基于QUIC协议的流优先级数据传输方法及系统

本发明涉及计算机网络，尤其是涉及一种基于quic协议的流优先级数据传输方法及系统。

背景技术：

1、随着5g网络的不断发展以及用户数量的日益增长，网络链路数据传输的压力不断增大，已有的可靠传输控制协议tcp已经难以兼顾数据传输的速度和效率。quic(quic udpinternet connections)协议是一种基于udp协议的新型网络传输控制协议，旨在提高数据传输的速度和性能。quic的优点在于其可以实现0-rtt的连接建立开销，这在网页浏览等操作产生的短流传输中具有极大的优势。并且，quic引入了流(stream)的概念，将同个连接的数据传输分割为多个数据流进行传输，实现了流的多路复用，解决了tcp固有的head-of-line问题，从而减少传输延迟和链路拥塞。拥塞控制，是一种通过控制注入网络的流量来避免、减轻网络拥塞的方法。但传统的拥塞控制算法，如reno、cubic等，都是基于特定事件触发预先定义的行为的设计准则来进行速率控制。此类启发式的拥塞控制算法难以充分利用网络带宽。最近，一种基于性能的拥塞控制(performance-oriented congestion control，pcc)算法设计框架得到了众多的关注。pcc通过精心设计的效用函数，通过网络效用值来衡量网络的性能，并将网络的拥塞控制问题转化为网络效用值的最大化问题，从而使得拥塞控制算法可以更好的根据网络环境进行速率调整，进而大大提升网络带宽的利用率。

2、然而，在数据传输过程中，不同数据包的重要程度是不一样的。比如在网页加载中，css和javascript文件需要比视频文件更早到达，否则将阻塞整个网页的加载。而在360°全景视频等应用中，用户对时延十分敏感，在用户视口(viewport)的tile需要更快的被传输，否则将大大降低用户体验。在quic协议以及基于quic传输的超文本协议http/3均未提供相应的优先级传输方案，无法实现不同重要程度数据的优先级传输。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于quic协议的流优先级数据传输方法及系统，可以数据包添加优先级标志，并从拥塞控制的角度出发，设计出一种流优先级感知效用函数，用于不同优先级的流的拥塞控制，实现了基于流优先级的高效数据传输，提高用户的体验。

2、第一方面，本发明的实施例提供了一种基于quic协议的流优先级数据传输方法，基于quic协议的流优先级数据传输方法包括：

3、获取待传输的数据包；

4、将所述数据包根据预设的优先级分配至quic协议生成的对应的流进行数据传输；

5、监测所述数据包在所述流上进行不同发送速率的数据传输的包级事件，得到所述数据包在不同发送速率的所述流上的网络性能指标数据；

6、通过所述数据包的所述优先级、所述数据包在不同发送速率的所述流上的网络性能指标数据和预设的流优先级感知效用函数，计算得到所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能；

7、将所述流的不同发送速率和在不同发送速率下的所述流对应的网络效用性能进行配对，得到网络效用性能匹配对；通过所述梯度上升法对所述网络效用性能匹配对计算，得到所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能的梯度；通过速率转化因子将所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能的梯度转化为所述流的发送速率预测变化方向和大小；

8、根据所述流的发送速率预测变化方向和大小调整所述流的发送速率。

9、根据本发明实施例的方法，至少具有如下有益效果：

10、首先通过预设的优先级将数据包分配至对应的流进行数据传输，保证根据数据包的重要程度分配不同流进行处理，更加适应场景任务，提高更好的用户体验；其次，通过监测数据包在流上进行不同发送速率的数据传输的包级事件，得到数据包在不同发送速率的流上的网络性能指标数据，通过流上的网络性能指标数据能够反映数据包在不同发送速率的流上的传输效率和传输性能，提供了量化的准确数据用于调整流的发送速率；然后，通过流优先级感知效用函数来计算数据包在不同发送速率的流的网络效用性能，将网络的拥塞控制问题转化为网络效用性能的最大化问题，能够根据网络效用性能来对流的发送速率进行调整，大大提升网络带宽的利用率；最后通过梯度上升法对数据包在不同发送速率的流的网络效用性能比较，得到流的发送速率预测变化方向和大小，提高了不同数据包按照流优先级传输时带宽分配的准确性，同时梯度上升法可以在新数据到来时就可以完成参数更新，而不需要重新读取整个数据集来进行批处理计算，减小计算负荷。

11、根据本发明的一些实施例，预设的优先级通过数据包的包头添加优先级标志位实现或者采用http/2中优先级标志的设定实现。

12、根据本发明的一些实施例，监测数据包在流上进行不同发送速率的数据传输的包级事件，得到数据包在不同发送速率的流上的网络性能指标数据，包括：

13、通过依次间隔相同的速率调整步长调整流的发送速率，得到多个不同发送速率的流；

14、依次在多个不同发送速率的流上发送持续一个往返延时的数据包，监测数据包在每个发送速率的流的包级事件；包级事件包括ack确认、丢包和数据包传输的延时；

15、根据流的包级事件计算数据包在不同发送速率的流上的网络性能指标数据；网络性能指标数据的计算公式包括：

16、

17、

18、rtti＝stampnow-stamprcv_echo

19、其中，thri表示第i条流的吞吐量，rtti表示第i条流的往返延时，ack_bytesi表示第i条流在该条流的往返延时内确认的字节数，li表示第i条流的丢包率，loss_numi表示第i条流在该条流的往返延时内丢包的数量，ack_numi表示第i条流在该条流的往返延时内收到ack的数量，stampnow表示当前的时间戳，stamprcv_echo表示接收端对数据包的回显时间。

20、根据本发明的一些实施例，通过数据包的优先级、数据包在不同发送速率的流上的网络性能指标数据和预设的流优先级感知效用函数，计算得到数据包在不同发送速率的流的网络效用性能，包括：

21、通过线性回归计算往返延时的梯度，往返延时的梯度的计算公式包括：

22、

23、其中，表示第i条流往返时延的梯度，n表示rtt估计样本数量，τi表示第i个样本的传输时间，表示τ的平均值，rtti表示第i个样本的往返延时，表示rtt的平均值；

24、根据往返延时的梯度构建流优先级感知效用函数，流优先级感知效用函数的计算公式包括：

25、

26、其中，ui表示流的网络效用性能，xi表示第i条流的发送速率，pi表示第i条流的优先级，τ表示传输时间，表示第i条流往返时延的梯度，li表示第i条流的丢包率，t、b、c均表示用户定义的参数，(·)+表示max{·，0}；

27、将数据包的优先级和数据包在不同发送速率的流上的网络性能指标数据输入流优先级感知效用函数，得到数据包在不同发送速率的流的网络效用性能。

28、根据本发明的一些实施例，在所述通过所述梯度上升法对所述网络效用性能匹配对计算，得到所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能的梯度之前，所述基于quic协议的流优先级数据传输方法还包括：

29、判断所述网络效用性能匹配对之间的所述发送速率和所述网络效用性能的变化方向是否相同；若所述网络效用性能匹配对之间的所述发送速率和所述网络效用性能的变化方向不相同，则不通过所述梯度上升法对所述网络效用性能匹配对计算。

30、根据本发明的一些实施例，所述将所述数据包根据预设的优先级分配至quic协议生成的对应的流进行数据传输，包括：

31、通过本地生成的优先级对照表识别所述数据包的优先级标志；

32、根据所述数据包的优先级标志将所述数据包添加到对应的流缓冲区进行发送。

33、根据本发明的一些实施例，通过速率转化因子将数据包在不同发送速率的流的网络效用性能的梯度转化为流的发送速率预测变化方向和大小的计算公式，包括：

34、

35、其中，δxi表示第i条流的速率变化大小，r表示速率转化因子，ui表示第i条流的网络效用性能，分别表示增加发送速率和减少发送速率对应的网络效用性能，xi表示第i条流的发送速率，ε表示速率调整步长。

36、第二方面，本发明的实施例提供了一种基于quic协议的流优先级数据传输方法系统，基于quic协议的流优先级数据传输方法系统包括：

37、数据包获取模块，用于获取待传输的数据包；

38、优先级分类模块，用于将所述数据包根据预设的优先级分配至quic协议生成的对应的流进行数据传输；

39、网络性能指标数据计算模块，用于监测所述数据包在所述流上进行不同发送速率的数据传输的包级事件，得到所述数据包在不同发送速率的所述流上的网络性能指标数据；

40、网络效用性能计算模块，用于通过所述数据包的所述优先级、所述数据包在不同发送速率的所述流上的网络性能指标数据和预设的流优先级感知效用函数，计算得到所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能；

41、发送速率预测模块，用于将所述流的不同发送速率和在不同发送速率下的所述流对应的网络效用性能进行配对，得到网络效用性能匹配对；通过所述梯度上升法对所述网络效用性能匹配对计算，得到所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能的梯度；通过速率转化因子将所述数据包在不同发送速率的所述流的网络效用性能的梯度转化为所述流的发送速率预测变化方向和大小；

42、发送速率控制模块，用于根据所述流的发送速率预测变化方向和大小调整所述流的发送速率。

43、第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个控制处理器执行的指令，指令被至少一个控制处理器执行，以使至少一个控制处理器能够执行如第一方面的基于quic协议的流优先级数据传输方法。

44、第四方面，本发明的实施例提供了一种计算机存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面的基于quic协议的流优先级数据传输方法。

45、需要注意的是，本发明的第二至四方面与现有技术之间的有益效果与第一方面的基于quic协议的流优先级数据传输方法的有益效果相同，此处不再细述。

46、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。