非對稱和多並發網絡的加速方法

2023-05-31 14:49:26

專利名稱：：非對稱和多並發網絡的加速方法
技術領域：
：本發明涉及一種在通信網絡中加快數據傳輸的方法，尤其涉及一種針對非對稱和多並發TCP/IP網絡應用的特點，靈活利用TCP協議的確認(ACK)分組實現的數據傳輸加速方法，屬於網絡擁塞控制(congestioncontrol)
技術領域：
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背景技術：
：目前，傳輸控制協議/網際網路協議(TCP/IP)已成為廣泛使用的標準通信協議。其中，網際網路協議(IP)作為網絡層協議，用於提供"數據包"的遞交服務，傳輸控制協議(TCP)作為傳輸層協議，在數據包遞交服務基礎上構建面向連接的傳輸層服務。基於TCP/IP協議的網際網路採用的是無連接的端到端數據包交換，提供"盡力而為"(besteffort)服務模型的設計機制。隨著網際網路用戶數量的急劇膨脹，需要傳輸的報文數量也在急劇增加。當網絡中存在過多的報文時，網絡的性能會下降，這種現象稱為擁塞。出現網絡擁塞時，由於隊列溢出等因素的影響，路由器會丟棄約10%的數據包，從而對數據傳送的可靠性帶來不利的影響。擁塞控制就是網絡節點採取措施來避免擁塞的發生或者對擁塞的發生做出反應。據統計，目前網際網路上95%的數據流量使用的是TCP/IP協議，因此，針對TCP/IP協議提供專門的擁塞控制機制對控制網絡擁塞問題具有特別重要的意義。有關研究表明，網絡數據傳送的可靠性主要受三個因素影響數據惡化、數據丟失以及數據的重新排序。在現有的TCP協議中，通過超時機制來管理數據丟失；通過在段到達接收方時對它們執行校驗和來管理數據惡化；通過確認(ACK)分組等來管理數據的重新排序。由於超時機制也與確認(ACK)分組密切相關，因此確認(ACK)分組的傳輸狀況將會對網絡數據的丟失和重新排序產生重大的影響。對於TCP協議而言，確認(ACK)分組的丟棄和擁塞意味著相關的所有數據段要重傳，因此，由確認(ACK)分組引起的網絡擁塞已經成為了引起全網擁塞的一個主要因素。目前，在專利號為ZL03155730.9的中國發明專利"一種適合有線/無線混合網絡的自適應擁塞控制方法"中，根據確認(ACK)分組的相對單向延遲變化趨勢來判斷鏈路的擁塞狀況，進而區分丟包是因為鏈路擁塞引起的還是因為無線出錯導致，自適應地根據不同的丟包原因採取不同的恢復機制。另外，在申請號為200610005010.X的中國發明專利申請中，提供了使用多個傳輸控制協議確認的傳輸控制協議擁塞控制方法。該方法包括當移動節點在接收到的分組中具有分組丟失時，接收從對應節點重發的分組；計算移動節點要發送的確認消息的數目；根據計算的數目產生多個確認消息，並且將多個確認消息發送到發送節點；以及增加與發送節點接收到的多個確認消息相對應的擁塞窗口值，並執行TCP發送。總體而言，現有TCP擁塞控制機制主要是通過確認(ACK)分組本身的收發狀況調節發送方數據報文的收發頻率，由數據發送方根據所接收到的確認(ACK)分組的情況所採取不同的控制方法以避免或緩解網絡擁塞。但是，以交互式對等通信為代表的非對稱和多並發網絡使得現有的網絡擁塞控制機制處於失控狀態，其原因主要有以下三點1.現有TCP擁塞控制機制在高速網絡中反應性比較差；2.網絡非對稱性(NetworkAsyraraetry)是造成網絡擁塞的主要原因，現有改進TCP性能的方法對於不同的應用仍然是在盡力而為(BestEffort)的原則下先到先服務(FirstInFirstServe)，網絡非對稱性所造成的問題沒有得到實質性的解決；3.TCP擁塞控制機制主要是在源端以"預防"和"恢復"為措施的靜態方法，對數據傳輸的追蹤能力和對不同網絡應用數據屬性變化的適應能力差。因此，現有擁塞控制技術並沒有充分考慮到網際網路中非對稱和多並發的技術特點，對解決因非對稱和多並發特點導致的網絡擁塞問題作用不大。
發明內容鑑於現有技術的不足，本發明的目的是提供一種非對稱和多並發網絡的加速方法。該方法靈活利用TCP協議中的確認(ACK)分組，可以有效改善基於應用的TCP協議傳輸擁塞控制性能，提高非對稱和多並發網絡的傳輸速度，降低網絡擁塞發生的概率。為實現上述的發明目的，本發明採用下述的技術方案一種非對稱和多並發網絡的加速方法，在基於流量分類的基礎上對不同應用的確認(ACK)分組採取差異化的動態管理，其特徵在於首先估算網絡可承受帶寬和實際處理帶寬；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於實際處理帶寬，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，賦予確認(ACK)分組較低優先級；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於網絡小於實際處理帶寬，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的，賦予確認(ACK)分組較高優先級；按照所述確認(ACK)分組的優先級調整確認(ACK)分組的傳送速率。其中，首先建立一個TCP連接，並對該連接的網絡可承受帶寬和實際處理帶寬進行採樣，並對多次獲得的網絡可承受帶寬採樣值和實際處理帶寬採樣值進行平滑處理，獲得當前網絡可承受帶寬和實際處理帶寬的估計值。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於實際處理帶寬與預設的門限值之和，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，賦予所述確認(ACK)分組第一優先級。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬小於實際處理帶寬與預設的門限值之差，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的，賦予所述確認(ACK)分組第二優先級。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬小於等於實際處理帶寬與預設的門限值之和，並且大於等於實際處理帶寬與預設的門限值之差，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞和發送端和接收端處理分組緩慢以外的其他原因引起的，賦予所述確認(ACK)分組第三優先級。所述門限值初始為(64*8)/RTT，其中RTT是分組的往返時間。所述第三優先級大於所述第二優先級，所述第二優先級大於所述第一優先級。在出現分組丟失或分組重傳時，按照TCP—Reno算法中擁塞控制策略進行擁塞窗口和慢啟動門限值的調整。根據所述優先級的高低調度所述所述確認(ACK)分組的分組，保證優先級較高的確認(ACK)分組的傳送速率。當處理髮送的確認(ACK)分組時，總是最先檢査具有較高優先級的隊列中是否存在分組報文，如果有分組則將該分組調度出隊列，直接發送出去；只有當其為空隊列時，再去調度優先級較低的隊列。本發明所提供的網絡加速方法根據用戶的具體需求區分對待全網的確認(ACK)分組和數據報文，區分對待不同應用的確認(ACK)分組，並基於應用為確認(ACK)分組開闢不同級別的綠色通道，使得確認(ACK)分組密集的現象不再發生，從根本上解決了由確認(ACK)分組密集所帶來的網絡擁塞問題，避免了由確認(ACK)分組失控而引起的網絡安全隱串。、o下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的說明。圖1顯示了用於實施本發明所述方法的數據處理系統網絡的基本結構；圖2是作為典型的非對稱和多並發應用的PeertoPeer(簡稱為P2P)應用架構圖3為採用TCP/IP協議的4層通信架構的示例；圖4為TCP協議工作的基本原理示意圖5為TCP協議中確認(ACK)分組的結構示意圖6為本發明所述非對稱和多並發網絡的加速方法的實施步驟流程圖。具體實施例方式以下參照附圖、並且具體參照圖l，描述其中可用於實現本發明的優選實施例的數據處理系統網絡。數據處理系統網絡100在邏輯上分為傳輸平面101、服務平面102和應用平面103。其中，傳輸平面101包括核心傳輸層104、接入層105、邊緣節點106等。該數據處理系統網絡IOO的數據傳送遵循TCP/IP規範。圖2是作為典型的非對稱和多並發應用的PeertoPeer(簡稱為P2P)應用架構圖。P2P技術打破了傳統的客戶機一伺服器模型，使網絡用戶可以直接連接到其他用戶的計算機、交換文件，而不是像過去那樣連接到伺服器去瀏覽與下載。該架構中所有元素處於完全對等的地位，沒有客戶機、伺服器之分，即每個節點既是客戶機，又是伺服器，既向別人提供服務，也從別人那裡獲取服務。圖3顯示了用於執行TCP/IP協議的4層通信架構300，該通信架構包括應用層310、傳輸層312、網絡層314以及鏈路層316。其中，鏈路層316(也被稱為數據鏈路層或網絡接口層)通常包括作業系統中的設備驅動器、以及計算機中對應的網絡接口卡。它們一起處理與正在使用的網絡介質(例如乙太網線纜等)物理對接的所有硬體細節。網絡層314(也被稱為網際網路層)處理網絡各處的數據分組的移動。例如，網絡層處理在網絡上傳送的各種數據分組的路由。TCP協議組中的網絡層由幾種協議組成，包括IP(網際網路協議)、ICMP(網際網路控制消息協議)、以及ICMP(網際網路組管理協議)。傳輸層312提供網絡層314和應用層310之間的接口，其幫助數據在兩個主計算機之間的傳遞。傳輸層負責將從應用層傳遞給它的數據劃分為適合於網絡層的適當大小的數據塊(chunk)、確認所接收的分組等等。在TCP/IP協議組中，存在兩種傳輸協議TCP(傳輸控制協議)和UDP(用戶數據包協議)。TCP提供可靠性服務，以確保在兩個主機之間正確地傳送數據，該服務包括丟失檢測和重新傳送服務。相反，UDP僅通過將稱為數據包的數據分組從一個主機發送到另一個，不提供用戶確保正確地傳送數據的任何機制。應用層310處理特定應用的細節，例如(1)用戶遠程登錄Telnet;(2)FTP，即文件傳輸協議；(3)SMTP，即用戶電子郵件的簡單郵件傳輸協議；(4)S蘭P，即簡單郵件管理協議等。當應用層310使用TCP/IP協議來發送數據時，首先將數據通過每個層向下發送到協議堆棧，每層通過將報頭預先附加到其接收的數據上而將信息添加到數據上。例如在應用層，將應用報頭預先附加到用戶數據上，以形成應用數據。在傳輸層，將傳輸協議報頭預先附加到應用數據上。如果傳輸層是TCP，將TCP報頭預先附加到應用數據上，由此形成TCP幀，其被發送到網絡層IP。TCP報頭包括20個字節。類似地，在網絡層，將網絡層報頭預先附加到傳輸層數據上。在TCP/IP的情況下，將IP報頭預先附加到TCP幀，以形成IP數據包。IP報頭也包括20個字節。最後，在鏈路層，將例如乙太網報頭的介質報頭添加到從網絡層接收的數據上，以形成數據幀。圖4顯示了TCP的基本工作原理。TCP協議是面向連接的。所謂面向連接是指計算機雙方通信時，必需首先建立連接，然後再傳送數據。TCP協議在建立連接時分三步走第一步是請求端(客戶端)發送一個包含SYN即同步(Synchronize)標誌的TCP報文，SYN同步報文會指明客戶端使用的埠以及TCP連接的初始序號；第二步，伺服器在收到客戶端的SYN報文後，將返回一個SYN+ACK的報文，表示客戶端的請求被接受，同時TCP序號被加一，ACK即確認；第三步，客戶端也返回一個確認報文ACK給伺服器端，同樣TCP序列號被加一，到此一個TCP連接完成。圖5是TCP協議中確認(ACK)分組的幀結構示意圖。TCP確認(ACK)分組522包括介質報頭524、協議報頭526、所接收的序列號欄位528以及發送列號欄位530等。負責接收數據的計算機通過發送確認(ACK)分組(522)，可以確認發送或重試消息已經接收完畢。上面介紹了TCP協議和確認(ACK)分組的一些背景性知識。下面詳細介紹本發明所提供的利用TCP協議中的確認(ACK)分組實現的數據傳輸加速方法。本方法的核心思想是在基於流量分類的基礎上對不同應用的確認(ACK)分組採取差異化動態管理機制，即通過計算網絡中分組的網絡延遲、接收和發送延遲、分組的RTT(往返時間)和確認(ACK)分組的速率，然後根據網絡延遲、RTT和ACK速率確定是否發生分組丟失或是否存在重傳分組和產生網絡擁塞的原因，並針對不同的原因採用不同的策略對確認(ACK)分組進行優先級調度和速率調整。在本發明中，利用網絡延遲和分組的RTT(往返時間)估算網絡可承受帶寬BWA(BandWidthAcceptable),同時利用了確認(ACK)分組的速率和平均分組長度估算網絡發送端和接收端的實際處理帶寬BWR(BandWidthReal)。當估算網絡可承受帶寬和實際處理帶寬後，便可以根據網絡可承受帶寬BWA和實際處理帶寬BWR來判斷網絡擁塞程度和網絡擁塞原因。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬BWA大於實際處理帶寬BWR，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於網絡BWA小於實際處理帶寬BWR，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的。針對基於不同原因導致的分組丟失和分組重傳，便可以採取不同策略對確認(ACK)分組優先級隊列調度和確認(ACK)分組速率的調整。下面結合圖6，並根據網絡延遲、分組的RTT(往返時間)和確認(ACK)的速率計算過程對本方法的具體實施步驟作進一步的說明。步驟1:根據分組的IP五元組信息確定一個TCP連接，並對該連接的網絡可承受帶寬BWA大於實際處理帶寬BWR進行採樣獲得Samp1e—BWA[k]和Samp1e—BWR[k]採樣值。Sample—BWA[k]=(Pkt—size—sum*8)/(ACKed—time—last_PSH_ACK—time)Sample—BWR[k]=(wnd*8)/(ACKed—time—last—ACK—time)其中，IP五元組信息包括源IP位址、目的IP位址、源埠號、目的埠號、協議號。Pkt_size_SUm表示在網絡節點C處統計該連接的報文長度，單位是字節。ACKed_time表示在網絡節點C處統計該連接確認報文到達的時間，單位是秒。last一PSH—ACK—time表示在網絡節點C處統計該連接的上一次數據報文(包含psh和ack標誌的TCP報文)到達的時間，單位是秒。Wnd表示接收端希望接收的字節數。k表示第k次採樣，k=l,2，3……。步驟2:對網絡可承受帶寬BWA[k]採樣值和實際處理帶寬BWR[k]採樣值進行平滑處理，獲得當前網絡可承受帶寬BWA和實際處理帶寬BWR的估計值。BWA[k]=(19/21)*BWA[k—1]+(1/21)*(Sample—BWA[k]+Sample—BWA[k—l])BWR[k]=(19/21)*BWR[k—1]+(1/21)*(Sample—BWR[k]+Sample—BWR[k—l])步驟3:如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬BWA大於實際處理帶寬BWR與門限值Beta之和，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，執行步驟4，否則繼續執行步驟3下面的內容。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬BWA小於實際處理帶寬BWR與門限值Beta之差，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的，則執行步驟5，否則繼續執行步驟3下面的內容。如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬BWA小於等於實際處理帶寬BWR與門限值Beta之和，並且大於等於實際處理帶寬BWR與門限值Beta之差，S卩BWR—Beta=<BWA=<BWR+Beta，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞和發送端和接收端處理分組緩慢以外的其他原因引起的，則執行步驟6，否則繼續執行步驟3下面的內容。所述門限值Beta通常是一個經驗值，可以通過實際網絡測試獲得，初始時門限值Beta=(64*8)/RTT。RTT的計算可按照RFC2681中的方法計算。當網絡中存在突發業務或突發網絡設備異常時，RTT的值會發生變化，本方法中的RTT值是實時變化值，beta值的使用和RTT測量精度有直接關係，一般為毫秒(ms)級精度。Beta值一般為lkbps10kbps，具體由網絡和網絡種傳輸的業務種類決定。步驟4:確認(ACK)分組的優先級P二1，此時，認為網絡帶寬未飽和，產生分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，並按照現有TCP—Reno的算法中擁塞控制策略進行擁塞窗口和慢啟動門限值的調整(詳細的調整過程可參閱機械工業出版社2000年4月出版的《TCP/IP詳解巻1:協議》(ISBN:7111075668)—書中的第21章，尤其是21.6節擁塞控制算法中的有關說明，此處不予贅述)；跳轉步驟7。步驟5:確認(ACK)分組的優先級P二2，此時，認為網絡帶寬未飽和，產生分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，並按照現有TCP—Reno的算法中擁塞控制策略進行擁塞窗口和慢啟動門限值的調整；跳轉步驟7。步驟6:確認(ACK)分組的優先級P二3，此時，認為網絡帶寬未飽和，產生分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，並按照現有TCP—Reno的算法中擁塞控制策略進行擁塞窗口和慢啟動門限值的調整；跳轉步驟7。步驟7:根據優先級P值的大小調度確認(ACK)分組，保證優先級P值大的確認(ACK)分組速率。當存在高優先級的分組時，首先發送優先級P=3隊列中的分組，當高優先級隊列中的分組發送處理完畢之後，在發送優先級P=2的分組和優先級P=3的分組。當處理髮送分組時，總是最先檢查優先級P=3的隊列中是否存在分組報文，如果有分組則將該分組調度出隊列，直接發送出去；當優先級P=3的隊列為空隊列時，再去調度優先級P=2和P=l的隊列。此處優先級高低定義為數值越大優先級越高，如P=3時優先級大於P=2時優先級大於P=l時的優先級。上述步驟1步驟4描述了網絡可承受帶寬BWA小於實際處理帶寬BWR的獲取過程，步驟58描述了分析網絡分組丟失和重傳的方法和確認(ACK)分組調度的方法。由上述本發明的具體實施例可以看出，本發明不僅保留了TCP—Reno的採用擁塞窗口調整來處理網絡擁塞和分組丟失重傳的算法優點，同時增加了基於網絡可承受帶寬BWA小於實際處理帶寬BWR分析的確認(ACK)分組優先級調度的方法，處理不同原因的網絡擁塞，有效地利用了網絡帶寬估計調度確認(ACK)分組，使網絡帶寬利用率提高，同時提高了網絡使用的公平性，防止網絡擁塞和網絡崩潰的發生。上面詳細介紹了本發明所提供的非對稱和多並發網絡的加速方法。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。權利要求1.一種非對稱和多並發網絡的加速方法，在基於流量分類的基礎上對不同應用的確認分組採取差異化的動態管理，其特徵在於首先估算網絡可承受帶寬和實際處理帶寬；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於實際處理帶寬，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，賦予確認分組較低優先級；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於網絡小於實際處理帶寬，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的，賦予確認分組較高優先級；按照所述確認分組的優先級調整確認分組的傳送速率。2.如權利要求1所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於首先建立一個TCP連接，並對該連接的網絡可承受帶寬和實際處理帶寬進行採樣，並對多次獲得的網絡可承受帶寬採樣值和實際處理帶寬採樣值進行平滑處理，獲得當前網絡可承受帶寬和實際處理帶寬的估計值。3.如權利要求1所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於實際處理帶寬與預設的門限值之和，則認為分組丟失或分組重傳是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，賦予所述確認分組第一優先級。4.如權利要求1所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬小於實際處理帶寬與預設的門限值之差，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞引起的，賦予所述確認分組第二優先級。5.如權利要求1所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬小於等於實際處理帶寬與預設的門限值之和，並且大於等於實際處理帶寬與預設的門限值之差，則認為分組丟失或分組重傳是由網絡擁塞和發送端和接收端處理分組緩慢以外的其他原因引起的，賦予所述確認分組第三優先級。6.如權利要求35中任意一項所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於所述門限值初始為64*8/RTT，其中RTT是分組的往返時間。7.如權利要求35中任意一項所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於所述第三優先級大於所述第二優先級，所述第二優先級大於所述第一優先級。8.如權利要求35中任意一項所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於在出現分組丟失或分組重傳時，按照TCP—Reno算法中擁塞控制策略進行擁塞窗口和慢啟動門限值的調整。9.如權利要求35中任意一項所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於根據所述優先級的高低調度所述所述確認分組，保證優先級較高的確認分組的傳送速率。10.如權利要求9所述的非對稱和多並發網絡的加速方法，其特徵在於當處理髮送的確認分組時，總是最先檢查具有較高優先級的隊列中是否存在分組報文，如果有分組則將該分組調度出隊列，直接發送出去；只有當其為空隊列時，再去調度優先級較低的隊列。全文摘要本發明公開了一種非對稱和多並發網絡的加速方法。該方法中，首先估算網絡可承受帶寬和實際處理帶寬；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於實際處理帶寬，則認為是由發送端和接收端處理分組緩慢引起的，賦予確認(ACK)分組較低優先級；如果分組丟失或分組重傳發生時，網絡可承受帶寬大於網絡小於實際處理帶寬，則認為是由網絡擁塞引起的，賦予確認分組較高優先級；按照確認分組的優先級調整確認幀的傳送速率。本發明為確認分組開闢不同級別的綠色通道，使得確認分組密集的現象不再發生，從根本上解決了由確認分組密集所帶來的網絡擁塞問題，避免了由確認分組失控而引起的網絡安全隱患。文檔編號H04L29/06GK101110767SQ200710111148公開日2008年1月23日申請日期2007年6月14日優先權日2007年4月26日發明者宇伍,劉怡臻,單衍景,孫凌閣,茂徐申請人:北京暢訊信通科技有限公司