CN104836742A

CN104836742A - 一种m2m终端及其tcp传输拥塞控制方法及***

Info

Publication number: CN104836742A
Application number: CN201510230570.4A
Authority: CN
Inventors: 徐静; 姚志垒; 徐森; 皋军; 刘其明; 张成彬
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Maiduo Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: CN104836742B

Abstract

本发明涉及一种M2M终端TCP传输拥塞控制方法和***，属于计算机通信领域，本方法及***主要通过物联网M2M终端对TCP传输的网络拥塞状况进行判断，如果网络拥塞严重，不再发送TCP数据包，向底层发送信令，终端进入休眠状态，从而减小网络侧的拥塞状况，并且降低了终端功耗，节省终端能量，同时接收端也根据拥塞状况做相应的调整，从而减少接收端的网络开销。

Description

一种M2M终端及其TCP传输拥塞控制方法及***

技术领域

本发明涉及一种M2M终端及其TCP传输拥塞控制方法和***，属于计算机通信领域。

背景技术

物联网(Internet of Things)是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位***、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的基础就是设备与设备通信：M2M(machine-to-machine)，在这种通信形式中，机器能自动完成整个通信过程。M2M通信近年来发展迅猛，在很多领域中得到了广泛的应用，例如电子医疗、智能电网、没有人为干预的多媒体娱乐与休闲等。在实际环境中，M2M通信具有和传统的人与人通信(H2H)业务不同的一些特点：。

M2M网络结构如图1所示，M2M业务节点每次传输的数据分组都是非常小的，但是传输数据的频率高于H2H节；M2M的节点数大大多于H2H的节点数；M2M设备的移动性低、处理能力弱；M2M业务对时延的需求并不是非常严格,M2M应用在移动性、业务量特征、接入条件、优先级、群组特征等方面有自己的特点，传统移动通信网络是面向人与人(H2H)通信业务设计的，适应H2H的业务需求。

TCP是目前应用最广泛的传输控制协议，拥塞控制机制是其核心元素。随着主机数量的增多和数据通信量的加大，网络中存在过多的分组时，网络性能会明显下降，产生资源竞争，导致网络出现拥塞。

TCP网络拥塞控制中，发送端通过减少TCP发送端数据包发送速率，降低网络负载，拥塞控制机制通过调整拥塞窗口(CWND)来控制TCP数据发送速率，CWND表示TCP发送端一次可以发送的最大数据包个数。

常用方法如图2所示，当发送端发了TCP数据包后，接收端接收数据后，如果数据正确就发送ACK，否则就发送重传信息，发送端如果碰到网络拥塞，就减小CWND，如果网络状况好，就增加CWND，这就是TCP网络拥塞控制的基本思想

传统TCP拥塞控制机制很多，常见的例如有线网络的Reno,Vegas等方法，这些方法通过判断拥塞状况以及调整发送窗口来减少进一步的拥塞，对于TCP传输能有效减少拥塞，但是这些方法适用于有线网络以及一般的无线网路。

物联网M2M终端通信中，虽然拥塞控制可以减少网络拥塞，但是终端的功耗依然没有减少，即便是窗口减小，发出的TCP包有些有可能没有接收到，然后需要额外的重传，消耗过多的节点能量。另外多数M2M终端对数据的时延要求不高，但是对功耗比较敏感，对于这样一类的终端，提供了一种TCP拥塞控制方法，减少网络拥塞同时减小终端的能量消耗。

发明内容

本发明所要解决的问题是：在现有技术中，M2M终端在TCP传输拥塞时候，大量重传导致终端功耗增加,本发明根据目前的方法，提出了一种TCP传输自适应拥塞控制方法，通过对网络拥塞状况的判断，如果网络使M2M终端进入休眠的低功耗状态，减小功耗和网络数据流量。

为解决上述问题，本发明提出如下技术方案：

第一个技术方案是提出一种M2M终端，包括如下装置：

发送TCP数据包的装置；

接收TCP数据包确认消息的装置；

处理TCP数据包拥塞状态的装置；

根据信令控制终端硬件进行休眠操作的装置；

休眠结束后对硬件唤醒操作的装置。

优选地，上述方案进一步包括：响应于在预定时间段内发送数据，接收从服务器端来的数据的装置。

优选地，上述方案还进一步包括：被配置为利用处理器获取数据包中的时间戳信息的装置。

优选地，上述方案进一步包括：被配置为利用处理器获取计算收到的ACK数目的装置。

优选地，上述方案进一步包括：可以收到发送端数据并且判断数据的正确性的装置。

第二个技术方案是提出一种用于M2M终端的TCP传输拥塞控制方法，如图3所示，该***中至少包括M2M接收端和服务器接收端，包括：

步骤1：M2M终端向接收端发送TCP数据，

步骤2：服务器接收端接收数据，

步骤3：服务器接收端校验数据正确性，

步骤4：服务器接收端发送响应数据ACK

步骤5：M2M终端判断网络拥塞情况，根据拥塞情况指示底层是否进行休眠操作。

优选地，步骤1进一步包括初始化拥塞窗口大小的能力。

优选地，步骤3进一步包括对数据CRC进行校验，如果CRC校验通过，则发送ACK数据包给M2M终端。

优选地，步骤5进一步包括对网络层拥塞程度做判断。

优选地，对网络层拥塞程度做判断时进一步包括：如果到达拥塞等级，则停止发送TCP数据包。

优选地，对网络层拥塞程度做判断时进一步包括通过收到的ACK数目来确定网络拥塞状况，如果收到的ACK数据包次数超过阈值，则判定网络拥塞。

优选地，所述预定值为3。

优选地，M2M终端具有向物理层发送信令，使终端进入休眠状态的能力。

优选地，M2M终端根据发给发送端的ACK值，确定发送端是否进入休眠状态，如果进入休眠状态，获得休眠的时间间隔，不再等待发送端的TCP数据块。

优选地，进一步包括发送端休眠状态结束后，物理层通知高层，高层获取当前TCP发送块的序号。

优选地，所述休眠的时间间隔按照如下公式确定：(已发送的数据包的大小/(未发送的数据包的大小+1))/2

第三个技术方案是提出一种用于M2M终端***中的TCP传输拥塞控制方法，如图4所示，该***中至少包括M2M接收端和服务器接收端,包括以下步骤：

步骤1：发送端开始发送TCP数据包，初始化拥塞窗口(CWND)大小；

步骤2：接收端接收到TCP包后，通过CRC校验数据正确性，如果正确返回ACK；

步骤3:发送端对网络层拥塞程度做判断，如果到达设定的拥塞等级a，则减小CWND，继续发生TCP数据块；如果到达拥塞等级b，则停止发送TCP数据包，向底层发送信令，下层接到信令后，进入休眠状态；

步骤4：接收端根据发给发送端的ACK值，确定发送端是否进入休眠状态，如果进入休眠状态，获得休眠的时间间隔，不再等待发送端的TCP数据块；

步骤5：发送端休眠状态结束后，其物理层通知高层，高层获取当前TCP发送块的序号；

步骤6：接收端在休眠时间结束后，继续等待下一个TCP数据块。

步骤7：如果数据发送完成，则退出上述步骤，断开TCP链接，否则重复步骤1～6；

其中，步骤3中所述拥塞等级按照如下方法确定：

通过检测回路响应时间(RTT)来确定，RTT指一个数据包从源端发送到接收端直至源端收到接收端该数据包确认信息所经历的时间间隔，源数据段发送时候会在TCP报文中加入时间戳，接收端接收后,读取收到数据包的时间戳，通过计算两个的时间差值得到RTT；

优选地，进一步包括：发送端发送数据包，收到ACK后，如果RTT值小于阈值1，则确定为等级a，发送端调整窗口，增大CWND，否则大于阈值1减小CWND；

优选地，进一步包括：发送端收到下一个ACK包，如果RTT阈值大于阈值2，这时候接收端判断网络拥塞比较严重，则确定为等级b。

优选地，所述休眠的时间间隔按照如下公式确定：(已发送的数据包的大小/(未发送的数据包的大小+1))/2。

附图说明

图1：本发明涉及的***结构图。

图2：本发明涉及的TCP传输拥塞控制原理图。

图3：本发明涉及的发送端拥塞控制流程图之一。

图4：本发明涉及的发送端拥塞控制流程图之二

图5：本发明涉及的接收端拥塞控制流程图

图6：本发明涉及的发送端控制终端休眠流程图

具体实施方式

本发明所采取的技术方案如下：

一种M2M终端TCP传输拥塞控制方法及***，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：M2M终端开始发送TCP数据包，初始化拥塞窗口(CWND)大小；

步骤3:发送端对网络层拥塞程度做判断，如果到达设定的拥塞等级a，则减小CWND，继续发生TCP数据块；如果到达拥塞等级b，则停止发送TCP数据包；

步骤4:接收端向物理层发送信令，物理层接到信令后，终端进入休眠状态；

步骤5：接收端根据发给发送端的ACK值，确定发送端是否进入休眠状态，如果进入休眠状态，获得休眠的时间间隔，不再等待发送端的TCP数据块；

步骤6：发送端休眠状态结束后，物理层通知高层，高层获取当前TCP发送块的大小，

步骤7：接收端在休眠时间结束后，继续等待下一个TCP数据块；

如果数据发送完成，则退出这个流程，断开TCP链接，否则重复步骤1～7。

所述休眠的时间间隔按照如下公式确定：(已发送的数据包的大小/(未发送的数据包的大小+1)/2，单位为秒。

按照上述公式确定的休眠时间间隔，通过比较已发送数据和未发送数据的关系，来确定休眠时间间隔，在未发送数据量小的情况下，可通过较长的休眠时间间隔获得拥塞机会较少的发送时刻；反之，未发送数据量大的情况下，则尽可能地尽快发出这些数据，以避免过长的等待时间。采取上述方式确定的时间间隔，能够有效提高数据包的发送效率，减小功耗和网络数据流量。

其中，上述步骤3中所述拥塞等级按照如下方法确定

第一种方法如下：

(1)通过检测回路响应时间(RTT)来确定，RTT指一个数据包从源端发送到接收端直至源端收到接收端该数据包确认信息所经历的时间间隔，源数据段发送时候会在TCP报文中加入时间戳，接收端接收后,读取收到数据包的时间戳，通过计算两个的时间差值得到RTT。

(2)发送端发送数据包，收到ACK后，如果RTT值小于阈值，发送端调整窗口，增大CWND，否则减小CWND，并且将所述阈值的索引增加1，即所述阈值增加一特定值，更新为新阈值。

(3)终端收到下一个ACK包，如果RTT阈值大于所述新阈值，这时候终端判断网络拥塞比较严重。

作为一种优先方式，上述(2)中所述更新阈值的方式可按照表1值确定：

其中，表1的内容如下：

Threshold索引	Threshold的值(单位：毫秒)
		1	100

2	200
		3	500
4	1000
		5	2000

这里只是给出了一个参考表格，针对不同类型的M2M终端，可以定义不同的索引数目和具体的数值，M2M的终端是基于分组进行接入和数据传输的，当终端接入网络后，服务器端知道终端类型，不同的类型的延迟也是不一样的，例如无线抄表和视频监控类型的延迟就差别很大。上述例子只用到了其中两个阈值，也可以根据不同的场景利用不同数目的阈值。

M2M终端休眠的时间间隔除了按上述公式计算确定外，也可采用从索引表随机查询的方式确定终端的休眠时间，所查询的休眠时长的值作为M2M终端休眠的时间间隔。由于索引表方式不需要进行计算，可以降低对M2M终端计算能力的要求。

其中，表2的内容如下：

休眠时长索引	休眠时长的值(单位：秒)
		1	0.5
2	1
		3	2
4	5
		5	10
6	20
		7	30
8	50
		9	100
10	200

类似上面的阈值，终端休眠的时间也是根据具体M2M终端类型和网络侧来决定的，这里只是给出了一些例子，实际网络中有所不同。

优选的，第一种方法中的给定时间值由高层协议配置决定。

优选的，第一种方法中的配置的终端休眠的时间由高层协议配置的确定

步骤3的第二种方法如下：

(1)发送端记录收到的ACK的数目，根据实际网络不同，实现约定一个值，例如3次ACK表示网络拥塞情况严重

(2)发送端终端进入休眠状态

(3)接收端根据发送的ACK数目，如果大于3，接收端知道发送端进入休眠状态，等待休眠结束后再进行数据包传输

优选的，M2M终端采用第一种方法还是第二种方法由网络侧根据实际网络终端类型制定，并且通过高层信令通知终端。

其中，终端的高层根据网络状况发送信令给物理层，物理层进行休眠操作，如图6所示。一种实现方法在3G/LTE网络中，物理层通过DTX/DRX来实现类型的功能，DTX表示不连续发射，DRX表示不连续接收，当终端进入DTX/DRX后，终端关闭RF以及硬件，这样可以节省能量消耗。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种M2M终端，其在特征在于包括下述装置：

发送TCP数据包的装置；

接收数据包确认消息的装置；

确定TCP是否正确接收的装置；

根据信令控制终端硬件进行休眠操作的装置；

休眠结束后对硬件唤醒操作的装置。

2.根据权利要求1所述的终端，进一步包括：响应于在预定时间段内发送数据，接收从服务器端到来的数据的装置。

3.根据权利要求1或2所述的终端，进一步包括：被配置为利用处理器获取数据包中的时间戳信息的装置。

4.根据权利要求1或2所述的终端，进一步包括：被配置为利用处理器获取计算收到的ACK数目的装置。

5.根据权利要求1或2所述的终端，进一步包括：可以收到发送端数据并且判断数据的正确性的装置。

6.一种用于M2M终端的TCP传输拥塞控制方法，包括：

步骤1：M2M终端作为发送端发送TCP数据，

步骤2：服务器作为接收端接收数据，

步骤3：服务器接收端校验数据正确性，

步骤4：服务器接收端发送响应数据ACK，

7.根据权利要求6所述的方法，步骤1，进一步包括初始化拥塞窗口大小的能力。

8.根据权利要求6所述的方法，步骤3，进一步包括对数据CRC进行校验，发送ACK数据包。

9.根据权利要求6所述的方法，步骤5，进一步包括对网络层拥塞程度做判断。

10.根据权利9要求的方法，对网络层拥塞程度做判断时进一步包括：如果网络到达设定的拥塞等级a，则减小拥塞窗口，继续发送TCP数据块；如果到达拥塞等级b，则停止发送TCP数据包。

11.根据权利9要求的方法，对网络层拥塞程度做判断时，通过收到的ACK数目来判断网络拥塞状况。

12.根据权利11要求的方法，进一步包括：发送端发送数据包，收到服务器端发送的ACK后，如果ACK数目大于一特定值，表示网络拥塞比较严重。

13.根据权利要求12所述的一种用于M2M终端***中的TCP传输拥塞控制方法，所述预定值为3。

14.根据权利要求6所述的方法，M2M终端具有向底层发送信令，使终端进入休眠状态的能力。

15.根据权利要求6所述的方法，服务器接收端根据发给发送端的ACK值，确定发送端是否进入休眠状态，如果进入休眠状态，获得休眠的时间间隔，不再等待发送端的TCP数据块。

16.根据权利要求6所述的方法，进一步包括发送端休眠状态结束后，物理层通知高层，高层获取当前TCP发送块的序号。

17.一种用于M2M终端***中的TCP传输拥塞控制方法，该***中至少包括M2M发送端和服务器接收端,所述的M2M发送端是如权利要求1-5任一项权利要求所述的M2M终端，其特征在于包括以下步骤：

步骤3:发送端对网络层拥塞程度做判断，如果到达设定的拥塞等级a，则减小CWND，继续发生TCP数据块；如果到达拥塞等级b，则停止发送TCP数据包，向物理层发送信令，下层接到信令后，进入休眠状态；

步骤5：发送端休眠状态结束后，其物理层通知高层，高层获取当前TCP发送块的大小；

其中，步骤3中所述拥塞等级按照如下方法确定：

(1)通过检测回路响应时间(RTT)来确定，RTT指一个数据包从源端发送到接收端直至源端收到接收端该数据包确认信息所经历的时间间隔，源数据段发送时候会在TCP报文中加入时间戳，接收端接收后,读取收到数据包的时间戳，通过计算两个的时间差值得到RTT；

(2)发送端发送数据包，收到ACK后，如果RTT值小于阈值，则所述阈值增加一特定值，更新为新阈值，所述拥塞等级确定为等级a，发送端调整窗口，增大CWND，否则减小CWND；

(3)接收端收到下一个ACK包，如果RTT阈值大于所述新阈值，这时候接收端判断网络拥塞比较严重，则拥塞等级确定为等级b。

18.步骤5中的所述休眠的时间间隔按照如下方式确定：(已发送的数据包的大小/(未发送的数据包的大小+1))/2，单位为秒。

19.根据权利要求17所述的一种用于M2M终端***中的TCP传输拥塞控制方法，步骤5中的所述休眠的时间间隔也可采用索引表的方式确定，M2M终端按照休眠时长索引随机从索引表中查询对应的休眠时长的值，并作为所述休眠的时间间隔的值，所述索引表如下表所示：

休眠时长索引休眠时长的值(单位：秒) 1 0.5

2 1 3 2 4 5 5 10 6 20 7 30 8 50 9 100 10 200

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