[发明专利]基于网络状态测量的分阶段慢启动传输控制方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到网络传输控制领域，特别指一种基于网络状态测量的分阶段慢启动传输控制方法。

背景技术

传输控制协议(Transfer Control Protocol，TCP)是当今因特网应用最为广泛的传输控制协议，提供可靠的端到端的服务。TCP采用了滑动窗口机制进行网络流量的控制，数据传输过程应用慢启动(Slow Start)、拥塞避免(Congestion Control)、快速重传(Fast Retransmission)和快速恢复(FastRecovery)几个窗口调节机制，如图1所示。数据传输过程中，发送窗口(win)为拥塞窗口(cwnd)和接收窗口(rwnd)中的最小值。TCP的慢启动机制作用于连接启动阶段，逐渐增大数据发送速率，探测网络带宽，直到网络拥塞丢包或达到某一阈值，数据源端按发送窗口大小发送数据包，如数据传送成功，接收端返回确认信息(Acknowledgement，ACK)，源端每成功接收一个ACK，cwnd大小将增加1个分组，经历一个往返延迟(Round Trip Time，RTT)，cwnd将增加为原来的两倍，因此呈现出指数增长；如果发送窗口大于慢启动门限阈值，则将发送窗口大小设为门限阈值，进入拥塞避免阶段，发送窗口遵循线性规律增长。TCP慢启动探测网络带宽机制，由于窗口从1开始按指数增长，导致了两个主要问题：

第一，慢启动的窗口由1个分组开始增加，达到一个合适的值，将耗费多个往返时间周期，此过程导致了短生存期连接对可用带宽的低利用率，使窗口大小远小于路径带宽延迟乘积。

第二，门限阈值初设。源端并不知道网络可用带宽容量，使用系统预设门限阈值。门限阈值过大，拥塞窗口的指数增长往往误导太快地发送过多的分组，使瓶颈链路缓存区严重溢出，出现一个发送窗口中多个分组丢弃，使TCP发送端失去自时钟，引发重传超时，导致网络的全局同步，网络性能急剧恶化；门限阈值过小，将使得网络带宽探测过程提前终止，网络带宽没有被完全利用就进入拥塞避免阶段，造成传输性能低下。

在高带宽长延迟网络环境下，此问题尤为突出，目前传统的方法一般通过设置较大窗口初始值，或根据历史状态信息、带宽估算设置门限阈值的方法改善慢启动性能，但在动态变化的网络环境下这些方法都显得灵活性不足，在异构网络环境下效率不高。

发明内容

本发明的任务是克服TCP慢启动易造成一个发送窗口内多个分组丢弃和网络利用率低的缺陷，提出一种基于网络测量的分阶段慢启动方法(MP-Start)。

本发明的解决方案为：首先，数据发送源端根据报文的发送与应答情况，获取当前网络状态，记录报文最小往返延迟，计算出端到端的可用带宽，根据往返延迟与可用带宽乘积结果设置慢启动的拥塞门限阈值，从而确立了慢启动阶段发送窗口的最大值。慢启动阶段窗口分阶段采用不同增长规律，在小于等于二分之一门限阈值阶段按指数规律增长，在大于二分之一门限阈值阶段采用二分逼近规律增长，直到慢启动门限阈值与发送窗口大小差值小于2，从而进入拥塞避免阶段。在此过程中，为保持与网络当前状态一致，源端持续检测网络的状态，并调整门限阈值。

TCP会话启动后以不小于2的初始拥塞窗口开始发送分组，发送端提取连续两个分组的发送时间之差；当分组成功发送，ACK返回时，发送端提取序号相连的两个ACK到达时间差；将分组大小除以两时间差的差值，得到当前测量可用带宽值，再通过指数加权移动平均滤波器，计算出可用网络带宽。网络带宽与平均往返延迟RTTave相乘，得到两者带宽延迟乘积(BDP)，将慢启动门限阈值ssthresh设置为BDP，并且根据网络状态的动态变化而动态变化。

通过实时在线带宽测量技术确定门限阈值ssthresh，在拥塞窗口小于门限值的一半的情况下遵循指数增长规律，否则，拥塞窗口每次增加门限值与拥塞窗口之差(ssthresh-cwnd)的一半，逐步逼近门限值，直到其差值小于调节因子φ(ssthresh/2≥φ≥2)，同时将拥塞窗口设为门限值，从而进入拥塞避免阶段，窗口的变化规律不同，如图2所示，cwnd的变化规律如式(1)。