CN112422421B - 一种异构网络的多路径数据包传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异构网络的多路径数据包传输方法。该方法包括：在多个客户端设备与服务端设备之间通过MMR‑AR多路径异构链路进行数据通信，接收到客户端设备发送过来的数据包，从多条异构链路中选择发送链路，将数据包封装发送链路的专用报头后，在发送链路上发送数据包；从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包，对接收到的多个数据包进行解析和汇聚处理后，依次转发给服务端设备。应用本发明的方法，使多链路传输时有效地降低了聚合数据流乱序问题。本发明使多链路传输时，即使网络质量估测不准确，依然可以保证很高的数据包传输效率。

Description

一种异构网络的多路径数据包传输方法

技术领域

本发明涉及异构网络数据通信技术领域，尤其涉及一种异构网络的多路径数据包传输方法。

背景技术

高铁技术快速发展，高速移动环境下的通信需求越来越强烈。然而，单一的无线网络无法满足人们的上网需求，于是，人们尝试利用多种异构的无线及有线网络实现多链路并行通信。多链路并行通信的一个主要的难点是解决并行通信时数据包的乱序。针对这一问题，在静止环境下，人们提出了很多方法，这些方法均依赖调度算法对链路质量的精确估测。但是，在高速移动环境下，链路质量剧烈波动，链路质量的估测将不够准确。通过这种不够准确的估测得出调度决策，其效果无法让人满意。

为了解决高速移动环境下的上网问题，现有技术提出了一种最早完成优先(ECF：Earliest Completion First)的方法。该方法的原理是：发送端产生的原始数据包有多条链路可以发送。当一个数据包需要被发送时，发送端计算出在发送时刻，从不同链路发送此数据包所需消耗的时间。通过比较，选出用时最短的一条链路发送此数据包。

上述最早完成优先的方法的缺点为：在MPTCP(Multipath Transmission ControlProtocol，多路径传输控制协议)协议的基础上做了修改。由于MPTCP协议的局限性，其发送的数据包是运行MPTCP协议的设备自身产生的数据包，不能转发从其他设备发送到本设备的数据包。以上原因使得该方法的应用有很大的局限性，不能应用在路由器中做转发算法。

发明内容

本发明的实施例提供了一种异构网络的多路径数据包传输方法，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种异构网络的多路径数据包传输方法，在多个客户端设备与服务端设备之间通过MMR-AR多路径异构链路进行数据通信，包括：

接收到客户端设备发送过来的数据包，从多条异构链路中选择发送链路，将所述数据包封装所述发送链路的专用报头后，在所述发送链路上发送所述数据包；

从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包，对接收到的多个数据包进行解析和汇聚处理后，依次转发给服务端设备。

优选地，所述的接收到客户端设备发送过来的数据包，从多条异构链路中选择发送链路，将所述数据包封装所述发送链路的专用报头后，在所述发送链路上发送所述数据包，包括：

从客户端设备接收原始数据包，去掉原始数据包的IP报头之前的全部报头，将原始数据包转换为IP数据包，将IP数据包放入缓存；

根据IP数据包到达缓存的顺序，为IP数据包标记专用序号，根据调度决策，为标记有专用序号的IP数据包选择发送链路；

为标记有专用序号的IP数据包封装所述发送链路的专用报头后，在所述发送链路上发送IP数据包。

优选地，所述的为IP数据包标记专用序号，包括：

在从客户端设备接收原始数据包之前，设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0；每从客户端设备接收到一个原始数据包，更新专用序号加一，将更新后的专用序号标记在IP数据包之前。

优选地，所述的为标记有专用序号的IP数据包封装所述发送链路的专用报头，包括：

在从客户端设备接收原始数据包之前，获得并存储当前所有异构链路的IP地址，当异构链路的状态发生变化时，对存储的异构链路的IP地址进行相应的更新；

用当前记录的发送链路的IP地址构建专用报头，将所述专用报头封装在标记有专用序号的IP数据包之前。

优选地，所述的从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包，对接收到的多个数据包进行解析和汇聚处理后，依次转发给服务端设备，包括：

在多条异构链路上持续监听来自所述客户端设备的IP数据包，在异构链路上接收到IP数据包后，拆除IP数据包上封装的专用报头与专用序号，解析IP数据包信息；

将解析后的IP数据包送入缓存，根据IP数据包到达缓存的顺序为IP数据包标记专用序号后，将IP数据包插入缓存中；

取出当前缓存中专用序号最小的数据包作为目标数据包，判断目标数据包是否为期待转发的数据包，如果是，将所述目标数据包给服务端设备；如果否，监听并等待新的数据包到来。

优选地，所述的将所述目标数据包给服务端设备，包括：

当目标数据包决定被转发后，将上一次转发数据包的时刻更新为当前时刻，将目标数据包的专用序号更新为当前值加一，将期待数据包序号更新为当前值加一；

根据调度决策为更新了有专用序号的IP数据包选择发送链路；

根据发送链路的IP地址构建专用报头，将专用报头封装在更新了专用序号的IP数据包之前，将封装后的IP数据包发送到服务端设备。

优选地，所述的从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包之前，还包括：

在来自所述客户端设备的数据包的汇聚过程初始化时，在缓存中设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0，将上一次转发数据包的时刻初始化为0；

存储当前所有异构链路的IP地址，当异构链路的状态发生变化时，更新相应异构链路的IP地址，根据存储的所有异构链路的IP地址信息获取选择的发送链路的IP地址；

建立期待数据包的序号记录，初始化期待数据包的序号为1。

优选地，所述的判断目标数据包是否为期待转发的数据包，包括：

汇聚过程运行时，读取当前期待数据包的序号；

读取目标数据包的专用序号；

将目标数据包的专用序号与期待数据包的序号做比较；

若目标数据包的专用序号等于期待数据包的序号，则判断目标数据包为期待转发的数据包；

若目标数据包的专用序号小于期待数据包的序号，则判断目标数据包在传输中耽误了时间，但依然为期待转发的数据包；

若目标数据包的专用序号大于期待数据包的序号，则判断目标数据包暂时不是期待转发的数据包；

判断汇聚过程的转发等待间隔是否超时，如果是，目标数据包不需要被转发；否则，目标数据包需要被转发。

优选地，所述的判断汇聚过程的转发等待间隔是否超时，如果是，目标数据包不需要被转发；否则，目标数据包需要被转发，包括：

初始化与定期更新超时阈值；

汇聚过程初始化时，设置超时阈值并初始化超时阈值；

汇聚过程运行时，不断向每条异构链路发送链路探测数据包；

每当一条异构链路的探测数据包返回汇聚过程中时，计算该探测数据包的平滑往返时延；

计算并存储所有异构链路中平滑往返时延的最大值与最小值之间的差值；

定期将超时阈值更新为平滑往返时延差值的2倍；

将当前的时刻与上一次转发数据包时刻的差值与超时阈值做比较；

当比较结果大于0时，目标数据包需要被转发；

当比较结果小于0时，目标数据包不需要被转发。

优选地，通过多链路移动路由器MMR接收客户端设备发送的数据包，在异构链路上发送所述数据包，通过汇聚路由器AR接收异构链路上来自客户端设备的数据包，将接收到的数据包转发给服务端设备；

或者，

通过AR接收客户端设备发送的数据包，在异构链路上发送所述数据包，通过MMR接收异构链路上来自客户端设备的数据包，将接收到的数据包转发给服务端设备。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，应用本发明实施例的方法，使多链路传输时有效地降低了聚合数据流乱序问题。本发明使多链路传输时，在不可预测的网络下不必准确估测网络质量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种异构网络的拓扑结构图；

图2为本发明实施例提供的一种发散过程的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种汇聚过程的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种判断目标数据包是否为期待转发的数据包的算法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供的一种异构网络的拓扑结构如图1所示，包含以下主要功能体：客户端设备、服务端设备、MMR(Multipath Mobile Router，多链路移动路由器)和AR(Aggregation Router，汇聚路由器)。多个客户端设备与服务端设备之间通过MMR-AR多路径异构链路进行通信。

本发明实施例提供的一种克服链路不可预测性的异构网络的多路径数据包传输方法分别部署在MMR和AR上。该方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤A：发散过程。即从客户端设备接收原始数据包，再通过多条状态不可预测的异构链路发送数据包的过程；

步骤B：汇聚过程。即从多条不可预测的异构链路接收数据包，将所有接收到的数据包汇聚后，再转发给对应服务端设备的过程。

由于通过MMR-AR的通信是双向的，MMR设备与AR设备均部署了发散过程与汇聚过程。客户端和服务端设备均可部署于AR设备处和MMR设备处。

步骤A的发散过程的流程图如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤A1：在发散过程初始化时，设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0；每接收到一个原始数据包，更新专用序号加一，将更新后的专用序号标记在IP数据包之前。获得并存储当前所有异构链路的IP地址，当异构链路的状态发生变化时，对存储的异构链路的IP地址进行相应的更新。

从客户端设备接收原始数据包，去掉原始数据包IP报头之前的全部报头，将原始数据包转换为IP数据包，将IP数据包放入缓存；

步骤A2：根据IP数据包到达缓存的顺序，为IP数据包标记更新后的专用序号；

步骤A3：根据调度决策，为标记有专用序号的IP数据包选择发送链路；

采用带内或带外的方式探测所有异构链路的往返时延，在本方法中无需非常准确的探测结果，根据所探测时延的倒数计算各链路的数据包分发比例，生成调度决策。

步骤A4：用当前记录的发送链路的IP地址构建专用报头，将上述专用报头封装在标记有专用序号的IP数据包之前后，在所述发送链路上发送IP数据包，实现透明传输。

步骤B的汇聚过程的流程图如图3所示，包括如下的处理步骤：

步骤B1：汇聚过程初始化时，在缓存中设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0。将上一次转发数据包的时刻初始化为0。存储当前所有链路的IP地址。当链路状态发生变化时，立刻更新相应链路的IP地址。根据存储的所有链路的IP地址信息获取选择的发送链路的IP地址。建立期待数据包的序号记录，初始化期待数据包的序号为1。

持续监听所有状态不可预测的异构链路是否有数据包到来，任何一个异构链路有数据包到来即触发数据包汇聚流程；

步骤B2：在异构链路上接收到IP数据包后，拆除IP数据包上封装的专用报头与专用序号，解析IP数据包信息；

步骤B3：汇聚过程启动时，建立一个动态排序缓存。将解析后的IP数据包送入缓存，根据IP数据包到达缓存的顺序，为IP数据包标记专用序号。缓存每接收到一个IP数据包，更新专用序号加一，将更新后的专用序号标记在IP数据包之前，以标注的IP数据包的专用序号作为索引条件，将IP数据包插入缓存中。

步骤B4：取出当前缓存中专用序号最小的数据包作为目标数据包；

步骤B5：判断目标数据包是否为期待转发的数据包，如果是，进入步骤B6；如果否，重新回到步骤B1，监听并等待新的数据包到来；

步骤B6：当目标数据包决定被转发时，将上一次转发数据包的时刻更新为当前时刻，将目标数据包的专用序号更新为当前值加一，将期待数据包序号更新为当前值加一。

根据调度决策为更新了有专用序号的IP数据包选择发送链路；

采用带内或带外的方式探测所有异构链路的往返时延，在本方法中无需非常准确的探测结果，根据所探测时延的倒数计算各链路的数据包分发比例，生成调度决策。

步骤B7：根据发送链路的IP地址构建专用报头，将专用报头封装在更新了专用序号的IP数据包之前，将封装后的IP数据包发送到服务端设备，清除发送的IP数据包在缓存中的相关信息，实现透明传输，完成一次数据流汇聚过程，重新回到步骤B3；

步骤B5中判断目标数据包是否为期待转发的数据包的算法流程如图4所示，包括如下的处理步骤：

B5-1：汇聚过程运行时，读取当前期待数据包的序号；

B5-2：读取目标数据包的专用序号；

B5-3：将目标数据包的专用序号与期待数据包的序号做比较；

B5-3-1：若目标数据包的专用序号等于期待数据包的序号，则目标数据包为期待转发的数据包，返回是；

B5-3-2：若目标数据包的专用序号小于期待数据包的序号，则目标数据包在传输中由于某些原因耽误了一些时间，但依然为期待转发的数据包，返回是；

B5-3-3：若目标数据包的专用序号大于期待数据包的序号，则目标数据包暂时不是期待转发的数据包，进入B5-4；

B5-4：判断汇聚过程的转发等待间隔是否超时；

B5-4-1：初始化与定期更新超时阈值；

B5-4-1-1：汇聚过程初始化时，设置超时阈值并初始化超时阈值；

B5-4-1-2：汇聚过程运行时，不断向每条异构链路发送链路探测数据包；

B5-4-1-3：每当一条链路的探测数据包返回汇聚过程中时，计算该探测数据包的平滑往返时延；

B5-4-1-4：计算并存储所有异构链路中平滑往返时延的最大值与最小值之间的差值；

B5-4-1-5：定期将超时阈值更新为平滑往返时延差值的2倍；

B5-4-2：当前的时刻与上一次转发数据包时刻的差值与超时阈值做比较；

B5-4-2-1比较结果大于0时，目标数据包需要被转发，返回是；

B5-4-2-2比较结果小于0时，目标数据包不需要被转发，返回否；

综上所述，应用本发明实施例的方法，使多链路传输时有效地降低了聚合数据流乱序问题。本发明使多链路传输时，在不可预测的网络下不必准确估测网络质量。本发明使多链路传输时，即使网络质量估测不准确，依然可以保证很高的数据包传输效率。

本发明实施例的方法可以应用在MMR和AR等路由器中做转发算法。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种异构网络的多路径数据包传输方法，其特征在于，在多个客户端设备与服务端设备之间通过多链路移动路由器-汇聚路由器MMR-AR多路径异构链路进行数据通信，包括：

接收到客户端设备发送过来的数据包，从多条异构链路中选择发送链路，将所述数据包封装所述发送链路的专用报头后，在所述发送链路上发送所述数据包；具体包括：从客户端设备接收原始数据包，去掉原始数据包的IP报头之前的全部报头，将原始数据包转换为IP数据包，将IP数据包放入缓存；根据IP数据包到达缓存的顺序，为IP数据包标记专用序号，根据调度决策，为标记有专用序号的IP数据包选择发送链路；为标记有专用序号的IP数据包封装所述发送链路的专用报头后，在所述发送链路上发送IP数据包；

从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包，对接收到的多个数据包进行解析和汇聚处理后，依次转发给服务端设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的为IP数据包标记专用序号，包括：

在从客户端设备接收原始数据包之前，设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0；每从客户端设备接收到一个原始数据包，更新专用序号加一，将更新后的专用序号标记在IP数据包之前。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的为标记有专用序号的IP数据包封装所述发送链路的专用报头，包括：

在从客户端设备接收原始数据包之前，获得并存储当前所有异构链路的IP地址，当异构链路的状态发生变化时，对存储的异构链路的IP地址进行相应的更新；

用当前记录的发送链路的IP地址构建专用报头，将所述专用报头封装在标记有专用序号的IP数据包之前。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包，对接收到的多个数据包进行解析和汇聚处理后，依次转发给服务端设备，包括：

在多条异构链路上持续监听来自所述客户端设备的IP数据包，在异构链路上接收到IP数据包后，拆除IP数据包上封装的专用报头与专用序号，解析IP数据包信息；

将解析后的IP数据包送入缓存，根据IP数据包到达缓存的顺序为IP数据包标记专用序号后，将IP数据包插入缓存中；

取出当前缓存中专用序号最小的数据包作为目标数据包，判断目标数据包是否为期待转发的数据包，如果是，将所述目标数据包给服务端设备；如果否，监听并等待新的数据包到来。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的将所述目标数据包给服务端设备，包括：

当目标数据包决定被转发后，将上一次转发数据包的时刻更新为当前时刻，将目标数据包的专用序号更新为当前值加一，将期待数据包序号更新为当前值加一；

根据调度决策为更新了有专用序号的IP数据包选择发送链路；

根据发送链路的IP地址构建专用报头，将专用报头封装在更新了专用序号的IP数据包之前，将封装后的IP数据包发送到服务端设备。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的从多条异构链路中接收来自所述客户端设备的数据包之前，还包括：

在来自所述客户端设备的数据包的汇聚过程初始化时，在缓存中设置4字节的专用序号，并初始化专用序号为0，将上一次转发数据包的时刻初始化为0；

存储当前所有异构链路的IP地址，当异构链路的状态发生变化时，更新相应异构链路的IP地址，根据存储的所有异构链路的IP地址信息获取选择的发送链路的IP地址；

建立期待数据包的序号记录，初始化期待数据包的序号为1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的判断目标数据包是否为期待转发的数据包，包括：

汇聚过程运行时，读取当前期待数据包的序号；

读取目标数据包的专用序号；

将目标数据包的专用序号与期待数据包的序号做比较；

若目标数据包的专用序号等于期待数据包的序号，则判断目标数据包为期待转发的数据包；

若目标数据包的专用序号小于期待数据包的序号，则判断目标数据包在传输中耽误了时间，但依然为期待转发的数据包；

若目标数据包的专用序号大于期待数据包的序号，则判断目标数据包暂时不是期待转发的数据包；

判断汇聚过程的转发等待间隔是否超时，如果是，目标数据包不需要被转发；否则，目标数据包需要被转发。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的判断汇聚过程的转发等待间隔是否超时，如果是，目标数据包不需要被转发；否则，目标数据包需要被转发，包括：

初始化与定期更新超时阈值；

汇聚过程初始化时，设置超时阈值并初始化超时阈值；

汇聚过程运行时，不断向每条异构链路发送链路探测数据包；

每当一条异构链路的探测数据包返回汇聚过程中时，计算该探测数据包的平滑往返时延；

计算并存储所有异构链路中平滑往返时延的最大值与最小值之间的差值；

定期将超时阈值更新为平滑往返时延差值的2倍；

将当前的时刻与上一次转发数据包时刻的差值与超时阈值做比较；

当比较结果大于0时，目标数据包需要被转发；

当比较结果小于0时，目标数据包不需要被转发。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，包括：

通过多链路移动路由器MMR接收客户端设备发送的数据包，在异构链路上发送所述数据包，通过汇聚路由器AR接收异构链路上来自客户端设备的数据包，将接收到的数据包转发给服务端设备；

或者，

通过AR接收客户端设备发送的数据包，在异构链路上发送所述数据包，通过MMR接收异构链路上来自客户端设备的数据包，将接收到的数据包转发给服务端设备。

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