一种自适应MPTCP的数据调度方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应MPTCP的数据调度方法，包括：根据各子流的拥塞窗口建立马尔可夫模型；根据马尔可夫模型计算得到各子流的平均拥塞窗口大小；根据时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值；根据各子流平均拥塞窗口大小和往返时间值预测得到各子流上的平均有效吞吐率；根据各子流上的平均有效吞吐率动态调整最小子流的拥塞窗口大小，使最小子流避免发生拥塞；根据调整后的拥塞窗口大小调整慢启动阈值的大小，使得调整后的子流仍处于拥塞避免阶段。所述的自适应MPTCP的数据调度方法克服了现有MPTCP数据调度和拥塞控制技术的不足，使得MPTCP能够自适应地针对网络波动和网络异构化的情况进行更合理的调度，最终能够提高多路径数据传输的效率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应MPTCP的数据调度方法
本专利技术涉及数据调度和拥塞控制
，特别是指一种自适应MPTCP的数据调度方法。
技术介绍
近年来，随着智能终端的应用越来越广泛，以及互联网通信的不断发展，网络应用对业务量的需求也越来越大；以大数据应用、手机电视、视频通话等为代表的网络应用亟需高可靠性的快速数据传输技术作为支撑。现有的因特网采用TCP/IP协议族，其中传输层以TCP协议为代表得到最为广泛的研究和使用。然而，传统的TCP协议无法同时利用智能终端的多个通信接口(如以太网接口和WIFI接口)，端对端连接时只能用一个接口建立一条传输路径，无法满足吞吐量日益增大的需求，更重要的是单路径传输可靠性差，如果发生干扰或传输拥塞时会导致传输性能急剧下降，严重时导致传输中止。多路径传输控制协议(Multipath-TCP，简称MPTCP)就是为了弥补TCP的不足而诞生的。该协议是基于传统TCP的多路径并行传输协议，可兼容现有中间件，并具有高可靠性、高容错性、高吞吐量、高安全性、兼容TCP等特点。端对端设备通过MPTCP将数据放置在多条路径上并行传输，借助对多个接口的联合利用，可以提高数据传输的吞吐量和鲁棒性。在进行多条路径之间的数据分配时，MPTCP需要在多个可用的链路中预先进行路径选择，需要弃用链路质量较差的传输路径，而选取链路质量较优的传输路径，降低路径间传输质量的差异性。一方面，若在多径传输过程中发送端未弃用较差的传输路径，在该路径上的数据传输易引起数据包的超时、错误、丢包、重传等问题，接收端将各路径上接收到的数据包进行排序和组合，即便其它路径上的数据传输正常，也将因该路径上数据包的延迟到达导致数据的不完整，造成向上层应用的推迟交付，进而会影响MPTCP在发送端和接收端之间的整体传输性能。另一方面，若各路径间传输质量差异过大，由于较差路径所承载的数据包缺失，较优路径上接收的数据包会快速充满接收端的数据缓冲区，从而导致较优路径上数据传输暂停及大量数据的超时重传问题。因此，在MPTCP数据传输中，将数据调度到合理的路径上以及针对可能出现的拥塞进行处理，是非常重要的。在现有的MPTCP协议中，路径质量的评估指标主要利用数据在该路径上的传输延迟，传输延迟是表征路径质量的直观指标之一，对于该指标的评测方法为测量路径的往返时间(RTT，Round-TripTime)值。某路径上的RTT表示从发送端在该路径上发送数据包开始，到发送端在该路径上接收到来自接收端对该数据报的确认(接收端收到数据包后便立即发送确认)，总共经历的时延。RTT越小，表明路径传输质量越高，反之越差。专利技术人在实现本专利技术的过程中发现，采用RTT评估路径质量，进而进行路径选择尽管测量方法相对简单，准确度相对较高，但也至少存在如下缺点：1)RTT测量时需要发送冗余数据包或启动实际数据传输，前者通过发送专用数据包测量RTT，会占用路径的带宽资源，后者等价于实际使用该路径进行数据传输，通过传输过程中发送的数据包测量RTT，如果路径质量较差，则会直接引发接收端的数据缺失等问题；2)RTT测量涉及到数据包的发送过程，接收端的接收数据包和处理过程，接收端发送确认包过程，以及发送端接收确认包和处理过程，测量时间至少包含数据包的往返时间，因此，测量存在一定的时间延迟。路径质量越差，相应的测量延迟也就越长，这将降低MPTCP路径选择的效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种自适应MPTCP的数据调度方法，能够提高多路径数据传输的效率和可靠性。基于上述目的本专利技术提供的一种自适应MPTCP的数据调度方法，包括：根据各子流的拥塞窗口建立马尔可夫模型；根据马尔可夫模型计算得到各子流的平均拥塞窗口大小；根据数据包中的时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值；根据各子流平均拥塞窗口大小以及往返时间值，预测得到各子流上的平均有效吞吐率；根据各子流上的平均有效吞吐率动态调整最小子流的拥塞窗口大小，使最小子流避免发生拥塞；根据调整后的拥塞窗口大小调整慢启动阈值的大小，使得调整后的子流仍处于拥塞避免阶段。可选的，所述马尔可夫模型包括：各时刻设备的发送状态集合和发送状态转换的一步转移概率集合；其中，发送状态集合中包括各子流的拥塞窗口大小；所述转移概率集合与各子流的丢包率相关。可选的，所述根据马尔可夫模型计算得到各子流平均拥塞窗口大小的步骤包括：根据各子流的丢包率得到设备发送状态的转移概率矩阵；遵循转移概率矩阵的概率转移规律下，计算得到极限平稳分布；根据极限平稳分布计算得到各子流的平均拥塞窗口大小。可选的，所述极限平稳分布记为特征向量μ；且所述特征向量符合下列约束条件：μ＝(μ1,μ2…μv)μP＝μμ1+μ2+…+μv-1+μv＝1μj≥0,j∈{1,2…v}其中，记受限于接收缓冲区大小的最大拥塞窗口为W个MSS(MaximumSegmentSize，最大报文段)单位，而最小拥塞窗口为2个MSS单位，则子流拥塞窗口大小取值范围为[2,W]。记k为子流数量，cwi(i∈[1,k]且i∈Z)为子流i的拥塞窗口大小，将系统所处的发送状态用各子流拥塞窗口集合表示，可知发送状态空间是k维离散状态空间，表示为I{(cw1,cw2,…cwi…,cwk)|cwi∈[2,W]且cwi∈Z}，可知状态空间I包含有(W-1)k个可能元素，为表示方便记v＝(W-1)k；μj为状态空间中第j个状态上的平稳分布概率；P为转移概率矩阵，且所述转移概率矩阵为(v*v)维的稀疏矩阵；所述平均拥塞窗口大小的计算表达式为：其中，i为子流的序号，I为发送状态空间，j为状态空间I中的状态序号；max为特征向量的元素个数，即max＝(W-1)k；为状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小；μj为第j个状态所对应的平稳分布的概率；为子流i的平均拥塞窗口大小。可选的，所述根据数据包中的时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值的步骤之后还包括：对所述往返时间值进行平滑处理；平滑处理的表达式为：RTTt＝(1-α)RTTnew+αRTTt-10<α<1其中，RTTnew为当前时刻的往返时间值；RTTt-1为前一时刻的往返时间值；RTTt为平滑处理后的往返时间值；α为平滑往返时间值受当前往返时间值影响的因子。可选的，影响因子α＝0.8可选的，所述各子流上的平均有效吞吐率的计算表达式为：其中，pi为子流i上的丢包率；MSSi为子流i上的最大传输报文段大小；为子流i上的平均拥塞窗口大小；RTTi为子流i上的往返时间值；为子流i上的平均有效吞吐率。可选的，所述根据各子流上的平均有效吞吐率动态调整最小子流的拥塞窗口大小的步骤包括：根据各子流上的平均有效吞吐率计算得到吞吐率系数；其中，吞吐率系数为最大子流吞吐率与最小子流吞吐率的比值；判断吞吐率系数是否大于吞吐率临界值，若是，则相应减小最小子流的拥塞窗口大小。可选的，所述根据各子流上的平均有效吞吐率计算得到吞吐率系数的步骤之后还包括：对吞吐率系数进行平滑处理，平滑处理的表达式为：θt＝(1-β)θnew+βθt-1其中，β为平衡因子；θnew为当前时刻吞吐率系数；θt-1为前一时刻吞吐率统计平均系数；θt为平滑处理后的吞吐率系数。可选的，所述吞吐率临界值的计算表达式为：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应MPTCP的数据调度方法，其特征在于，包括：根据各子流的拥塞窗口建立马尔可夫模型；根据马尔可夫模型计算得到各子流的平均拥塞窗口大小；根据数据包中的时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值；根据各子流平均拥塞窗口大小以及往返时间值，预测得到各子流上的平均有效吞吐率；根据各子流上的平均有效吞吐率动态调整最小子流的拥塞窗口大小，使最小子流避免发生拥塞；根据调整后的拥塞窗口大小调整慢启动阈值的大小，使得调整后的子流仍处于拥塞避免阶段。

【技术特征摘要】
1.一种自适应MPTCP的数据调度方法，其特征在于，包括：根据各子流的拥塞窗口建立马尔可夫模型；根据马尔可夫模型计算得到各子流的平均拥塞窗口大小；根据数据包中的时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值；根据各子流平均拥塞窗口大小以及往返时间值，预测得到各子流上的平均有效吞吐率；根据各子流上的平均有效吞吐率动态调整最小子流的拥塞窗口大小，使最小子流避免发生拥塞；根据调整后的拥塞窗口大小调整慢启动阈值的大小，使得调整后的子流仍处于拥塞避免阶段。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述马尔可夫模型包括：各时刻设备的发送状态集合和发送状态转换的一步转移概率集合；其中，发送状态集合中包括各子流的拥塞窗口大小；所述转移概率集合与各子流的丢包率相关。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据马尔可夫模型计算得到各子流平均拥塞窗口大小的步骤包括：根据各子流的丢包率得到设备发送状态的转移概率矩阵；遵循转移概率矩阵的概率转移规律下，计算得到极限平稳分布；根据极限平稳分布计算得到各子流的平均拥塞窗口大小。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述极限平稳分布记为特征向量μ；且所述特征向量符合下列约束条件：μ＝(μ1,μ2…μv)μP＝μμ1+μ2+…+μk-1+μv＝1μj≥0,j∈{1,2…v}其中，μj状态空间I中第j个状态上的平稳分布概率；P为转移概率矩阵，且所述转移概率矩阵为(v*v)维的稀疏矩阵；所述平均拥塞窗口大小的计算表达式为：其中，i为子流的序号，I为发送状态空间，j为状态空间I中的状态序号；max为特征向量的元素个数；为状态空间I中第j个状态上子流i的拥塞窗口大小；μj为第j个状态所对应的平稳分布的概率；为平均拥塞窗口大小。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据数据包中的时间戳字段计算得到各子流当前的往返时间值的步骤之后还包括：对所述往返时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐碧华，范文浩，罗润文，吴帆，张洪光，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11