CN109150743B - 一种网络拥塞控制策略切换方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种网络拥塞控制策略切换方法及***，其中，所述方法包括：获取网络协议栈中网络连接的状态信息；根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。本发明提供的方法，根据不同连接的特性，为网络连接选择与之相适应的拥塞控制算法，并且对于每一条网络连接可以在不同时间阶段选择不同的算法，以适应网络负载等因素的动态变化。
Description
技术领域
本发明实施例涉网络拥塞控制技术领域，尤其涉及一种网络拥塞控制策略切换方法及***。
背景技术
拥塞是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。
拥塞控制的基本功能是调节向资源共享网络注入分组的速率，最大化网络资源利用率，实现用户对资源的公平统计复用，避免发生拥塞崩溃。随着服务器端计算与存贮密集的大规模互联网应用的推广与普及，服务器密集并发连接的多样性和异构性突出，传统拥塞控制方法用单一策略应对连接多样性和异构性的基本思想愈加不合时宜，不能利用众多并发连接的共性特征优化网络传输性能。具体而言，服务器网络连接具有以下特点：1.由于异构接入网类型繁多，如WiFi，蜂窝网络，宽带接入和以太网等，导致同一服务器的不同连接处于截然不同的网络环境；2.网络负载在不同时间粒度与空间尺度上具有显著不同的动态变化特征，网络连接也因此表现出不同的时空特征。为了提高连接密集的服务器端拥塞控制的性能，需充分考虑和挖掘其上连接的时空特性，即异构性和易变性。
在现有技术中，如图1所示，尽管接入网和运营商网络形态可能存在明显差异，互联网传统拥塞控制方法为多条网络连接实施同一种拥塞控制策略，图中示例CUBIC算法为Linux内核协议栈的默认算法，现有技术中，在拥塞控制过程中，仅能通过单一的通塞控制策略来对整体的网络连接进行拥塞控制，无法适应网络负载等因素的动态变化。
发明内容
本发明实施例提供一种网络拥塞控制策略切换方法及***，用以解决现有技术中在拥塞控制过程中，仅能通过单一的拥塞控制策略来对所有的网络连接进行拥塞控制，无法适应网络连接的异构性和网络状况的动态变化的问题。
本发明实施例提供一种网络拥塞控制策略切换方法，包括：
获取网络协议栈中网络连接的状态信息；
根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；
将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
其中，所述网络协议栈中网络连接的状态信息至少包括：ACK信号、NACK信号、超时重传信号、往返延时、可用宽带和丢包率中的一种或多种。
其中，所述根据所述网络连接的状态信息，匹配所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略的步骤中，具体包括：
根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
其中，所述将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略的步骤中，还包括：
当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：
速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，
实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换。
其中，所述获取网络协议栈中网络连接的状态信息的步骤，包括：
同时获取TCP层和HTTP层的所述网络连接的状态信息，或在UDP传输层之上获取所述网络连接的状态信息。
本发明实施例还提供一种网络拥塞控制策略切换***，包括：
信息获取模块，用于获取网络协议栈中网络连接的状态信息；
选择模块，用于根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；
切换模块，用于将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
其中，所述选择模块具体用于：根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
其中，所述算法切换模块还用于：当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：
速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，
实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的网络拥塞控制策略切换方法的步骤。
本发明实施例还提供一种网络拥塞控制策略切换设备，包括：
至少一个处理器；以及与所述处理器连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上所述的网络拥塞控制策略切换方法。
本发明实施例提供的网络拥塞控制策略切换方法及***，根据不同连接的特性，为网络连接选择与之相适应的拥塞控制算法，并且对于每一条网络连接可以在不同时间阶段选择不同的算法，以适应网络负载等因素的动态变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为现有技术中拥塞控制***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换方法中的***框架图；
图4为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换***的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换***的又一结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换设备的结构示意图。
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作出创造性劳动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。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换方法的流程示意图，所提供的方法包括：
S1，获取网络协议栈中网络连接的状态信息。
S2，根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略。
S3，将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
具体的，在执行拥塞控制策略切换的时候，首先通过收集网络协议栈中网络连接的状态信息。其中，网络协议栈中的网络连接的状态信息至少包括：ACK信号、NACK信号、超时重传信号(Retransmission Timeout,RTO)、往返延时(Round-Trip Time,RTT)、可用宽带(Bandwidth)和丢包率(Loss rate)中的一种或多种。
在获取到网络协议栈中的网络连接状态信息后，对这些网络连接状态信息进行分析，识别出服务器中运行的每条连接的网络特性，根据该网络特征匹配相适应的拥塞控制策略，即第一拥塞控制策略。
在匹配出第一拥塞控制策略后，将第一拥塞控制策略切换为网络协议栈中使用的拥塞控制策略。具体实施中，将新策略的初始状态设为带宽探测状态，使新策略的相关变量在探测中自适应地更新。
通过此方法，根据不同连接的特性，为网络连接选择与之相适应的拥塞控制算法，并且对于每一条网络连接可以在不同时间阶段选择不同的算法，以适应网络负载等因素的动态变化。
在上述实施例的基础上，所述根据所述网络连接的状态信息，匹配所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略的步骤中，具体包括：
根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
具体的，如图3所示，在数据收集阶段，连接每次收到来自网络的反馈信息时，如确认(ACK)分组到达或者发生超时重传(Retransmission Timeout,RTO)等，代理从网络协议栈中提取相关事件或状态的监测信息，如往返时延(Round-Trip Time,RTT)，可用带宽(Bandwidth)，丢包率(Loss rate)等，然后将它们写入到上行管道中。
选择器根据状态监测信息识别出服务器中运行的每条连接的网络特性，然后依据规则显示匹配或隐式映射相适应的拥塞控制策略。整个交互过程中，选择器从上行管道读取并分析代理收集的监测数据，选择器通过下行管道通知内核中运行的代理为连接切换适合的拥塞控制策略。
在上述实施例的基础上，所述将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略的步骤中，还包括：
当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：
速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，
实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换。
具体的，参考图3，为了保证拥塞控制策略切换的平滑，代理需分三个步骤完成整个切换过程，首先显式地为每个连接维护常用的观测变量，包括最小往返时延，最大往返时延，最大拥塞窗口，最大可用带宽等。
其次，当需要执行策略切换时，为了避免连接的性能急剧下降，新策略需要延续旧算法的拥塞窗口或者速率，如果新旧策略一个基于窗口(Window-based)，而另一个基于速率(Rate-based)实现的，则通过下面方程转化
速率＝拥塞窗口/最近的往返时延
例如当网络协议栈中原有的拥塞控制策略为基于拥塞窗口的拥塞控制策略，而第一拥塞控制策略为基于速率的拥塞控制策略时，则拥塞窗口和网络速率的转化方式通过公式：速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，进行转换。对于其他变量，则尽可能地利用第一步维护的变量进行赋值；如果旧策略没有维护新策略需要的状态变量，则以新策略的缺省值赋初值
最后，将新策略的初始状态设为带宽探测状态，使新策略的相关变量在探测中自适应地更新。
在上述实施例的基础上，所述获取网络协议栈中网络连接的状态信息的步骤，包括：同时获取TCP层和HTTP层的所述网络连接的状态信息，或在UDP传输层之上获取所述网络连接的状态信息。
具体的，另一实施例中，在网络数据获取中，可以从操作***内核协议栈之外的网络协议栈，如用户空间协议栈，提取数据以选择拥塞控制策略；
也可以利用离线收集的网络数据而非实时的数据来在线地为连接选择和配置拥塞控制策略；
同时也可以从网络协议栈收集不同层的网络数据进行分析并选择拥塞控制策略，如同时收集TCP层和HTTP层的网络数据，或在UDP传输层之上收集网络数据。
基于数据分析后选择的拥塞控制策略可以不在操作***内核中实现，而在用户空间实现。
基于网络状态信息分析后选择的拥塞控制策略可以由预设规则来完成或者通过预先构建的神经网络等方式进行实现。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种网络拥塞控制策略切换***的结构示意图，所提供的***包括：信息获取模块41、选择模块42和切换模块43。
其中，信息获取模块41用于获取网络协议栈中网络连接的状态信息。
选择模块42用于根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略。
切换模块43用于将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
具体的，在执行拥塞控制策略切换的时候，首先通过收集网络协议栈中网络连接的状态信息。其中，网络协议栈中的网络连接的状态信息至少包括：ACK信号、NACK信号、超时重传信号(Retransmission Timeout,RTO)、往返延时(Round-Trip Time,RTT)、可用宽带(Bandwidth)和丢包率(Loss rate)中的一种或多种。
在获取到网络协议栈中的网络连接状态信息后，对这些网络连接状态信息进行分析，识别出服务器中运行的每条连接的网络特性，根据该网络特征匹配相适应的拥塞控制策略，即第一拥塞控制策略。
在匹配出第一拥塞控制策略后，将第一拥塞控制策略切换为网络协议栈中使用的拥塞控制策略。具体实施中，将新策略的初始状态设为带宽探测状态，使新策略的相关变量在探测中自适应地更新。
通过此***，根据不同连接的特性，为网络连接选择与之相适应的拥塞控制算法，并且对于每一条网络连接可以在不同时间阶段选择不同的算法，以适应网络负载等因素的动态变化。
在上述实施例的基础上，所述选择模块具体用于：
根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
所述算法切换模块还用于：当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换。
具体的，参考图3所示出的***框架示意图，其中的代理，运行于内核空间，包含有信息获取模块和切换模块，信息获取模块用于数据收集：连接每次收到来自网络的反馈信息时，如确认(ACK)分组到达或者发生超时重传(Retransmission Timeout,RTO)等，代理从网络协议栈中提取相关事件或状态的监测信息，如往返时延(Round-Trip Time,RTT)，可用带宽(Bandwidth)，丢包率(Loss rate)等，然后将它们写入到上行管道中，
选择器即为选择模块，运行于同一服务器或其他服务器。从上行管道中读取数据，分析数据识别出每个连接的特性并根据给定的规则为连接选择合适的拥塞控制策略，然后将算法名写入下行管道。
选择器在内存中为每条网络连接维护了相应的状态，每次从上行管道中读取到数据时，选择器用这些数据更新对应的连接的状态，当完成状态更新时,若状态和给定的规则显示该连接需要切换算法，则选择器将切换算法的通知写入下行管道。为了提高实现效率，选择器在管道中读取数据时，使用批处理(Batch processing)，每次对一批数据而非单个数据进行读写。
切换模块用于执行拥塞控制策略的切换，为了保证拥塞控制策略切换的平滑，代理需分三个步骤完成整个切换过程，首先显式地为每个连接维护常用的观测变量，包括最小往返时延，最大往返时延，最大拥塞窗口，最大可用带宽等。
其次，当需要执行策略切换时，为了避免连接的性能急剧下降，新策略需要延续旧算法的拥塞窗口或者速率，如果新旧策略一个基于窗口(Window-based)，而另一个基于速率(Rate-based)实现的，则通过下面方程转化
速率＝拥塞窗口/最近的往返时延
例如当网络协议栈中原有的拥塞控制策略为基于拥塞窗口的拥塞控制策略，而第一拥塞控制策略为基于速率的拥塞控制策略时，则拥塞窗口和网络速率的转化方式通过公式：速率＝拥塞窗口/最近的往返时延，进行转换。对于其他变量，则尽可能地利用第一步维护的变量进行赋值；如果旧策略没有维护新策略需要的状态变量，则以新策略的缺省值赋初值
最后，将新策略的初始状态设为带宽探测状态，使新策略的相关变量在探测中自适应地更新。
在本发明的又一实施例中，本实施例支持多核CPU架构，采取每核结构(Per-corestructure)：当部署于多核环境下时，核之间不存在数据的争用，每个核独立运行各自的功能组件，并为该核上所有连接提供服务。同时，如图5所示，本发明也支持多服务器场景，即将多台服务器的网络监测或历史数据汇聚到一台服务器上集中实现选择器功能，支持多台服务器上运行在线连接的拥塞控制算法的动态配置。
图6示例了一种网络拥塞控制策略切换设备的结构示意图，如图6所示，该服务器可以包括：处理器(processor)610、存储器(memory)630和总线640，其中，处理器610，存储器630通过总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：获取网络协议栈中网络连接的状态信息；根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
本实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取网络协议栈中网络连接的状态信息；根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取网络协议栈中网络连接的状态信息；根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述当前网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种网络拥塞控制策略切换方法，其特征在于，包括：
获取网络协议栈中网络连接的状态信息；
根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；
将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略；
所述将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略的步骤中，还包括：
当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：
速率=拥塞窗口/最近的往返时延，
实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换；
在所述网络协议栈中的拥塞控制策略没有所述第一拥塞控制策略所需状态变量的情况下，将所述第一拥塞控制策略的缺省值作为所述所需状态变量的初值；
在所述网络协议栈中的拥塞控制策略存在所述第一拥塞控制策略所需状态变量的情况下，将所述网络协议栈中的拥塞控制策略对应的状态变量的值作为所述所需状态变量的初值；
并将所述第一拥塞控制策略的初始状态设为带宽探测状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络协议栈中网络连接的状态信息至少包括：ACK信号、NACK信号、超时重传信号、往返延时、可用宽带和丢包率中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略的步骤中，具体包括：
根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；
根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取网络协议栈中网络连接的状态信息的步骤，包括：
同时获取TCP层和HTTP层的所述网络连接的状态信息，或在UDP传输层之上获取所述网络连接的状态信息。
5.一种网络拥塞控制策略切换***，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取网络协议栈中网络连接的状态信息；
选择模块，用于根据所述网络连接的状态信息，匹配与所述网络连接的状态信息相适应的第一拥塞控制策略；
切换模块，用于将所述网络协议栈中的拥塞控制策略切换为第一拥塞控制策略；
所述切换模块还用于：当所述网络协议栈中的拥塞控制策略和所述第一拥塞控制策略的实现方式不同时，通过公式：
速率=拥塞窗口/最近的往返时延，
实现所述第一拥塞控制策略中拥塞窗口和速率的转换；
在所述网络协议栈中的拥塞控制策略没有所述第一拥塞控制策略所需状态变量的情况下，将所述第一拥塞控制策略的缺省值作为所述所需状态变量的初值；
在所述网络协议栈中的拥塞控制策略存在所述第一拥塞控制策略所需状态变量的情况下，将所述网络协议栈中的拥塞控制策略对应的状态变量的值作为所述所需状态变量的初值；
并将所述第一拥塞控制策略的初始状态设为带宽探测状态。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述选择模块具体用于：
根据所述网络连接的状态信息，获取所述网络连接的网络特性；
根据所述网络特性，通过显示匹配或隐式映射的方法，匹配相适应的第一拥塞网控制策略。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1到4中任一所述的方法的步骤。
8.一种网络拥塞控制策略切换设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及与所述处理器连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至4任一所述的方法。
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