[發(fā)明專利]基于帶寬估計(jì)和擁塞預(yù)測(cè)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210077614.4
• 申請(qǐng)日: 2022-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN114422443B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史琰;劉中祺;盛敏;李建東;劉俊宇;白衛(wèi)崗;周笛;李浩然;朱彥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L47/12
• 分類號(hào): H04L47/12;H04L47/127;H04L47/27;H04L47/283;H04L41/14;H04L69/163
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 陳宏社;王品華

本發(fā)明提出了一種基于帶寬估計(jì)和網(wǎng)絡(luò)擁塞預(yù)測(cè)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議擁塞控制方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)基于預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行擁塞窗口的調(diào)整，預(yù)測(cè)模型和擁塞窗口增長函數(shù)復(fù)雜化，不能適應(yīng)復(fù)雜、時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的技術(shù)問題。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟為：初始化參數(shù)；發(fā)送端對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行估計(jì)；發(fā)送端確定網(wǎng)絡(luò)擁塞等級(jí)；發(fā)送端基于差分自回歸移動(dòng)平均ARIMA(P,D,Q)模型預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)擁塞等級(jí)；發(fā)送端獲取衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于帶寬估計(jì)和網(wǎng)絡(luò)擁塞預(yù)測(cè)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議擁塞控制方法。

背景技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型和服務(wù)數(shù)量也在日益增多，地面網(wǎng)絡(luò)通信不能滿足人們的需求。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣、不受地域限制、組網(wǎng)靈活、生存能力強(qiáng)和容量大的優(yōu)點(diǎn)，使得衛(wèi)星通信技術(shù)逐漸成為信息傳輸?shù)闹匾侄巍?/p>

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)往返時(shí)延長，高誤碼率以及雙向鏈路不對(duì)稱的特點(diǎn)使地面網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議不能很好地適應(yīng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。大的往返時(shí)延會(huì)導(dǎo)致TCP協(xié)議慢啟動(dòng)階段擁塞窗口增加緩慢，并且不能快速從丟包后恢復(fù)到帶寬充分利用的狀態(tài)；衛(wèi)星反向鏈路帶寬較小，容易造成確認(rèn)包ACK壓縮甚至丟失，影響擁塞窗口的增加；衛(wèi)星鏈路高誤碼率的特點(diǎn)使得丟包很大原因是差錯(cuò)丟包，而傳統(tǒng)TCP協(xié)議認(rèn)為所有丟包均為擁塞丟包，一味降低擁塞窗口，減小發(fā)送速率，因此大大降低了TCP的吞吐量。衛(wèi)星鏈路的特殊性使得傳統(tǒng)TCP直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信難以獲得良好的性能，鑒于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代通信中占據(jù)越來越重要的地位，如何改進(jìn)TCP使其能夠適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為非常重要的研究課題。

擁塞控制是TCP的一項(xiàng)重要功能。當(dāng)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的數(shù)據(jù)超過它的處理能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生擁塞，擁塞發(fā)生的主要原因有：帶寬較小、中間結(jié)點(diǎn)緩存容量不足、中間結(jié)點(diǎn)處理能力不足和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理。較好的TCP擁塞控制算法可以有效提升TCP性能，有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜、時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，進(jìn)而在長時(shí)延、高丟包率的環(huán)境下，可以有效降低時(shí)延，保證較高的吞吐量。

現(xiàn)有的擁塞控制算法主要是基于現(xiàn)有的慢啟動(dòng)、擁塞避免、快恢復(fù)和快重傳四種算法進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)充的擁塞控制算法，或者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)信息估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，根據(jù)估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。

針對(duì)改善擁塞窗口函數(shù)的研究，主要集中在慢啟動(dòng)和擁塞避免階段。慢啟動(dòng)在早期采用指數(shù)函數(shù)，之后在這基礎(chǔ)上研究了慢啟動(dòng)閾值估計(jì)算法，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中最佳慢啟動(dòng)閾值點(diǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，所以如需準(zhǔn)確的估計(jì)慢啟動(dòng)的閾值，對(duì)慢啟動(dòng)閾值的測(cè)量需要貫穿整個(gè)慢啟動(dòng)階段，復(fù)雜度高；還有許多協(xié)議采用對(duì)數(shù)函數(shù)替代指數(shù)函數(shù)，這樣可以有效避免突發(fā)流量造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞過程，但同時(shí)也犧牲了慢啟動(dòng)性能。對(duì)于擁塞避免過程，例如TCPNewReno和TCP?CUBIC也是預(yù)先定義了固定的擁塞窗口增長函數(shù)，在開始時(shí)執(zhí)行指數(shù)增長的窗口函數(shù)，在收到三次重復(fù)的ACK后將分別執(zhí)行線性增長和三次函數(shù)增長的窗口函數(shù)。與此類似，許多TCP變體也采用對(duì)數(shù)函數(shù)、二分搜索、分段函數(shù)去設(shè)計(jì)擁塞窗口增長函數(shù)。這些基于規(guī)則的擁塞控制機(jī)制，很難生成匹配真實(shí)鏈路狀態(tài)的傳輸速率，這些方法的思想就是盡可能的多設(shè)計(jì)幾種傳輸模式來提高自適應(yīng)控制能力，該類擁塞控制機(jī)制為了追求更加細(xì)致的自適應(yīng)傳輸控制能力，需要不斷的研究更加細(xì)致的分段網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并為之建立不同的窗口增長函數(shù)，擁塞窗口增長過程始終是有限的，不能適應(yīng)復(fù)雜、時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，對(duì)自適應(yīng)傳輸控制能力的提升有限。

李寧等人在2019年IEEE第19屆國際通信技術(shù)會(huì)議公開了一種面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的TCP慢啟動(dòng)算法，旨在克服慢啟動(dòng)閾值估計(jì)不準(zhǔn)確造成的擁塞丟包，提高吞吐量性能，實(shí)現(xiàn)步驟為：根據(jù)窗口最大值設(shè)置一個(gè)新的閾值，將慢啟動(dòng)階段分為快速啟動(dòng)階段和基于帶寬估計(jì)的探針收斂階段，在快速啟動(dòng)階段采用較大的初始窗口值和指數(shù)窗口增長模式，以確保高啟動(dòng)速度，在探針收斂階段，通過自適應(yīng)因子，使窗口增長率與鏈路的可用帶寬相匹配。該方法是基于預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行擁塞窗口的調(diào)整，隨著網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)化和復(fù)雜化，過多的網(wǎng)絡(luò)表征參數(shù)和進(jìn)一步的細(xì)化使得擁塞窗口增長函數(shù)復(fù)雜化和特定化，造成TCP協(xié)議性能提升相對(duì)有限，并且自適應(yīng)性能下降。