一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，包括：数据处理步骤，获取该蜂窝无线网络的一第一参数组，对该第一参数组进行处理得到一第二参数组，并将该第二参数组分别传输给MPTCP路径管理器和数据包调度器；子流创建步骤，所述路径管理器根据所述第二参数组测算该蜂窝无线网络的一第三参数，并利用该第三参数结合该第二参数组建立子流；数据分配步骤，根据所述第二参数组和所述第三参数，数据包调度器将数据分配至所述子流。

A cross layer optimization method and system of MPTCP based on multi cellular wireless access gateway

【技术实现步骤摘要】
一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法及系统
本专利技术涉及计算机网络传输控制领域，具体地说，本专利技术涉及一种多蜂窝无线接入的多路径传输控制协议(MultipathTransmissionControlProtocol：MPTCP)的跨层优化系方法和系统。
技术介绍
目前许多通信设备都具备多个网络归宿接口(Multi-homed)供用户传输数据。这些网络接口可以接入并使用不同物理层实现的接入网络(例如：有线、WiFi、蜂窝无线基站)。其中，蜂窝无线基站又包含各种不同服务提供商提供的蜂窝无线(cellular)接入网络(例如：移动、联通、电信)。通常情况下，下发到不同网络接口的数据，在路由路径上是不重合的。传统的传输控制协议(TCP)和互联网协议(IP)的标准，限制了用户在通信设备间传输数据时只能使用单个网络接口的IP地址，即在一对IP地址(源IP地址、目地IP地址)间会话。为了有效利用多个网络接口并行的传输数据，互联网工程任务组在Requestforcomments6824中对传统TCP进行了扩展提出了MPTCP，以支持在多条路径上同时传输数据。MPTCP的核心原理是在传统的TCP层上，如图1增加了一层对用户透明的外壳。这个外壳主要包含路径管理器、数据包调度器、拥塞控制、错误回退等功能。在户外环境中，随身携带无线接入网关(wirelessaccessgateway)的广域网(WideAreaNetwork：WAN)口侧的是通过蜂窝无线技术(Cellular)接入到互联网的。为了保证网络连接的稳定性，网关的WAN口侧通常冗余部署多块不同服务提供商的蜂窝无线网卡，而使用MPTCP结合透明代理技术能够保证连接到网关的无线设备的网络连接的无缝切换、吞吐量叠加与数据传输的连续性。实际上，MPTCP是通过路径管理建立多个网络接口之间的多条TCP子流(subflow)，一对IP地址(源IP地址、目地IP地址)可以对应一条子流，这些子流与普通TCP连接相同。而数据包调度器，则通过子流序列号(subflowsequencenumber：SSN)映射数据序列号(datasequencenumber：DSN)的映射表(MAP)进行数据调度。MPTCP默认的路径管理器(包括：全路径、多端口和备份模式)都是随机的从多个IP地址对中选择一对建立MPTCP的初始子流。而在WAN口侧存在多蜂窝无线接入的网关上，其不同的蜂窝无线网卡的无线信道环境不同，导致各IP地址对应的网络质量随机变化。尤其在恶劣的网络环境中(例如：地铁、高铁、雷达站)，每个无线网卡的无线信道环境剧烈变化，而随机的选择一个地址建立初始子流会严重降低MPTCP的整体性能，当选择的IP地址对所对应的无线网卡物理层的接收信号强度(receivedsignalstrengthindicator：RSSI)、信噪比(signaltointerfaceplusnoiseratio：SINR)和参考信号接收功率(referencesignalreceivedpower：RSPR)所表征的无线质量差时，建立初始子流的三次握手将忍受高时延，甚至无法建立的风险。而MPTCP在初始子流建立完成之后，才能通过四次握手建立新增加的子流，新增加的子流同样面临随机选择IP地址对(除去初始子流IP地址对)建立连接的风险。当初始子流与新增子流全部建立完成之后，数据包调度器通过MAP表调度数据。MPTCP默认的调度器(包括：最小往返时延优先、轮询、冗余模式)。冗余模式仅使用初始子流传输数据，其他子流作为备份，无法充分发挥MPTCP高吞吐量的特性。轮询模式不考虑子流的质量，轮流的发送数据，导致质量好的子流没有得到充分的利用。最小往返时延(RoundTripTime：RTT)优先模式，通过网络质量的基础表征参数RTT来选择子流发送数据，能够有效利用质量好的子流尽可能多的发送数据，但RTT所表征的网络质量通常是滞后的，尤其在无线网络环境中，RTT仅表征前一轮数据发送时的网络质量，而当前真实表征无线网络信道质量的参数SINR和RSPR会随着网络环境立即变化。因此，在恶劣的网络环境中，MPTCP仅使用TCP层的网络质量表征参数(如：RTT、丢包率、交付速率等)，则无法快速适应网络环境的变化，导致在建立子流时无法快速完成握手，并总是在质量差的子流上传输数据。由于无法及时捕获子流网络质量的变化，各子流网络差异导致数据包乱序将更加严重，MPTCP现有的路径管理器和数据包调度器都无法很好的解决这些问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法和系统，针对多蜂窝无线接入网关的多路径传输问题，通过利用跨越TCP层的物理层表征参数，进行跨层优化。具体地说，本专利技术公开了一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法，包括：数据处理步骤，获取该蜂窝无线网络的一第一参数组，对该第一参数组进行处理得到一第二参数组，并将该第二参数组分别传输给MPTCP路径管理器和数据包调度器；子流创建步骤，所述路径管理器根据所述第二参数组测算该蜂窝无线网络的一第三参数，并利用该第三参数结合该第二参数组建立子流；数据分配步骤，根据所述第二参数组和所述第三参数，数据包调度器将数据分配至所述子流。上述MPTCP跨层优化方法中，所述第一参数组包括参数：接收信号强度RSSI、信噪比SINR和参考信号接收功率RSPR。上述MPTCP跨层优化方法中，所述数据处理步骤还包括：S110，获取所述蜂窝无线网络接口名称；S120，判断所述网络接口的数目是否为0？如果该接口数目为0，则跳转到S130；如果该接口数目不为0，则跳转到S140；S130，输出错误提示信息：未检测到网卡；S140，开启多个线程，且该每一线程分别获取所述第一参数组；S150，对所述第一参数组进行归一化处理，得到所述第二参数组。上述MPTCP跨层优化方法中，所述线程通过调用物理层的驱动程序获取所述第一参数组；该多个线程间通过流水线获取当前时刻的所述第一参数组，基于先进先出队列(FIFO:FirstInFirstOutqueue)，历史的该第一参数组将被新的该第一参数组覆盖。上述MPTCP跨层优化方法中，所述第一参数组进行归一化处理的步骤还包括：S151，将所述第一参数组中的所述接收信号强度RSSI和所述参考信号接收功率RSPR的值数学归一化到区间(0，1)，并分别用符号Υ和λ分别表示；S152，根据所述第一参数组中的所述信噪比SINR计算当前无线网络接口的信道最大传输速率，并将最大传输速率归一化到区间(0，1)，用符号δ表示。上述MPTCP跨层优化方法中，所述第二参数组包括所述接收信号强度RSSI和所述参考信号接收功率RSPR经归一化处理得到的值Υ和λ，以及所述最大传输速率δ。上述MPTCP跨层优化方法中，所述当前无线网络接口的信道最大传输速率的计算方法包括香农定理。...

【技术保护点】
1.一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，包括：/n数据处理步骤，获取该蜂窝无线网络的一第一参数组，对该第一参数组进行处理得到一第二参数组，并将该第二参数组分别传输给MPTCP路径管理器和数据包调度器；/n子流创建步骤，所述路径管理器根据所述第二参数组测算该蜂窝无线网络的一第三参数，并利用该第三参数结合该第二参数组建立子流；/n数据分配步骤，根据所述第二参数组和所述第三参数，数据包调度器将数据分配至所述子流。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多蜂窝无线接入网关的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，包括：
数据处理步骤，获取该蜂窝无线网络的一第一参数组，对该第一参数组进行处理得到一第二参数组，并将该第二参数组分别传输给MPTCP路径管理器和数据包调度器；
子流创建步骤，所述路径管理器根据所述第二参数组测算该蜂窝无线网络的一第三参数，并利用该第三参数结合该第二参数组建立子流；
数据分配步骤，根据所述第二参数组和所述第三参数，数据包调度器将数据分配至所述子流。


2.根据权利要求1所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述第一参数组包括参数：接收信号强度RSSI、信噪比SINR和参考信号接收功率RSPR。


3.根据权利要求1所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述数据处理步骤还包括：
S110，获取所述蜂窝无线网络接口名称；
S120，判断所述网络接口的数目是否为0？如果该接口数目为0，则跳转到S130；如果该接口数目不为0，则跳转到S140；
S130，输出错误提示信息：未检测到网卡；
S140，开启多个线程，且该每一线程分别获取所述第一参数组；
S150，对所述第一参数组进行归一化处理，得到所述第二参数组。


4.根据权利要求3所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述多个线程通过调用物理层的驱动程序获取所述第一参数组；
该多个线程间通过流水线获取当前时刻的所述第一参数组，基于先进先出队列，历史的该第一参数组被新的该第一参数组覆盖。


5.根据权利要求3所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述第一参数组进行归一化处理的步骤还包括：
S151，将所述第一参数组中的所述接收信号强度RSSI和所述参考信号接收功率RSPR的值数学归一化到区间(0，1)，并分别用符号γ和λ分别表示；
S152，根据所述第一参数组中的所述信噪比SINR计算当前无线网络接口的信道最大传输速率，并将该最大传输速率归一化到区间(0，1)，其中该最大传输速率用符号δ表示。


6.根据权利要求1或5所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述第二参数组包括所述接收信号强度RSSI和所述参考信号接收功率RSPR经归一化处理得到的值γ和λ，以及所述最大传输速率δ。


7.根据权利要求5所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述当前无线网络接口的信道最大传输速率的计算方法包括香农定理。


8.根据权利要求1所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述子流创建步骤还包括：
S210，根据路由表信息和所述蜂窝无线网络的接口IP信息，获取所有发送端和接收端的IP地址对；
S220，通过传输层套接字接口调用所述IP地址对，判断是否需要建立子流？如果不需要建立子流，则等待MPTCP其他部分结束数据传输，如果需要建立子流，则跳转到步骤S230；
S230，利用所述传输层的套接字接口，将所述IP地址对中的可用IP地址对封装为SYN报文并开始握手；
S240，判断是否收到握手的ACK报文？如果没有收到该ACK报文，则启动超时计时器，并跳转到步骤S250，如果收到了该ACK报文，则跳转到步骤S260；
S250，判断是否需要重传报文？如果不需要重传，则等待MPTCP其他部分结束数据传输，如果需要重传，则跳转到步骤S230；
S260，根据所述第二参数组计算一第三参数β，该第三参数用于表示每一所述IP地址对对应的网络质量的评价情况，并根据该第三参数向对应的所述IP地址对发送第三次握手报文，建立子流。


9.根据权利要求8所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述IP地址对包括具有路由记录的IP地址对和新增的IP地址对。


10.根据权利要求8所述的MPTCP跨层优化方法，其特征在于，所述第三参数β的计算方法包括运用公式β＝RTT*λγ，其中，RTT为该网络的最小往返时...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖彬彬，武庆华，张广兴，李振宇，谢高岗，王德志，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11