CN112866137A - 一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1、对基于多种拥塞算法进行初始操作，拥塞算法包含基于丢包的拥塞算法和基于速率的拥塞算法；步骤2、当发送对象接收到网络传输的反馈信息后，拥塞算法依赖各自的算法分别计算步调，依赖不同事件执行更新动作；步骤3、当数据包正常接收，步调计算并且并发更新当前发包动作；当数据包没有正常接收或长时间未返回时，基于丢包的第一拥塞算法会判定是否发生拥塞丢包事件，丢包事件发生，首先会查询基于速率的第二拥塞算法步调调整是否为负，这一条件主要用来判断当前是否已经处于拥塞状态，用来传递给丢包算法执行不同的逻辑处理。

Description

一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术，特别涉及一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法

背景技术

随着网络通信的规模陡增和复杂化，传统计算机网络必须考虑网络的性能问题。网络的流量传输控制和拥塞控制需要进步才能使得计算机网络能够适应需求。所以，拥塞控制一直都是重要的研究领域。拥塞控制算法，即拥塞控制协议，一般是采用慢开始、拥塞避免、快恢复、快速重传等手段不断满足不同网络节点通信的可靠性和有效性，它对整体的网络传输数据量进行控制，目的是使得在不对网络总体造成难以解决的后果中，保证对网络资源的高效利用。拥塞协议的历史从传统的丢包类型窗口控制一直延续到基于机器学习的速率控制。拥塞协议一直在追求着能够尽可能多的满足网络传输的需求，又能够对欲望过大的行为进行惩罚，保证传输能够在一个最优解上。这种协议成为维持一个网络发展和稳定的重要组成部分。

拥塞控制领域在这种目的下不断的演变和进化，诞生了很多不同的解决方案，但是这些协议明显不能满足现在计算机网络对传输的需求。基于丢包的、基于时延的传统拥塞算法不能应对复杂且具有干扰性的信息，基于速率的算法会以牺牲时延为代价，调整时间长，基于机器学习的算法计算和数据在网络传输方面还需要得到解决。

现阶段计算机拥塞传输协议控制仍然依赖保守的处理方法，因为它们已经被证明过适应不同的网络环境且都具有一定的传输能力。但缺陷也一直被保留下来，它们主要体现在步调无法适应现在的网络现状，带来的影响是带宽利用率低，抗噪声能力弱，收敛时间长，不能有效适应不同类型的网络环境，以及对短流(始终处于慢开始状态的数据流)处理不友好，且不能容易部署在客服端和服务端等问题，随着网络规模和结构带来的难度执行性增长，现有的拥塞处理方法发挥的作用会越来越小。

发明内容

本发明的目的，在于解决现有拥塞处理方法存在的上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对不同类别的拥塞算法进行初始操作，所述不同发包方式的拥塞算法包含基于丢包的拥塞算法和基于速率的拥塞算法；

步骤2、当发送对象接收到网络传输的反馈信息后，拥塞算法依赖各自的设计算法分别计算步调，依赖不同事件执行更新动作；

步骤3、当数据包正常接收，步调计算并且并发更新当前发包动作；当数据包没有正常接收或长时间未返回时，所述基于丢包的拥塞算法会判定是否发生拥塞丢包事件，丢包事件发生，首先会查询基于速率的拥塞算法步调调整是否为负，这一条件主要用来判断当前是否已经处于拥塞状态，用来传递给丢包算法执行不同的逻辑处理。

优选地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、发送对象接收反馈数据包，依赖响应包中的携带信息判断，其中包括ACK的丢失、失序事件和返回传输时间RTT、一个RTT内的丢包率；

步骤2.2、判断时间间隔是否达到基于速率的拥塞算法要求的完整的RTT周期，如果有，所述基于速率的拥塞算法将根据自身当前速率、RTT梯度、丢包率或自身增益参数计算得到利用率和速率增量大小后，进入步骤2.3；如果没有，直接进入步骤2.3；

步骤2.3、基于丢包事件的拥塞算法根据每个数据包内ACK信息是否正常或在规定时间内是否正常接收数据包来判断算法发生的事件类型，如果正常接收，基于丢包类别的拥塞算法正常增量处理，否则，进入主流程步骤3)；

步骤2.4、基于速率的拥塞算法更新步调的过程划分两个阶段，利用率如无法满足上一时间间隔利用率的增益率时，进入拥塞避免阶段；如果满足，判定为初始阶段，两倍增速，因为速率增速动作在低的速率发送下收益甚微，即增速时还应判断当前窗口大小，进入步骤2.5；如果不满足利用率增量，进入拥塞避免阶段前，当前速率依赖窗口大小和速率增量决定；

步骤2.5、判断当前发送窗口是否低于4ULL，如果低于，按照4ULL大小转换为速率，计算二倍增速；否则直接转换速率，二倍增速决定新速率。

优选地，所述步骤2.4中，所述该时间间隔利用率增量的条件应大于或等于上一时间间隔利用率的4/5。

优选地，所述步骤3具体包括：

发送方发生主流程步骤2的子步骤2.3的否定判断，或者发送一个skb包后，基于丢包的拥塞算法触发丢包条件判断机制，判断丢包事件发生，进入了TCP_CA_OPEN拥塞状态机之外的其他状态机内；

当进入其他拥塞状态时，基于丢包的拥塞算法不会像以前的丢包算法立即进入降低窗口的处理逻辑，因为丢包算法的降窗动作一般惩罚过大，混合算法优先查询基于速率的第二拥塞算法是否已经进入了拥塞边缘的状态，即步调变化量为负；如果步调变化量为正数或者无变化，判断此次丢包为随机丢包，基于丢包的拥塞算法继续保持窗口增量的逻辑；如果变化量为负，则按照拥塞丢包机制处理；

处理结束后窗口收缩，为了达到快收敛的目的，基于速率的拥塞算法设置重新进入初始加速增长阶段，稳定且高效的提高发包效率。

本发明在收敛速度、带宽利用率、拥塞丢包和随机丢包判断、短流处理、增量部署上有明显的优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于不同类别的拥塞控制算法的数据传输控制方法流程示意图；

图2为图1所示方法步骤2拥塞算法步调更新示意图；

图3为图1所示方法步骤3叠加条件判断惩罚机制示意图；

图4为缓存空间-丢包率统计示意图；

图5为缓存空间-吞吐量统计示意图；

图6为随机丢包-吞吐量统计示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例本质上和众多拥塞算法相同，同样是利用网络中的反馈信息映射不同的更新动作，算法也分别有不同的处理阶段。不同之处在于，本发明实施例是基于不同发包方式的拥塞算法的一种混合方式，在单个拥塞算法类别确定的情况下，再利用一种和它独立区分的步调调整方法，通过利用网络中可以比较轻松得到不同信息，在各自处理阶段下，依赖逻辑调整步调。这样做的好处是，混合算法在稳定阶段，步调是多种拥塞算法步调的累和，调整可以尽可能的大，可以更多照顾到短流问题，但在忙碌阶段，又可以规避其他算法的错误步调处理，这里错误步调的调整是由算法机制误判断引发的。基于AIMD(Addition Increase Multiple Decrease)的拥塞算法一般会造成更大的影响，所以对于严重的惩罚机制，需要优化处理方式，本发明实施例也凭借着混合算法的特点引入一种聪明的机制，即叠加判断机制，当出现丢包信号时，基于丢包的窗口控制不会立即调用严重的惩罚机制，因为丢包信号可能是因为错误的信号引发的，严重的惩罚机制暂时不进入逻辑，停止即判断应该重点惩罚，这里一般是除号，大处理，丢包算法会去访问基于速率的力度小的惩罚机制判断是否应该重点惩罚，力度小的惩罚机制一般是减号，

适量降低发包速率(这里采用AIAD的拥塞处理)，当发现力度小的惩罚在进行，基于丢包的拥塞算法会接过惩罚任务，大程度的降包(这里采用AIMD的拥塞处理)。

本发明实施例利用这些方法的特点，通过混合的形式，以它们为基调，优化并且改进了一些它们原本具有的问题。混合的特点结合引入的相应机制，使得本发明实施例在收敛速度、带宽利用率、拥塞丢包和随机丢包、短流处理、增量部署有大的优势。

为实现快速的拥塞协议构建，本发明实施例采用的技术方案是：在拥塞协议链下，对原有的基于丢包的窗口算法增加部署一种基于多项信息反馈的速率拥塞控制方案。

图1为本发明实施例提供的一种基于多种拥塞控制算法的数据传输控制方法流程示意图。如图1所示，该方法包括步骤1-步骤3：

步骤1、网络初始化时，对不同类别的拥塞控制算法进行初始操作，不同类别的拥塞控制算法包含基于丢包的拥塞控制算法和基于速率的拥塞控制算法；

步骤2、当发送对象接收到网络传输的反馈信息后，拥塞控制算法依赖各自的控制算法分别计算步调，依赖不同事件执行更新动作；

步骤3、当数据包正常接收，步调计算并且并发更新当前发包动作；当数据包没有正常接收或长时间未返回时，所述基于丢包的拥塞算法会判定是否发生拥塞丢包事件，丢包事件发生，首先会查询基于速率的拥塞算法步调调整是否为负，这一条件主要用来判断当前是否已经处于拥塞状态，用来传递给丢包算法执行不同的逻辑处理。

图2为图1所示方法步骤2拥塞算法步调更新示意图。如图2所示，该方法步骤包括S2.1-S2.5:

步骤2.1、发送对象接收反馈数据包，依赖响应包中的携带信息判断，其中包括ACK的丢失、失序事件和返回传输时间RTT、一个RTT内的丢包率；

步骤2.2、判断时间间隔是否达到基于速率的拥塞算法要求的完整的RTT周期，如果有，基于速率的拥塞算法将根据自身当前速率、RTT梯度、丢包率或自身增益参数计算得到利用率和速率增量大小后，进入步骤2.3；如果没有，直接进入步骤2.3；

步骤2.3、基于丢包事件的拥塞算法根据每个数据包内ACK信息是否正常或在规定时间内是否正常接收数据包来判断算法发生的事件类型，如果正常接收，基于丢包类别的拥塞算法正常增量处理，否则，进入主流程步骤3)；

步骤2.4、基于速率的拥塞算法更新步调的过程划分两个阶段，利用率如无法满足上一时间间隔利用率的增益率时，进入拥塞避免阶段；如果满足，判定为初始阶段，两倍增速，因为速率增速动作在低的速率发送下收益甚微，即增速时还应判断当前窗口大小，进入步骤2.5；如果不满足利用率增量，进入拥塞避免阶段前，当前速率依赖窗口大小和速率增量决定；

优选地，时间间隔利用率增量的条件应大于或等于上一时间间隔利用率的4/5。

步骤2.5、判断当前发送窗口是否低于4ULL，如果低于，按照4ULL大小转换为速率，计算二倍增速；否则直接转换速率，二倍增速决定新速率。

图3为图1所示方法步骤3叠加条件判断惩罚机制示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

发送方发生主流程步骤2的子步骤2.3的否定判断，或者发送一个skb包后，基于丢包的拥塞算法触发丢包条件判断机制，判断丢包事件发生，进入了TCP_CA_OPEN拥塞状态机之外的其他状态机内；

当进入其他拥塞状态时，基于丢包的拥塞算法不会像以前的丢包算法立即进入降低窗口的处理逻辑，因为丢包算法的降窗动作一般惩罚过大，混合算法优先查询基于速率的第二拥塞算法是否已经进入了拥塞边缘的状态，即步调变化量为负；如果步调变化量为正数或者无变化，判断此次丢包为随机丢包，基于丢包的拥塞算法继续保持窗口增量的逻辑；如果变化量为负，则按照拥塞丢包机制处理；

处理结束后窗口收缩，基于速率的拥塞算法设置重新进入初始加速增长阶段。

本发明实施例在收敛速度、带宽利用率、拥塞丢包和随机丢包判断、短流处理、增量部署上有明显的优势。

在一个具体实施例中：

步骤1，在Linux Ubuntu18.4内核的拥塞算法链表添加新的拥塞算法tcp_ic。

步骤2，直接在多台部署了tcp_ic的终端内核下选择tcp_ic作为当前拥塞算法，使用python的socket库进行发送方和接收方的socket通信。

步骤3，socket通信过程生成不同的数据对比结果，用python3的matplotlab库生成图表。

采用本地的网络拓扑，并分别比较本发明方法和bic，以及bbr算法。

经实际网络检验，TCP ic拥塞算法在缓存空间和随机丢包下吞吐量、丢包率都有明显的传输效果(如图4-图6所示)。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (4)

1.一种基于不同发包方式的拥塞算法的数据传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对不同类别的拥塞算法进行初始操作，所述不同类别的拥塞算法包含基于丢包的拥塞算法和基于速率的拥塞算法；

步骤2、当发送对象接收到网络传输的反馈信息后，拥塞算法依赖各自的设计算法分别计算步调，依赖不同事件执行更新动作；

步骤3、当数据包正常接收，步调计算并且并发更新当前发包动作；当数据包没有正常接收或长时间未返回时，所述基于丢包的拥塞算法会判定是否发生拥塞丢包事件，丢包事件发生，首先会查询基于速率的拥塞算法步调调整是否为负，这一条件主要用来判断当前是否已经处于拥塞状态，用来传递给丢包算法执行不同的逻辑处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、发送对象接收反馈数据包，依赖响应包中的携带信息判断，其中包括ACK的丢失、失序事件和返回传输时间RTT、一个RTT内的丢包率；

步骤2.2、判断时间间隔是否达到基于速率的拥塞算法要求的完整的RTT周期，如果有，所述基于速率的拥塞算法将根据自身当前速率、RTT梯度、丢包率或自身增益参数计算得到利用率和速率增量大小后，进入步骤2.3；如果没有，直接进入步骤2.3；

步骤2.3、基于丢包事件的拥塞算法根据每个数据包内ACK信息是否正常或在规定时间内是否正常接收数据包来判断算法发生的事件类型，如果正常接收，基于丢包类别的拥塞算法正常增量处理，否则，进入主流程步骤3)；

步骤2.4、基于速率的拥塞算法更新步调的过程划分两个阶段，利用率如无法满足上一时间间隔利用率的增益率时，进入拥塞避免阶段；如果满足，判定为初始阶段，两倍增速，因为速率增速动作在低的速率发送下收益甚微，即增速时还应判断当前窗口大小，进入步骤2.5；如果不满足利用率增量，进入拥塞避免阶段前，当前速率依赖窗口大小和速率增量决定；

步骤2.5、判断当前发送窗口是否低于4ULL，如果低于，按照4ULL大小转换为速率，计算二倍增速；否则直接转换速率，二倍增速决定新速率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2.4中，所述该时间间隔利用率增量的条件应大于或等于上一时间间隔利用率的4/5。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

发送方发生主流程步骤2的子步骤2.3的否定判断，或者发送一个skb包后，基于丢包的拥塞算法触发丢包条件判断机制，判断丢包事件发生，进入了TCP_CA_OPEN拥塞状态机之外的其他状态机内；

当进入其他拥塞状态时，基于丢包的拥塞算法不会像以前的丢包算法立即进入降低窗口的处理逻辑，因为丢包算法的降窗动作一般惩罚过大，混合算法优先查询基于速率的拥塞算法是否已经进入了拥塞边缘的状态，即步调变化量为负；如果步调变化量为正数或者无变化，判断此次丢包为随机丢包，基于丢包的拥塞算法继续保持窗口增量的逻辑；如果变化量为负，则按照拥塞丢包机制处理；

处理结束后窗口收缩，基于速率的拥塞算法设置重新进入初始加速增长阶段。

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