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CN116055402A - 用于大数据和边缘计算的高速通信网络优化方法和装置 - Google Patents

用于大数据和边缘计算的高速通信网络优化方法和装置 Download PDF

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CN116055402A
CN116055402A CN202310010844.3A CN202310010844A CN116055402A CN 116055402 A CN116055402 A CN 116055402A CN 202310010844 A CN202310010844 A CN 202310010844A CN 116055402 A CN116055402 A CN 116055402A
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CN
China
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congestion window
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round trip
congestion
trip period
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CN202310010844.3A
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杨高林
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Guozi Qingdao Digital Technology Co ltd
Original Assignee
Guozi Qingdao Digital Technology Co ltd
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
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    • HELECTRICITY
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Abstract

本发明提供了一种用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,包括以下步骤:确定启动门限阈值;确定初始拥塞窗口的长度;比较当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值;若当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值,计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度;若当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值,进入拥塞避免算法;根据当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值来确定下一个往返周期的拥塞窗口长度。该方法可以根据拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值自适应的调整拥塞窗口的增长速率,从而有效的控制塞窗口长度接近启动门限阈值时的丢包风险。

Description

用于大数据和边缘计算的高速通信网络优化方法和装置
技术领域
本申请涉及网络通信技术领域,尤其涉及一种用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法和装置。
背景技术
随着大数据和边缘计算的不断发展,对通信网络技术的要求不断提高,而网络拥塞控制是网络通信中最重要的课题之一。第一次因特网拥塞崩溃发生在1986年,其导致了严重的数据吞吐量下滑和通讯瘫痪,也直接促进了TCP拥塞控制算法的诞生。
以下三篇技术文献描述了被称作TCP Reno的经典TCP拥塞控制算法,其包括以下四个部分:慢启动,拥塞避免,快速重传,和快速恢复。该算法被广泛地应用于因特网的拥塞控制。
V.Jacobson,“Congestion avoidance and control”,in Proc.SIGCOMM′88,
Stanford,CA,
pp.314-329.
W.Stevens,“TCP Slow Start,Congestion Avoidance,Fast Retransmit,andFast Recovery
Algorithms″,RFC2001,Jan.1997.
M.Allman,V.Paxson,and W.Stevens,“TCP Congestion Control”,RFC 2581,Apr.1999.
实践证明TCP Reno的慢启动算法可以很好地工作于低带宽网络,但是在高带宽长时延网络中遇到瓶颈。TCP Reno使用保守的系数按照加性增加和乘性减少的方式该表拥塞窗口,对于高带宽网络来说,这种方式在启动时拥塞窗口增长过慢,而在发生丢包时拥塞窗口下降过快,导致无法充分利用高带宽网络的容量。
文献CN109698797A公开了一种TCP拥塞控制方法和装置,其首先根据网络设备数,预设的往返时延,以及用户带宽来估计理论拥塞窗口,然后将第一个RTT的拥塞窗口确定为理论窗口的一半。如果在第一个RTT周期正常传输,则将第二个RTT的拥塞窗口确定为理论拥塞窗口。如果在第二个RTT周期正常传输,则将第三个RTT的拥塞窗口确定为拥塞窗口历史最大值。虽然该方法可以使拥塞窗口在初期快速增长以达到充分利用网络带宽的目的,但是该方法依赖于估计的理论窗口的准确性,并且该方法的窗口增长过于激进,在带宽不足或者网络链路拥塞状况波动的情况下,会导致大量的数据丢包。
文献CN114501541A公开了一种用于民航卫星通信的拥塞控制方法,其在慢启动阶段以慢启动门限阈值的一半为分界点,在前半段与后半段使用不同的增长方式,并在窗口计算中预测当前网络带宽,根据预测的网络带宽调整增长速度。该方法依赖于带宽预测的精度,而现有的预测方法并不能精确的估计当前网络带宽,这可能导致拥塞窗口的变化并不能充分利用网络容量。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷和不足,本发明的一个目的在于提供一种用于TCP拥塞控制的自适应启动方法,该方法包括以下步骤:确定启动门限阈值;确定初始拥塞窗口的长度;比较当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值;若当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值,按照预定的算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度;若当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值,进入拥塞避免算法;其中,所述预定的算法根据当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值来确定下一个往返周期的拥塞窗口长度。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述预定的算法包含常数因子B,用于控制启动初期的拥塞窗口的增长速率。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述预定的算法包含常数因子C,用于控制拥塞窗口长度接近门限阈值时拥塞窗口的增长速率。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述预定的算法具体为:
Figure BDA0004039113080000031
其中,cwndnext表示下一个往返周期的拥塞窗口的长度,cwndcur表示当前往返周期的拥塞窗口长度,ssthresh表示启动门限阈值,B和C表示常数因子。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述常数因子B为[2.5,3]之间的任一常数。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述常数因子C为[0.01,0.05]之间的任一常数。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述常数因子B和C的优选取值为B=2.7,C=0.02。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述初始拥塞窗口的长度为1MSS,其中,MSS表示最大报文段长度。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述初始拥塞窗口的长度为[4,16]MSS之间的任一值,其中,MSS表示最大报文段长度。
在根据本发明的一个优选实施方式中,所述启动门限阈值设置为拥塞窗口所能达到的最大长度。
在根据本发明的一个优选实施方式中,基于带宽预测来确定所述启动门限阈值。
本发明的另一个目的在于提供一种用于TCP拥塞控制的自适应启动装置,该装置包括:门限阈值计算模块,用于确定启动门限阈值;初始拥塞窗口设置模块,用于确定初始拥塞窗口的长度;比较模块,用于比较当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值;拥塞窗口调整模块,用于在当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值时,按照预定的算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度;拥塞避免模块,用于在当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值时,进入拥塞避免算法;其中,所述拥塞窗口调整模块根据当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值来确定下一个往返周期的拥塞窗口长度。
有益的技术效果
本发明的自适应启动方法可以根据拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值自适应的调整拥塞窗口的增长速率,在启动的前中期获得较快的增长速率从而有效的利用网络资源,而在启动的中后期获得平滑的增长速率从而有效的控制塞窗口长度接近启动门限阈值时的丢包风险,解决了如前所述的现有的启动方法中缺陷和不足。
附图说明
附图构成本说明书的一部分,用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例,并与说明书一起用来说明本发明的原理。
图1示出了根据本发明一个实施例的用于TCP拥塞控制的自适应启动方法的示例性流程图。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于TCP拥塞控制的自适应启动装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都应属于本发明所保护的范围。
图1所示为根据本发明一个实施例的用于TCP拥塞控制的自适应启动方法的示例性流程图。如图1所示,该方法包括以下步骤:
S101:确定启动门限阈值;
S102:确定初始拥塞窗口的长度;
S103:判断当前往返周期的拥塞窗口长度是否小于启动门限阈值;
S104:若当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值,按照以下算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度:
Figure BDA0004039113080000051
其中,cwndnext表示下一个往返周期的拥塞窗口的长度,cwndcur表示当前往返周期的拥塞窗口长度,ssthresh表示启动门限阈值,B和C表示常数因子;
S105:若当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值,进入拥塞避免算法。
如步骤S104中的算法公式所示,本发明的启动方法可以根据当前拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值来自适应的调整拥塞窗口长度的增长速率。在自适应启动的前中期,拥塞窗口的长度大约以常数因子B的指数级进行增长,常数因子B的大小决定了在启动前中期拥塞窗口的增长速率。当B的取值大于2时,拥塞窗口就可以在启动前中期获得比在TCPReno算法中更快的增长速率,从而更有效的利用网络带宽资源。
随着拥塞窗口长度的增长,在自适应启动的中后期,拥塞窗口的增长速率逐渐降低,并最终接近于(B-1)C,其中常数因子C是一个很小的正数,用于控制拥塞窗口长度接近启动门限阈值时拥塞窗口的增长速率。因此,本发明的自适应启动方法可以在启动中后期使拥塞窗口获得平滑的增长,并有效的防止当拥塞窗口长度接近启动门限阈值时在一个往返周期内产生大量的丢包。
如上所述,本发明的自适应启动方法可以根据拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值自适应的调整拥塞窗口的增长速率,在启动的前中期获得较快的增长速率从而有效的利用网络资源,而在启动的中后期获得平滑的增长速率从而有效的控制塞窗口长度接近启动门限阈值时的丢包风险,解决了如前所述的现有的启动方法中缺陷和不足。
进一步地,常数因子B的取值可以设置在[2.5,3]之间,常数因子C的取值可以设置在[0.01,0.05]之间,从而有效的平衡启动中前期的增长速率与启动中后期的丢包风险。
优选的,B和C的取值设置为B=2.7,C=0.02。
步骤S101中所述的启动门限阈值是启动阶段和拥塞避免阶段的分界点,在本发明的自适应启动方法中,可以将启动门限阈值设定为一个任意值,并在后续的步骤和拥塞控制算法中探测当前的网络带宽容量。优选的,可以将所述启动门限阈值设置为拥塞窗口所能达到的最大长度。
理想的启动门限阈值是当前网络的带宽容量。然而由于网络的异构型和不对称性,准确估计网络带宽容量是一项非常困难的任务。本发明的自适应启动方法并不依赖于对网络带宽的准确估计,因此,其可以根据现有的任何带宽预测算法来确定步骤S101中所述的启动门限阈值。
在步骤S102中,可以像TCP Reno算法中一样,将初始拥塞窗口的长度设置为1MSS,其中,MSS表示最大报文段长度。为了进一步增加前期拥塞窗口的增长速度,从而更有效的利用高速网络的资源,也可以设置较大初始拥塞窗口的长度。优选地,所述初始拥塞窗口的长度可以设置为[4,16]MSS之间的任一值。
本发明的自适应启动方法的另一个优点是与现有的广泛应用的TCP Reno的拥塞控制算法相兼容,其重点改进了启动阶段的拥塞窗口的调整算法,其它部分的算法依然适用,因此其可以快速的大规模地应用于现有的网络中,无需对现有网络的软硬件做出显著的改变。例如在步骤S105中所述的拥塞避免算法,其可以是现有的TCP Reno算法中的拥塞避免算法,也可以是现有技术中的任何改进的拥塞避免算法。
图2所示为根据本发明一个实施例的用于TCP拥塞控制的自适应启动装置的结构示意图,该自适应启动装置包括:
S201:门限阈值计算模块,其用于确定启动门限阈值;
S202:初始拥塞窗口设置模块,其用于确定初始拥塞窗口的长度;
S203:比较模块,其用于判断当前往返周期的拥塞窗口长度是否小于启动门限阈值;
S204:拥塞窗口调整模块,其用于在当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值时,按照以下算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度:
Figure BDA0004039113080000071
其中,cwndnext表示下一个往返周期的拥塞窗口的长度,cwndcur表示当前往返周期的拥塞窗口长度,ssthresh表示启动门限阈值,B和C表示常数因子;
S205:拥塞避免模块,其用于在当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值,进入拥塞避免算法。
由于本发明的的上述实施例所提供的装置与本发明的前述实施例所提供的方法解决问题的原理相似,因此该实施例所提供的装置的具体实施以及有益效果与前述实施例所提供的方法的实施以及有益效果可以相互参见,重复之处不再赘述。
本实施例中对模块的划分是示意性的,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,另外,在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中,也可以是单独物理存在,也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。
以上对本发明实施例所提供的用于TCP拥塞控制的自适应启动方法和装置进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其包括以下步骤,
确定启动门限阈值;
确定初始拥塞窗口的长度;
比较当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值;
若当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值,按照预定的算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度;
若当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值,进入拥塞避免算法;
其特征在于:所述预定的算法根据当前往返周期的拥塞窗口长度与启
动门限阈值的比值来确定下一个往返周期的拥塞窗口长度。
2.如权利要求1所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述预定的算法包含常数因子B,用于控制启动初期的拥塞窗口的增长速率。
3.如权利要求2所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述预定的算法包含常数因子C,用于控制拥塞窗口长度接近门限阈值时拥塞窗口的增长速率。
4.如权利要求3所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述预定的算法具体为:
其中,cwndnext表示下一个往返周期的拥塞窗口的长度,cwndcur表示当前往返周期的拥塞窗口长度,ssthresh表示启动门限阈值,B和C表示常数因子。
5.如权利要求4所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述常数因子B为[2.5,3]之间的任一常数。
6.如权利要求5所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述常数因子C为[0.01,0.05]之间的任一常数。
7.如权利要求1-6任一项所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述初始拥塞窗口的长度为1MSS,其中,MSS表示最大报文段长度。
8.如权利要求1-6任一项所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,所述启动门限阈值设置为拥塞窗口所能达到的最大长度。
9.如权利要求1-6任一项所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法,其特征在于,基于带宽预测来确定所述启动门限阈值。
10.一种采用权利要求1至9任一项所述用于大数据和边缘计算的高速通信网络的优化方法的优化装置,其该装置包括:
门限阈值计算模块,用于确定启动门限阈值;
初始拥塞窗口设置模块,用于确定初始拥塞窗口的长度;
比较模块,用于比较当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值;
拥塞窗口调整模块,用于在当前往返周期的拥塞窗口长度小于启动门限阈值时,按照预定的算法计算下一个往返周期的拥塞窗口的长度;
拥塞避免模块,用于在当前往返周期的拥塞窗口长度等于或大于启动门限阈值时,进入拥塞避免算法;
其特征在于,所述拥塞窗口调整模块根据当前往返周期的拥塞窗口长度与启动门限阈值的比值来确定下一个往返周期的拥塞窗口长度。
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