专利名称：用于tcp友好速率控制的优惠券机制的方法与电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及在因特网上既能很好支持多媒体业务又能保证采用TCP协议上网用户合法权益的终端和网络控制协议。
众所周知TCP协议无法支持多媒体业务的正常工作，因此大量的应用转而采用UDP协议来承载多媒体业务，但由于UDP协议并不实施端到端的拥塞控制，因此，在同样网络条件下，与使用TCP协议上网用户所得到的服务带宽相比，采用UDP协议支持多媒体应用的用户可以挣抢到更高的带宽，这对于使用TCP协议上网用户是不公平的。更重要的是，多媒体业务是一个有吸引力的网络应用，当大量的这类业务以UDP协议的承载方式涌入网络，必将造成网络的严重拥塞，使得无论使用TCP协议上网的用户和使用UDP协议承载多媒体应用的用户都无法正常工作[1]。这就提出了设计一种既实施端到端的拥塞控制、又能有效支持多媒体业务的新的传输协议的要求，为此提出了一系列新的TCP友好速率控制协议，如TFRC协议[2，3]、TEAR协议[4，5]和AIMD协议[6，7]等。大量的网络仿真证明了这些TCP友好速率控制协议对TCP协议的友好特征，网络实验也表明它们能在一定程度上较好支持语声等业务，这些协议的共同特征是通过探测估计出当前的TCP等价带宽，即一个在相同网络条件下采用TCP协议进行通信的流所得到的带宽，然后通过相应控制手段，使得多媒体流的数据按这个估计的当前TCP等价带宽输出到网络。但这些TCP友好速率控制协议也有一个共同的问题，就是都没有很好地考虑到，多媒体信源产生数据的速率基本上是独立于网络的可用带宽这一基本事实，也忽略了多媒体应用的实时要求使得它很难使用反馈重发的纠错手段，因此当采用这些TCP友好速率控制协议承载多媒体流时，媒体流一般不能使用完TCP等价带宽的全部容量，但却要经受与TCP协议相同的分组丢失率和时延，因此对于采用这类TCP友好速率控制协议承载多媒体流的用户反而不很公平。
本发明的目的是针对TCP友好速率控制协议的上述问题，在协议中引入优惠券机制，并详细给出了该优惠券机制的控制方法和相应电路，使得TCP友好速率控制协议能在引入本发明给出的优惠券机制后，成为对多媒体也友好的控制协议。优惠券机制的基本想法是，当多媒体流不能使用完它可以合理使用的带宽时，可以通过优惠券机制将未使用完带宽的比例折算成一个优惠值，并依据优惠值的大小向网络要求其他传输质量方面的优惠，如较小的分组丢失率和较小的时延等，从而做到即对TCP友好又对多媒体应用友好的双友好机制。
本发明的解决方案是在传输分组的结构中增加优惠券字段，在终端根据优惠函数，计算对应于实际使用带宽和TCP公平带宽的优惠值，并将这个优惠值贴在每个分组的优惠券字段中，网络结点根据收到的每个分组优惠券字段中所携带的优惠值，区别处理不同的分组，从而实现按未使用带宽的比例对不同的流提供不同传输质量的目的。
本发明所采用的优惠券信息通报方式，有效地分离了终端控制部分和网络控制部分，从而使得这两部分可以相对独立的设计和升级。
本发明的终端协议部分的优惠券机制，可以作为增值模块方便地嵌入任何TCP友好速率控制协议，增强该协议对多媒体流的友好特征。
本发明给出了三种不同的计算优惠值的函数简单优惠函数，下嵌位优惠函数和滑动优惠函数。简单优惠函数采用实际使用带宽与网络等价带宽之比作为优惠值；下嵌位优惠函数是修正简单优惠函数，当简单优惠函数计算出的优惠值小于某给定值时，将实际发送的优惠值设置为这个给定值；滑动优惠函数在时间上采用滑动平均的方法修正简单优惠函数，滑动优惠函数每送出Pc个分组构成一个周期，每个周期开始分组的优惠值为1，在其后的第k个分组的优惠值等于前一个分组的优惠值与本时刻简单优惠函数算出优惠值的滑动平均。
为了实施优惠，需要网络实施相应的优惠控制机制，本发明设计了从接收到分组的优惠券字段抽取该分组的优惠值，按分组优惠值对该分组进行区别处理的网络控制机制。本发明给出了优惠券RED的控制设计，该设计中，网络结点始终按RED的方法计算一个参考分组丢弃概率，然后将从分组优惠券字段抽取的优惠值与参考分组丢弃概率的乘积，作为计算是否对该分组丢弃的实际丢弃概率。
本发明具有下列积极效果它能在大体公平的准则下在因特网上支持传统的基于TCP协议的网络业务和新兴的多媒体业务，它一方面限制了多媒体业务使用不负责的传输协议伤害基于TCP协议的网络业务，同时又防止了基于TCP协议的网络业务对多媒体业务质量的不合理损伤，因此能保证网络在较为和谐的环境下促进多媒体业务的开展，同时保证所有业务均能在一个可接受的质量下运行。由于使用了优惠券的信息通报机制，网络结点区别处理不同流的工作可以在不记忆每个流的状态的条件下实施，因此大大简化了网络结点控制机制的复杂性，完好保持了IP技术原有的可扩展性特征。
下面对照附图对本发明进行详细说明。总体构成本发明的总体构成见
图1，本发明在分组结构中增加优惠券字段，并用分组结构中的优惠券字段来携带该分组的优惠值。本发明的控制机制由两个主要部分组成发送和接收终端所采用的终端控制部分和网络所采用的控制机制部分。分组优惠券上所携带的优惠值是连接这两部分工作的关键。正是由于优惠券的信息通报机制保证了网络控制机制的简单性和可扩展性，优惠券的信息通报机制还同时保证了终端控制机制和网络控制机制的相对独立性，在保持优惠券信息通报格式一致的条件下，不同的终端控制机制和不同的网络控制机制可以在一个网络上共同使用而不致引起冲突。因此本发明中的终端控制部分和网络控制部分本质上说是两个相对独立的部分，通过适当的优惠值适配，本发明的终端控制部分可以和任何其它支持等级服务的网络控制机制协同工作。终端控制部分用于TCP友好速率控制的优惠券机制的终端控制部分本身，并不是一个独立的传输层协议，而是一种可以用于各种类似协议的增值模块，它可以方便地嵌入任何TCP友好速率控制协议，增强该协议对多媒体流的友好特征。
终端控制部分的优惠券机制的构成参照图2，由网络带宽估计器、使用带宽估计器、优惠函数和优惠值插入四个模块组成。网络带宽估计器的任务是随时监测网络的等价带宽，并将当前的等价带宽B输出给优惠函数模块。使用带宽估计器的任务是随时统计用户送入网络的信息的速率，并将当前的用户使用速率r输出给优惠函数模块。优惠函数模块根据优惠函数C(B，r)计算出优惠值C，并将其输出到优惠值插入模块。优惠值插入模块将优惠函数模块计算出的当前优惠值C插入每一个输出分组的优惠券字段内。由于TCP友好速率控制协议是一类拥塞控制机制，它们均具备网络拥塞的检测手段和当拥塞发生时的回退机制，本发明要求将TCP友好速率控制协议检测的拥塞状态指示输入到优惠函数模块或优惠值插入模块，当TCP友好速率控制协议检测到网络拥塞时，终端控制部分优惠券机制通过优惠函数模块或优惠值插入模块将当前的优惠值置为1，即不向网络申请任何优惠。
本发明并不具体规定网络带宽估计器和使用带宽估计器的具体形式，因为它们与优惠券机制打算嵌入的具体TCP友好速率控制协议密切相关，在多数情况下可以采用具体TCP友好速率控制协议中的相应部分替代这些模块，例如在TFRC和TEAR协议中，可以直接采用协议内的TCP吞吐量估计模块替代网络带宽估计器，并将估计的TCP吞吐量作为当前的网络等价带宽B输出给优惠函数模块；又例如可以采用TFRC协议中接收方估计的用户使用速率替代相应的使用带宽估计器的输出r输出给优惠函数模块。但本发明建议采用独立的使用带宽估计器，对用户的实际使用带宽做出估计可以参考[2]和[6]所使用的不同算法，也可以使用其他算法。
本发明的优惠函数模块设计特点是可以根据实际要求，嵌入各种具体的优惠函数。目前的因特网中，分组丢失率高是限制多媒体业务的主要问题，因此针对这个问题，本发明设计了三种具体的优惠函数简单优惠函数、下嵌位优惠函数和滑动优惠函数，但这并不限制本发明的终端控制部分的优惠券机制中可以采用其他可能的优惠函数。
本发明的优惠值插入模块的功能是将优惠函数模块计算出的当前优惠值C插入每一个输出分组的优惠券字段内，它可以由硬件实现也可由软件实现，本发明建议将这个模块放在发送终端发送分组处理过程的最末端。
本发明所给出的三种具体优惠函数的数学形式为简单优惠函数Cs(B，r) 下嵌位优惠函数CL(B，r，α)CL(B，r，α)＝max{CS(B，r)，α}；其中α是该优惠函数的可选参数，它的值可以根据媒体的要求和网络条件选择；滑动优惠函数CR(B，r，k)滑动优惠函数采用一个可选的滑动周期Pc和滑动平均系数w，它们的具体值可以根据媒体的要求和网络条件选择，假定已经算出发送的第k-1个分组的滑动优惠函数值为CR(k-1)，则对于发送的第k个分组的滑动优惠函数值CR(B，r，k)按下面公式计算
本发明并不限制图2所示的终端控制部分的优惠券机制全部要在发送端实现，但优惠值插入模块必须在发送端实施，根据所嵌入的具体TCP友好速率控制协议的构成，部分功能可以在接收端实现，再将其结果通报给发送端，因此针对于不同的TCP友好速率控制协议，终端控制部分的优惠券机制的实现方法会有不同，甚至是针对于同一个TCP友好速率控制协议，也可以有不同的终端控制部分优惠券机制的实现方案。网络控制部分用于TCP友好速率控制的优惠券机制的网络控制部分的构成参照图3，它主要由优惠值提取和优先级队列管理两部分组成。优惠值提取模块从到达分组的优惠券字段中抽取分组携带的优惠值，并将优惠值转化为优先级队列管理模块的控制参数，输出给优先级队列管理模块。优先级队列管理模块的功能是根据输入的分组优先级参数确定对分组的处理行为，一般的处理是决定是否丢弃该到达分组，较为复杂的优先级队列管理机制可能还会有分组插队，分组踢出(pushout)等一系列动作，本发明对优先级队列管理模块所采用的管理机制不做硬性规定。
作为一个较为实用的优惠券机制的网络控制部分，本发明给出了一个优惠券RED(下面简称为CRED)的实现方案，RED[7]本身不是本发明的发明，但对RED的改造使它能能够应用于优惠券机制的网络控制，是本发明对CRED的发明部分。
CRED的实现参照图4，它由优惠值提取、RED算法、乘法器、缓存接纳控制和缓存五部分组成。优惠值提取模块从到达分组P的优惠券字段中抽取分组携带的优惠值C(P)，并将优惠值输出给乘法器。RED算法模块实施经典的RED算法[6]，它随时统计平均缓存占用长度，并根据平均缓存占用长度，以及预先设置的最小缓存门限、最大缓存门限和控制斜率，计算出一个分组丢弃概率γ，RED算法模块所计算出的分组丢弃概率γ也被输出到给乘法器。乘法器模块根据输入的到达分组优惠值C(P)和RED算出的分组丢弃概率γ计算出缓存接纳控制概率q＝γC(P)，作为控制参数输出到缓存接纳控制模块。缓存接纳控制模块根据输入的缓存接纳控制概率q确定是将到达分组放入缓存还是丢弃该到达分组，判决的方法是产生一个0到1之间均匀分布的随机数x，若x的值大于q则将该到达分组放入缓存，否则丢弃该到达分组。缓存模块就是普通的FIFO，它顺序接纳分组和送出分组，当缓存空间装满后，拒绝接受送入的任何分组，只有当有分组输出腾出空间后，才又开始接纳进入的分组。
虽然本发明并没有硬性规定优先级队列管理模块所采用的管理机制，但仍建议首选本发明给出的CRED作为网络控制机制，因为CRED实现简单，控制连续，容易将终端控制协议提供的优惠值转化为网络行为的控制参数。
参考文献[1]S.Floyd and K.Fall，“Promoting the Use of End-to-End Congestion Control inthe Internet.”IEEE/ACM Transactions on Networking，August 1999.URL http//www-nrg.ee.lbl.gov/floyd/end2end-paper.html[2]M.Handley，J.Padhye，S.Floyd and J.Widmer，“TCP Friendly Rate Control(TFRC)Protocol Specification，”INTERNET-DRAFT，draft-ietf-tsvwg-tfrc-00.ps，November 2000.[3]S.Floyd，M.Handley，J.Padhye，and J.Widmer，“Equation-Based CongestionControl for Unicast Applications.”The Extended Version，International ComputerScience Institute tech.report TR-00-003，March 2000.The Simplified Version InProc.of ACM SIGCOMM’2000，September 2000.[4]V.Ozdemir and I.Rhee，“TCP emulation at receiver(TEAR)，”Presentation atRM meeting，November 1999.[5]S.Floyd，M.Handley，and J.Padhye，″A Comparison of Equation-Based and AIMDCongestion Control，″May 2000.
URL http；//www-nrg.ee.lbl.gov/floyd/end2end-paper.html[6]I.Stoica，S.Shenker，and H.Zhang，“Core-Stateless Fair QueuingA ScalableArchitecture to Approximate Fair Bandwidth Allocations in High Speed Networks，”In Proc.of ACM SIGCOMM’98，September 1998.[7]S.Floyd and V.Jacobson，″Random Early Detection Gateways for CongestionAvoidance，″IEEE/ACM Transactions on Networking，1(4)，pp.397-413，1993.
权利要求
1.用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路，其主要特征是在传输分组结构中增加优惠券字段，在终端根据优惠函数，计算对应于实际使用带宽和TCP公平带宽的优惠值，并将这个优惠值贴在每个分组的优惠券字段中，网络结点根据收到的每个分组优惠券字段中所携带的优惠值，区别处理不同的分组；
2.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，优惠券的信息通报方法与电路，其特征是能有效地分离终端控制部分和网络控制部分，从而使得这两部分可以相对独立的设计和升级；
3.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，终端协议部分的优惠券机制的方法与电路，其主要特征是可以作为增值模块，方便地嵌入任何TCP友好速率控制协议，增强该协议对多媒体流的友好特征；
4.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，计算优惠值的简单优惠函数的方法与电路，其主要特征是采用实际使用带宽与网络等价带宽之比作为优惠值；
5.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，计算优惠值的下嵌位优惠函数的方法与电路，其主要特征是修正简单优惠函数，当简单优惠函数计算出的优惠值小于某给定值时，将实际发送的优惠值设置为这个给定值；
6.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，计算优惠值的滑动优惠函数的方法与电路，其主要特征是在时间上采用滑动平均的方法修正简单优惠函数，滑动优惠函数每送出Pc个分组构成一个周期，每个周期开始分组的优惠值为1，在其后的第k个分组的优惠值等于前一个分组的优惠值与本时刻简单优惠函数算出优惠值的滑动平均
7.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路中，网络实施优惠控制机制的方法与电路，其特征是从每一个收到分组的优惠券字段抽取该分组的优惠值，按分组优惠值对该分组进行区别处理；
8.按照权利要求1所述的用于TCP友好速率控制的优惠券机制的方法与电路和按照权利要求7所述的网络实施优惠控制机制方法与电路中，优惠券RED控制的方法与电路，其特征是网络结点始终按RED的方法计算一个参考分组丢弃概率，然后将从分组优惠券字段抽取的优惠值与参考分组丢弃概率相乘，作为计算是否对该分组丢弃的实际丢弃概率。
全文摘要
用于TCP友好速率控制的优惠券机制是改善现存TCP友好速率控制协议性能的终端和网络控制机制。它针对多媒体流在采用TCP友好速率控制协议承载时要经受与TCP流相同的分组丢失率和时延的问题,发明了终端根据实际使用带宽和TCP公平带宽计算优惠值,并通过分组结构中的优惠券字段将优惠值携带给网络,网络结点根据每个分组优惠值区别处理分组的控制方法,达到按每个流未使用带宽比例提供不同传输质量的目的。
文档编号H04L12/56GK1375967SQ0110984
公开日2002年10月23日 申请日期2001年3月21日 优先权日2001年3月21日
发明者陈常嘉, 赵永祥 申请人:陈常嘉