CN102739508B - 一种高速网络数据传输的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速网络数据传输的方法，该方法包括：服务器确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据路由器获取的RTT平均值获取加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口。本发明还公开了一种高速网络数据传输的系统，采用本发明所述的方法及系统，减少时延相对较小的流的带宽资源，提高时延较大的流的带宽资源，从而增加不同时延的流之间带宽占用率的公平性，提高高速带宽网络的服务质量。

Description

一种高速网络数据传输的方法及系统

技术领域

本发明涉及网络数据传输领域，特别是指一种高速网络数据传输的方法及系统。

背景技术

随着网络技术的不断发展，出现了越来越多的带宽大于1Gbps的高速网络，这样的网络通常具有高带宽时延积(BDP，Bandwidth Delay Product)的特点，会带来非常大的拥塞窗口，传统的传输控制协议(TCP)已经不再适应网络发展的要求。其中，所述拥塞窗口是指一个往返时延(RTT)内最多发送的数据包数。

目前，标准的TCP协议使用加式增加乘式下降(AIMD)算法来调整拥塞窗口w的大小：

在拥塞避免阶段，还没有出现拥塞，可以通过公式(1)来调整拥塞窗口大小，

在拥塞阶段，因为出现拥塞，需要减少数据包发送的数量，通过公式(3)调整拥塞窗口大小，w←w-bw(2)。

在慢启动阶段，需要快速提高带宽速率，可以通过慢启动参数以及公式(2)来调整拥塞窗口大小，w←w+c(3)；

其中，根据TCP协议中规定，加式增加(AI)因子a＝1，乘式下降(MD)因子b＝0.5，慢启动参数c＝1，a、b、c的单位为最大报文段长度(MSS)。

但是，根据上述方法调整拥塞窗口过程中会存在一个问题，假设由于丢包拥塞窗口减少到了w＝1，发送端进入了拥塞避免阶段，网络中的服务器通过公式(1)线性的增加拥塞窗口；如果拥塞窗口要达到X，每次拥塞窗口增加1，则需要X-1个往返时间。这样的话，如果想要达到10Gbps的速度，假设往返时间是100ms，10Gbps对应的窗口值为83333，则需要83332次往返时间，那么达到上述速度需要8333秒，这在实际应用中是不能接受的。

针对TCP协议中AIMD算法在高带宽时延积网络环境下，存在的响应缓慢以及窗口扩展性缓慢的问题，Floyd提出了一种基于包丢失的AIMD窗口调整算法，即高速TCP(HSTCP)算法。HSTCP算法的主要思想是：设定一个拥塞窗口门限值w_low，当拥塞窗口值w超过w_low时，根据公式(1)及公式(3)，将加式增加因子和乘式下降因子设置为w的函数，即a(w)和b(w)。这样，加式增加因子a(w)随着w的增大而增大，乘式下降因子b(w)随着w的增大而减小，a(w)与b(w)呈线性变化。如此，就避免了在高速网络环境下，拥塞窗口缓慢的线性增长；并且，在出现拥塞时，避免大幅度的降低慢启动的阈值。

但是，HSTCP算法存在一个问题：不同RTT的流在传输过程中存在带宽利用率不公平的问题，时延较小的流拥塞窗口增加很快，会抢占带宽资源。

根据分析，不同RTT的HSTCP流相互竞争时的吞吐量关系为：

$\frac{T1}{T2}=\frac{W_1/{\mathrm{RTT}}_1}{W_2/{\mathrm{RTT}}_2}={\left[\frac{{\mathrm{RTT}}_2}{{\mathrm{RTT}}_1}\right]}^{\frac{1}{1-d}}$

其中，根据HSTCP算法规定，d为0.82，假设存在2条流，并且RTT1∶RTT2＝1∶2，那么，两条流的吞吐量之比T1∶T2＝1∶47。

可以看出，HSTCP算法中，不同时延的数据流在竞争时存在明显的不公平性，这对时延比较大的用户服务质量造成较大的影响，不能享有高速带宽的优势。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高速网络数据传输的方法及系统，能减少时延相对较小的流的带宽资源，提高时延较大的流的带宽资源，从而增加不同时延的流之间带宽占用率的公平性，提高高速带宽网络的服务质量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种高速网络数据传输的方法，该方法包括：

服务器确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据路由器获取的往返时延RTT平均值获取加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口。

上述方案中，所述根据路由器获取的RTT平均值获取加式增加因子之前，该方法进一步包括：路由器记录接收流的RTT，确定有流的RTT更新，获取RTT平均值。

上述方案中，所述确定有流的RTT更新，获取RTT平均值包括：路由器实时获取自身接收流的RTT，有流的RTT变化时，则确定有流的RTT更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT，并根据RTT平均值计算公式及路由器时延统计表中的RTT，获取RTT平均值。

上述方案中，所述服务器确定当前流的拥塞窗口超过门限值之前，该方法进一步包括：服务器向路由器发送流，记录并更新服务器时延统计单元中自身发送流的RTT。

上述方案中，所述根据RTT平均值获取加式增加因子包括：根据服务器时延统计单元中流的RTT、RTT平均值及公平因子计算公式，获取所述流对应的公平因子，将公平因子与高速传输控制协议HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子。

本发明还提供了一种高速网络数据传输的系统，该系统包括：窗口调整模块、参数获取模块；

参数获取模块，用于获取RTT平均值，发送给窗口调整模块；

窗口调整模块，用于在确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据RTT平均值获取加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口。

上述方案中，所述窗口调整模块包括：服务器时延更新单元、加式增加因子获取单元；服务器时延更新单元，记录自身发送流的RTT，保存在服务器时延统计单元中，更新服务器时延统计单元中的RTT；加式增加因子获取单元，用于在确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据服务器时延统计单元中流的RTT、RTT平均值以及公平因子计算公式，获取所述流对应的公平因子，将公平因子与HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子。

上述方案中，所述参数获取模块包括：路由器时延更新单元、平均值获取单元；路由器时延更新单元，用于记录接收流的RTT，保存在路由器时延统计表中，确定有流的RTT更新，通知平均值获取单元。

上述方案中，所述路由器时延更新单元，具体用于实时获取自身接收流的RTT，有流的RTT变化时，则确定有流的RTT更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT；平均值获取单元，用于根据路由器时延统计表中的RTT及RTT平均值计算公式，获取RTT平均值。

由此可见，采用本发明所述的方法及系统，通过时延的平均值来调整加式增加因子，从而使时延相对较小的流的窗口增长较小，使时延相对较大的流的窗口增长较大，减少时延相对较小的流的带宽资源，提高时延较大的流的带宽资源，从而增加不同时延的流之间带宽占用率的公平性，提高高速带宽网络的服务质量。

附图说明

图1为本发明实现高速网络数据传输的方法实施例示意图；

图2为数据传输应用场景示意图；

图3为本发明实现路由器获取RTT平均值的方法实施例示意图；

图4为本发明实现高速网络数据传输的系统实施例示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：服务器确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据路由器获取的RTT平均值，获取加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口。

下面通过具体实施例与附图来对本发明进行详细说明，本发明提供了一种高速网络数据传输的方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤101、服务器判断当前流的拥塞窗口是否超过门限值w_low，若超过，则执行步骤102；否则，执行步骤104；

这里，所述门限值w_low为HSTCP协议规定的值；

本发明实施例中，网络数据传输应用场景示意图如图2所示，服务器将一条或多条流发送给路由器，由路由器发送给用户，多个服务器组成服务器集群，路由器同时接收服务器集群发送的多条流。

通常，服务器向路由器发送流，记录并更新服务器时延统计单元中自身发送流的RTT，判断当前流的拥塞窗口是否超过门限值，所述服务器时延统计单元为保存服务器发送的流及对应的RTT的对应关系的一种软件存储形式；所述记录服务器时延统计单元中自身发送流的RTT包括：服务器根据TCP协议实时读取自身发送的流的RTT，并保存在服务器时延统计单元中，若有新的流发出，则用新的服务器时延统计单元保存新的流及对应的RTT；所述更新服务器时延统计单元中自身发送流的RTT包括：服务器读取自身发送的流的RTT，若有流的RTT变化，则将与所述流对应的服务器时延统计单元中所述流对应的RTT的值更新为变化后的值。

具体的，所述判断当前流的拥塞窗口是否超过门限值w_low包括：服务器读取自身发送的流的窗口的数量，即：拥塞窗口的大小，与HSTCP协议规定的门限值w_low比较，若自身发送的流的拥塞窗口大小超过门限值，则说明当前链路带宽较高，需要调整拥塞窗口，执行步骤102；否则，仍按照标准TCP协议传输。

步骤102、根据路由器获取的RTT平均值，获取加式增加因子；

服务器接收路由器发送的所有流的RTT平均值β，根据β以及公平因子计算公式，即公式(4)，获取公平因子η，所述公平因子计算公式为：

$\mathrm{\η}={\left[\frac{{\mathrm{RTT}}_i}{\mathrm{\β}}\right]}^{\frac{1}{d}}---\left(4\right)$

其中，RTT_i为服务器时延统计单元中流对应的RTT；

然后，将所述公平因子与HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子，即：a(w)＝a(w)*η

其中，路由器获取RTT平均值的过程如图3所示，包括以下步骤：

步骤102a、路由器记录接收流的RTT；

具体的，所述记录包括：路由器接收由服务器集群发送的流，获取流的RTT并保存至本地的路由器时延统计表中，若接收的流有新增，则获取新增流的RTT，并将所述流的RTT添加到路由器时延统计表中；所述获取流的RTT可以采用多种方法：可以由服务器在发送的流中携带所述流的RTT，路由器直接读取所述流中的RTT；也可以是路由器根据TCP协议的规定读取所述流的RTT，在此不一一列举。其中，所述路由器时延统计表为路由器接收的流及相应RTT的对应关系表。

步骤102b、路由器判断是否有流的RTT更新；

具体的，所述判断包括：路由器实时获取自身接收的流的RTT，若有流的RTT变化，则说明RTT有更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT；所述更新包括：将路由器时延统计表中，有RTT变化的流对应的RTT变更为更新后的RTT，然后执行步骤102c；否则，执行步骤102a；

步骤102c、计算RTT平均值。

具体的，读取路由器时延统计表中的所有流的RTT，根据RTT平均值计算公式，即公式(5)，获取RTT平均值，并将获取的RTT平均值发送给服务器。

$\mathrm{\β}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RTT}}_i}{n}---\left(5\right)$

步骤103、根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口，结束当前处理流程；

具体的，服务器将加式增加因子设置为所述根据RTT平均值获取的加式增加因子，也就是新的加式增加因子，就可自行调整拥塞窗口。这样，对于时延较小的流，其加式增加因子也较小，相对于时延较大的流，其拥塞窗口的增长较小，从而提高使时延较长的流的带宽利用率。

步骤104：仍根据标准TCP协议向路由器传输流。

基于以上方法，本发明还提供了一种高速网络数据传输的系统，该系统包括：窗口调整模块401、参数获取模块402；其中，窗口调整模块401位于服务器中，参数获取模块402位于路由器中或路由器出口处；

窗口调整模块401，用于确定当前流的拥塞窗口超过门限值，根据参数获取模块获取的RTT平均值，获取加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口；

参数获取模块402，用于获取RTT平均值，并发送给窗口调整模块401。

所述窗口调整模块401包括：服务器时延更新单元4011、加式增加因子获取单元4012；

服务器时延更新单元4011，用于记录并更新服务器时延统计单元中自身发送流的RTT；所述记录包括：服务器根据TCP协议实时读取自身发送的流的RTT，并保存在服务器时延统计单元中，若有新的流发出，则用新的服务器时延统计单元保存新的流及对应的RTT；所述更新包括：服务器读取自身发送的流的RTT，若有流的RTT变化，则将与所述流对应的服务器时延统计单元中所述流对应的RTT的值更新为变化后的值；

加式增加因子获取单元4012，用于在确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据RTT平均值、服务器时延统计单元中的流及对应的RTT，以及公平因子计算公式，获取流的公平因子，将公平因子与HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子。

所述参数获取模块402包括：路由器时延更新单元4021、平均值获取单元4022；

路由器时延更新单元4021，用于记录接收流的往返时延RTT，确定有流的RTT更新，通知平均值获取单元4022。

平均值获取单元4022，用于根据路由器时延统计表中记录的RTT及平均值计算公式，获取RTT平均值。

路由器时延更新单元4021具体用于，路由器实时获取自身接收流的RTT，有流的RTT变化时，则确定有流的RTT更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT；所述更新包括：将路由器时延统计表中，该流对应的RTT变更为更新后的RTT。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速网络数据传输的方法，其特征在于，该方法包括：

服务器向路由器发送流，记录并更新服务器时延统计单元中自身发送流的往返时延RTT；

服务器确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据服务器时延统计单元中流的RTT、路由器获取的RTT平均值及公平因子计算公式获取所述流对应的公平因子η，将公平因子与高速传输控制协议HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口，其中，所述d＝0.82。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据路由器获取的RTT平均值获取加式增加因子之前，该方法进一步包括：

路由器记录接收流的RTT，确定有流的RTT更新，获取RTT平均值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定有流的RTT更新，获取RTT平均值包括：

路由器实时获取自身接收流的RTT，有流的RTT变化时，则确定有流的RTT更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT，并根据RTT平均值计算公式及路由器时延统计表中的RTT，获取RTT平均值。

4.一种高速网络数据传输的系统，其特征在于，该系统包括：窗口调整模块、参数获取模块；

参数获取模块，用于获取RTT平均值，发送给窗口调整模块；

服务器时延更新单元，用于记录自身发送流的RTT，保存在服务器时延统计单元中，更新服务器时延统计单元中的RTT；

加式增加因子获取单元，用于在确定当前流的拥塞窗口超过门限值时，根据服务器时延统计单元中流的RTT、RTT平均值以及公平因子计算公式获取所述流对应的公平因子η，将公平因子与HSTCP协议中的加式增加因子相乘，获取新的加式增加因子，并根据获取的加式增加因子调整拥塞窗口，其中，所述d＝0.82。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述参数获取模块包括：路由器时延更新单元、平均值获取单元；

路由器时延更新单元，用于记录接收流的RTT，保存在路由器时延统计表中，确定有流的RTT更新，通知平均值获取单元。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述路由器时延更新单元，具体用于实时获取自身接收流的RTT，有流的RTT变化时，则确定有流的RTT更新，更新路由器时延统计表中所述流的RTT；

平均值获取单元，用于根据路由器时延统计表中的RTT及RTT平均值计算公式，获取RTT平均值。