一种基于mpudp的多链路信道分配协议的传输方法及系统
技术领域：
：1.本发明涉及一种基于mpudp(multipathuserdatagramprotocol)的多链路信道分配协议的传输方法及系统，本发明提出的mpudp协议，是一种基于udp多链路协同通信的协议，实现多条路径协作传输数据。
背景技术：
：：2.随着无线通信技术和互联网技术的快速发展，流媒体直播应用得到了迅速的推广普及。与此同时，在极致的视觉体验背后，需要对海量的视频数据进行快速、准确的传输，传统的流媒体传输协议已经无法满足人们对于低延时、高画质的要求。3.在改进传统tcp协议后，mptcp(multi-pathtcp)协议通过拥塞控制、数据调度技术来实现系统高吞吐量传输的要求。流控制传输协议(streamcontroltransmissionprotocol，sctp)，它是一种在网络连接之间同时传输多个数据流的协议，该协议的特点是安全性高并支持多数据流服务。4.为了满足无误码传输要求，mptcp设计了数据调度、重传等复杂机制，一方面增加了协议的复杂度，另一方面影响了系统带宽，对于允许少量的丢包，要求高带宽的音视频数据传输系统是不合适的。然而，udp协议通过有限次的重传机制保证数据传输的丢包率，相比mptcp，能够简化系统传输机制和提升系统传输带宽。5.udp协议在可靠性和实时性上已经取得了较好的成果。但这些方案都是基于单链路传输为背景，利用udp协议将多链路协同通信运用在数据传输那么能够满足对于视频数据低延迟高画质的要求。6.经对现有文献检索发现，与本发明相关的文献如下：7.1、mptcp协议(kellerk,felkap,fornoffj,etal.qualityofexperiencemeasurementsofmultipathtcpapplicationsoniosmobiledevices(在ios移动设备上多径tcp的操作体验质量)[c]//mmsys'20:11thacmmultimediasystemsconference.acm,2020.)是使用mptcp进行数据传输，这种方法能够保证数据的安全、准确，但损失了系统的复用增益，面对海量的视频数据，需要的是高效便捷。[0008]2、基于udp的传输协议(白正，柳登丰，孙文俊.基于udp的报文可靠传输技术研究[j].网络安全技术与应用.2013.5:34-36.)在较小的网络开销下，继承了udp传输实时性的同时，保证了数据的可靠传输性。[0009]3、另一种基于udp的传输方法(xunweiliu,liangshan,haochen,junli.theapplicationoftheimprovedudpbasedontheextrapolationalgorithminthenetworkservosystem(基于外推算法改进的udp协议在伺服系统中的应用)[j].proceedingsoftheieeeinternationalconferenceoninformationandautomationningbo,china,august2016:1913-1918.)提出一种既能满足udp高效性又能降低网络丢包率和延迟的协议，在提高可靠性的基础上又满足了实时性的需求。[0010]但是以上两种udp协议均为实现多链路协作传输，如果实现多条路径协作传输数据，将能解决单链路传输带来的链路性能不稳定、可靠性低、高延时等问题。技术实现要素：[0011]本发明基于mpudp的多链路信道分配协议的传输方法及系统，克服现有技术存在的上述不足，提供一种多路径协作传输协议，协议通过数据训练对每条信道的丢包率、往返时延和乱序情况进行实时监测，对每条路径是否参与传输进行管理，并且对传输路径进行速率分配，有效改善系统的传输带宽。主要取决于以下四种工作组件，分别为训练机制、速率分配、数据调度、重传机制。[0012]本发明采取以下技术方案：[0013]一种基于mpudp的多链路信道分配协议的传输方法，其包括如下步骤：[0014]s1，训练机制：对连接成功的信道发送训练信号，根据训练的丢包率、往返时延和排序情况划分信道等级；[0015]s2，速率分配：根据负载均衡原则，对不同信道等级的信道分配传输速率；[0016]s3，数据调度：若链路发生中断，根据信道等级多链路实时调整发送数据比例；重传机制：若出现丢包或链路连接失败，则重传。[0017]进一步的，训练机制：mpudp算法协议的基础就是训练机制，训练机制的目的是检测各链路的信道性能。[0018]首次发送训练信号，该信号为确定的模拟信号，此举是利用已知信号对未知信道进行快捷的信道质量评估。在数据传输过程中，训练序列为实际的媒体数据，利用边发送媒体数据边训练信道的机制来提升实时信道传输性能。发送端发送数据给接收端，接收端返回接收时间、丢包率e和数据顺序r到发送端，发送端根据接收完毕时间和发送时间计算得到往返时延rtt，按照信道的丢包率e和数据顺序r以及往返时延rtt三要素判断信道性能，并将信道分为五个等级，信道性能从好到差依次为ce、cg、cf、cp、cw。[0019]表1：信道等级分类标准[0020]table1standardofchannelclassclassification[0021]丢包率rtt数据顺序等级0％《t1r《a*lce0％《t2不做要求cg0％《e《＝d1不做要求不做要求cfd1《e《＝d2不做要求不做要求cpe》d2不做要求不做要求cw[0022]其中，l表示数据长度，a为判定的加权因子，t1、t2为规定完成数据的时间差(t1《t2)，d1、d2为特定丢包率数值(d1《d2)。数据顺序r如下所示，当按序接收时，则r表示为如下所示：[0023]r＝|2-1|+|3-2|+···+|l-(l-1)|＝l-1.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0024]按照上述标准对信道性能分类，依据训练结果对不同等级的信道进行数据包分配。该训练机制为下一步速率分配提供了基础。[0025]进一步的，速率分配：mpudp算法协议的核心就是速率分配策略，利用对多路径链路传输的信道性能进行速率分配的方法，实现链路之间数据传输量的“动态”平衡。发送端采用多链路进行开发，优化通信流程，随时尝试在多条路径之间保持负载均衡。[0026]发送训练信号后，若信道被判定为同一等级的情况，按信道数量等额分配数据包。若信道判定为不同信道性能等级，采用差额速率分配数据，实现提高数据传输的吞吐量。当最差信道被判定为cw标准时，传输系统停止该信道的数据传输，当最差信道被判定为cp标准时，信道性能归一化速率vx表示如下：[0027][0028]其中，xe表示等级为ce的信道数量，以此类推，xg、xf、xe分别表示等级为cg、cf、ce的信道数量，z表示的是各类信道等级的权重，表示如下：[0029][0030]当最差信道被判定为cf标准时，信道性能归一化速率vx表示如下：[0031][0032]其中各类信道等级的权重z发生变化，表示如下：[0033][0034]若最差信道性能降为cg标准，则信道性能归一化速率vx表示如下：[0035][0036]其中各类信道等级的权重z发生变化，表示如下：[0037][0038]在训练的过程中，当出现未达要求的信道在训练时通过了信道训练要求，即达到ce、cg标准时，增加10％的速率在该信道传输，并在下一次的训练中，加入该信道协作调整最差信道，达到信道性能实现闭环提升的功能。[0039]进一步的，数据调度：在数据传输过程中链路发送端处在训练信号strain、数据信号snum和发送数据+训练信号strainnum阶段过程中，链路出现中断情况时，进一步影响链路的可靠性和传输速率。[0040]为保证链路数据的传输速率，需要在链路中启用数据调度的工作机制，将发送在异常链路的数据分发到其他链路中。具体实现如下：发送过程中当出现数据帧链路错误，mpudp协议将未传输数据包分配到其他良好信道上传送，其速率分配遵循上述的速率分配原则。例如：数据传输时有三个并行信道，分别为ce、cg和cf，在信道传输过程中，信道cf发生错误，数据调度将其数据速率分配到其他信道中。在信道没有发生错误的情况下，各信道按照以下原则[0041]ve+vg+vf＝1，ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0042]其中，ve表示信道ce的分配速率，vg表示信道cg的分配速率，vf表示信道cf的分配速率。当信道cf连接断开，信道ce和cg归一化传输速率为：[0043][0044]其中，表示信道ce因数据调度得到的新分配速率，表示信道cg因数据调度得到的新分配速率。此时，ce、cg两信道帮助断开信道cf成功发送该数据帧。以该方法为核心，数据调度可以避免断开链路的丢包率，从而加强信道传输的可靠性。[0045]进一步的，重传机制：在数据传输阶段，如果信道出现丢包现象，该机制能够有效减少丢包率，提高数据可靠性。[0046]在信道连接过程中，与tcp协议握手机制类似，mpudp协议通过三次握手的机制建立连接，区别在于：mpudp协议收发两端需要确认双方的ip地址及端口号。在发送数据过程中，发送端将每包数据进行连续编号，接收端建立缓冲区，对接收数据包重新进行序号排列。如果接收端检测到没有丢包，则按照数据序号全部移出缓存区。如果接收端检测到丢包，接收端将未接收到的数据包信息(即丢包数量和丢包序列号数据包)反馈给发送端，发送端按照此数据包重新发送指定的数据信息，并保持丢包数据始终在原本信道上进行重传，作为进一步优选，最大重传次数为三次，超过重传次数，停止该帧信息传输，进入下一帧数据传输。该目的是允许适当的丢包率来改善系统吞吐量，此重传机制适用于海量数据传输例如音视频传输系统。[0047]本发明还公开了一种基于mpudp的多链路信道分配协议的传输系统，其包括如下模块：[0048]训练模块：对连接成功的信道发送训练信号，根据训练的丢包率、往返时延和排序情况划分信道等级；[0049]速率分配模块：根据负载均衡原则，对不同信道等级的信道分配传输速率；[0050]数据调度模块：链路发生中断时，根据信道等级多链路实时调整发送数据比例；[0051]重传模块：出现丢包或链路连接失败时，则重传数据。[0052]本发明提供了一种基于mpudp的多链路信道分配协议的传输方法及系统，mpudp协议是面向连接的数据报协议，与传统的udp协议不同，mpudp协议在兼容udp协议的基础上，支持以多路径数据传输的方式，并根据信道性能分配速率，实现信道的高效传输。mpudp系统在发送端和接收端之间存在多条路径，其工作过程概述如下：首先确立发送端和接收端的握手连接，然后发送真实数据进行信道训练来获得信道状态信息，并且根据信道信息进行速率分配。当接收端出现数据丢包现象，重传机制保证可靠性。如果信道连接过程中出现连接错误，需要将数据调度到其他信道继续传送，最后聚合多路数据后统一排序组合得到最后的数据帧。[0053]本发明提出的多路径协作传输协议相比于udp传统协议，在相同的误码率情况下，带宽近似扩大链路数目的倍数。附图说明[0054]图1为系统应用场景模型。[0055]图2为mpudp的系统模型。[0056]图3为模拟信道在不同协议下的吞吐量比对图。[0057]图4为模拟信道在丢包率情况下的吞吐量比对图。[0058]图5为优选实施例基于mpudp的多链路信道分配协议的传输系统框图。具体实施方式[0059]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。[0060]实施例1[0061]本实施例建模为：将有线路由器与交换机通过网线相连，无线路由器与有线路由器通过网线相连，有线路由器可对无线路由器设置不同的传输带宽，两客户端与无线路由器进行无线信道连接，服务端电脑与有线路由器通过光纤连接。mpudp系统在发送端和接收端之间存在多条路径，其工作过程概述如下(如图1所示)：首先确立发送端和接收端的握手连接，然后发送真实数据进行信道训练来获得信道状态信息，并且根据信道信息进行速率分配。当接收端出现数据丢包现象，重传机制保证可靠性。当信道连接过程中出现连接错误，需要将数据调度到其他信道继续传送，最后聚合多路数据后统一排序组合得到最后的数据帧。由此可见，mpudp的关键工作组件包括训练机制、速率分配、数据调度、重传机制，如图2所示。[0062]如图3所示为三种通信协议对实时链路带宽的吞吐量比对图。udp协议是传统流媒体服务器协议；mptcp协议表示多链路数据传输协议；mpudp是本发明设计的多路径协作传输协议。如图3所示，mpudp协议在进行数据传输时，与udp、mptcp协议相对比，吞吐量在不同丢包率情形下都有不同程度的提高。在丢包率为0％的情况下，mpudp协议由于自身的协作特性(即上文描述的训练机制和速率分配)，在满足要求的情况下，能够实现较高的吞吐量。mptcp协议由于协议高精准度的要求，必须满足0％的丢包率，但由于协议特性缺少自适应的算法，在吞吐量上不敌mpudp协议。在丢包率为0％的情况下，udp协议的吞吐量最低，而随着丢包率要求的降低，udp和mpudp协议的吞吐量也在稳步提升。图4表示的是mpudp协议和udp协议在不同丢包率要求下的吞吐量比对图，在mpudp协议中，运用了多链路协作运输，这相比于udp的单信道传输在信道传输速率上有了近链路数目倍的提高。[0063]实施例2[0064]如图5所示，本实施例一种基于mpudp的多链路信道分配协议的传输系统，其包括依次连接的如下模块：[0065]训练模块：对连接成功的信道发送训练信号，根据训练的丢包率、往返时延和排序情况划分信道等级；[0066]速率分配模块：根据负载均衡原则，对不同信道等级的信道分配传输速率；[0067]数据调度模块：链路发生中断时，根据信道等级多链路实时调整发送数据比例；[0068]重传模块：出现丢包或链路连接失败时，则重传数据。[0069]本实施例中，训练模块：mpudp算法协议的基础就是训练机制，训练机制的目的是检测各链路的信道性能。[0070]首次发送训练信号，该信号为确定的模拟信号，此举是利用已知信号对未知信道进行快捷的信道质量评估。在数据传输过程中，训练序列为实际的媒体数据，利用边发送媒体数据边训练信道的机制来提升实时信道传输性能。发送端发送数据给接收端，接收端返回接收时间、丢包率e和数据顺序r到发送端，发送端根据接收完毕时间和发送时间计算得到往返时延rtt，按照信道的丢包率e和数据顺序r以及往返时延rtt三要素判断信道性能，并将信道分为五个等级，信道性能从好到差依次为ce、cg、cf、cp、cw。[0071]表1：信道等级分类标准[0072]table1standardofchannelclassclassification[0073]丢包率rtt数据顺序等级0％《t1r《a*lce0％《t2不做要求cg0％《e《＝d1不做要求不做要求cfd1《e《＝d2不做要求不做要求cpe》d2不做要求不做要求cw[0074]其中，l表示数据长度，a为判定的加权因子，t1、t2为规定完成数据的时间差(t1《t2)，d1、d2为特定丢包率数值(d1《d2)。数据顺序r如下所示，当按序接收时，则r表示为如下所示：[0075]r＝|2-1|+|3-2|+···+|l-(l-1)|＝l-1.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0076]按照上述标准对信道性能分类，依据训练结果对不同等级的信道进行数据包分配。该训练机制为下一步速率分配提供了基础。[0077]本实施例中，速率分配模块：mpudp算法协议的核心就是速率分配策略，利用对多路径链路传输的信道性能进行速率分配的方法，实现链路之间数据传输量的“动态”平衡。发送端采用多链路进行开发，优化通信流程，随时尝试在多条路径之间保持负载均衡。[0078]发送训练信号后，若信道被判定为同一等级的情况，按信道数量等额分配数据包。若信道判定为不同信道性能等级，采用差额速率分配数据，实现提高数据传输的吞吐量。当最差信道被判定为cw标准时，传输系统停止该信道的数据传输，当最差信道被判定为cp标准时，信道性能归一化速率vx表示如下：[0079][0080]其中，xe表示等级为ce的信道数量，以此类推，xg、xf、xe分别表示等级为cg、cf、ce的信道数量，z表示的是各类信道等级的权重，表示如下：[0081][0082]当最差信道被判定为cf标准时，信道性能归一化速率vx表示如下：[0083][0084]其中各类信道等级的权重z发生变化，表示如下：[0085][0086]若最差信道性能降为cg标准，则信道性能归一化速率vx表示如下：[0087][0088]其中各类信道等级的权重z发生变化，表示如下：[0089][0090]在训练的过程中，当出现未达要求的信道在训练时通过了信道训练要求，即达到ce、cg标准时，增加10％的速率在该信道传输，并在下一次的训练中，加入该信道协作调整最差信道，达到信道性能实现闭环提升的功能。[0091]本实施例中，数据调度模块：在数据传输过程中链路发送端处在训练信号strain、数据信号snum和发送数据+训练信号strainnum阶段过程中，链路出现中断情况时，进一步影响链路的可靠性和传输速率。[0092]为保证链路数据的传输速率，需要在链路中启用数据调度的工作机制，将发送在异常链路的数据分发到其他链路中。具体实现如下：发送过程中当出现数据帧链路错误，mpudp协议将未传输数据包分配到其他良好信道上传送，其速率分配遵循上述的速率分配原则。例如：数据传输时有三个并行信道，分别为ce、cg和cf，在信道传输过程中，信道cf发生错误，数据调度将其数据速率分配到其他信道中。在信道没有发生错误的情况下，各信道按照以下原则[0093]ve+vg+vf＝1，ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0094]其中，ve表示信道ce的分配速率，vg表示信道cg的分配速率，vf表示信道cf的分配速率。当信道cf连接断开，信道ce和cg归一化传输速率为：[0095][0096]其中，表示信道ce因数据调度得到的新分配速率，表示信道cg因数据调度得到的新分配速率。此时，ce、cg两信道帮助断开信道cf成功发送该数据帧。以该方法为核心，数据调度可以避免断开链路的丢包率，从而加强信道传输的可靠性。[0097]本实施例中，重传模块：在数据传输阶段，如果信道出现丢包现象，该机制能够有效减少丢包率，提高数据可靠性。[0098]在信道连接过程中，与tcp协议握手机制类似，mpudp协议通过三次握手的机制建立连接，区别在于：mpudp协议收发两端需要确认双方的ip地址及端口号。在发送数据过程中，发送端将每包数据进行连续编号，接收端建立缓冲区，对接收数据包重新进行序号排列。如果接收端检测到没有丢包，则按照数据序号全部移出缓存区。如果接收端检测到丢包，接收端将未接收到的数据包信息(即丢包数量和丢包序列号数据包)反馈给发送端，发送端按照此数据包重新发送指定的数据信息，并保持丢包数据始终在原本信道上进行重传，作为进一步优选，最大重传次数为三次，超过重传次数，停止该帧信息传输，进入下一帧数据传输。该目的是允许适当的丢包率来改善系统吞吐量，此重传机制适用于海量数据传输例如音视频传输系统。[0099]以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12