本發(fā)明屬于計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體的涉及一種適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法

背景技術(shù)：

當(dāng)前的因特網(wǎng)已經(jīng)演變成為巨大的、復(fù)雜的系統(tǒng)，它由各種各樣的終端用戶、傳輸線路及眾多的路由器連接而成，承載著多樣化的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)量不斷膨脹、業(yè)務(wù)環(huán)境日趨復(fù)雜的這一背景之下，調(diào)用更多的網(wǎng)絡(luò)資源來盡力做好分組信息的傳遞，極端的考慮是使用網(wǎng)絡(luò)中所有的鏈路資源來完成到目的節(jié)點的數(shù)據(jù)分組的傳輸，從而達到“盡力傳送”的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標。多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸是實現(xiàn)這種盡力傳送的重要手段。

在多路徑網(wǎng)絡(luò)中，各用戶使用多條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。一般情況下，用戶的多條路徑?jīng)]有節(jié)點不相交的限制，也就是說，不同的路徑間可能會使用相同的一條或幾條鏈路。數(shù)據(jù)傳輸時，會出現(xiàn)一條路徑流量過載，被長時間過多占用，形成所謂的熱點鏈路，這些熱點鏈路上傳輸負載過大，導(dǎo)致出現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)擁塞，而在這些鏈路負載過大甚至擁塞的同時，其它路徑傳輸資源空閑或者負載較輕的情況，這種現(xiàn)象稱為多路徑網(wǎng)絡(luò)通信中的擁塞。

針對多路徑網(wǎng)絡(luò)通信這種擁塞現(xiàn)象，設(shè)計一種適用于這種網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的方法很有必要。

在多路徑通信網(wǎng)絡(luò)中，可通過調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸路徑，通過自適應(yīng)的調(diào)整源端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，利用空閑路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，合理的在多個源端用戶間分配網(wǎng)絡(luò)資源，可降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率，改善用戶上網(wǎng)體驗，實現(xiàn)源端用戶間某種準則上的公平具有重要意義。

多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制問題直觀的理解為多個網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的帶寬資源利用率問題，需要掌握鏈路負載和源端用戶發(fā)送速率等大量的參數(shù)信息，因而需要集中化控制。而集中化控制過于復(fù)雜又影響了擁塞控制方法的可擴展性。因此，多路徑網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法要具備簡單易實現(xiàn)，可擴展性強的特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不同的路徑間可能會使用相同的一條或幾條鏈路。數(shù)據(jù)傳輸時，會出現(xiàn)一條路徑流量過載，被長時間過多占用，形成所謂的熱點鏈路，這些熱點鏈路上傳輸負載過大，導(dǎo)致出現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，提出一種適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：.一種適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，包括以下步驟：

步驟1：從網(wǎng)絡(luò)用戶的角度出發(fā)，將多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制轉(zhuǎn)化為多路徑帶寬資源利用率最大化方法；

步驟2：將鏈路價格和源端數(shù)據(jù)發(fā)送速率引入帶寬利用率最大化方法中，簡化為多路徑網(wǎng)絡(luò)帶寬利用方法的數(shù)學(xué)求解形式；

步驟3：構(gòu)建鏈路價格和源端數(shù)據(jù)發(fā)送速率之間的關(guān)系；

步驟4：根據(jù)鏈路價格和源端發(fā)送速率之間的關(guān)系，確定速率調(diào)整策略，進而控制源端發(fā)送速率，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中的擁塞控制。

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，所述步驟2中具體包括定義帶寬利用方法的數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一：

tl(t)≤cl

ε≥0,γ≥0,wl≥0

其中，us()為網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率函數(shù)，xsp(t)為用戶s在路徑p上的傳輸速率，ts(t)為用戶s在各條路徑上的總的傳輸速率，tl(t)為在鏈路l上的所有用戶的傳輸速率，cl為網(wǎng)絡(luò)中鏈路l的帶寬，ε是一個無窮小的正數(shù)，wl為鏈路l的控制參數(shù)，而為路徑選擇參數(shù)，其含義說明如下：

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，為了求解帶寬利用方法的數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)，引入拉格朗日函數(shù)l(x,t,μ)，則

上述函數(shù)包括發(fā)送速率xsp的函數(shù)和鏈路l上的總的數(shù)據(jù)傳輸量tl(t)的函數(shù)；由初始問題的函數(shù)l(x,t,μ)，得到數(shù)學(xué)規(guī)劃一對偶問題的目標函數(shù)為：

其中

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，引入鏈路l價格μl，依據(jù)對偶理論將網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率最大化問題轉(zhuǎn)化為最小化整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的鏈路價格問題，即數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二：

s.t.μl≥0,l∈l

也即：

s.t.μl≥0,l∈l，

其中，代表源端s在給定的路徑價格下所得到的收益，事實上，包含了源端s所需要的所有擁塞信息，源端s將通過求解問題來得到最大效用，bl(μl)代表鏈路端在給定路徑價格下所確定的鏈路發(fā)送速率；也就是說，給定一個拉格朗日乘子μl，可以得到兩個子問題：源端的速率控制子問題和鏈路端的速率控制子問題。

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，所述鏈路端算法和源端算法，利用凸優(yōu)化理論，將需要集中式求解的多路徑擁塞控制問題轉(zhuǎn)化為分布式的鏈路端和源端流量控制算法，

利用數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二求得其導(dǎo)數(shù)為

利用梯度投影算法，得到各條鏈路的價格更新算法：

其中，βu是迭代步長，在得到各條鏈路的價格后，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二得各源端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率表達式：

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，所述鏈路端價格生成算法步驟如下：

步驟201：在任一采樣時刻，針對某一傳輸鏈路，收集經(jīng)過該鏈路的所有源端發(fā)送速率xsp(t)；

步驟202：基于步驟201得到的發(fā)送速率，計算當(dāng)前鏈路負載

步驟203：基于鏈路負載，更新當(dāng)前周期的鏈路價格，得到新的鏈路價格

步驟204：將新的鏈路價格分別發(fā)送給所有使用當(dāng)前鏈路的源端。

所述的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，所述源端發(fā)送速率生成算法步驟如下：

步驟301：在任一采樣時刻，針對任一源端用戶，從網(wǎng)絡(luò)中接收該用戶某一傳輸路徑上經(jīng)過的所有鏈路的價格信息

步驟302，根據(jù)收集到的鏈路價格信息，得到下一個周期在該路徑上新的數(shù)據(jù)發(fā)送速率

步驟303，以更新的速率xsp(t+1)為源端在當(dāng)前路徑上的發(fā)送數(shù)據(jù)速率。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、簡單易實現(xiàn)，將多路徑網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制問題轉(zhuǎn)化為多路徑網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化問題，引入源端發(fā)送速率和鏈路價格兩個變量，簡化了資源利用率最大化問題，簡單易實現(xiàn)；

2、具有經(jīng)濟含義，更具實際意義，將鏈路價格考慮進資源利用率問題，使用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商從經(jīng)濟的角度來體驗和提供服務(wù)，更具實際意義。

3、擴展性強，資源利用率最大化問題等價轉(zhuǎn)化后，分解成兩個子問題，提供了分布式控制的基礎(chǔ)，由此設(shè)計的鏈路端算法和源端算法，在實際網(wǎng)絡(luò)中具有較好的可擴展性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法實現(xiàn)步驟流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法的鏈路端價格生成算法的步驟流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法的源端發(fā)送速率生成算法的步驟流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的基于時間窗口的實際實現(xiàn)步驟流程示意圖。

具體實施方式

實施例1：結(jié)合圖1-圖4，一種適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法，對于網(wǎng)絡(luò)中的用戶，在多條路徑的發(fā)送速率滿足一定的關(guān)系。對于固定帶寬的鏈路，在該鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量總和不應(yīng)該超過鏈路自身的帶寬。

步驟1，進行多路徑網(wǎng)絡(luò)通信擁塞控制問題初始化，將多路徑擁塞控制問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率最大化問題，即數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一。

在數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一的表達式中，第一項是網(wǎng)絡(luò)資源利用率的表達式，第二項中ε是一個無窮小的正數(shù)，加入此項是為了保證數(shù)學(xué)規(guī)劃是嚴格的凹函數(shù)，第三項是流量工程的表達式，當(dāng)γ取非常小的正數(shù)時，數(shù)學(xué)規(guī)劃的目標主要是基于網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率的擁塞控制；而當(dāng)γ取非常大的正數(shù)時，數(shù)學(xué)規(guī)劃的目標主要是從流量工程的角度出發(fā)，避免鏈路過載。參數(shù)wl可被視作鏈路l的控制參數(shù)，當(dāng)鏈路l為瓶頸鏈路或關(guān)鍵鏈路時，wl可以被設(shè)置的非常大，來保證在此瓶頸鏈路上可以處理一些流量突發(fā)，盡量避免瓶頸鏈路上出現(xiàn)流量擁塞；當(dāng)鏈路l為非瓶頸鏈路或非關(guān)鍵鏈路時，wl可以被設(shè)為零值或非常小的值。

數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一：

tl(t)≤cl

ε≥0,γ≥0,wl≥0

其中，us()為網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率函數(shù)，xsp(t)為用戶s在路徑p上的傳輸速率，ts(t)為用戶s在各條路徑上的總的傳輸速率，tl(t)為在鏈路l上的所有用戶的傳輸速率，cl為網(wǎng)絡(luò)中鏈路l的帶寬，而為路徑選擇參數(shù)，其含義說明如下：

為了求解數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一，引入拉格朗日函數(shù)l(x,t,μ)，定義其為如下形式：

上述的lagrange函數(shù)包含了兩項內(nèi)容，第一項是關(guān)于用戶的發(fā)送速率xsp的函數(shù)，而第二項是關(guān)于鏈路l上的總的數(shù)據(jù)傳輸量tl(t)的函數(shù)。由初始問題的lagrange函數(shù)l(x,t,μ)，可以得到數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一對偶問題的目標函數(shù)為：

其中

步驟3，引入鏈路l價格μl，根據(jù)步驟1中函數(shù)的凸優(yōu)化本質(zhì)，依據(jù)對偶理論將網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率最大化問題轉(zhuǎn)化為最小化整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的鏈路價格問題，即數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二。可以理解為是在網(wǎng)絡(luò)中各用戶獲得一定滿意度的前提下，最小化網(wǎng)絡(luò)中的鏈路價格。

數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二：

s.t.μl≥0,l∈l

也即：

s.t.μl≥0,l∈l

其中，代表源端s在給定的路徑價格下所得到的收益，事實上，包含了源端s所需要的所有擁塞信息，源端s將通過求解問題來得到最大效用，bl(μl)代表鏈路端在給定路徑價格下所確定的鏈路發(fā)送速率。

至此，數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)一被分解成了兩個子問題。也就是說，給定一個拉格朗日乘子μl，可以得到兩個子問題：源端的速率控制子問題和鏈路的速率控制子問題。而拉格朗日乘子μl可以看作是調(diào)節(jié)兩個子問題的影子價格。

對偶問題的目標函數(shù)d(μ)被分解為獨立的源端的速率控制子問題和鏈路的速率控制端子問題bl(μl)。這就表明通過求解對偶問題，各源端只需要知道局部信息，而不需要知道全局信息，這樣就可以進行分布式算法的設(shè)計。

其中，源端的速率控制子問題對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，由于網(wǎng)絡(luò)中用戶的自私性，都想使自己的資源占用率達到最大，也就是使自己的發(fā)送速率達到最大。同時，用戶在獲得相應(yīng)的帶寬時，要支付其使用該帶寬的代價。

鏈路端的速率控制子問題bl(μl)對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的傳輸層，將用戶、路徑與鏈路聯(lián)系起來，決定了用戶在路徑上的傳輸速率和價格。

基于上述兩個子問題，設(shè)計鏈路端算法和源端算法，由此，利用凸優(yōu)化理論，將需要集中式求解的多路徑擁塞控制問題轉(zhuǎn)化為分布式的鏈路端和源端流量控制算法。

由數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二可求得其導(dǎo)數(shù)為

由梯度投影算法，可以得到各條鏈路的價格更新算法：

在上式中，βu是迭代步長，在得到各條鏈路的價格后，由數(shù)學(xué)規(guī)劃函數(shù)二可得各源端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率表達式。

適用于多路徑網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制方法中，分布式計算方法分為鏈路端算法和源端算法。其中鏈路端價格生成算法步驟如下：

步驟201，在任一采樣時刻，針對某一傳輸鏈路，收集經(jīng)過該鏈路的所有源端發(fā)送速率xsp(t)；

步驟202，基于步驟1得到的發(fā)送速率，計算當(dāng)前鏈路負載

步驟203，基于鏈路負載，更新當(dāng)前周期的鏈路價格，得到新的鏈路價格

步驟204，將新的鏈路價格分別發(fā)送給所有使用當(dāng)前鏈路的源端。

源端發(fā)送速率生成算法步驟如下：

步驟301，在任一采樣時刻，針對任一源端用戶，從網(wǎng)絡(luò)中接收該用戶某一傳輸路徑上經(jīng)過的所有鏈路的價格信息

步驟302，根據(jù)收集到的鏈路價格信息，得到下一個周期在該路徑上新的數(shù)據(jù)發(fā)送速率

步驟303，以更新的速率xsp(t+1)為源端在當(dāng)前路徑上的發(fā)送數(shù)據(jù)速率；

所述步驟4具體包括，基于窗口的實際算法實現(xiàn)過程步驟如下：

步驟1：計算周期t開始；

步驟2：利用周期內(nèi)時延帶來的負載變化來評估鏈路負載；

步驟3：根據(jù)新評估出的鏈路負載更新鏈路價格；

步驟4：利用鏈路價格和源端發(fā)送速率的關(guān)系式，判斷源端發(fā)送速率是否過大；若發(fā)送速率過大，則進入步驟5；否則，發(fā)送速率不更新，進入步驟6；

步驟5：將二者關(guān)系式生成的差值作為更新源端發(fā)送速率的一個變量，用新生成的源端發(fā)送速率更新；

步驟6：等待下一個周期，進入步驟1。

所述步驟4具體為：假定源端s到目的端d有三條傳輸路徑path1，path2，path3，其中路徑path1由鏈路l1、l2、l3組成，路徑path2由鏈路l4、l5、l6組成，路徑path3由鏈路l7、l8、l9組成。各鏈路對應(yīng)的時延分別為d1、d2、...、d9。以路徑path1為例，由時延d1、d2、d3計算出path1的反饋時延，然后由此設(shè)定path1的源端發(fā)送速率更新周期t。在周期t內(nèi)，獲得鏈路l1、l2、l3在這段時間內(nèi)新收到的比特數(shù)值b1，b2，b3。由b1，b2，b3計算出時刻t，path1的鏈路負載load_path1，其中l(wèi)oad_path1＝b1+b2+b3?；趌oad_path1更新path1的鏈路價格p_new，其中根據(jù)理論得到的鏈路價格和源端發(fā)送速率間的關(guān)系式，將新得鏈路價格p_new,代入，對比二者關(guān)系，若發(fā)送端s在path1的發(fā)送速率過大，則將二者的差值作為調(diào)整參數(shù)，來降低源端s在path1的發(fā)送速率。否則不更新。