CN1138385C

CN1138385C - 提高数据流量的方法和装置

Info

Publication number: CN1138385C
Application number: CNB998061328A
Authority: CN
Inventors: M��÷Ү��; M·梅耶尔; A·格罗恩斯塔德特
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2004-02-11
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: CA2331294A1; WO1999059300A1; CN1300492A; AU4259499A; CA2331294C; DE69922369T2; BR9910424A; US6728247B1; EP1078501B1; EP0957613A1; DE69922369D1; EP1078501A1

Abstract

本发明涉及通过数据包定向无线数据网，如GPRS网络提高高速传输数据的网络应用如因特网的数据流量的方法和装置。因特网以数据包(n，n+1，n+2，n+3，…)的形式提供数据。由于通过因特网传送的数据包的传送路径不同，就造成了GPRS网收到的数据包在中间节点的顺序错误。数据包也会丢失，丢失的数据包被重新请求时也会顺序错误。由于带宽不同，当传送第一个数据包时，在GPRS网的中间节点有许多准备传送的数据包。判断准备传送的数据包的顺序并将数据包按照要传送的顺序排序。

Description

提高数据流量的方法和装置

本发明涉及到提高通过数据包定向无绳数据网络在高速传送数据的网络应用中的数据流量的方法和装置。

已知高速传送数据的网络是数据包数据网，如因特网。因特网是一个全球网络，它由多个通过固定线或转换开关连接到其它网络的独立的本地网构成。因特网还可以定义为使用因特网协议(IP)及其寻址方式的网络。相关的协议族，所谓的TCP/IP(传输控制协议/因特网协议)也用于因特网并成为其重要特点。使用因特网协议完成与因特网的相互连接。另外，因特网不由中央来维护和控制。特定的服务器管理国际路由。由于非计划发展网络的结构是未知的，并不能图示。因此，数据包传送的路径也是不可预计的。也由于应用中连续的数据包可以取道不同的路径，在目标地址不同的时间不停地收到送入的数据包。

网络中数据包的传送及其顺序是由TCP(传输协议)服务来保证的。需要接收器向发送器提交肯定的签收或损坏及丢失的数据包的重复请求。所有送出的数据均被连续的编号以便能够识别个别数据包的丢失或重新请求丢失的数据包。数据包在接收侧重排。由于网络协议(IP)是基于数据的无连接传输，个别数据包在传输过程中可能丢失或以错误的顺序送到接收器。TCP的一项任务就是重复传送数据包，除非在特定时间内确认收到了数据(“网络技术”，G.Siegmund；R.V.Decker’s Verlag；海德堡，1996；第六章)。

通过数据包定向数据网络高速传送数据的网络应用中的数据包，比方说，保留在两个网络之间的中间接点，由于不同的网络带宽以及相应的再次传送的收到时间，数据包在中间接点排队等待。根据已有技术的解释，如果其签收没有在特定时间内确认，数据包每次都要求更新。但是，中间接点可能已经收到数据包，可以以顺序错误的进一步传送，即延时了。因为未送到的数据包已经存在，在排队等待进一步传送，不停的重复请求将导致额外的不必要的负担。

而且，当请求传送一个或多个未送到的数据包时，刚传送来的数据包排到了最后，这就是为什么会发生所谓超时的原因。超时的结果是停止传送。为了超时后再次开始传送，需要一种启动机制，这种启动机制速度慢因而数据流量也就下降了。

本发明的目的是提供一种方法和装置，可以避免对数据包的不必要的重复请求和超时。

根据本发明，这一目的将在权利要求1和13中提供。

本发明的一个优点是避免了对已经存在的数据包的再次请求的不必要的负担，免得数据流量下降。

本发明的另一个优点是避免了超时使得数据流量提高。

本发明的还有一个优点是数据包在中间接点已经排序，因而可以依顺序进一步传送。

本发明的其它优点可从权利要求2到12及14到15中推断出来。

根据权利要求2，本发明突出的优点是数据包随时被排序，随时可以避免更新的请求。

此外，根据权利要求3，本发明的优点是，一定数目的数据包被排序后，只有当这些排序的数据包传送后才能再开始新的排序程序。因此，排序程序被进一步优化了。

下面将结合实施方案和附图更详细的解释本发明，其中

图1示出按照权利要求1的本发明方法的时序图，

图2示出按照权利要求4的本发明方法实施方案的时序图，

图3示出GPRS结构，

图4a，4b示出丢失数据包的实施方案的示例，

图5示出数据包顺序错误的实施方案的示例。

下面将结合实施方案和图1更详细的解释本发明。

在高速传送数据的网络应用如因特网中，数据是以数据包的形式提供的。因而数据由多个连续的数据包n，n+1，n+2，n+3...构成。数据包定向无线数据网，如GPRS网络信息包中的数据包的进一步传送和准备，由于网络不同的带宽，将导致高速传送数据的网络中的数据包可以比通过无绳数据包定向数据网的传送得更远。因此，有许多数据包可用于进一步传送。由于网络中传送的数据的类型，正如已有技术已经详细解释过的，通过无绳数据包定向数据网的数据包以不同的顺序收到，数据包不当的传送和要求更新，甚至个别或几个数据包被丢失，丢失的数据包直到再次请求，顺序也还是错误的。

根据图1，第一步a，通过将数据分成许多连续的数据包，应用程序提供了数据包n，n+1，n+2，n+3...。在下一步骤b，数据包n，n+1，n+2，n+3...被传送到无绳数据包定向数据网。一旦送到，在下一步c数据包就可用于传送到无绳数据包定向数据网。在选择的示例中。收到的数据包的顺序是n，n+2，n+3，n+1，...。因此数据包n+1被延时接收到。

在接下来的步骤d，数据包n被传送。这相应于第一个数据包准备好传送。使用第一个数据包仅是一个示例，实际上其它的每个数据包都被传送。数据包的传送最好在数据包刚收到和准备好后就进行。但是，正如前面所提到过的原因，由于较小的带宽，通过无绳数据包定向数据网传送要花较长时间，第一个数据包正在送出而其它的数据包已经准备好传送了。传送多个数据包时，这样的情形在传送其它任一个数据包时都类似。

在下一步骤e，确定其它的N，个其它数据包也就是准备好传送的数据包的顺序。下面的描述中将更详细的解释数据包的顺序确定方法。如上面已经解释过的，N’个其它数据包可以传送，比如按顺序n+2，n+3，n+1，...。因此，当检测顺序时，可以判断出下一个可以传送的数据包n+2必须跟在数据包n之后。还可以判断出再下一个可以传送的数据包n+3跟在n+2后。当检测到下一个数据包n+1时，根据程序规定的顺序，可以判断该数据包不必跟在n+3后，也不必跟在n+2后，但必须跟在数据包n之后。

在下一步骤f，N’个数据包按相应顺序排序。因此，数据包n+1就排在正确的位置：即数据包n之后n+2之前。举个例来说，这可以通过重新拷贝该数据包来完成。这也可以使用任何其它的排序方法，比如在数据包上设置指针。

因此，排序的数据包可以按照步骤c的正确的顺序通过无线数据包定向数据网传送。

前面描述的方法，对以错误顺序接收到的和损坏的或丢失的并请求更新的数据包都进行排序。正如前面所解释的，数据包可能丢失或以一种被破坏的状态可用。丢失或损坏的数据包请求更新从而可以重新可用。但这也将导致数据包以错误的顺序可用，这就是重新请求的数据包也要排序的原因。

也可能丢失了几个数据包，即或是编号直接连续的几个或是编号离得很远的数据包。请求一个或多个丢失数据包是一种TCP(传输控制协议)机制。

由于排序过程中已经收到了其它数据包，按照实施方案，在判断其它数据包的顺序之后，新的数据包和已经排序的数据包都要重新排序。因此，在步骤c已是可用的数据包是随时排序的，也就是收到的数据包已经直接正确排序了。

在另一个实施方案中，当第一个数据包传送时已经存在的许多数据包被首先排序。这些数据包可以按正确的顺序，也就是符合程序的顺序向下传送。只是根据需要进行下一次排序，一旦这些数据包全部传送后，结果是，比如传送P个数据包后，顺序要求更新，于是，进行新的排序，比如P’＝N’-1，N’＝2，3，4，...

根据解释的范例过程，步骤d和e可按要求互换。因此，根据步骤e的其它数据包的顺序判断是灵活的，已经在根据步骤d的传送第一个或其它数据包之前执行。

下面，将结合图2更详细地解释按照权利要求4的本发明的一个

实施方案。

按照权利要求4的方法也和图1中解释的一样包括步骤a到e。除了按照步骤e检测数据包的顺序外，还要判断一个数据包是否存在了几次-步骤g。一个数据包存在多次可能是由于尽管该数据包仅是延时并未丢失却被请求更新。比如当一个数据包被认为丢失并已经请求了更新时该数据包被延时接收到，就出现了一个数据包存在多次的情况。当新的数据包可用后，又收到延时的数据包，某个数据包就被使用了两次。

这种一个数据包被使用两次的情况在步骤g检测，并将其中一个数据包排除。剩下的数据包按照步骤f排序，于是可以使用按照c的顺序。

下面，将结合一个实施方案更详细地解释本发明可能的应用。

本发明可能的应用领域可以从因特网的应用领域中看到，通过，比如定向无绳数据包数据网，如GPRS(通用信息包无线电服务)或UMTS(全球移动电信系统)。在所有定向无线数据包定向网络的领域中也可以看到其应用，也就是有线数据包定向网络。下面主要介绍定向无绳数据包定向数据网络。可能的因特网应用可以是，比如，万维网网页，简称WWW页。

下面，将通过图3简要解释GPRS网络的结构。比如，一个移动用户MS包括一台便携个人计算机和一部移动电话或一个移动单元。个人计算机与移动电话可以通过电缆连接也可以通过无绳连接。移动用户连接到GPRS网络。按照图示GPRS网与GSM(移动通信全球系统)网络相连接。直到GPRS网络使用GSM网络的单个单元和内存，这都符合现实。它们都有并都使用相同的基站子系统BSS。移动用户MS通过基站子系统BSS连接到网络。GSM网络还包括移动无线电通信转换中心MSC，MSC连接到基站子系统BSS并通过GPRS网连接到GSM网络。它也通过移动无线电通信转换中心连接到公共电话网PSTM。GSM网还包括装置数据库EIR和具有证书文件(授权文件)AUC的标示位置寄存器(home location register)HLR。由于GPRS网络要接收和使用到来自这些文件的数据，为了完整起见，提到了这些文件。

GPRS网还包括一个或多个GPRS服务的GPRS支持节点，下文中就简记为SGSN节点。SGSN节点通过所谓的主干网络Bb与一个或多个网络转换GPRS支持节点GGSN(网关GPRS支持节点)相连接，下文中简记为GGSN节点。GGSN节点还与其它网络连接，比如，按照X.25标准工作的网络X.25或连接到建立在因特网协议结构上的网络。

这种结构的用户，比如，就象解释过的范例中的PC机用户。便携式PC通过移动终端MS或相应的其它可能的连接与GPRS网络相连。现在用户希望得到一个显示在他的PC上的网络程序。比如说，该程序是在因特网IP-N中或在按照X.25标准工作的网络X.25中可以得到的。因特网使程序象数据一样以数据包的形式得到，这些数据包可以在象中间节点的SGSN节点上得到。

调用服务和拨号进入网络的授权通过GSM网络中文件来实现。由于这不是本发明的重要判据，只是有别于GSM网络中的授权和身份，这个问题未详述，只是为了通过GPRS使用的包括在GSM网络的已知机制。

下面，将解释支持数据包排序程序的协议结构(无图)。

正如前面所解释过的，GPRS网络包括服务网关支持节点SGSN。如ISDN领域已熟知的，该节点分为不同的层。正如移动站MS，前面提到的GPRS也包括基站子系统BSS和计算机接口，因特网侧端的分界线。在移动站MS和SGSN节点中的LLC(逻辑链路控制)协议完成站与SGSN节点之间的逻辑连接。LLC协议以接收被确认的方式工作，即确认模式。该方式保证数据的正确传输。这一功能通过LLC协议对数据包提出新的请求来完成。

下面，借助图4a-4b更详细地解释本发明的一个实施方案。假设一个或多个数据包丢失不能传送时，详细解择本发明。正如前面解释过的，当检测到一个数据包未送到时，请求新的数据包并以错误的顺序传送。

在图中的所有部分，数据包用有特定数字的箭头来表示。箭头被连续的编号。为简化起见，箭头的编号选用了自然数，表明多个数据包中的哪个数据包中可用的。另外，还有一个以十字叉X结束的短箭头。它表示该数据包不能传送，也就是被丢失或损坏。在图中第22被当作丢失的数据包。

同时，间断的箭头表明数据包收到的确认信息正在传送。以下简称确认。确认表明：根据TCP正在等待被发送的数据包的接收器正等待哪个数据包。因此，比如说，成功收到1号数据包的接收器等待2号数据包的发送，通过发出包括所谓确认编号ACK2的确认信号ACK来确认。对这一点应该注意到，接收器总是按顺序发送下一个数据包的确认信号，也就是收到第1个数据包总是第2个，收到第2个数据包后总是第3个等。如果收到的数据包的顺序不对，由接收器来排序，但不会发送下一个数据包的确认信号。而是发送丢失的数据包的确认。

图4a图示了数据包在高速数据传输网络如因特网的传输。这用箭头从左边指向中间来表示，左边提供数据包。图中示出了数据包10-21。当然，数据包1-9也可以传送，只是为了看起来方便没有示出。在通过定向无线数据包定向数据网络因特网应用中，比如，GPRS网络，数据包都可用于传送，由于不同的带宽不能直接传输。可以传输的数据包的数目由特定的窗口大小F来决定。窗口大小F和它的应用是一种因特网已知的机制。这里窗口大小F选为10，即10个数据包。因此，有10个数据包在等待传输。超过10个的其它数据包不能传送，一旦系统进入所谓的暂态(自同步)，只能使下一个数据包可用，即使数据包已通过GPRS网络成功传送并收到了相应的正确的确认。这是通过当一个数据包也就是第一个数据包被成功地接收后允许数据包11传送的确认信号ACK2来表明的。

第一个数据包通过定向无线数据包定向数据网也就是GPRS传送，用箭头从中间指向右边--接收侧来表示。中间的垂线表示SGSN节点(中间节点)，也就是GPRS与因特网的接点。当10个数据包在因特网准备好时，第一个数据包已经通过GPRS传送了。一旦数据包到达，就发送接收的确认即前面解释过的确认信号。图中用间断的箭头从接收侧的右边指向左边来表示。为了看起来方便，除了确认信号2 ACK2的箭头外，其它箭头只画到了SGSN节点。一旦数据包的收到被确认，就传送另一个数据包。根据图4a，当传送第一个数据包后，送出确认信号2 ACK2。换句话说，第一个数据包被成功送到后，就可以传送第二个数据包了。

图4b中，数据包22和23在传送过程中丢失。其余数据包24-31还可以传送。其它从SGSN节点发送的数据包是15号及紧跟其后的数据包。为了看起来方便，没有表示出所有的确认。

传送完21号数据包后，由ACK22确认，因此希望传送数据包22。由于数据包22不能传送，而数据包24可以传送，该数据包就作为准备序列中要传送的下一个数据包。因为数据包22仍未传送，如前所述，没有收到数据包22之前不会确认24的传送，重复的发出数据包22传送的请求的确认-所谓的重复确认D1。这里的“1”表示发送数据包的新的请求。接下来，发送数据包的每一个确认请求将简称为请求。

传送完数据包25后，发出第二次重复请求(重复确认)D2；传送完数据包26后，发出第三次重复请求(重复确认)D3。连续三次重复的请求(重复确认)D3后，就认为数据包22丢失了，未送到的数据包22就请求更新。三次重复请求后就要求更新数据包，这是TCP中选择规定的。这种重新请求的方法就是所谓的快速重发算法。

因此，收到数据包26后，数据包22被请求更新。传送数据包27后数据包22准备好传送此时它通过发出第四次重复请求D4而被发送。

根据本发明，收到数据包31后收到的数据包22被排序。通过排序程序判断数据包22在31之前，就如同在数据包30、29和28之前一样。由于数据包27是即刻传送的，数据包22排在数据包28之前。数据包27传送结束后，数据包22就准备传送了。

如前所述，由于到现在数据包23相当于没传送，发送数据包23的传送请求ACK23。为此，回顾对数据包22的解释，发出重复三次请求D1、D2和D3后重新请求数据包23。这可以在数据包31之后直接传送。成功收到数据包23后，在接收侧的内存中比较，看哪个数据包已经收到了，本例中是数据包31。于是就通过发送ACK32，请求发送编号超过31的数据包。

为了完整起见，我们还应提到特别是在TCP中，如果重复请求的话，需要重新计算窗口的大小F。如果有太多的准备传送的数据包没有发送时，这一服务避免了网络的过载。新的窗口大小F’的计算如下。将旧的窗口大小除以2再加以个常数。

F’＝F/2+k

其中F＝旧的窗口大小

k＝常数 (1)

在这里常数取为3。

因此本例的新窗口大小F’是：F’＝10/2+3＝8。

这意味着只有8个数据包可以传送。很容易看到每一次重新计算，窗口在变小。

在本例中这意味着当数据包22被重复请求后，还能传送的数据包只有8个。这个数字是根据22+8＝30而得到的。但是，按照窗口大小的新定义，由于数据包数目比能够传送的要多，数据包31可以传送，编号超过31的新的数据包就不能传送了。

如果不应用本发明，传送数据包31后，只能传送22，而其他编号超过31的数据包就不能被传送。由于数据包23还是丢失的，就造成了传送停止，即所谓的TCP超时。通过排序程序，这种停止得以避免。

下面，将结合图5解释本发明的另一个实施方案，该例中，数据包到达的顺序是错误的。

图5中的标号及其含义与图4的一致。图5中，数据包20-26可用于传送。因为数据包21就在24后送到，顺序就被搞乱了。在提供数据包20时，SGSN节点传送数据包21。传送数据包20后，确认收到并请求传送数据包21。如果数据包21没有准备发送，就先传送后面的，在这里是数据包22。正如图4a和4b中解释过的那样，随后就发送重复的请求，当依次发送了三次这样的重复请求后，就发送更新请求。但由于本例中数据包21并未丢失，这样的请求是不必要的，多余的。

根据本发明，到达顺序错误的数据包按照它们的编号顺序排序，避免了更新请求。图中用虚线箭头表示。按照实施方案，在传送数据包21的请求ACK21之后排序开始。这时另一个数据包22已经发送，这就是数据包21排在23之前的原因。因为随后的第一次重复请求已经发出，没有进行更新。图示中D2、D3用括号括起来表示按照本发明是没有发生的。

在另一个实施方案中(无图)，数据包随时排序。这使得所有数据包在整个过程都是正确排序的，一旦发生错误不必要排序。同时，按照实施方案，只有当如此排序的数据包传送后，可以排序的数据包是重排序的新的数据包。这可以在第一个数据包传送之前也可以在第一个数据包传送过程中完成。

为了完整起见，应该提到数据包未送到和到达的顺序错误同时发生的情况。这时，可以参见图4a和4b中的方法。

下面，将解释排序机制(无图)。为了排序准备传送的数据包，需要判断每个数据包的标示号。该标示号代表数据包的顺序。借助标示号，将数据包排序。

按照实施方案，除了判断标示号外，还判断数据包的长度。通过长度，判断数据包的内容即数据包的当前数量。

根据实施方案，TCP(传输控制协议)顺序编号在因特网应用中是用作标示号。比如，TCP顺序编号的顺序是：1；1025；2049；3073；4097等。另外，通过连续的第一字节的数字来判断优先权列表，比如1025直接跟在1只后，中间没有其它数据包。这样的结果是1为第一个数据包，1025为第二个，2049为第三个等。

其它可能的判断是检测TCP顺序编号和所谓IP总长度信息。IP总长度信息由一定的长度组成，如20字节表示报头，另20字节表示TCP，由此实际的数据长度可从IP总长度信息中推断得出20+20字节＝40字节，其中数据的长度可以判断出来，并可以保留在后面的数据包信息中。

前面解释过的判断方法也可以用来判断数据包被使用了两次或几次。比方说，一个数据包被使用了几次可以通过作为标示号的TCP顺序号识别出来，并将其排除掉。

进一步说，提高数据流量的装置包括按照其到达顺序(n，n+2，n+3，n+1，...)提供数据包的装置。如前面所解释过的，这种功能可以在SGDN节点中实现。

更进一步说，该装置包括通过数据包定向无线数据网传送第一个和任何其它数据包(n，n+1，...)的传输装置。

再进一步说，装置还包括对在第一个数据包或其它任何数据包传送过程中已经可用的其它数据包(n+2，n+3，n+1，...)进行排序的装置。数据包的排序是按照程序，如因特网程序提供的顺序进行的。如前面所解释过的，排序可以是在LLC协议层和或SNDCP(子网依赖集中协议)层进行。同样是为了完整起见，还应提到当传送第一或任何其它数据包时可以在这些装置中排序。

使用排除存在两次或几次的数据包的装置来排除存在两次或几次的数据包。比如，通过数据包的标示号可以检测出存在两次或几次的数据包。

在上面的示例中，GPRS网络解释为无线数据包定向数据网络，并提到了UMTS网络。但是，其它任何网络，如ATM网络也符合所述的数据包定向网络并在本发明的应用范围内。

更进一步说，上述示例中提到了因特网。在这里，也包括高速传输数据的任何其它网络。只是因特网是目前满足各种要求的最著名的网络而已。

Claims

1.一种在网络应用中提高数据流量的方法，用于通过数据包定向无线数据网络高速传送数据，

其中，数据通过程序以多个连续的数据包(n，n+1，n+2，...，n+x)的形式准备传送，

其中，数据包按照其到达的顺序(n，n+2，n+3，n+1...)可用于数据包定向的数据网，和

其中，在通过数据包定向无线数据网络传送第一个数据包(n)时，其它可用于传送的数据包(n+2，n+3，n+1...)按照程序提供的顺序(n+1，n+2，n+3，...)排序。

2.如权利要求1的方法，

其中，在传送其它任何数据包时，所有其它数据包都排序。

3.如权利要求1的方法，

其中，数据包的进一步排序在传送数据包n+P’时进行，其中的P’＝1，2，3，...

4.如权利要求1至3任一个的方法，

其中，可用的数据包(n，n+2，n+3，n+1...)的接收的顺序包括重新请求的和已接收的数据包。

5.如权利要求1至3任一个的方法，

其中，确定每个数据包的标示号，和

其中，按照标示号将数据包排序。

6.如权利要求1至3任一个的方法，

其中，确定每个数据包的标示号并确定每个数据包的长度，和

其中，通过数据包的长度提供后面的数据包的关于标示号的信息。

7.如权利要求1至3任一个的方法，

其中，数据传送的程序是因特网程序。

8.如权利要求7的方法，

其中，数据包定向无线数据网是按照包定向无线数据网络方法工作的网络。

9.如权利要求7的方法，

其中，数据包定向无线数据网是按照全球移动电信系统方法工作的网络。

10.如权利要求8的方法，

其中，排序在服务网关支持节点上在逻辑链路控制层和/或子网依赖集中协议层内进行。

11.如权利要求5的方法，

其中，标示号是传输控制协议顺序号。

12.如权利要求6的方法，

其中，长度是从网际协议总长度信息来测定的。

13.一种提高网络应用中的数据流量的装置，用于通过数据包定向无线数据网高速传送数据，包括

以多个连续的数据包形式(n，n+1，n+2，...，n+x)提供数据的装置，

按照其到达顺序(n，n+2，n+3，n+1，...)提供数据包的装置，

通过数据包定向无线数据网传送第一个和任何其它数据包(n，n+1，...)的传送装置，和

在传送第一个数据包时按照程序提供的顺序将已经准备好的其它数据包的排序的装置。

14.如权利要求13的装置，

包括排除数据包的装置。

15.如权利要求13或14的装置，

包括判断数据包标示号的装置，

还包括检测数据包长度的装置。