網絡業務加速器的製作方法

2024-02-10 04:57:15

專利名稱：網絡業務加速器的製作方法
網絡業務加速器相關申請的交叉引用不適用
背景技術：
本發明涉及數字數據通信和用於改善受大帶寬時延積影響的信道(諸如基於衛星的通信鏈路和移動數據網絡)的吞吐量的技術。眾所周知，由於信道的非常大的帶寬時延積(BDP)，所以用於在網絡上傳輸數據的業界標準即傳輸控制協議(TCP)在衛星或移動通信網絡中無法良好地執行。例如，具有 24Mbps至155Mbps的信道帶寬容量的通信衛星具有500ms的往返時延(RTT)，故24Mbps的最低帶寬將導致1. 5MB的帶寬時延積，該值遠超64KB的TCP最大通告窗口大小。在這種情況下，TCP的流控制機制將吞吐量限制為不超過1Mbps，其小於衛星的鏈路層帶寬容量的 5 %，如下文所闡述的。TCP流控制TCP具有內置流控制機制，該流控制機制被設計為避免快發送器使慢接收器溢出。 該機制以如下方式工作通過經由TCP報頭內的16位欄位將接收器的緩衝器可用性(即通告窗口)報告給發送器，以使發送器能夠避免發送超過接收器的緩衝器所能儲存的數據。 計算機處理能力已經突飛猛進，使得計算機能夠輕易地跟上高達幾百Mbps數據速率的到達數據流。因此到達的包將由應用從接收器緩衝器快速獲取，在大多數情況下這都能夠完成，甚至在下一個包到達之前完成。因此，所報告的通告窗口(AWnd)簡單地停留在最大接收器緩衝器大小。在這種情況下，TCP的流控制機制根本沒有被激活，因為不需要TCP的流控制機制。然而，TCP的流控制機制可能成為具有大帶寬時延積(BDP)的網絡中的性能瓶頸。 考慮發送器通過大BDP鏈路(100Mbps，250ms單向時延，BDP = 50Mb)連接至接收器的情況。 在忽略處理時間的情況下，當發送器接收到確認(ACK)時，所報告的通告窗口(AWnd)大小事實上是在當前時間250ms之前的值(S卩，34KB)。在此期間，接收器應用可能已經從接收器緩衝器獲取了其它數據，從而釋放了更多的緩衝器空間(即，64KB)。由於延遲的AWnd，發送器的發送不能多於所報告的AWnd，因此不能使用接收器處的可用的額外緩衝器空間。在BDP大於最大AWnd的情況下，發送器將以啟停(stop-and-go) 方式工作，從而導致網絡信道的嚴重未充分利用。對上述問題的傳統解決方案是使用如TCP協議請求註解RFC 1323中所定義的TCP 的大窗口尺寸(LWS)擴展。該擴展允許TCP在連接設置期間商定乘法器以應用於窗口大小， 從而能夠使用大於64KB的窗口大小。然而，這種方法依賴兩個假設第一，作業系統或應用需要被修改以明確使用TCP的LWS擴展。第二，必須存在一種方法以使應用在連接設置期間請求使用LWS。雖然在定製網絡應用和作業系統能夠被開發以利用TCP的LWS擴展的實驗室中， 這兩個假設能夠輕易地滿足，但是它們將很可能阻止大量網際網路上可用的網絡應用從TCP 的LWS擴展中獲益。
已經進行了許多研究以改善某些大型網絡中的TCP性能。現有研究被分為三種類別修改發送器和接收器、僅修改發送器、以及僅修改接收器。這些類別中的每一種在這裡均通過背景技術簡要地描述。基於發送器-接收器的方法Jacobson 等人的「RFC 1323 :TCP extensions for high performance (RFC 1323 :高性能TCP擴展)『『，1992年5月，RFC1323建議對TCP進行大窗口尺寸(LWS)擴展，這是目前得到最廣泛支持的解決方案。其通過在整個連接中以恆定因子縮放通告窗口 (Affnd)來工作。在最大LWS因子14的情況下，可使最大AWnd增加至IGB ((216_1) *214 ^ 230)。 可替換地，可以對應用進行修改以並行地發起多個TCP連接，從而通過聚集多個TCP連接來增力口吞吐量，如 Lee, D. Gunter, B. Tierney, B. Allcock, J. Bester, J. Bresnahan 禾口 S.Tuecke 的 「Applied Techniques for High Bandwidth Data Transfers Across Wide Area Networks (在廣域網上進行高帶寬數據傳送的應用技術)〃，Proceedings of International Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics, 2001 年 9 月以及 H. Sivakumar, S. Bailey 禾口 R. Grossman 的「PSockets :The Case for Application-level Network Striping for Data Intensive Applications using High Speed Wide Area Networks (PSockets :用於使用高速廣域網的數據密集型應用的應用級網絡分割的案例)"，Proceedings of Super Computing，2000年11月。該方法有效地使 AWnd和擁塞窗口(CWnd)乘以TCP流的數量，因此能夠減輕AWnd限制。然而，聚集多個TCP 連接還將允許應用從競爭的TCP流獲得不平等的帶寬量。Hacker等人(T. Hacker, B. Noble 禾口 B.Athey 的「Improving Throughput and Maintaining Fairness using Parallel TCP (使用並行的TCP改善吞吐量和保持公平性)"，Proceedings of IEEEInfocom 2004， 2004年3月)通過推遲CWnd增加直至多個確認(ACK)被接收到以補償更大的窗口大小來解決這一問題。基於發送器的方法除了 AWnd限制之外，發送器所維護的擁塞窗口也可能限制大BDP型網絡中的TCP 的吞吐量。特別地，CWnd的增長通過ACK的到達來觸發。因此，在長時延路徑中，可能要花費更長時間使CWnd增長至足夠大的值以使鏈路帶寬能夠得到充分利用。為了解決這個問題，Allman等人(M.Allman，S. Floyd 和 C. Partridge 的〃 RFC 3390 Jncreasing TCP 『 s Initial Window (RFC 3390 增力Π TCP 的初始窗口)〃， October 200)在RFC3390中建議將CWnd初始化為更大值(與一個TCP段相反)，以使其能夠在大時延網絡中更加快速地增長以提升TCP的吞吐量。從那以後，人們耗費太多的精力來開發更加複雜的擁塞控制算法，諸如CUBIC(I. I^hee和L. Xu的"CUBIC:A new TCP-friendly high-speed TCP variant (CUBIC 新的 TCP 友好的高速 TCP 變型)「， Proceedings. PFLDNet『 05，2005 年 2 月)、BIC(L. Xu, K. Harfoush 和 I. Rhee 的「Binary Increase Congestion Control (BIC) for Fast Long-Distance Networks (用於快速長距離網絡的二進位增加擁塞控制(BIC))"，In Proceedings of IEEE INF0C0M 2004,2004 年 3 月)、FAST (C. Jin, D. X. Wei 和 S. H. Low 的「FAST TCP Motivation，Architecture, Algorithms, Performance (FAST TCP :動機，架構，算法，性能)「，In Proceedings of IEEE INFOCOM 2004,2004 年 3 月)、H_TCP(R. Shorten 和 D. Leith 的「H-TCP :TCP forHigh-Speed and Long-Distance Networks (H-TCP :用於高速和長距離網絡的 TCP) 〃， Second International Workshop on Protocols for Fast Long-Distance Networks, February 16-17，2004，Argonne, Illinois)，以進一步改善 TCP 的吞吐性能。這些解決方案解決了 CWnd增長的限制，因此是本發明的補充。基於接收器的方法在接收端，Fisk和i^eng建議通過在接收器處估算CWnd並隨後使接收器緩衝器大小(即AWnd)動態地適應所估算的CWnd大小的兩倍來對AWnd進行動態的大小調整。(M Fisk 禾口 W-C Feng 的〃 Dynamic Right-Sizing in TCP (TCP 的動態大小調整)「， Proceedings of the Los Alamos Computer Science Institute Symposium,2001 年 10 月)。這確保當發送器的CWnd翻倍時(例如，在接收到ACK之後)AWnd將不會成為瓶頸。較新的作業系統諸如Linux 2. 4和Microsoft Windows Vista也通過從數據消耗速率估算BDP來實施接收器緩衝器大小自動調節(見J. Davies的"The Cable Guy TCP Receive Window Auto-Tuning (Cable Guy :TCP 接收窗自動調節)〃，iTechNet Magazine, 2007 年 1 月)。需要一種使TCP能夠充分利用潛在網絡帶寬的機制，其既不需要修改運行於通信會話兩端的網絡應用，也不需要作業系統支持大窗戶口尺寸(LWS)。

發明內容
根據本發明，在一種包含具有極大帶寬時延積(BDP)並採用傳輸控制協議(TCP) 的通信鏈路的包通信系統中，該系統具有發送器、接收器和網關，僅採用由接收器所通告的所報告的通告窗口大小作為窗口大小的指示並且不作為吞吐量限制，從而比所通告的通告窗口大小所指定的量更多的數據被發送。該通告窗口大小一直很小卻是上限。考慮到傳統接收器的與典型數據速率相比的高處理速度能力，接收器毫無困難地處理所有進入的TCP 包，使得接收緩衝器一直接近於空。因此通告窗口大小不被認為是接收器處可用的緩衝器空間的絕對量。因此，發送器不再由接收器的通告窗口大小的絕對值限制，反而能夠傳輸比通告窗口的值更多的數據，從而使通信系統能夠增加實際窗口大小而不需要修改任何一端的通信應用。該改進的大BDP容量協議被稱為TCP-SC。根據本發明的TCP-SC網關被設計為執行這一新功能，從而當其接收到來自接收器的攜帶更新的通告窗口大小(AWnd)的確認(ACK)包時，其將在考慮接收器的處理能力和緩衝器可用性的情況下計算新的虛擬通告窗口大小(VWnd)，以使其能夠轉發超出AWnd所允許的更多的數據。TCP-SC不需要對接收器應用進行任何修改，也不需要來自作業系統的支持，因此能夠更加容易地被網際網路服務提供商(ISP)或衛星運營商或行動網路運營商配置，從而使所有TCP業務加速。通過參照下面結合附圖的詳細描述，本發明將被更好地理解。


圖1是根據本發明的系統的框圖；圖2是示出在業務流因協議異常而中斷的情況下大BDP系統的吞吐率的圖表；圖3是示出根據本發明的功能完善的系統的吞吐率的圖表。
具體實施例方式根據本發明，通信系統具有TCP-SC網關系統10。如圖1所示，本發明的TCP-SC網關系統10設置在發送器(諸如網頁伺服器12)與接收器14(諸如網頁瀏覽器客戶端16) 之間，接收器14位於用戶終端並包括TCP緩衝器。所有網際協議(IP)包在經由衛星18轉發至接收器14之前，通過TCP-SC網關10路由。因此在衛星系統的情況下，網關系統10與客戶端16之間的路徑是包括鏈路段20和22的大BDP路徑。TCP-SC網關系統10濾出用於處理的TCP包並簡單轉發所有其他包以保持與其它業務(例如，基於UDP的協議)的兼容性。TCP-SC的原理是估算待轉發的TCP段到達接收器14的時刻接收器的TCP緩衝器可用性。如果所估算的TCP緩衝器可用性足夠大以容納該TCP段，則立即將該TCP段轉發至接收器14。否則，網關系統10將傳輸推遲一段時間，直至預測到充足的接收器緩衝器空間可用。為了預測接收器TCP緩衝器空間可用性，TCP-SC網關系統10需要三個輸入，即 在先前時間點處接收器的TCP緩衝器可用性；所轉發的TCP段到達接收器14處所花費的時間；以及接收器應用處理TCP緩衝器內的接收的數據(即，從TCP緩衝器移除所接收的數據)的速率。第一個輸入能夠根據接收到的最後一個ACK中的AWnd確定。剩下兩個輸入需要估算，如下文所解釋的。在下文中，假設(a)網關10總是有輸入數據M以作為輸出數據沈轉發；(b)網絡時延保持恆定；(c)網關10與客戶端16之間的鏈路20、22的網絡時延在正向和反向上是對稱的；以及(d) —旦TCP段到達，客戶端16處的接收器14就立即生成包含通告窗口大小的ACK，即，不存在有效的處理時延。網關-接收器往返時間(RTT)估算考慮以下事項設D為網關10與客戶端16之間的往返時間RTT。由於RTT不能推理(a priori)得知，因此將需要根據測量進行估算。設&為網關10向客戶端16轉發包 i的時刻，並且設、為相應ACK到達網關10的時刻。隨後，對於假定對稱的網絡時延，RTT D能夠通過等式(1)計算D = tj-fj(1)為了消除所估算的RTT中的隨機波動，網關將對測量的值應用指數加權移動平均法RTT' = α XRTT+(l-a ) XD(2)其中權重a = 0. 9遵循用於TCP的內部RTT估算器的值，如V. (Jacobson和 M-Karels 的〃 Congestion Avoidance and Control (擁塞避免和控制)〃，自 2009 年 6 月 39 日起在 ftp://ftp, ee. lbl. Rov/papers/conRavoid. ps. Z 上可用)所報導的。接收器處理速率估算接收器14處的處理速率能夠通過比較兩個時間點之間的接收器的緩衝器可用性來估算。確認包或ACK到達網關處的時刻是這兩個時間點的良好候選，因為每個ACK包在被稱為AWnd欄位觀的欄位內均包含接收器緩衝器可用性(如圖所示作為TCP-SC 10的輸入)。
設、和Eii為ACK包i的對應的到達時刻和AWnd值。分別設f」和Cii為網關12轉發TCP包j的時刻和包i的段大小。隨後對於某些正整數k，由R表示的處理速率能夠通過等式⑶計算
權利要求
1.在在網關處採用傳輸控制協議(TCP)並具有大帶寬時延積(BDP)的包通信系統中， 用於傳輸TCP數據流的方法包括將數據從發送器裝置經由所述網關並通過通信鏈路傳輸至與客戶端關聯的接收器裝置；在所述網關處接收由所述接收器裝置所通告的通告窗口大小，所述接收與其測量之間存在時延；以及在所述網關處採用所述通告窗口大小僅作為窗口大小的指示並且不作為對能夠被傳輸的數據量的限制，使得能夠經由所述網關發送比所述通告窗口大小所指定更多的數據。
2.在在網關處採用傳輸控制協議(TCP)並具有大帶寬時延積(BDP)的包通信系統中， 用於傳輸TCP數據流的方法包括將第一個TCP段中的數據從發送器裝置經由所述網關並通過具有路徑時延的通信鏈路傳輸至與客戶端關聯的接收器，所述鏈路具有路徑時延；在所述網關處接收包含由所述接收器裝置所通告的通告窗口大小的確認包；以及一旦從所述發送器裝置接收到下一個TCP段，則所述網關對所述下一個TCP段進行調度以傳輸至所述接收器裝置，以使其不會導致所述接收器裝置處的緩衝器溢出，其中所述通告窗口大小出現在對過去約一半往返時間處的緩衝器可用性進行報告的確認傳輸期間。
3.根據權利要求2所述的方法，包括根據以下等式預測將來時刻t的接收器緩衝器可用性B (t)
4.根據權利要求2所述的方法，包括根據下列等式估算將在時刻t之前被處理的數據的預測量R
全文摘要
在一種具有大帶寬時延積(BDP)並採用傳輸控制協議(TCP)的包通信系統中，僅採用有接收器所通告的所報告的通告窗口大小作為窗口大小的指示並且不作為吞吐量限制，從而比通告窗口大小所指定的量更多的數據被發送。由於接收器能夠處理所有進入的TCP包，使得接收緩衝器一直接近於空。由於TCP的通告窗口大小不被認為是接收器處可用的緩衝器空間的絕對量，故發送器不由接收器的通告窗口大小的絕對值限制，反而能夠傳輸比通告窗口的絕對值更多的數據，從而使系統能夠增加實際窗口大小而不需要修改鏈路端。該改進的大BDP容量協議被稱為TCP-SC。
文檔編號H04L12/56GK102474455SQ201080029565
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月29日 優先權日2009年6月29日
發明者李耀斌, 溫永燊 申請人:香港中文大學