CN106254264B - 一种非对称式网络传输协议设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物联网网络传输领域，特别是涉及一种非对称式网络传输协议设计方法。该方法包括：建立包含参数Sack、参数Wcong的确认数据包，在数据包重传阶段，若受限制节点为发送端，令Wcong等于没有接收到的相应数据包序号，并将收到的数据包压入缓存中；接收端将参数Sack和Wcong发送至发送端；发送端接收参数Sack和Wcong后执行数据恢复算法；受限制节点为接收端，将S1中数据包的序号复制给Wcong，接收端接收到Wcong后判断是否存在3个Wcong相等，若存在，则执行数据恢复算法；否则中止。有效的解决了现阶段对称协议导致的通信效率低以及消耗能源过多的问题。
Description
技术领域
本发明涉及物联网网络传输领域，特别是涉及一种非对称式网络传输协议设计方法。
背景技术
物联网传感器节点一般具备一个或多个传感器，它们负责采集特定数据，并通过端到端的通讯方式将这些数据上报给互联网的终端主机。物联网中的节点主要由传感器节点、可路由节点和多协议网关3类组成。由于协议转换，多协议网关是性能的瓶颈。
现如今，物联网网络传输层常用网络协议仍是沿用互联网的TCP/IP协议。然而，传感器节点造价低廉，处理和存储能力都非常有限，一般采用电池供电，且需要以有限的能量配置工作尽可能长的时间，IPv6所实现的直接互联无疑给能力低的节点带来了极大的消耗。在传统的互联网中，服务器节点和客户端节点也是非常的不同。大多的网络采用的都是用一个服务器节点连接多个客户端节点，即便两节点端有如此大的不同，传统网络采用的协议也是对称的，这样无疑阻碍了通信效率和消耗过多的能源。并且，由于传感器节点的能源有限性的特点，传感器低功耗一直是现在物联网络领域存在的难题，所以对称协议导致的通信效率低以及消耗能源过多的问题也需亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非对称式网络传输协议及其设计方法，以解决现阶段对称协议导致的通信效率低以及消耗能源过多的问题。
本发明提供了一种非对称式网络传输协议设计方法，其包括：
S1：设置并记录数据传输过程中发送的数据包的序号和；
S2：建立包含参数Sack、参数Wcong的确认数据包，所述参数Sack代表数据传输过程中收到的数据包的序号和，所述Wcong参数用以调回没有收到的数据包序号组；
S3：设置所述参数Sack的初始值；
S4：非对称协议建立连接后，初始化拥塞窗口cwnd的值；
S5：判断发送端收到接收端发送的Sack和所述发送的数据包序号和是否相等，若相等，进行S6；否则进行S7；
S6：将所述拥塞窗口cwnd的值加倍，且记录所述确认数据包的返回时间Tack；
S7：根据拥塞窗口cwnd设置慢启动阀值ssthresh；
S8：判断拥塞窗口cwnd与慢启动阀值ssthresh的大小，若拥塞窗口cwnd小于慢启动阀值ssthresh且发生Tack超时，非对称协议执行慢启动算法，重新探测所述返回时间Tack的值；否则执行拥塞避免算法；
S9：判断接收的序号和发送的数据包的序号是否相同，若相同，则终止；否则进行S10；
S10：判断受限制节点为发送端还是为接收端：
若受限制节点为发送端，则进行S11，若受限制节点为接收端，则进行S12；
S11：令Wcong等于没有接收到的相应数据包序号，并将收到的数据包压入缓存中；接收端将所述参数Sack和Wcong发送至发送端；发送端接收所述参数Sack和Wcong后执行数据恢复算法；
S12：将所述S1中数据包的序号复制给Wcong，接收端接收到Wcong后判断是否存在3个Wcong相等，若存在，则执行数据恢复算法；否则中止。
在一些实施例中，优选为，所述拥塞避免算法包括：记录返回时间Tack后，拥塞窗口cwnd增加至cwnd的值与cwnd的值的倒数的和；发送端接收所述确认数据包后，拥塞窗口cwnd呈线性增长。
在一些实施例中，优选为，所述数据恢复算法包括：
S13：将拥塞窗口cwnd设置为慢启动阀值ssthresh与3的和；
S14：判断受限制节点为发送端还是为接收端：
若受限制节点为发送端，则进行S15，若受限制节点为接收端，则进行S16；
S15：发送端接收到确认数据包后，将拥塞窗口cwnd增加3；
S16：接收端接收到确认数据包后，判断是否发生超时重传，若发送当发生超时重传时，将拥塞窗口cwnd设置为1，慢启动阀值ssthresh设置为拥塞窗口cwnd的一半，并执行慢启动；否则执行拥塞避免算法。
在一些实施例中，优选为，对于一个非对称协议连接，慢启动阀值ssthresh一般设置为65535个字节。
在一些实施例中，优选为，所述S3中参数Sack的初始值为0。
在一些实施例中，优选为，所述S7中将慢启动阀值ssthresh设置为拥塞窗口cwnd的一半。
在一些实施例中，优选为，所述拥塞窗口cwnd呈线性增长为：拥塞窗口cwnd增加1。
本发明实施例提供的非对称式网络传输协议设计方法，与现有技术相比，提出了包含参数Sack、参数Wcong的确认数据包，当受限制节点为发送端时，采取为服务器端开辟缓存的方式，减少因数据丢失，而带来的大量数据重传。受限制节点因数据丢失造成的大量数据重传现象，无疑会给受限制节点带来很大的能源损耗，所以采取这种方式来减少受限制接节点的发送。在一次轮回中，等待数据传送的结束后，为确认数据包添Wcong参数，来调回没有收到的数据段。当受限制节点为接收端时，由于并不清楚是丢包还是数据包乱序导致的没有的到预期的数据包，所以当Wcong有3个相等值时，即认为数据包丢失，此时立即将此确认数据包传送给发送方。因为若是由乱序产生的没有接收到预期的数据包，那么一般在Wcong有1或是2时，乱序的问题就会解决，而有三个Wcong时，数据包丢失的可能性就大大增加了。所以，就需要对丢失数据包进行重传，而非等到超时计时器发生超时。通过对确认数据包添加Sack和Wcong两个参数的设置，减缓数据的传输。并且重新设计的非对称式数据重传设计，进而更加验证了非对称式设计的优越性。因此，本申请不仅减少不必要的ACK的发送和接收，从而减缓了ACK发送和接收所带来的巨大耗电量，而且还降低了数据发送量和为能力高节点开辟缓存的方法，提高了网络通信的通信效率和延长受限制节点的使用寿命。有效的解决了现阶段对称协议导致的通信效率低以及消耗能源过多的问题。
附图说明
图1为本发明一个实施例中非对称式网络传输协议设计方法步骤示意图；
图2为本发明一个实施例中非对称协议网络传输示意图；
图3为本发明一个实施例中确认数据包示意图；
图4为本发明一个实施例重传数据包中示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现阶段对称协议导致的通信效率低以及消耗能源过多的问题，本发明提出了一种非对称式网络传输协议设计方法。如图1-4所示，其具体包括：
本申请主要基于非对称式的通信思想为基础，对传输协议从初始化、拥塞避免、数据包重传和数据包快速恢复四个阶段对物联网传输协议进行了低能耗的设计，如图1、2所示，具体包括：
A.初始化方案设计
当数据开始传输时，如果发送端立即注入大量的数据到网络中，那么很可能引起网络的拥塞，由于并不清楚现在网络中的负荷状况。所以，在开始阶段，我们采用慢启动方式，其由小到大逐渐增大拥塞窗口数量的方法，起到了很好的网络探测作用。我们建立一个确认数据包，包含参数Sack，代表一轮传输收到数据包序号的和。
如图3所示，当一个新的非对称协议ATP(Asymmetric Transport Protocol，非对称传输协议)建立连接后，拥塞窗口cwnd被初始化为1，即一个数据包(segement)的大小(这个数据包的大小可由对方决定，也可以是默认值，常用默认值为535k或512k)。当发送端收到接收端发送的Sack＝1正确的值后，拥塞窗口cwnd＝cwnd*2，记录确认数据包返回时间Tack；
之后经过的每一轮传输，发送端根据确认包返回时间Tack，实现cwnd＝cwnd+1，发送相应数据包；接收端根据收到的数据包序号数，设置Sack＝是数据包序号和，在一轮数据传输结束后，重置Sack＝0；
发送端判定Sack和已发数据包序号和是否相等，若相等则拥塞窗口cwnd就加倍。在这个阶段中，拥塞窗口cwnd随RTT(Round Trip Time，往返时延)成指数增长。若不相等则判断为发生拥塞。
当cwnd>＝ssthresh时，进入拥塞避免阶段。
B.拥塞避免方案设计
网络拥塞(network congestion)是指在分组交换网络中传送分组的数目太多时，由于存储转发节点的资源有限而造成网络传输性能下降的情况。网络拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源(包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等)的需求超过了固有的处理能力和容量。为了防止拥塞窗口增长过快引起网络拥塞，我们设定一个慢启动阀值ssthresh实现慢启动避免。对于一个ATP连接，慢启动阀值ssthresh一般设置为65535个字节。
将慢启动阈值ssthresh设置为当前cwnd的一半，即ssthresh＝cwnd/2；
发生超时时，置cwnd＝1,在cwnd<ssthresh条件下，ATP(Asymmetric TransportProtocol，非对称传输协议)执行慢启动，并重新探测Tack的值；
cwnd>＝ssthresh时，执行拥塞避免算法，每到一个新的Tack，cwnd＝cwnd+1/cwnd；当每过一个RTT时，发送端收到正确的确认包，将cwnd＝cwnd+1，使cwnd随RTT呈线性增长。
这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有收到确认)，就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半(但不能小于2)。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。
C.数据包重传方案设计
在数据传输的过程中，由于受限制节点一方硬件资源有限，带宽较小，且通讯链路易受环境因素影响，所以数据包可能会产生数据包丢包现象，从而影响接收方收到数据的完整性。所以我们在确认数据包里添加Wcong参数，返回丢失数据包序号，若是收到确认数据包中含有Wcong参数，执行数据包重传算法。如图4所示，确认数据包中设置有一个以上Wcong参数：
(a)受限制节点为发送端
在受限制节点和服务器数据传输的过程中，我们不难看出，服务器端无论是在硬件资源上，还是计算能力上，都是比受限制节点强大很多的。由于接收通信链路的受限性，我们采取为服务器端开辟缓存的方式，减少因数据丢失，而带来的大量数据重传，减少受限制接节点的发送。在一次轮回中，等待数据传送的结束后，我们为确认数据包添Wcong参数，来调回没有收到的数据包序号组。
当接收方收到的数据包序号和接收方期望收到的序号不相同时，我们令Wcong等于没有接收到的相应数据包序号并将收到的数据包压入缓存中。若RTT认定本轮结束后，缺失的数据有n个(n小于等于本轮数据包传输数量Sn)，则接收端返回Sack和n个Wcong相应值。即服务器返回相应缺失的n个Wcong，并且利用缓存存入Sn-n个数据。
当发送端收到此确认数据包后，发送端判断Sack值和Wcong的值相加等于本轮传输相得的Sack值并且确认数据包中含有Wcong，则立即进入第四阶段快速恢复，先恢复所有Wcong缺失的数据包后，再进行下一轮的传输。
在本次重传阶段中，为服务器端开辟缓存后，受限制节点端，在相应概率下大大减少了数据的重传，使得受限制节点发送数据的能源开销大大降低。
(b)受限制节点为接收端
由于并不清楚是丢包还是数据包乱序导致的没有得到预期的数据包，所以把预期数据包序号值复制给Wcong，当收到三个相同的Wcong时，即认为数据包丢失，此时立即将此确认数据包传送给发送方。因为若是由乱序产生的没有接收到预期的数据包，那么一般在Wcong有1或是2不等值时，乱序的问题就会解决，而有三个Wcong时，数据包丢失的可能性就大大增加了。所以，就需要对丢失数据包进行重传，而非等到超时计时器发生超时。
当接收方收到的数据包序号和接收方期望收到的序号不相同时，将预期数据包序号值复制给Wcong并将Wcong添加在确认包后，当有3个Wcong相等时，则将此确认数据包重新传送。而Sack在没有收到期待的数据序号时不再增加，直到收到再执行相加；
发送方收到确认数据包中Wcong有三个相等值时，即认为数据包丢失立，再将慢启动阀值ssthresh设置为当前cwnd的一半，重传相应数据包，进入快速恢复阶段。
在这个过程中，使服务器端的数据传输增加，保障了受限制节点端错误数据接收的减少。这样，利用快速重传的方式，和服务器本身性能的强大，最终达到减少了受限制节点的能耗。
对于数据包重传方案不对称的设计，通过服务器端存储和传输的大量消耗，大大减少了受限制节点间的能源消耗。
D.数据恢复方案设计
数据快速恢复的设计尤其是对拥塞窗口很大时，在拥塞程度适度的情况下，可以较大提高整个网络通信的吞吐量并减少受限制节点的能源消耗。
在快速重传数据包后，将拥塞窗口cwnd设置为慢启动阀值ssthresh+3；
发送方每收到一组确认数据包含Wcong时，就将拥塞窗口cwnd+3；此时增大窗口的原因是，每收到一个确认数据包含Wcong，就意味着有个数据包已经正确的离开网络。如果窗口大小允许发送，发送方就传输一个数据包；
当接收方接收到正确的包后，开始计算Sack相加收到数据包序号的操作；Wcong为空发送的确认数据包传送给发送方，置cwnd＝ssthresh，转入拥塞避免；当发生超时重传时，置ssthresh＝cwnd/2，cwnd＝1，进入慢启动阶段。并且，本实施例中的超时指代的是发送某一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。
现在大多数物联网络采用IPv6技术，确实实现了节点间的直接互联，不再需要多协议网关。IPv6既支持有状态的地址自动配置，又支持无状态的地址配置，可以在无人为干预的情况下为每个接口配置相应的IPv6地址。这一点与WSN自组织、自配置的设计目标非常吻合。但是，将IP协议引入无线通信网络一直被认为是不现实的(不是完全不可能)。迄今为止，无线网只采用专用协议，因为IP协议对内存和带宽要求较高，要降低它的运行环境要求以适应微控制器及低功率无线连接很困难。6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中。6LowPAN技术底层采用IEEE802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层继续采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大于6LowPAN底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝连接，6LowPAN工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。6LoWPAN协议栈参考模型与TCP/IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN底层使用的IEEE 802.15.4标准，要求PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。而且因低速无线个域网的特性，在6LoWPAN引入了适配层，但是也无疑在传输功能和安全上，使能力高的节点带来了延缓或停滞。相对传统的网络节点能源的无限性，不难看出传统的网络节点和传感器节点具有极端的不对称性。但是，本申请所使用的协议，基本都是沿用传统的网络协议，而对于它们之间的不对称关系并没有加以修改。所以本申请将位于网络传输层的协议设计成非对称协议，降低诸如无线传感器这一类能量受限节点的耗能和计算。传统的网络节点由于其能源不受限制的特性，发送、接收的微小的能源消耗，对其基本不受影响。但是，对于传感器节点需要低消耗的特性，无疑是一种极大的消耗，为了减少传感器的耗能，我们从传感器耗能最多的发送和接收入手，通过加入少量的运算，减少受限制节点的发送和接收，来减少受限制节点的能源消耗。为解决了物联网中一直比较关注的问题-传感器节点耗能过快，本方案提出的非对称协议从网络通信方面，通过增加能力高节点的计算和内存，实现能力低节点能源消耗的降低，从而延长了节点的使用寿命短的问题。
通过对该领域的了解，不难看出传感器节点消耗可分为6个部分耗能：传感耗能、处理数据耗能、发送能耗、接收能耗、空闲能耗和休眠耗能。通过文献搜索不难看出，节点的耗能量主要来源于发送、接收，为使传感器节点能耗最小，就必须降低节点这2个部分的能耗。
所以本申请案主要解决的问题是，如何减缓数据的发送和接收。所以本发明所采用的技术方案：“self-clocking”机制。若收到非连续的数据包时，则返回号码相同的ACK，称为冗余的ACK(duplicate ACK)。ACK对数据包一对一的确认，加大了受限制节点的发送和接收。本实施例提出的确认数据包Sack，减少不必要的ACK的发送和接收，从而减缓了ACK发送和接收所带来的巨大耗电量。其次，在数据包重传阶段，为确认数据包里添加Wcong参数，返回丢失数据包序号。当受限制节点为发送端时，采取为服务器端开辟缓存的方式，减少因数据丢失，而带来的大量数据重传。受限制节点因数据丢失造成的大量数据重传现象，无疑会给受限制节点带来很大的能源损耗，因而采取这种方式来减少受限制接节点的发送。在一次轮回中，等待数据传送的结束后，将确认数据包添加Wcong参数，来调回没有收到的数据段。当受限制节点为接收端时，由于并不清楚是丢包还是数据包乱序导致的没有的到预期的数据包，所以当Wcong有3个相等值时，即认为数据包丢失，此时立即将此确认数据包传送给发送方。因为若是由乱序产生的没有接收到预期的数据包，那么一般在Wcong有1或是2时，乱序的问题就会解决，而有三个Wcong时，数据包丢失的可能性就大大增加了。所以，就需要对丢失数据包进行重传，而非等到超时计时器发生超时。通过对确认数据包添加Sack和Wcong两个参数的设置，减缓数据的传输。并且重新设计的非对称式数据重传设计，更加验证了非对称式设计的优越性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种非对称式网络传输协议设计方法，其特征在于，包括：
S1：设置并记录数据传输过程中发送的数据包的序号和；
S2：建立包含参数Sack、参数Wcong的确认数据包，所述参数Sack代表数据传输过程中收到的数据包的序号和，所述Wcong参数用以调回没有收到的数据包序号组；
S3：设置所述参数Sack的初始值；
S4：非对称协议建立连接后，初始化拥塞窗口cwnd的值；
S5：判断发送端收到接收端发送的Sack和所述发送的数据包序号和是否相等，若相等，进行S6；否则进行S7；
S6：将所述拥塞窗口cwnd的值加倍，且记录所述确认数据包的返回时间Tack；
S7：根据拥塞窗口cwnd设置慢启动阀值ssthresh；
S8：判断拥塞窗口cwnd与慢启动阀值ssthresh的大小，若拥塞窗口cwnd小于慢启动阀值ssthresh且发生Tack超时，非对称协议执行慢启动算法，重新探测所述返回时间Tack的值；否则执行拥塞避免算法；
S9：判断接收的序号和发送的数据包的序号是否相同，若相同，则终止；否则进行S10；
S10：判断受限制节点为发送端还是为接收端：
若受限制节点为发送端，则进行S11，若受限制节点为接收端，则进行S12；
S11：令Wcong等于没有接收到的相应数据包序号，并将收到的数据包压入缓存中；接收端将所述参数Sack和Wcong发送至发送端；发送端接收所述参数Sack和Wcong后执行数据恢复算法；
S12：将所述S1中数据包的序号复制给Wcong，接收端接收到Wcong后判断是否存在3个Wcong相等，若存在，则执行数据恢复算法；否则中止；
其中，所述拥塞避免算法包括：
记录返回时间Tack后，拥塞窗口cwnd增加至cwnd的值与cwnd的值的倒数的和；发送端接收所述确认数据包后，拥塞窗口cwnd呈线性增长；
所述数据恢复算法包括：
S13：将拥塞窗口cwnd设置为慢启动阀值ssthresh与3的和；
S14：判断受限制节点为发送端还是为接收端：
若受限制节点为发送端，则进行S15，若受限制节点为接收端，则进行S16；
S15：发送端接收到确认数据包后，将拥塞窗口cwnd增加3；
S16：接收端接收到确认数据包后，判断是否发生超时重传，若发送当发生超时重传时，将拥塞窗口cwnd设置为1，慢启动阀值ssthresh设置为拥塞窗口cwnd的一半，并执行慢启动；否则执行拥塞避免算法。
2.如权利要求1所述的非对称式网络传输协议设计方法，其特征在于，对于一个非对称协议连接，慢启动阀值ssthresh设置为65535个字节。
3.如权利要求1所述的非对称式网络传输协议设计方法，其特征在于，所述S3中参数Sack的初始值为0。
4.如权利要求1所述的非对称式网络传输协议设计方法，其特征在于，所述S7中将慢启动阀值ssthresh设置为拥塞窗口cwnd的一半。
5.如权利要求1所述的非对称式网络传输协议设计方法，其特征在于，所述拥塞窗口cwnd呈线性增长为：拥塞窗口cwnd增加1。
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2016
- 2016-08-05 CN CN201610635247.XA patent/CN106254264B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106254264A (zh) | 2016-12-21 |
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