CN104320809A - 基于rtt的无线多跳网络拥塞控制方法及*** - Google Patents

基于rtt的无线多跳网络拥塞控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线网络技术领域，公开了一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法及***。该方法包括步骤：在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项；接收针对通知选项的应答ACK报文；根据应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由RTT值计算理论发包速率；对比理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整当前实际发包速率。本发明利用显式拥塞通知机制来准确获知无线网络的丢包类型，根据发包速率预测网络的拥塞级别，并动态地进行拥塞控制和拥塞避免，有效改善TCP在无线多跳环境下的吞吐量，进一步改进了无线网络的整体性能。

Description

基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法及***
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种基于RTT(Round-Trip Time，往返时延)的无线多跳网络拥塞控制方法及***。 
背景技术
TCP协议是目前Internet中广泛采用的传输控制协议，但TCP协议是为有线网络设计的一种滑动协议，适用于差错率低、报文丢失率低的有线链路。在无线网络中，由于无线网络具有较高的误码率，TCP协议会误认为网络拥塞而启动不必要的拥塞控制及避免机制，降低了网络的吞吐量。同时，在无线多跳网络环境中，由于主机不断移动、环境变化和带宽快速变化，导致发送端不能及时掌握***的瓶颈带宽，从而出现缓冲区溢出丢包的现象，进一步降低了TCP的性能。 
目前，人们已经提出许多方案来改善TCP在无线多跳网络中的性能，大致可以分为以下三种：(1)根据无线TCP性能下降的事实，提出一种面向发送端的拥塞控制机制，但为了实现拥塞控制，自定义了一种新的TCP选项，因而实现起来比较复杂。(2)针对数据链路层提出了一种快速重传方案，通过加快重传提高网络的利用率和吞吐量。(3)针对3G无线网络环境，在接收端通过ACK(acknowledgement，确认字符)反馈无线网络当前信道状况信息给发送端，然后配合其他算法确定发包速率，优化了TCP性能，取得了不错的效果。 
与此同时，现有技术还存在以下缺陷：(1)由于网络时延的存在以及无线多跳网络带宽的持续变化等原因，拥塞控制不能准确地反映当前网络的状态；(2)现有技术计算方式复杂，无线多跳网络节点计算能力有限，难以承受频繁的大计算量的运算。 
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是如何有效改善TCP方式在无线多跳环境下的吞吐量。 
为解决上述技术问题，一方面本发明提供一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法，包括步骤： 
S1，在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项； 
S2，接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳； 
S3，根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率； 
S4，对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。 
优选地，步骤S3中，根据当前测算的RTT值，利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率。 
优选地，步骤S4中，若所述理论发包速率大于所述实际发包速率，则采用所述理论发包速率加快数据包的发送，并将所述实际发包速率更新为所述理论发包速率； 
若所述理论发包速率不大于所述实际发包速率，则降低所述实际发包速率，并以降低后的实际发包速率发送数据包。 
优选地，所述方法还包括步骤： 
S21，若所述通知选项发送在启动测量之前，则所述应答ACK报文中时间戳直接填充0，接收该应答ACK报文后，立即加大发包速率； 
S22，若无法接收到应答ACK报文或接收到带延迟的ACK报文，则直接降低发包速率。 
优选地，所述利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率包括： 
首先根据源到目标的跳数计算发送数据包的间隔时间P； 
随后根据所述间隔时间P和测算的所述RTT值计算理论发包速率。 
另一方面，本发明还同时提供一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制***，包括： 
通知模块，用于在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项； 
接收模块，用于接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳； 
测算模块，用于根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率； 
拥塞控制模块，用于对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。 
优选地，所述测算模块中，根据当前测算的RTT值，利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率。 
优选地，所述拥塞控制模块中进一步包括： 
提速模块，用于在判定所述理论发包速率大于所述实际发包速率时，采用所述理论发包速率加快数据包的发送，并将所述实际发包速率更新为所述理论发包速率； 
降速模块，用于在判定所述理论发包速率不大于所述实际发包速率时，降低所述实际发包速率，并以降低后的实际发包速率发送数据包。 
优选地，所述***还包括： 
直接提速模块，用于在发现所述通知选项发送在启动测量之前时，所述应答ACK报文中时间戳直接填充0，接收该应答ACK报文后，立即加大发包速率； 
直接降速模块，用于在发现无法接收到应答ACK报文或接收到带延迟的ACK报文时，直接降低发包速率。 
优选地，所述测算模块进一步包括： 
间隔时间计算模块，用于根据源到目标的跳数计算发送数据包的间隔时间P； 
速率计算模块，用于根据所述间隔时间P和测算的所述RTT值计算理论发包速率。 
与现有技术相比，本发明利用显式拥塞通知(ECN)机制来准确获知无线网络的丢包类型，同时利用四跳延时理论计算发包方的发包速率，从而预测网络的拥塞级别，动态地进行拥塞控制和拥塞避免，从而有效改善TCP在无线多跳环境下的吞吐量，进一步改进了无线网络的整体性能。 
附图说明
图1是本发明的一个实施例中基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法的基本流程示意图； 
图2是本发明的一个优选实施例中含时间戳的通知选项的格式示意图； 
图3是本发明的另一个优选实施例中基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法的详细交互过程流程示意图； 
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。 
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 
本发明提出一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法，该方法定义一个简化的带时间戳的通知选项来协调收发双方的RTT测量和通知工作，随后由RTT得到理论发包速率，由此判断网络拥塞情况并进行相应的控制调整。如图1所示，在本发明的一个实施例中，该方法包括步骤： 
在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项； 
接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳； 
根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率； 
对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。 
其中，在本发明的优选实施例中，包含时间戳的通知选项的格式如图2所示。该通知选项优选包括4个字节：第1个字节是选项种类域，该字节有两种状态：一种为normal状态，即正常接收到应答信息，网络没有出现丢包等现象，网络情况良好；一种为delay状态，网络出现丢包，接收端发现当前TCP连接不能正常结束。其余3个字节为时间戳，此值如果为0， 表示网络情况非常好，否则表示网络有一定延迟。其中，选项种类域由发送端和应答端根据实际收发情况设置，时间戳由发送端和应答端在收发过程中相应填充。 
在本发明的实施例中，每当发送端发送完成一定的数据后，就发送一个含时间戳的通知选项；接收端收到这个选项，立即结束统计，将当前接收到全部信息所用的时间填充至选项的时间戳，并将带该选项的ACK使用TCP报文反馈给发送端；发送端接收到该ACK，立即计算相应的RTT。 
优选地，发送端对RTT值的测算方法为：接收端在收到带通知选项(含时间戳)的最后一个TCP报文后，给发送端反馈一个ACK报文，ACK报文中同样带通知选项且已填充反馈时的时间戳；发送端接收到该ACK报文后，通过上面记录的时间戳与本次TCP通信返回的时间相加，从而计算出本次TCP通信的RTT值。 
在本发明的优选实施例中，根据当前测算的RTT值，利用四跳延迟(four hops delay，FHD)原则可以计算最新的理论发包速率Rnew。对比理论发包速率Rnew和当前实际发包速率Rcurrent，即可判定网络拥塞情况并进行相应的调整。优选的判定和调整方式为： 
若Rnew>Rcurrent，即最新计算得到的理论发包速率大于实际发包速率，表示当前网络运行良好，还可以提升发包速率，从而充分利用网络资源，因此用Rnew更新Rcurrent，并使发送端按Rnew速率加快数据包的发送； 
若Rnew≤Rcurrent，即实际发包速率已经超过最新计算得到的理论发包速率，在此情况下，可以确定：如果继续按实际发包速率发包，网络中可能出现拥塞导致丢包。所以对发送端而言，需要对Rcurrent乘以一定的概率p(0<p<1)，降低发包速率。 
在理论发包速率Rnew计算过程中，四跳延时理论为：无线多跳网络中由于存在隐终端问题，在一个h跳的chain型拓扑上，大约只有h/4的数据包能在链路上同时传输。基于该理论，可以得到源端向无线网络发送数据包的间隔时间P，根据此间隔时间P发送数据包，可以避免因多个数据包同时在无线网络中传输发生信道冲突致使传输失败而误启动超时重传。 
具体地，间隔时间P的计算式为： 
其中H是源到目标的跳数，B是无线带宽，Sdata 和Sack分别是数据包和应答包的大小，t为源到目标所用的传输的时间。 
根据该间隔时间P和RTT值，理论发包速率Rnew的计算式为： 
其中，N表示最近计算过RTT值的次数，ti表示第i次RTT值(即第i次传输需要的时间)，表示N个RTT值的平均值(即N次传输需要的时间的平均值)，Pnew为P的指数加权滑动平均，有Pnew＝αPold+(1-α)P；其中，Pold为原有的理论发包速率，也即不采用四跳延时原则时的理论发包速率，这里α为实验确定的常系数，本发明优选实施例中将α定为1/3。 
此外，在本发明的控制过程中还有几种特殊情况需要考虑： 
如果在等待RTT之前，接收端还没有来得及启动测量，发送端就已发送一个请求时间戳。这表明当前链路状况变好，这种情况下，时间戳项直接填充0，发送端接收该信息后，立即加大发包速率。 
又或者，接收端没有收到具有停止测量标记的报文。针对这种情况，在接收端每次收到一个报文时都重新启动定时器。如果定时器超时，则认为网络可能出现拥塞，这时给发送端发送一个带延迟的ACK报文；发送端接收到该ACK后，判断该网络为拥塞状态，降低发包速率(比如将当前发包速率×0.5)，重新发送该信息；若仍旧接收到延迟的ACK，在此降低发包速率(比如继续×0.5)；重复进行，直到能正常接收到信息，方重新根据时间戳确定当前发包速率。 
图3为本的优选实施例中基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法的详细交互过程流程示意图，具体包括步骤： 
首先，启动传输过程，TCP发送端开始向接收端发送数据包； 
发送端数据发送完成，向接收端发送带时间戳的通知选项； 
接收端收到该通知选项，进行应答，发送ACK应答报文给发送端； 
发送端根据是否收到ACK应答报文来判断当前网络是否出现拥塞导致丢包，并进行相应的应对： 
如发送端可以收到ACK应答报文，则发送端每接收到接收端发送来的 ACK，就根据当前检测的RTT值，利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率Rnew；根据理论发包速率Rnew和当前实际发包速率Rcurrent的大小比较，判断出网络拥塞情况并相应调整发包速率(良好时提升速率，较差时降低速率)； 
如发送端无法收到ACK应答报文，表明网络已经拥塞，直接降低发包速率。 
待TCP连接断开时结束全部传输过程。 
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，本领域相关技术人员应能理解，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制***，与上述方法步骤一一对应地，该***包括： 
通知模块，用于在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项； 
接收模块，用于接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳； 
测算模块，用于根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率； 
拥塞控制模块，用于对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。 
与现有技术相比，本发明提供了一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法及***，采用了显式拥塞通知机制(ECN)来准确获知无线网络的丢包类型，同时利用四跳延时理论计算发包方的发包速率，从而预测网络的拥塞级别，动态地进行拥塞控制和拥塞避免，避免了不必要的中间节点拥塞，对动态变化的无线多跳TCP提供了更好的吞吐量，从而进一步改进了无线网络的整体性能。 
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，依照本发明可提出的各种设置方案，根据不同情况可有其他多种方式的实施例，在此不一一指出，故凡运用本发明的说明 书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。 

Claims (10)

1.一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1，在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项；
S2，接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳；
S3，根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率；
S4，对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，根据当前测算的RTT值，利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S4中，若所述理论发包速率大于所述实际发包速率，则采用所述理论发包速率加快数据包的发送，并将所述实际发包速率更新为所述理论发包速率；
若所述理论发包速率不大于所述实际发包速率，则降低所述实际发包速率，并以降低后的实际发包速率发送数据包。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
S21，若所述通知选项发送在启动测量之前，则所述应答ACK报文中时间戳直接填充0，接收该应答ACK报文后，立即加大发包速率；
S22，若无法接收到应答ACK报文或接收到带延迟的ACK报文，则直接降低发包速率。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率包括：
首先根据源到目标的跳数计算发送数据包的间隔时间P；
随后根据所述间隔时间P和测算的所述RTT值计算理论发包速率。
6.一种基于RTT的无线多跳网络拥塞控制***，其特征在于，所述***包括：
通知模块，用于在发送数据的最后一个TCP报文中携带包含时间戳的通知选项；
接收模块，用于接收针对所述通知选项的应答ACK报文，其中，所述应答ACK报文中也包含所述通知选项并已进一步填充时间戳；
测算模块，用于根据所述应答ACK报文的接收情况测算本次TCP通信的RTT值，由所述RTT值计算理论发包速率；
拥塞控制模块，用于对比所述理论发包速率和当前实际发包速率，由此判断网络拥塞情况并相应调整所述当前实际发包速率。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述测算模块中，根据当前测算的RTT值，利用四跳延迟原则计算最新的理论发包速率。
8.如权利要求6所述***，其特征在于，所述拥塞控制模块中进一步包括：
提速模块，用于在判定所述理论发包速率大于所述实际发包速率时，采用所述理论发包速率加快数据包的发送，并将所述实际发包速率更新为所述理论发包速率；
降速模块，用于在判定所述理论发包速率不大于所述实际发包速率时，降低所述实际发包速率，并以降低后的实际发包速率发送数据包。
9.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述***还包括：
直接提速模块，用于在发现所述通知选项发送在启动测量之前时，所述应答ACK报文中时间戳直接填充0，接收该应答ACK报文后，立即加大发包速率；
直接降速模块，用于在发现无法接收到应答ACK报文或接收到带延迟的ACK报文时，直接降低发包速率。
10.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述测算模块进一步包括：
间隔时间计算模块，用于根据源到目标的跳数计算发送数据包的间隔时间P；
速率计算模块，用于根据所述间隔时间P和测算的所述RTT值计算理论发包速率。
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