聚集和估计多个网络接口的带宽的系统和方法

摘要

本发明公开了一种用于聚集和估计多个网络接口的带宽的系统和方法。具体地，本发明公开了一种根据网络状况的动态分析使带宽聚集的跨层系统。进一步，本发明公开了用于评估多个物理接口的带宽的估计系统和方法。

说明书

发明领域

本发明涉及远程通信领域。具体地，本发明涉及进一步基于网络状况的动 态分析使带宽聚集并估计的跨层系统。更具体地讲，本发明提供了一种用于估 计多个物理接口的带宽并且将其进一步分配到这些物理接口的系统和方法。

现有技术参考文献

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发明背景

为提高基于网络应用的全部可用带宽，经过多个物理接口的数据传输被广 泛研究。在这一领域的大多数相关工作需要代理结构、服务水平协议和目的地 端的计数元件，来以自适应或非自适应的方式实现带宽聚集。现在将讨论我们 已知的一些现有技术以理解目前技术状态下可用的技术方案和不足。

包括如现有技术参考文献提到的1号参考文献中的基础结构代理或者如现 有技术参考文献提到的2号参考文献中的多链路代理的网络层结构被用于多个 接口和异构下行数据流的吞吐量聚集的同时使用。

现有技术参考文献的3号参考文献所建议的方法，使用多条链路上的TCP 流的动态数据包重排序机制；该方法也需要网络代理。如4号参考文献中所提 到的，服务水平协议和代理被用在网络中央以调度通过多个接口的数据包。

在5号参考文献中提出了用于多链路上会话层剥离的结构，其基于虚拟层 套接口。此外6号参考文献描述了一种称为Horde的网络中间件，其使得应用 程序能控制多个接口上的数据剥离的特定方面多个接口。它进一步公开了该中 间件结构包括3层，其中高层提供与Horde交互的接口；中间层负责数据包调 度、带宽分配；低层处理网络信道。

如7号现有技术参考文献所提到的跨层框架提出跨协议栈中的多层的自适 应以支持adhoc场景中的判断推迟应用，例如通话语音或实时视讯。

在8号现有技术参考文献中呈现的工作提出对五层，即如TCP的物理、数 据链路、应用、网络、以及传送层，做些改动，以在异构无线网中提供多媒体 服务的无缝传输。已经对传输协议做了一些修改，这最终使得这种方案的实施 跟在目的地端需要对应元件一样困难。

8号现有技术参考文献公开将带宽聚集用于无线网络视频流的动态QoS协 商方案。公开了为了在链路层获得更好地性能将同一技术的多个接口剥离多个 接口，这被称为绑定或集群。10号现有技术参考文献公开了一种链路层上的带 宽聚集方法，其通过跨物理信道束进行数据剥离。

11号现有技术参考文献中已经公开了自适应反向复用技术，其中IP数据包 被多路复用器片段化，并在链路层传输协议上使用的ML PPP(多链路ppp)以 通过多链路进行隧道传输。。

在12号现有技术参考文献中公开蜂窝网络中信道聚集的方法。该参考文献 建议为了提高复原能力，跨信道而不是跨数据包应用校验码。

根据13号现有技术参考文献有另一个有趣的方案，其中提出WLANs的用 户应该能够基于获取的吞吐量和索价，在所有可用接入点间实现多点接入和拆 分他们的业务。然而，通过异构网的并且到不同IP地址进行数据剥离的链路层 解决方法是不可行的，因为该链路层没有IP的概念。

Chang等人提出的美国专利6810412讲解了一种有服务器的通信网，该服 务器使用高带宽连接与开关通信。所述现有技术公开了需要计数元件的网络接 口(基于客户服务器的结构)，服务器使用单个接口。其需要负责在客户和服务 器之间分配数据业务的居间开关/网络代理结构。当其执行带宽聚集时不执行任 何网络估计。

Hoffman等人提出的美国专利7460526讲解了使用专属于载波虚拟网络的 层一资源来建立反向复用连接的系统和方法。所述现有技术公开了一种系统和 方法，其需要服务水平协议来执行聚集，基于网络命令和需求，基于网络要求 并需要特殊网络结构——例如网络管理系统。它还建立载波虚拟网络并与三个 不同的电信网络和一个聚集器共同工作。该聚集通过该网络管理器完成。

建议以上所述所有方法要求在两端(如服务器和客户)都进行修改以实现 带宽聚集，并且大部分方法在仿真中被测试，仿真通常以简单的假设为基础。

进一步的网络实时带宽估计也是一个吸引人的问题并已经吸引了相当多的 研究工作。这个领域的大部分工作是以RTT(往返时间)测量为基础的，使用 单个或多个探测包。与基于RTT机制的宽带估计技术相关的理论、改进和一些 实施已经如提到的那样在14号现有技术文件中讨论过了。如15号参考文献提 到的，基于UDP的探测包机制被用于在基于P2P(对等体到对等体)的视频数 据应用中测量带宽估计和速率控制。。该可用的带宽依赖该上载比特速率的确定 的RTT值被计算。该估计的带宽决定是否接受或拒绝在随机的数据速率要求连 接的新P2P客户。因为这些对等体可能位于世界的任何位置，这个方法导致不 稳定的RTT测量。

16号现有技术参考文献公开，对具有固定延迟的成对探测包和数据包对散 布技术的使用被用于测量该可得到的带宽。与RTT计算一起，探测包之间的时 间延迟被测量并分析以预测网络带宽。

如17号现有技术参考文献中公开的，可变大小的探测包也可以被用于测量 该可用的带宽。在该情形中数据包大小与RTT一起也被用于估计该网络容量。 这里包括测试箱测量基础结构的测试网被使用。

由Kashyap等人提出的美国专利7505401讲解了一种在网络中的接口间提 供交互故障转移和负载均衡的方法，装置和程序存储设备被公开了。所述现有 技术提供了一种用于网络连接的方法，用于使用多个接口进行交互故障转移和 负载分担，多个接口一个接口用作另一个接口的备份。它使用多虚拟接口。当 执行负荷分担时它不运行任何带宽估计。

存在于上述讨论的现有技术中的一些缺陷在于：第一，这些研究工作是以 单个或多个接口为基础的并且需要在目的端的相对物；第二，该现有技术没有 同时使用多个接口运行该带宽估计。这些方法也没有使用任何跨层技术。

因此需要解决带宽聚集的该长期存在问题，而在最终目的地或在任何节点 中不使用任何对应元件，或特殊网络结构，或使用任何网络代理或管理节点， 并且也不在物理或者书籍链路层在进行任何修改并且也估计多个物理接口的带 宽。

发明目的

本发明的主要目的是提供跨层系统，跨层系统基于网络条件的动态分析执 行带宽聚集，而不使用任何对应元件/计数元件，或不使用任何网络代理或管理 系统、或任何特殊的网络结构。

本发明的另一个目的是提供一种方法和系统，提供从上层通过IP到数据链 路、物理层的所有数据通路的网关，反之亦然。

本发明的另一个目的是提供一种使用预定的互联网控制消息协议(ICMP) 回声包来测量网络信道状况的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供一种用于通过合计现存激活通信接口的可用带 宽来明显提高系统带宽。

本发明另一个目的是的提供用于估计与每个激活物理接口相关的该信道/网 络状况的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供可以被用于任何传送层协议像TCP(传输控制 协议)或UDP(用户数据报协议)的带宽聚集的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供可以配置为在聚集模式或与聚集相结合的估计 模式中运行的方法和系统。

本发明的另一个目的还在于用于使能对传输头(TCP)统计的分析以执行 带宽估计的方法和系统。

发明内容

在本方法、系统和硬件实现被描述之前，应该理解由于本发明有多个可能 的实施例没有在现有公开中明确说明本发明不限于特殊的系统，和所描述的方 法。还要理解的是在说明书中使用的术语只是为了描述特殊的版本或实施例， 并不是为了限制本发明的范围，本发明只受所附的权利要求的限制。

本发明提供能够执行基于网络状况动态分析的带宽聚集的跨层系统。

在本发明的一个方面，提供了一种方法和系统，用于提供从上层通过IP到 数据链路层，物理层的所有数据路径和反之亦然的网关。

在本发明另一个方面，提供了一种将现有的激活通信接口的可用带宽加起 来显著地提高了系统带宽的方法和系统。

在本发明的另一方面，提供一种使用用于测量网络信道状况的预定的网络 控制消息协议(ICMP)回应数据包的方法和系统。

在本发明的另一方面与每个激活物理接口相关的信道/网络状况被估计。

本发明的另一方面是提供带宽聚集和估计的方法和系统，该方法和系统能 够用于任何像TCP(传输控制协议)或UDP(用户数据报协议)的传输层协议。

本发明的另一方面是提供一种用于分析传输报头统计以进行带宽估计的方 法和系统。

附图说明

结合附图可以更好的理解上述发明内容，和下面优选实施例的详细描述。 为了说明本发明，在附图中示出了本发明的典型结构；然而，需要理解的是本 发明不限制于附图中所公开的具体方法和系统。

图1是描述多个物理接口的可用的带宽的聚集和估计方法的流程图。

图2是说明带宽聚集系统的功能模块的流程图。

具体实施方式

现在将详细讨论说明它的所有特征的本发明的一些实施例。词“包括”。、具 有”、“由…组成”和“包含”，和它的其它形式在意思上视为等同并且是开放式的， 因为下面的这些词的任何一个词都不意味着是这个词或这些词的穷尽列表，或 者也不意味着仅限于所列出的这个词或这些词。也需要注意的是如此处和所附 权利要求书中使用的该单数形式“不定冠词”和“定冠词”包括复数参考，除非上下 文明确制定。尽管类似或等效于此处描述的那些的任何系统和方法可以被用于 本发明实施例的实践和测试，现在描述该优选的系统和方法。所公开的实施例 仅仅是本发明的示例性，本发明可以以不同的的形式中呈现。

通常，本发明涉及远程通讯领域。特别地，本发明涉及能够基于网络状况 的动态分析来执行带宽聚集的跨层系统。

本发明公开了一种聚集和估计多个物理接口的带宽的系统，其中所述系统 包括：

a)用于聚集和估计多个物理接口的带宽的一个网络驱动模块；

b)用于接收该用户定义的输入的网络驱动模块的用户空间；以及

c)与用于数据传输和估计的网络驱动模块相连的物理接口；以及

d)至少两个与用于聚集和估计它们的带宽的网络驱动模块相连的物理接 口。

本发明还公开了一种使用网络驱动模块来聚集和估计多个物理接口的可用 带宽的方法，其中所述方法包括执行下述步骤的处理器：

a)创建用于封装至少一个现有的物理接口的虚拟物理接口；

b)通过将激活物理接口的可用带宽加在一起提高该带宽；

c)按预定的时间间隔动态地估计每个物理接口的可用带宽；

d)通过网络驱动模块估计现有的物理接口的网络信道状况；以及

e)根据网络驱动模块所估计的网络信道状况将数据包分配到多个物理接 口。

根据其中的一个实施例，本发明能够将数据通过物理层经无线和有线的通 信介质通信。

本发明发现在无线通信领域的效用，并可被用于通过短程或远程传送数据。 它包括固定的、移动的、及可携式的双向无线电话、蜂窝电话、个人数码助手 (PDA)、及无线网络的任何类型的使用。

本发明也发现在有线通信领域的效用，并可被用于通过基于有线通信技术 的数据的发送和接收。实例包括电话网络，有线电视或者互联网接入和光纤通 信。

根据本发明的一个优选的实施例，由于带宽聚集增加并因此提高该QoS(服 务质量)所提出的的跨层系统提高了应用的下载和上传数据传输速率。

在一个实施例中，网络驱动模块创建‘虚拟物理’接口，该接口封装计算机系 统中呈现的所有现有的激活物理接口。因此所述系统在现有的物理接口的物理 层和数据链路层上不做任何修改。

在本发明的一个实施例中，网络驱动模块提供单个通信管路，用于使数据 从互联网协议(IP)流向物理接口。该模块也提供到各个层的数据的接收和发 送。

在本发明的一个实施例中，网络驱动模块通过将现有的激活通信接口的可 用的带宽加在一起来显著提高系统的带宽。所述系统进一步包括探测包机制来 估计激活的物理接口的信道状况。

图1描述了根据本发明的典型实施例聚集和估计多个物理接口的可用带宽 的流程图。该过程在步骤10开始，其中通过网络驱动模块创建用于封装至少一 个现有的物理接口的虚拟物理接口。在步骤20中，如果需要，系统输入被捕捉 并且用户定义的输入被采用。在步骤30，通过将多个物理接口的可用带宽加在 一起来提高带宽。在步骤40中，每个物理接口的可用带宽按规定的时间间隔被 动态地估计。在步骤50中，由网络驱动模块估计现有物理接口的网络信道状况。 在步骤60中，根据网络驱动模块估计的网络信道状况数据包被分配到多个物理 接口。该过程在步骤70结束，数据包一被接受就有该模块处理并被推送到更高 层，其中网络驱动模块使用包过滤(网络滤波器)机制并关联用于处理该接收 数据包的钩形函数。在它们的接收刚刚结束后，在通过该激活接口该钩形函数 被用于过滤该包。包滤波器的的相关钩形函数在数据包中执行必要地修改，并 在发送到应用之前组装该数据包。

图2图示了带宽聚集系统的功能模块的系统结构图。所述系统包括网络驱 动模块204，物理接口208，数据链路210，物理层212，互联网协议(IP)214， 传输协议报头216，和端口号218。

该系统进一步包括，用户空间206(在图中未示出)，及内核空间207(在 图中未示出)。

根据本发明的优选实施例中的一个，所述用户空间206公开APIs(应用程 序设计接口)以搜集该用户定义的输入，和系统所捕获的输入。所述用户定义 的输入包括；

a.用于估计网络接口可用带宽的具有公共IP地址的 服务器域名，探测包被发送到所述公共IP地址。

b.执行网络估计的时间间隔

c.应用的QoS要求(可选的)

d.其他可选参数(像启用或禁用网络估计)

用户输入是由用户通过命令行提供的。

所述系统定义的输入包括：

a.可用于带宽聚集和估计的网络接口(接口标识符，IP地址，网关的IP 地址，如果有网关)。通过作出带数据报路的ioctl()函数调用，获得了系统捕捉 的输入。

b.也获得关于虚拟物理接口/设备(如，接口是“上(UP)”还是“下 (DOWN)”，或者接口/设备状态的任何改变)的状态信息。

在本发明的另一个实施例中，核心空间207作为应用和实际的数据运处理 的桥梁。用户空间206和核心空间208有一个紧密的绑定，通过使用下列带原 始报路的ioctl()函数调用这两种空间元件就交换了控制信息，例如：

a.GETINFO：收集可为核心空间模块使用的关于聚集网络接口的信息。

b.SETINFO：将关于可用网络接口的信息传送到核心空间模块。

c.NDMINFO(网络诊断)：将和带宽估计相关的信息传送到核心空间模块， 并且从核心空间模块中收集关于网络接口的可用带宽的信息。

在本发明的另一个实施例中，从应用/上层开始，所述系统作为从网络协议 IP214(网络协议)到物理层212的所有数据路径的网关，反之亦然。根据由应 用或所使用的默认配置所规定的服务质量(QoS)要求，当在现有的激活的物理 接口208中发送时该系统分配数据。从各自的接口208接收数据，并传给各自 的应用。

在本发明的另一个实施例中，网络驱动模块204创建虚拟接口并分配IP地 址、子网掩码到该接口并把此接口作为默认条目添加在在路由选择表中。所有 的来自上一层的应用数据使用此IP地址作为源地址。

在本发明的另一个实施例中，当分配数据到接口204和接口208时，网络 驱动模块204用对应的激活物理接口208的IP地址替代它的IP地址并按所要求 的对互联网协议IP 214和传输协议报头216进行必要的检验和的计算。在接收 中，它用自己的IP地址代替了这些接口的实际IP地址，并对互联网协议IP 214 和传输协议报头216进行必要的检验和的计算。

在本发明的另一个实施例中，网络驱动模块204使用激活接口/设备作为它 的从属网络接口。根据一些预定义的标识符例如端口号218(HTTP包或FTP 包等)和由应用所规定的服务质量QoS要求，(网络驱动模块通过它自己的用户 空间模块206分配来自应用的数据包。网络驱动模块直接将这些已分配的数据 包发送到它的从属接口(如激活物理接口208)的发送队列。它使用包过滤(网 络过滤)机制并为了这个目的将钩形函数关联在接收路径中。通过该激活接口， 在激活接口刚刚完成它们的接收后，钩形函数用于过滤数据包。在该数据包中 关联的包过滤器的钩形函数执行必要的修改，并在发送到应用前组装数据包。

在本发明的另一个实施例中，所提出的系统使用预定义用于测量网络信道 状况的网络控制信息协议(ICMP)回声包222。通过现有多激活接口，网络控 制信息协议(ICMP)回声包会被同时发送到任何一个由用户定义的公共IP地 址(例如www.goole.com)。有公共IP地址的目的地将回声应答返回激活物理接 口208。所提出的系统确定所发送的ICMP回声和接收ICMP回声回复包间的时 差，如激活接口的数据包往返时间，并估计网络状况。较大值的时差意味着较 弱的网络环境。系统保持使回声包在固定的时间间隔(可配置的)被发送的定 时器。

在本发明的另一个实施例中，该提出的系统也分析传输报头216(TCP)的 数据结构，并取从传输报头216和ICMP探测包中得到的平均的RTT。

在本发明的另一个实施例中，通过由网络驱动模块204将的现有的激活通 信接口的可用带宽加起来，而无需在现有接口的物理层212和数据链路层210 中做任何修改，这里提出跨层可识别的的带宽聚集系统可以显著提高系统的带 宽。同时，该系统也协同每个激活物理接口208估计信道/网络状况。本系统在 任何包括最后目的地或通信链路的系统中不需要任何备份或者对应的模块。它 也能在类似TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)中使用。最重要 的是，它不需要任何服务水平协议和代理的支持。他可以执行自适应带宽聚集。

参照本发明的不同的实施例提出了上述说明。本领域技术人员应当理解在 不脱离本发明的原理、精神和范围的情况下可以对本发明所描述的结构和运行 方法做变型和修改。

本发明的优势

1)本发明在目的地或对端系统处不需要任何计数元件、或者相应的模块来 执行宽带聚集和估计——因此，它非常容易配置、管理并同时具有成本效率。

2)本发明公开了不要求任何代理执行带宽聚集和估计的方法和系统。

3)本发明公开了一种方法和系统，其中基于带宽估计来实现聚集，即这发 明了自适应带宽聚集的方法。

4)本发明公开了提高应用的下载和上传数据传输速率的并因此提高 QoS(服务质量)的方法和系统。

5)本发明不要求任何服务水平协议和代理支持并且通过使用多个物理接口 本发明可以执行自适应带宽聚集。