SCTP关联的每条路径的Rate_e值；(ii)根据每条路径的Rate_e值,按照递减的顺序将路径分类排序；(iii)评估列表中第一条路径(即d_ap)的值；(iv)利用PPSN块将d_ap的pid和值反馈给发送端。在发送端，当PPSN块到达时，将d_ap及赋值给新的主路径。

算法1中列出了该流程的伪代码。为了阐述方便起见，本发明假设SCTP关联中仅有两条路径，一条为主路径，另外一条为备选路径。

综上所述，在本发明实施例中，建立一种基于接收端的发送速率评估器(SRE-rev)，根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值给发送端；建立一种接收端协助的路径切换触发器(PST-rev)，在接收端执行主路径选择以及路径切换后的快速恢复；定义四种传输状态：慢启动、拥塞避免、路径选择以及路径快速恢复，并描述四种传输状态的转换过程。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种接收端智慧协同的多路传输控制方法及装置，其特征在于，所述方法包括：

建立一种基于接收端的发送速率评估器(SRE-rev)，功能在于根据路径参数决策理想的数据发送速率(ASR)并反馈ASR值给发送端；

建立一种接收端协助的路径切换触发器(PST-rev)，致力于在接收端执行主路径选择以及路径切换后的快速恢复；

在接收端定义四种传输状态：慢启动、拥塞避免、路径选择以及路径快速恢复，描述四种传输状态的转换过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

标准SCTP协议延续了传统TCP中的AIMD机制进行数据发送速率的调节和拥塞控制。基于AIMD机制的速率调节可以表示为：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\&Delta;rate}& \mathrm{ifnocongestionis}\det \mathrm{ected}\\ \frac{1}{2}\&times;{\mathrm{rate}}_i,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.;$

在拥塞避免阶段，SCTP发送端将在每一个RTT后把发送速率增加大约假设1个RTT内有M个数据包成功被接收，可见当每一个数据包被成功接收时，发送速率大约增加了当检测到网络拥塞(数据包丢失)时，SCTP对发生丢包的路径的拥塞窗口进行减半操作。

3.根据权利要求1-2所述的方法，其特征在于：

建立一种基于接收端加权移动平滑速率控制机制。当有数据包到达接收端，SRE-rev将利用下式评估理想的ASR值：

${\mathrm{rate}}_{i+1}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Phi;}\&times;{\mathrm{rate}}_i+(1-\mathrm{\&Phi;})\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{ifPLR}<\mathrm{thresh};\\ (1-\mathrm{\&Theta;})\&times;{\mathrm{rate}}_i+\mathrm{\&Theta;}\&times;\frac{1}{N}\&times;\frac{L_{\mathrm{size}}}{\mathrm{RTT}},\mathrm{otherwise},\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在接收端实现一种新颖的路径切换触发器，通过在接收端对比SCTP关联中所有路径的传输效能(即Rate_e值)，对路径进行切换。

5.根据权利要求1-4所述方法，其特征在于，所述的转换过程包括：

当第一个数据包达到接收端时，接收端则进入慢启动状态；

在数据传输过程中，一旦侦测到有数据丢失，接收端则进入拥塞避免状态；

当探测到有一条或多条备选路径的传输质量大于主路径的传输质量时，接收端则进入路径选择状态；

当主路径切换时，接收端则进入路径快速恢复状态。