用于确保以太网环境中UDP数据传输的公平性的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确保以太网环境中的用户数据报协议(UDP)数据 传输的公平性的设备和方法，更具体地讲，涉及一种在基于以太网的环境(诸 如互联网和内联网)中，在基于UDP的数据传输期间确保其他传输控制协议 (TCP)连接和UDP连接的公平性的设备和方法。

背景技术

网络环境中的公平性是指确保当针对数据传输而连接的多个会话通过网 络路径的瓶颈时，特定会话不专有地使用所述瓶颈，并且所述多个会话共享 所述瓶颈以公平地执行数据通信。

以流(stream)的形式执行基于TCP的数据传输，已经使用基于TCP的 数据传输本身的流控制机制和拥塞控制机制进行了各种尝试(诸如TCP  Tahoe、TCP Reno和TCP Vegas)来确保公平性。然而，TCP的实施方案的特 性(诸如3次握手以及和式增加/积式减少(AIMD)算法)导致由广域网(WAN) 中彼此远离的终端引起的长往返时间(RTT)的缺点，并且随着包丢失增加， 数据传输时间急剧增长。

为了克服TCP的这些缺点，正在尝试确保对UDP的可靠性，做出拥塞 控制层，并使得能够在WAN中进行快速文件传输。与能够稍微确保公平性 的TCP不同，UDP专用于实现接近于可用带宽的数据传输速率，从而相对缺 乏确保公平性的尝试。另外，现有的用于确保公平性的基于UDP的数据传输 协议没有显示出比TCP更好的确保公平性的传输和性能，或者难以实现。

图1是示出现有的基于UDP的数据传输系统的构造的框图。参照图1， 基于UDP的数据传输系统的发送设备100包括UDP数据发送器110和UDP 传输速率控制器120，接收设备200包括UDP数据接收器210和UDP接收 数据信息提供器220。发送设备100的UDP数据发送器110对内存或文件的 数据进行划分，将所述内存或文件的数据包含在UDP数据报中，并将所述数 据报发送到接收设备200。接收设备200的UDP数据接收器210接收从发送 设备100发送的数据报，UDP接收数据信息提供器220检查接收的数据报并 将接收数据信息(诸如丢失的包和传输速率)发送到发送设备100。

发送设备100的UDP传输速率控制器120使用接收的接收数据信息计算 最优UDP数据传输速率，从而使得能够以比TCP的传输速率更快的且接近 于可用带宽的传输速率来进行数据通信。该方法不适合于确保公平性，这是 因为仅仅从数据报丢失率来计算数据传输速率。

图2是示出用于在现有的基于UDP的数据传输协议中确保公平性的构造 的框图。参照图2，接收设备200还包括作为用于确保公平性的组件的RTT 计算器230、延迟时间估计器240和公平性确定器250。接收设备200的RTT 计算器230基于从发送设备100发送的数据报来计算RTT，延迟时间估计器 240使用计算的RTT估计队列延迟时间。如果即使在队列延迟时间增加时数 据传输速率也没有减小，则公平性确定器250确定公平性恶化，并通过UDP 接收数据信息提供器220将所述确定发送到发送设备100。

所述构造利用当路由器的缓冲器在数据包通过的网络路径的瓶颈处溢出 时队列延迟时间增加的特性。在该构造中，发送设备100基于从接收设备200 接收的信息减小传输速率，直到队列延迟时间恢复到正常状态，从而确保公 平性。

这种使用队列延迟时间来确保数据传输的公平性的方法需要通过使用中 的操作系统(OS)和实现语言来准确感测微小的增加量和减少量。为了估计 队列延迟时间，RTT误差通常需要为10ms或更小，并且为了获得这样的小 的允许误差，OS需要将队列延迟时间的计算调度为优先处理。

另外，在除C以外的语言(包括Java和Python)中开发的网络套接字程 序显示出40ms或更多的误差，因此不能计算队列延迟时间。具体地讲，当 诸如智能电话的装置具有较差的硬件性能和软件性能时，不能在应用层计算 队列延迟时间。

发明内容

本发明在于提供一种用于确保以太网环境中的用户数据报协议(UDP) 数据传输的公平性的设备和方法，所述设备和方法可使用低性能的硬件和软 件来实现并且不需要操作系统(OS)支持对队列延迟时间的计算的调度。

本发明还在于提供一种存储用于执行确保以太网环境中的UDP数据传 输的公平性的方法的程序的计算机可读存储介质，其中，所述方法可使用低 性能的硬件和软件来实现，并且不需要OS支持对队列延迟时间的计算的调 度。

根据本发明的一方面，提供了一种用于确保组成以太网环境的发送设备 和接收设备之间的UDP数据传输的公平性的设备。所述设备包括：传输控制 协议(TCP)传输速率计算器，配置为基于从发送设备实时发送的并由接收 设备接收的TCP数据流的量，来计算当前的TCP传输速率；UDP传输速率 计算器，配置为基于与TCP数据流一起从发送设备发送的并由接收设备接收 的UDP数据的量，来计算UDP传输速率；公平性确定器，配置为在当前的 TCP传输速率小于最优传输速率，当前的TCP传输速率与预定的最优传输速 率之间的差等于或大于预定阈值，并且UDP传输速率正在增大时，将控制信 号发送到包括在发送设备中的UDP传输速率控制装置。这里，TCP传输速率 计算器基于在发送设备的UDP数据传输开始之前所接收的发送到接收设备 的TCP数据流的量，来计算最优传输速率。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于确保组成以太网环境的发送设 备和接收设备之间的UDP数据传输的公平性的方法。所述方法包括：(a)基 于从发送设备实时发送的并由接收设备接收的TCP数据流的量，来计算当前 的TCP传输速率；(b)基于与TCP数据流一起从发送设备发送的并由接收设 备接收的UDP数据的量，来计算UDP传输速率；(c)在当前的TCP传输速 率小于最优传输速率，当前的TCP传输速率与预定的最优传输速率之间的差 等于或大于预定阈值，并且UDP传输速率正在增大时，将控制信号发送到包 括在发送设备中的UDP传输速率控制装置。这里，基于在发送设备的UDP 数据传输开始之前所接收的发送到接收设备的TCP数据流的量，来计算最优 传输速率。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他目 的、特点和优点对本领域的普通技术人员而言将会变得更加清楚，其中：

图1是示出现有的基于用户数据报协议(UDP)的数据传输系统的构造 的框图；

图2是示出用于在现有的基于UDP的数据传输协议中确保公平性的构造 的框图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的用于确保以太网环境中的UDP 数据传输的公平性的设备的构造的框图；

图4是根据本发明的示例性实施例的包括用于确保UDP数据传输的公平 性的设备的发送设备的框图；

图5是示出用于确保以太网环境中的发送设备和接收设备之间的公平性 的数据传输的示例的流程图；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的确保UDP数据传输的公平性的 方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。尽管已结合本发明的 示例性实施例显示和描述了本发明，但对本领域的技术人员而言将清楚的是， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的用于确保以太网环境中的用户 数据报协议(UDP)数据传输的公平性的设备的构造的框图。

参照图3，根据本发明的示例性实施例的用于确保UDP数据传输的公平 性的设备300包括：传输控制协议(TCP)传输速率计算器310、UDP传输 速率计算器320和公平性确定器330。根据本发明的示例性实施例的用于确 保UDP数据传输的公平性的设备300可包括在发送设备100和接收设备200 中的一个中。换句话说，所述设备300可包括在发送设备100中以如上所述 基于由接收设备200提供的接收数据信息来计算传输速率，确定公平性，并 调整发送设备100的UDP数据传输速率，或者所述设备300可包括在接收设 备200中以执行传输速率计算和公平性确定，然后将结果发送给发送设备 100。

以下将作为典型示例性实施例描述根据本发明的示例性实施例的用于确 保UDP数据传输的公平性的设备300的各个组件包括在发送设备100中的情 况。图4是根据本发明的示例性实施例的包括用于确保UDP数据传输的公平 性的设备300的发送设备100的框图；

参照图4，发送设备100除了包括作为图1中示出的组件的UDP数据发 送器110和UDP传输速率控制器120以外，还包括用于TCP流的TCP数据 发送器130，以及作为根据本发明的示例性实施例的用于确保UDP数据传输 的公平性的设备300的组件的TCP传输速率计算器310、UDP传输速率计算 器320和公平性确定器330。另外，接收设备200除了包括作为图1中示出 的组件的UDP数据接收器210和UDP接收数据信息提供器220以外，还包 括TCP数据接收器260和TCP接收数据信息提供器270。

图4的框图示出这样的情况：为了方便而分开各组件，并且各组件可被 修改以使得TCP和UDP传输速率由公平性确定器330计算，UDP传输速率 由UDP传输速率控制器120计算等。

当发送设备100和接收设备200具有如图4中所示的构造时，发送设备 100首先单独发送TCP数据流以检查可由TCP数据流单独确保的最大速率。 此后，发送设备100开始进行到接收设备200的UDP数据传输，并同时一起 发送用于公平性确定的TCP数据流，从而确定发送设备100和接收设备200 之间的数据传输的公平性。根据确定结果，发送设备100控制其UDP数据传 输速率。按这样的方式，可防止由未考虑另一网络连接的攻击性UDP数据传 输引起的公平性的恶化。

以下将详细描述图4中示出的各组件之间的输入和输出关系以及各组件 的操作。

如上所述，在UDP数据传输开始之前，发送设备100的TCP数据发送 器130首先将TCP数据流发送到接收设备200。此时，TCP数据流的传输已 执行了预定时间(例如，0.5秒或5秒)，并且与当前布置有发送设备100的 网络设备的带宽相比，发送设备100的传输速率被设置为足够高。接收设备 200的TCP数据接收器260接收TCP数据流，并且TCP接收数据信息提供 器270检查接收了预定时间的数据的大小并将结果信息发送到发送设备100。

发送设备100的TCP传输速率计算器310基于接收的接收数据大小计算 TCP数据流的实际传输速率，并将计算的传输速率确定为最优传输速率。计 算的最优传输速率随后被用于设置当UDP数据传输开始时与UDP数据同时 发送的TCP数据流的传输速率。

在TCP数据流的最优传输速率被如上所述地确定之后，UDP数据发送 器110开始进行到接收设备200的UDP数据传输，并且UDP数据传输一开 始，TCP数据发送器130就将用于公平性确定的TCP数据流发送到接收设备 200。与UDP数据传输同时执行的TCP数据流的传输被重复，直到UDP数 据传输完成。另外，与UDP数据一起从发送设备100同时发送的TCP数据 流的传输速率被设置为等于或大于先前计算的最优传输速率。

接收设备200的TCP数据接收器260和UDP数据接收器210分别接收 从TCP数据发送器130和UDP数据发送器110发送的数据，并且TCP接收 数据信息提供器270和UDP接收数据信息提供器220分别将与接收的TCP 数据和UDP数据相同大小的信息提供给发送设备100。

TCP传输速率计算器310基于由接收设备200接收的当前发送的TCP数 据流的量来计算当前的TCP传输速率，UDP传输速率计算器320基于由接收 设备200接收的UDP数据的大小来计算UDP传输速率。基于计算的当前的 TCP传输速率以及由TCP传输速率计算器310先前计算并存储的最优传输速 率，公平性确定器330确定发送设备100和接收设备200之间的数据传输的 公平性。

更具体地，在当前的TCP传输速率等于或大于最优传输速率时，公平性 确定器330确定发送设备100和接收设备200之间的数据传输的公平性未恶 化。另外，TCP传输速率计算器310使用计算的当前的TCP传输速率的值来 更新存储的最优传输速率的值。随后，更新的最优传输速率被用于TCP数据 流的传输和公平性确定。

另外，在当前的TCP传输速率小于最优传输速率并且当前的TCP传输 速率与最优传输速率之间的差等于或大于预定阈值时，公平性确定器330根 据由UDP传输速率计算器320计算的UDP传输速率的改变来确定公平性是 否恶化。

更具体地，当UDP传输速率当前正在增大时，公平性确定器330确定发 送设备100的UDP数据传输正影响公平性，并向UDP传输速率控制器120 通知所述确定。作为调整UDP数据发送器110将UDP数据发送到接收设备 200的传输速率的组件，当从公平性确定器330输入了控制信号时，UDP传 输速率控制器120调整UDP数据的传输速率，使得公平性不恶化。

另一方面，当确定UDP传输速率当前正在减小或保持在恒定值时，公平 性确定器330确定不是由于UDP数据引起当前的TCP传输速率减小，而是 由于另一处理的网络使用的增加引起当前的TCP传输速率减小，并且公平性 确定器330不将用于传输速率调整的控制信号发送到UDP传输速率控制器 120。然而，TCP传输速率计算器310使用当前的TCP传输速率的值来更新 最优传输速率的值。

最后，在当前的TCP传输速率小于预定最小值时，公平性确定器330确 定发送设备100的UDP数据传输的公平性已恶化，而不管UDP传输速率的 当前状态如何。因此，公平性确定器330将控制信号发送到UDP传输速率控 制器120以调整UDP数据的传输速率。

如上所述，用于确保UDP数据传输的公平性的设备300包括在以太网环 境中的发送设备100或接收设备200中，并使用通过在UDP数据传输被执行 时一起发送TCP数据流来确保公平性的方法，从而在不需要用于实现上述基 于往返时间(RTT)估计队列延迟时间的传统方法的附加模块的情况下，确 保UDP数据传输的公平性。

与为了高性能而需要直接访问操作系统(OS)的资源以准确测量RTT 并且需要以C等来实现的传统方法不同，可使用允许以太网套接字编程的任 何平台和开发语言来实现设备300，并且还可在具有低硬件性能和软件性能 的系统(诸如智能电话)中实现所述设备300，从而可在各种装置中确保公 平性。

作为应用了根据本发明的示例性实施例的用于确保UDP数据传输的公 平性的设备300的示例，将描述智能电话发送大容量电子邮件的附件文件数 据的情况。

在这种情况下，当使用相比于TCP的用于快速数据传输的基于UDP的 数据传输协议，以高速率发送数据报时，可以以高速率发送大容量电子邮件 的附件文件，但是另一处理(例如，web冲浪和文件传送协议(FTP))的网 络连接以及同一网络环境中的计算机的交叉流量滞后并且被缓慢处理或被切 断。这是由没有考虑另一网络连接的攻击性UDP数据传输引起的。

如果根据本发明的示例性实施例的用于确保UDP数据传输的公平性的 设备300被应用于该情况，则当不存在交叉流量时，整个可用带宽被用于执 行UDP数据传输，并且当另一处理使用网络或者存在交叉流量时，UDP数 据传输速率被调整以使得交叉流量不受影响，从而可确保公平性。

对于UDP数据传输，用户可选择是在确保公平性的同时执行传输，还是 在不确保公平性的情况下执行快速数据传输。即使在用户做出对确保公平性 的选择时，也可提前设置将考虑多少交叉流量。另外，TCP数据传输套接字 的数量可以是一个或多个，以提高公平性确定的准确性。

图5是示出用于确保以太网环境中的发送设备100和接收设备200之间 的公平性的数据传输的示例的流程图。图5的流程图示出根据本发明的示例 性实施例的用于确保UDP数据传输的公平性的设备300包括在发送设备100 中的情况。

参照图5，发送设备100的TCP数据发送器130将TCP数据流发送到接 收设备200持续预定时间(S510)。接收设备200的TCP接收数据信息提供 器270提取由TCP数据接收器260接收的TCP数据信息(S520)并将提取 的TCP数据信息提供给发送设备100(S530)。发送设备100的TCP传输速 率计算器310基于提供的信息来计算最优传输速率(S540)。

随后，UDP数据发送器110开始进行到接收设备200的UDP数据传输。 此时，TCP数据发送器130将UDP数据以及用于公平性确定的TCP数据流 同时发送到接收设备200(S550)。接收设备200的TCP接收数据信息提供器 270和UDP接收数据信息提供器220提取接收的TCP数据信息和UDP数据 信息(S560)并将提取的TCP数据信息和UDP数据信息提供给发送设备100 (S570)，包括在发送设备100中的根据本发明的示例性实施例的用于确保 UDP数据传输的公平性的设备300基于TCP传输速率和UDP传输速率来确 定公平性是否恶化(S580)。根据确定结果，UDP数据的传输速率被调整 (S590)。

图6是示出根据本发明的示例性实施例的确保UDP数据传输的公平性的 方法的流程图。与图5类似，图6的流程图示出根据本发明的示例性实施例 的用于确保UDP数据传输的公平性的设备300包括在发送设备100中的情 况。

参照图6，TCP传输速率计算器310计算当前的TCP传输速率(S610)， 并且UDP传输速率计算器320计算UDP传输速率。公平性确定器330确定 当前的TCP传输速率是否小于已被提前计算和存储的最优传输速率(S620)。 在当前的TCP传输速率小于最优传输速率和先前设置的最小值时，公平性确 定器330输出使UDP传输速率控制器120将UDP数据传输速率调整至确保 公平性的范围内的控制信号(S660)。

在当前的TCP传输速率与最优传输速率之间的差等于或大于预先设置 的阈值(S640)，并且UDP传输速率当前正在增大(S650)时，公平性确定 器330也输出使UDP传输速率控制器120将UDP数据传输速率调整至确保 公平性的范围内的控制信号(S660)。

在当前的TCP传输速率等于或大于最优传输速率(S620)，或者在当前 的TCP传输速率小于最优传输速率(S620)但大于预先设置的最小值(S630)， 当前的TCP传输速率与最优传输速率之间的差等于或大于阈值(S640)，并 且UDP传输速率未增大(S650)时，TCP传输速率计算器310使用当前的 TCP传输速率的值来更新最优传输速率的值(S670)。

重复上述处理，直到作为传输目标的UDP数据的传输完成(S680)。

在根据本发明的示例性实施例的用于确保以太网环境中的UDP数据传 输的公平性的设备和方法中，当UDP数据从发送设备被发送到接收设备时， 用于确定公平性的TCP数据流被一起发送，从而在不需要基于RTT等来估计 队列延迟时间的附加模块的情况下，可通过仅添加TCP流来简化所述方法和 设备的构造。另外，可使用允许以太网套接字编程的任何平台和开发语言来 实现所述设备和方法，并且由于没有使用附加模块，因此所述设备和方法还 可被应用于具有低硬件性能和软件性能的装置(诸如智能电话)。

本发明示例性实施例可实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代 码。计算机可读记录介质包括存储可由计算机系统读取的数据的所有种类的 记录装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存 取存储器(RAM)、致密盘(CD)-ROM、磁带、软盘、光数据存储器，且 还包括以载波的实施方式(诸如通过互联网的传输)。另外，计算机可读记录介 质可分布于通过网络连接的计算机系统中，并作为可以以分布式方法被读取 的代码而被存储和执行。

本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可 以对本发明的上述示例性实施例进行各种修改。因此，本发明意图覆盖使其 进入权利要求及其等同物的范围内的所有这样的修改。