專利名稱：：面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及互聯(lián)網(wǎng)端到端可靠傳輸?shù)姆椒ǎ貏e是面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的單邊可靠傳輸加速方法。
背景技術(shù)：
：隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入，各種類型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、航空通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等)與傳統(tǒng)地面固定有線網(wǎng)絡(luò)的融合趨勢(shì)日漸明顯。網(wǎng)絡(luò)的演化造成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性加強(qiáng)。從應(yīng)用的角度來(lái)看，這類網(wǎng)絡(luò)具有高比特誤碼率(BitErrorRate,BER)、長(zhǎng)時(shí)延等特性，網(wǎng)絡(luò)的帶寬時(shí)延積(BandwidthDelayProduct,BDP)較大。在這類網(wǎng)絡(luò)上使用傳統(tǒng)的可靠傳輸協(xié)議(TransmissionControlProtocol,TCP)時(shí)，會(huì)造成傳輸性能大幅度地減退。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)TCP協(xié)議起初是為有線網(wǎng)設(shè)計(jì)的，在有線網(wǎng)中出錯(cuò)率相當(dāng)?shù)?，一般認(rèn)為丟包都是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的，但是在一些高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，丟包的原因不再是唯一的，它可能是由擁塞引起，也可能是由鏈路錯(cuò)誤引起；同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)延的特性，使得網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的速度減慢。因此在高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性的網(wǎng)絡(luò)中，如何有效區(qū)分丟包原因并采取相應(yīng)的發(fā)送方法(即在擁塞丟包時(shí)，調(diào)用擁塞控制算法，降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率；在鏈路錯(cuò)誤引起丟包時(shí)，顯式重傳，保持原有發(fā)送速率)成為傳輸加速，提高可靠傳輸性能的關(guān)鍵。針對(duì)上述問(wèn)題，巳經(jīng)提出了許多的改進(jìn)方法，其中當(dāng)前主流的有顯示擁塞通知機(jī)制方法(ExplicitCongestionNotification,ECN)、基于NIL數(shù)據(jù)包探測(cè)的TCP-Peach方法和基于接收端確認(rèn)(Acknowledgement,ACK)有效帶寬測(cè)量技術(shù)的TCP-Westwood方法。其中ECN方法需要中間路由器做特殊支持，與現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的互操作性不強(qiáng)；TCP-Peach方法則是通過(guò)發(fā)送探測(cè)報(bào)文對(duì)鏈路丟包進(jìn)行判斷，需要中間路由器支持優(yōu)先級(jí)策略，同時(shí)探測(cè)報(bào)文也占用了網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)；TCP-Westwood方法是通過(guò)源端在一個(gè)TCP連接上測(cè)量平均返回的ACK速率來(lái)完成端到端的有效帶寬估計(jì)，在每次遇到擁塞時(shí)將擁塞窗口和慢啟動(dòng)閾值調(diào)整為估計(jì)的鏈路可利用帶寬大小，但試驗(yàn)表明TCP-Westwood方案在高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)中性能仍然很低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法(NewFastTcp)，以判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)丟包原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞還是鏈路錯(cuò)誤造成，再利用判斷結(jié)果調(diào)整可靠傳輸協(xié)議中發(fā)送端的發(fā)送策略。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法，在FASTTCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，依據(jù)以下方法區(qū)分網(wǎng)絡(luò)發(fā)生丟包的原因在發(fā)送端收到3個(gè)重復(fù)ACK包時(shí)，可以判斷前一個(gè)RTT的傳輸速率與當(dāng)前RTT傳輸速率的差值，若當(dāng)前RTT的傳輸速率大于前一個(gè)RTT的傳輸速率時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)中還沒(méi)有擁塞發(fā)生，丟包原因是鏈路錯(cuò)誤；若當(dāng)前RTT的傳輸速率遠(yuǎn)小于前一個(gè)RTT的傳輸速率，則表示網(wǎng)絡(luò)中可能有擁塞發(fā)生，可認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的；當(dāng)前RTT的傳輸速率(7PeM_rt()的計(jì)算公式如下Tp—sw/—seg—acA一(1)-avg/7Tx^srai—mss其中，訓(xùn)d—"W是正在被發(fā)送的段的序列號(hào)，wg—"d:是當(dāng)前收到的ACK包確認(rèn)的段的序列號(hào)，兩者之差是當(dāng)前RTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，OTc/一m^是傳輸層的最大段大小，m^i7T是當(dāng)前的平均RTT;二^itw,—r"一^:謂(m(2)其中，"#是前一個(gè)RTT的傳輸速率(rP一j)與當(dāng)前RTT的傳輸速率(7^._。,,)之差；根據(jù)閾值參數(shù)a判斷包丟失原因的方法如下(a)如果^#>"，則認(rèn)為丟包是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的；(b)如果c/^^"，則認(rèn)為丟包是由鏈路錯(cuò)誤引起的；閾值參數(shù)a取值0.991。在區(qū)分出丟包原因后發(fā)送端采取如下的發(fā)送策略(a)如果包丟失是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，則發(fā)送端調(diào)用擁塞控制算法，快速重傳丟失的包，然后進(jìn)入快速恢復(fù)階段，降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率；(b)如果是由于鏈路錯(cuò)誤引起的包丟失，則顯式重傳，進(jìn)入完全恢復(fù)階段，即將擁塞窗口增加3個(gè)，保持原有發(fā)送速率。根據(jù)當(dāng)前的平均RTT和當(dāng)前測(cè)到的RTT值構(gòu)造一個(gè)變量3，其值可以通過(guò)下面公式得到7;(A:)-f(A0(5)糊其中f(&)是對(duì)第A個(gè)測(cè)量到的RTT值，7;(A:)是第k個(gè)測(cè)量到的RTT值；再構(gòu)造兩組門限值，分另U為...，&}和(4,^,…,義,.,…,4,;i"+j，其中0^<《…《<<&，0S&<<A,+rJ<義+1<1，改進(jìn)后計(jì)算平均RTT的i十算方法中的平滑因子77(0的計(jì)算公式為7(,)=4,0S"《《_,<^2《,1</Sw(6)可利用式(5)和式(6)，按照式(3)來(lái)更新，能準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的可用寬帶情況的平均RTT值；#+1)=(1-*》)+他)《W(3)。區(qū)分丟包原因的方法如下該方法的基本原理為由于相鄰RTT的傳輸速率可以反映網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬的變化情況，若當(dāng)前RTT的傳輸速率大于前一個(gè)RTT的傳輸速率時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有飽和，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有擁塞發(fā)生；如果當(dāng)前RTT的傳輸速率遠(yuǎn)小于前一個(gè)RTT的傳輸速率，則表示網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始飽和，網(wǎng)絡(luò)中可能有擁塞發(fā)生。因此，在發(fā)送端收到3個(gè)重復(fù)ACK包時(shí)，可以判斷前一個(gè)RTT的傳輸速率與當(dāng)前RTT傳輸速率的差值，若當(dāng)前RTT的傳輸速率大于前一個(gè)RTT的傳輸速率時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)中還沒(méi)有擁塞發(fā)生，丟包原因是鏈路錯(cuò)誤；若當(dāng)前RTT的傳輸速率遠(yuǎn)小于前一個(gè)RTT的傳輸速率，則表示網(wǎng)絡(luò)中可能有擁塞發(fā)生，可認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的。其中當(dāng)前RTT的傳輸速率(7Pe_,_的計(jì)算公式如下Tp—srai—加—犯g—(1)-avg/7Txsrai—mss其中，訓(xùn)J—nx,是正在被發(fā)送的段的序列號(hào)，化g—a&是當(dāng)前收到的ACK包確認(rèn)的段的序列號(hào)，兩者之差是當(dāng)前RTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，訓(xùn)J一m^是傳輸層的最大段大小，m^5T是當(dāng)前的平均RTT。其中4^"是前一個(gè)RTT的傳輸速率(7Y^,_rt,)與當(dāng)前RTT的傳輸速率(7Pc_,_rt,)之差，它能夠反映網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬情況。我們引入一個(gè)閾值參數(shù)a，判斷包丟失原因的方法如下(a)如果4^>"，則認(rèn)為丟包是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的；(b)如果4^2"，則認(rèn)為丟包是由鏈路錯(cuò)誤引起的。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)分析，得到閾值參數(shù)a取0.991范圍的值時(shí)效果較好。在區(qū)分出丟包原因后發(fā)送端采取如下的發(fā)送策略(a)如果包丟失是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，則發(fā)送端調(diào)用擁塞控制算法，快速重傳丟失的包，然后進(jìn)入快速恢復(fù)階段(TCP-NewReno快速恢復(fù))，降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率；(b)如果是由于鏈路錯(cuò)誤引起的包丟失，則顯式重傳，進(jìn)入完全恢復(fù)階段，即將擁塞窗口增加3，保持原有發(fā)送速率；NewFastTCP的平均RTT的計(jì)算方法如下FASTTCP協(xié)議中計(jì)算平均RTT的算法為f(6+1)=(1-))f(A)+)7;(A:)(3)/70)=min(3/w,(0,l/4)(4)其中f"+l)是對(duì)第A個(gè)平均RTT(即f(A;))的更新，7;(A:)是第A個(gè)測(cè)量到的RTT值，4是測(cè)量到7XW的時(shí)刻，7(0與w,(/)分別是在時(shí)刻t的平滑因子和窗口值。從式(4)可以看出/7(0的值遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)TCP協(xié)議中所用的值1/8，所以平滑后的RTT不能準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬情況，使得擁塞窗口的更新也不靈敏，不能很好地利用鏈路的帶寬，因此本專利提出了一種計(jì)算平均RTT的改進(jìn)方案。其改進(jìn)方法如下設(shè)定一個(gè)變量^，其值可以通過(guò)下面公式得到，(5)設(shè)定兩組門限值，分別為《,.."《,...，《}和{n.."2,,...,;i,;i+1}，其中os《〈《…《〈《w…〈&并且o^a<4.4<a,+1...;i<義+1<i，改進(jìn)后計(jì)算平均rtt的計(jì)算方法中的平滑因子;;(O的計(jì)算公式為-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的門限值個(gè)數(shù)和門限值的大小，選擇合適的值可以提高鏈路的利用率和可靠傳輸性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在FASTTCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其擁塞控制機(jī)制、錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的改進(jìn)，極大地提高了可靠傳輸性能。本發(fā)明主要解決了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即(1)區(qū)分丟包原因，避免擁塞窗口盲目地減半，增強(qiáng)了可靠傳輸協(xié)議的傳輸性能；(2)提出一種基于分段平滑因子的平均RTT計(jì)算方式，使得擁塞窗口根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況更新地更靈敏，從而提高了鏈路帶寬利用率和傳輸性能。圖1是驗(yàn)證高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法(NewFASTTCP)性能的試驗(yàn)拓?fù)鋱D2是在瓶頸鏈路的誤碼率為5Xl(T，傳播時(shí)延為50ras時(shí)，多種可靠傳輸方法的吞吐量比較；圖3是在瓶頸鏈路的誤碼率為10—5，傳播時(shí)延為50ms時(shí)，多種可靠傳輸方法的吞吐量比較；圖4是在瓶頸鏈路的誤碼率為5X10—6，傳播時(shí)延為125ms時(shí)，多種可靠傳輸方法的吞吐量比較；圖5是在瓶頸鏈路的誤碼率為10—5，傳播時(shí)延為125ms時(shí)，多種可靠傳輸方法的吞吐量比較。具體實(shí)施例方式本發(fā)明可應(yīng)用于高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)中。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明參考圖1所示，為我們對(duì)本發(fā)明進(jìn)行驗(yàn)證所作試驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，仿真試驗(yàn)?zāi)M了10對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行FTP文件傳輸，每對(duì)業(yè)務(wù)都是客戶端從FTP服務(wù)器下載60M的文件，它們共享同一段帶寬為3Mbps的瓶頸鏈路。其中圖中還標(biāo)出了一些鏈路的帶寬及傳播時(shí)延。按照?qǐng)Dl所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們驗(yàn)證了不同鏈路誤碼率和不同鏈路傳播時(shí)延下，各協(xié)議的傳輸性能。參考圖2所示，為瓶頸鏈路的誤碼率為5X1CT6，傳播時(shí)延為50ms時(shí)，TCP-Reno、TCP-NewReno、FASTTCP以及本專利所提出的方法(NewFASTTCP)的吞吐量對(duì)比。由于誤碼率較大，有很多鏈路錯(cuò)誤而引起的丟包，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議及FASTTCP方法沒(méi)有區(qū)分包丟失原因機(jī)制，所以導(dǎo)致大量的不必要的擁塞窗口減半，傳輸性能嚴(yán)重降低，而本專利所提出的方法則能夠有效區(qū)分丟包原因，從而采用相應(yīng)的發(fā)送策略，提高了鏈路的利用率和傳輸性能。從圖中可以看出本專利的吞吐量性能比其它幾種協(xié)議的性能有較大提升。參考圖3所示，為瓶頸鏈路的誤碼率為10"，傳播時(shí)延為50ms時(shí)，四種可靠傳輸方法的吞吐量對(duì)比，其結(jié)果與前面一種情況類似，由于此時(shí)誤碼率更大，NewFASTTCP與其它協(xié)議的吞吐量相差更大。參考圖4和參考圖5所示，為在瓶頸鏈路的傳播時(shí)延為125ms，誤碼率分別為5X10—6和10—5時(shí)，四種可靠傳輸方法的吞吐量對(duì)比。從圖中可以看出試驗(yàn)結(jié)果與前面兩種情況類似，在高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延環(huán)境下，NewFASTTCP的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它幾種協(xié)議。表l(表1中RTT指往返時(shí)延，RoundTripTime,RTT)是四種可靠傳輸方法在各種誤碼率和傳播時(shí)延下，一對(duì)業(yè)務(wù)下載IOM文件所消耗的時(shí)間，由表l中的數(shù)據(jù)可以看出NewFASTTCP的所花的時(shí)間遠(yuǎn)小于其它幾種可靠傳輸方法，一些情況下，其所耗時(shí)間為其它方法的20%左右。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l權(quán)利要求1、一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法，其特征在于，在FASTTCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，依據(jù)以下方法區(qū)分網(wǎng)絡(luò)發(fā)生丟包的原因在發(fā)送端收到3個(gè)重復(fù)ACK包時(shí)，可以判斷前一個(gè)RTT的傳輸速率與當(dāng)前往返時(shí)延(RoundTripTime，RTT)傳輸速率的差值，若當(dāng)前RTT的傳輸速率大于前一個(gè)RTT的傳輸速率時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)中還沒(méi)有擁塞發(fā)生，丟包原因是鏈路錯(cuò)誤；若當(dāng)前RTT的傳輸速率遠(yuǎn)小于前一個(gè)RTT的傳輸速率，則表示網(wǎng)絡(luò)中可能有擁塞發(fā)生，可認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的；當(dāng)前RTT的傳輸速率(TPCurrent_rtt)的計(jì)算公式如下<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>TP</mi><mrow><mi>Current</mi><mo>_</mo><mi>rtt</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>snd</mi><mo>_</mo><mi>nxt</mi><mo>-</mo><mi>seg</mi><mo>_</mo><mi>ack</mi></mrow><mrow><mi>avgRTT</mi><mo>×</mo><mi>snd</mi><mo>_</mo><mi>mss</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中，snd_nxt是正在被發(fā)送的段的序列號(hào)，seg_ack是當(dāng)前收到的ACK包確認(rèn)的段的序列號(hào)，兩者之差是當(dāng)前RTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，snd_mss是傳輸層的最大段大小，avgRTT是當(dāng)前的平均RTT；diff＝TPLast_rtt-TPCurrent_rtt(2)其中，diff是前一個(gè)RTT的傳輸速率(TPLast_rtt)與當(dāng)前RTT的傳輸速率(TPCurrent_rtt)之差；根據(jù)閾值參數(shù)α判斷包丟失原因的方法如下(a)如果diff＞α，則認(rèn)為丟包是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的；(b)如果diff≤α，則認(rèn)為丟包是由鏈路錯(cuò)誤引起的；閾值參數(shù)α取值0.99～1。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法，其特征在于，在區(qū)分出丟包原因后發(fā)送端采取如下的發(fā)送策略(a)如果包丟失是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，則發(fā)送端調(diào)用擁塞控制算法，快速重傳丟失的包，然后進(jìn)入快速恢復(fù)階段，降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率；(b)如果是由于鏈路錯(cuò)誤引起的包丟失，則顯式重傳，進(jìn)入完全恢復(fù)階段，即將擁塞窗口增加3個(gè)，保持原有發(fā)送速率。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法，其特征在于，根據(jù)當(dāng)前的平均RTT和當(dāng)前測(cè)到的RTT值構(gòu)造一個(gè)變量5其值可以通過(guò)下面公式得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(5)其中f(q是對(duì)第A個(gè)測(cè)量到的RTT值，7X"是第k個(gè)測(cè)量到的RTT值；再構(gòu)造兩組門限值，分別為..,《.,..■，&}和(h…,義,，…，kj，其中os《<《…《<<&，os&<a…;l,<<4+1<1，改進(jìn)后計(jì)算平均RTT的計(jì)算方法中的平滑因子7(0的計(jì)算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(6)可利用式(5)和式(6)，按照式(3)來(lái)更新，能準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的可用寬帶情況的平均RTT值；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(3)。全文摘要一種面向高誤碼率、長(zhǎng)時(shí)延特性網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸加速方法，屬互聯(lián)網(wǎng)端到端可靠傳輸?shù)姆椒āＴ贔ASTTCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，依據(jù)以下方法區(qū)分網(wǎng)絡(luò)發(fā)生丟包的原因在發(fā)送端收到3個(gè)重復(fù)ACK包時(shí)，可以判斷前一個(gè)RTT的傳輸速率與當(dāng)前RTT傳輸速率的差值，若當(dāng)前RTT的傳輸速率大于前一個(gè)RTT的傳輸速率時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)中還沒(méi)有擁塞發(fā)生，丟包原因是鏈路錯(cuò)誤；若當(dāng)前RTT的傳輸速率遠(yuǎn)小于前一個(gè)RTT的傳輸速率，則表示網(wǎng)絡(luò)中可能有擁塞發(fā)生，可認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的。本發(fā)明使計(jì)算的RTT能更為準(zhǔn)確、及時(shí)地反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，進(jìn)而提高發(fā)送端擁塞窗口對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的反映靈敏度。文檔編號(hào)H04L1/18GK101645765SQ200910060230公開(kāi)日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年8月3日優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日發(fā)明者夏正洪,娟張,王俊峰,秦志紅申請(qǐng)人:四川大學(xué)