一种优化无线视频TCP传输的方法[发明专利]

*CN101765004A*

(10)申请公布号 CN 101765004 A(43)申请公布日 2010.06.30

(12)发明专利申请

(21)申请号 2008102077.2(22)申请日 2008.12.25

(71)申请人上海寰创通信科技有限公司

地址200241 上海市闵行区东川路555号6

号楼602室(72)发明人吴亮 李贤平 尚涛 高凤春(74)专利代理机构上海科盛知识产权代理有限

公司 31225

代理人赵志远(51)Int.Cl.

H04N 7/24(2006.01)H04L 29/06(2006.01)H04L 1/00(2006.01)

权利要求书 3 页 说明书 6 页 附图 1 页

(54)发明名称

一种优化无线视频TCP传输的方法(57)摘要

本发明涉及一种优化无线视频TCP传输的方法，该方法包括：采集RTT信息；接收报文的处理；设置重传定时器；重传定时器的超时处理；构造ACK报文的处理。与现有技术相比，本发明的实现原理简单，对于无线视频TCP传输的多数场合有效；此外，本发明视频编码器，视频显示中心等终端节点设备完全透明，功能模块部署容易，即可用于层2交换设备，也可用于层3路由设备。

CN 101765004 ACN 101765004 ACN 101765006 A

权 利 要 求 书

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1.一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，该方法包括：

(1)采集RTT信息；(2)接收报文的处理；(3)设置重传定时器；

(4)重传定时器的超时处理；(5)构造ACK报文的处理。

2.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的采集RTT信息的步骤包括：

(1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间；(2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now；(3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0；(4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。3.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的接收报文的处理包括：

(1)如果接收到的报文不是TCP报文，则不做处理；(2)检测报文方向是“从无线侧来”，还是“从有线侧来”；(3)若报文方向是“从无线侧来”，则进行以下步骤：a.报文带有TCP标志RST或者FIN，则表示实际TCP连接已经结束，查找本地对应的实体，发完缓冲的报文；

b.报文中带有TCP标志SYN与ACK，则表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应，此时创建本地对应的实体；

c.报文中带有SYN标志，则表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体；

d.报文中带有ACK标志，则表示无线侧对接收报文的应答，进入“ACK应答”处理；(4)若报文方向是“从有线侧来”，则进行以下步骤：a.报文中同时带有标志SYN与ACK，或仅带有ACK，则说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存处理”；

b.报文中带有标志SYN，则说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存处理”。4.根据权利要求3所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的“ACK应答”的处理包括：

(1)获取TCP连接对应的本地实体，若本地实体不存在，则不做处理返回；(2)若该连接由无线侧发起，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文“，则将本地实体状态设置为“建立完成”态，记录ACK序号为“记录的ACK序号”；

(3)对于其他状态：a.若报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，则认为是异常情况；b.若报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，则认为数据接收方又收到了数据包：

i.清空对应于“记录的ACK序号”与“ACK序号”之间的缓存报文；ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”；

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权 利 要 求 书

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iii.重新计算RTT；

iv.复位重发定时器；c.若报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，则认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失：

i.获取可能的SACK选项；ii.循环缓冲的报文：若报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文；

iii.取出缓冲队列中的第一个报文；d.更新TCP连接使用的窗口大小；e.清除报文中的ACK标志；f.返回。

5.根据权利要求4所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的取出缓冲队列中的第一个报文包括：

(1)若该报文序号大于“ACK序号”，则转入步骤d；(2)若该报文序号不等于“ACK序号”，则转入步骤d；(3)若设置了重发该报文，则转入步骤d；

(4)若当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间超过2倍的RTT，则重发该报文；

(5)若报文中给出窗口大小发生变化，或ACK报文中包含有数据部分，则转入步骤d；(6)丢弃接收到的ACK报文。

6.根据权利要求3所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的“DATA缓存”的流程包括：

(1)获取到对应TCP连接的本地实体，若如果本地实体不存在，则创建对应实体；(2)若报文中带有SYN标志，则进入“等待连接建立”状态；(3)若报文中不带有SYN标志，则进行以下步骤：a.若报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列；b.此为异常情况，让报文通过中间实体。

7.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的设置重传定时器包括：

(1)获取缓冲队列的第一包；(2)若报文空或报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则删除重传定时器，并返回；(3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。8.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的重传定时器的超时处理包括：

(1)获取缓冲队列的第一包；(2)若报文空或对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则返回；(3)重新发送取出的报文，重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。

9.根据权利要求1所述的一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，所述的构造

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权 利 要 求 书

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ACK报文的处理包括：

(1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号；(2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号；(3)周期性地构造ACK报文：

a.ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出的报文字节数；

b.若“ACK报文应答序号”大于最近的“发送数据报文的序号”，则设置“ACK报文应答序号”为最近的“发送数据报文的序号”；

c.构造ACK报文，其中应答序号为本地实体的“ACK报文应答序号”，报文发往有线网络一侧。

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说 明 书

一种优化无线视频TCP传输的方法

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技术领域

[0001]

本发明涉及在以无线网络为承载的TCP视频业务中，采用中间节点在TCP连接中

监控，修改，注入相应报文的方法，尤其涉及一种优化无线视频TCP传输的方法。

背景技术

[0002] TCP连接要获得稳定带宽的一个重要因素是稳定的RTT(传输往返延时)值。如果RTT频繁变化，TCP无法准确估计出延时时间，因此可能一个短暂的临时的延时增加就导致TCP降低发送速率。现在无线网络由于有链路层的纠错或者重传机制，表现为在空中链路上的丢包率并不高，而在此类网络中最大的三个问题是：(一)延时突然增长。切换，底层重传，数据被阻塞都可能导致传输延时的突然增长。当它发生时，TCP协议看到的RTT延时可能是正常值的数倍。当延时突长发生时，发送方长时间无法收到ACK，因此重传定时器超时，数据重发。事实上此时的重发是没有必要的。随后发送方马上收到ACK，发送方无法判别哪个是重发的ACK，触发发送方的“慢启动”过程，在慢启动过程中造成数据发送的突发流，接着又引起拥塞控制。(二)RTT和带宽频繁变化。RTT和带宽频繁变化，无线环境中链路质量由于干扰，信号衰弱等原因，导致数据重传，RTT变化和带宽变化很大。例如WCDMA中的RLC层为了保证按序投递报文，会多次重传。(三)有线和无线链路混合构成传输路径。有线链路和无线链路的特性不同，针对TCP协议的优化难以同时适用于有线和无线链路。在高宽带的无线视频监控的应用中，对无线带宽的稳定性提出了很高要求，TCP连接实际的传输带宽的下降，必然影响到视频监控的效果。若传输带宽下降较大，视频的接收方会出现图像的抖动，迟滞，甚至马赛克等现象。发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种高效可靠的优化无线视频TCP传输的方法。

[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种优化无线视频TCP传输的方法，其特征在于，该方法包括：

[0003] [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] [0013] [0014]

(1)采集RTT信息；

(2)接收报文的处理；(3)设置重传定时器；

(4)重传定时器的超时处理；(5)构造ACK报文的处理。

所述的采集RTT信息的步骤包括：(1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间；(2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now；(3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0；(4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。

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CN 101765004 ACN 101765006 A[0015]

说 明 书

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所述的接收报文的处理包括：

[0016] (1)如果接收到的报文不是TCP报文，则不做处理；[0017] (2)检测报文方向是“从无线侧来”，还是“从有线侧来”；[0018] (3)若报文方向是“从无线侧来”，则进行以下步骤：[0019] a.报文带有TCP标志RST或者FIN，则表示实际TCP连接已经结束，查找本地对应的实体，发完缓冲的报文；

[0020] b.报文中带有TCP标志SYN与ACK，则表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应，此时创建本地对应的实体；[0021] c.报文中带有SYN标志，则表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体；

[0022] d.报文中带有ACK标志，则表示无线侧对接收报文的应答，进入“ACK应答”处理；[0023] (4)若报文方向是“从有线侧来”，则进行以下步骤：[0024] a.报文中同时带有标志SYN与ACK，或仅带有ACK，则说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存处理”；

[0025] b.报文中带有标志SYN，则说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存处理”。

[0026] 所述的“ACK应答”的处理包括：[0027] (1)获取TCP连接对应的本地实体，若本地实体不存在，则不做处理返回；[0028] (2)若该连接由无线侧发起，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文“，则将本地实体状态设置为“建立完成”态，记录ACK序号为“记录的ACK序号”；[0029] (3)对于其他状态：[0030] a.若报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，则认为是异常情况；[0031] b.若报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，则认为数据接收方又收到了数据包：

[0032] i.清空对应于“记录的ACK序号”与“ACK序号”之间的缓存报文；[0033] ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”；[0034] iii.重新计算RTT；[0035] iv.复位重发定时器；[0036] c.若报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，则认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失：

[0037] i.获取可能的SACK选项；[0038] ii.循环缓冲的报文：若报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文；

[0039] iii.取出缓冲队列中的第一个报文；[0040] d.更新TCP连接使用的窗口大小；[0041] e.清除报文中的ACK标志；[0042] f.返回。

[0043] 所述的取出缓冲队列中的第一个报文包括：[0044] (1)若该报文序号大于“ACK序号”，则转入步骤d；

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说 明 书

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(2)若该报文序号不等于“ACK序号”，则转入步骤d；[0046] (3)若设置了重发该报文，则转入步骤d；

[0047] (4)若当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间超过2倍的RTT，则重发该报文；

[0048] (5)若报文中给出窗口大小发生变化，或ACK报文中包含有数据部分，则转入步骤d；

[0049] (6)丢弃接收到的ACK报文。[0050] 所述的“DATA缓存”的流程包括：[0051] (1)获取到对应TCP连接的本地实体，若如果本地实体不存在，则创建对应实体；[0052] (2)若报文中带有SYN标志，则进入“等待连接建立”状态；[0053] (3)若报文中不带有SYN标志，则进行以下步骤：[0054] a.若报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列；[0055] b.此为异常情况，让报文通过中间实体。[0056] 所述的设置重传定时器包括：[0057] (1)获取缓冲队列的第一包；[0058] (2)若报文空或报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则删除重传定时器，并返回；

[0059] (3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。[0060] 所述的重传定时器的超时处理包括：[0061] (1)获取缓冲队列的第一包；[0062] (2)若报文空或对应的序号，不是“记录的ACK序号”，则返回；[0063] (3)重新发送取出的报文，重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。

[00] 所述的构造ACK报文的处理包括：[0065] (1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号；[0066] (2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号；[0067] (3)周期性地构造ACK报文：

[0068] a.ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出的报文字节数；[0069] b.若“ACK报文应答序号”大于最近的“发送数据报文的序号”，则设置“ACK报文应答序号”为最近的“发送数据报文的序号”；[0070] c.构造ACK报文，其中应答序号为本地实体的“ACK报文应答序号”，报文发往有线网络一侧。

[0071] 与现有技术相比，本发明的实现原理简单，对于无线视频TCP传输的多数场合有效；此外，本发明视频编码器，视频显示中心等终端节点设备完全透明，功能模块部署容易，即可用于层2交换设备，也可用于层3路由设备。附图说明

[0072]

图1是本发明一种优化无线视频TCP传输的方法的示意图。

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CN 101765004 ACN 101765006 A

说 明 书

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具体实施方式

[0073] 以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。[0074] 如图1所示，视频显示中心A，无线设备IB，无线设备IIC(作为无线网络的组成部分)，视频编码器D，视频编码器D将远端的模拟视频信号编码成数字的IP报文，这些IP业务报文通过无线网络传输到无线网络和有线网络的边界设备(这里的无线设备IA)，然后再经过有线网络传到“视频显示中心A”。

[0075] 在高宽带的无线视频监控的应用中，对无线带宽的稳定性提出了很高要求，TCP连接实际的传输带宽的下降，必然影响到视频监控的效果。若传输带宽下降较大，视频的接收方会出现图像的抖动，迟滞，甚至马赛克等现象。本专利采用了创新的方法，提出了一种轻量级的解决方法，无需修改终端设备，可完全解决上述问题。[0076] 在TCP连接经过的中间节点上，安装用于优化TCP性能的模块。该模块首先通过监听TCP建立连接的三次握手交互，建立对应连接的本地实体。然后该实体截取TCP连接中接收者上报的带有ACK标志的报文，并去除报文中ACK标志。该实体构造ACK报文发给TCP连接中的发送方，以控制发送方均匀地发送数据。该实体将缓存发送者的数据报文，针对接收者上报的重复ACK报文，判断出丢失的报文，然后重发这些报文。如果接收者的ACK报文在一定时间内没有收到，该实体将重发自己缓存区的第一个报文，以帮助TCP连接检测错误。

基本流程：

[0078] 接收报文的处理：

[0079] (1)如果接收到的报文不是TCP报文，不做处理。[0080] (2)确定报文方向是“从无线侧来”的，还是从“从有线侧来”[0081] (3)如果报文方向为“从无线侧来”。[0082] a)报文带有TCP标志RST或者FIN：表示实际TCP连接已经结束。查找本地对应的实体，发完缓冲的报文。

[0083] b)报文中带有TCP标志SYN和ACK(同时)：表示由有线侧发起创建了该TCP连接，无线侧进行响应。此时创建本地对应的实体。[0084] c)报文中带有SYN标志：表示由无线侧发起创建了该TCP连接，此时创建本地对应的实体。

[0085] d)报文中带有ACK标志：表示无线侧对接收报文的应答。进入“ACK应答”处理。[0086] (4)如果报文方向为“从有线侧来”。[0087] a)报文中带有标志SYN和ACK(同时)，或者ACK，说明此为有线侧发来的新连接，进入“DATA缓存”处理。

[0088] b)报文中带有标志SYNC，说明此为有线侧发起的新的连接，进入“DATA缓存”处理。

[00] “DATA缓存”的流程：

[0077]

(1)获取到对应TCP连接的本地实体。如果本地实体不存在，则创建对应实体。[0091] (2)如果报文中带有SYN标志，进入“等待连接建立”状态。[0092] (3)否则：

[0090]

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说 明 书

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a)如果报文序号大于“记录的ACK序号”，则缓存报文到本地实体的队列。

b)此为异常情况。让报文通过中间实体。“ACK应答”的处理：

(1)获取TCP连接对应的本地实体。如购本地实体不存在，则不做处理返回。(2)如果该连接由“无线侧发起”，且本地实体等待监听“3次握手中的ACK报文”，

将本地实体状态设置为“建立完成”态。记录ACK序号为“记录的ACK序号”。

[0098] (3)对于其他状态：[0099] a)如果报文中的“ACK序号”小于“记录的ACK序号”，认为是异常情况[0100] b)如果报文中的“ACK序号”大于“记录的ACK序号”，认为数据接收方又收到一些数据包。

[0101] i.清空对应于“记录的ACK序号”和“ACK序号”之间的缓存报文[0102] ii.更新“记录的ACK序号”为“ACK序号”[0103] iii.重新计算RTT[0104] iv.复位重发定时器[0105] c)如果报文中的“ACK序号”等于“记录的ACK序号”，认为这是重复ACK，代表接收方报告了报文丢失。

[0106] i.获取可能的SACK选项[0107] ii.循环缓冲的报文：如果报文在SACK丢失报告中，且现在距该报文发送时间大于2倍连接的RTT时间，则重发报文该报文。[0108] iii.取出缓冲队列中的第一个报文，[0109] 1.该报文序号大于“ACK序号”：转步骤d)[0110] 2.该报文序号不等于“ACK序号”：转步骤d)[0111] 3.如果设置了该重发该报文，转步骤d)

[0112] 4.如果当前时间距离该TCP连接的本地实体发送报文的时间，超过2倍的RTT，则重发该报文。

[0113] 5.如果报文中给出窗口大小发生变化。或者ACK报文中还有数据部分，转步骤d)[0114] 6.丢弃接收到的ACK报文

[0115] d)更新TCP连接使用的窗口大小[0116] e)清除报文中的ACK标志

f)返回

[0118] 设置重传定时器的过程：[0119] (1)获取缓冲队列的第一包

[0120] (2)如果报文空或者报文对应的序号，不是“记录的ACK序号”。那么删除重传定时器。返回。

[0121] (3)修改重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上2倍的RTT时间。[0122] 重传定时器的超时处理：[0123] (1)获取缓冲队列的第一包。[0124] (2)那么报文空或者对应的序号，不是“记录的ACK序号”，返回

[0125] (3)重新发送取出的报文。重传定时器的超时时间为该报文上次的发送时间加上

[0117]

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说 明 书

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2倍的RTT时间。

[0126] 计算RTT的过程：

[0127] (1)在收到应答某报文的ACK时，取出发送该报文的时间。[0128] (2)当前时间减去“发送时间”，得到RTT_now[0129] (3)该TCP连接的RTT值记录为RTT，初始值为0[0130] (4)重新计算RTT，依据当前RTT值和RTT_now的加权平均取值。[0131] 构造ACK报文的处理：

[0132] (1)初始的ACK报文应答序号为：TCP连接建立时发送方的起始序号。[0133] (2)记录接收到TCP接连的发送数据报文的序号。[0134] (3)周期性地构造ACK报文：

[0135] a)ACK报文应答序号＝ACK报文应答序号+依据应答周期和期望速率计算出来的报文字节数。[0136] b)如果“ACK报文应答序号”大于最近的“发送数据报文的序号”，设置“ACK报文应答序号”为最近的“发送数据报文的序号”。[0137] c)构造ACK报文，其中应答序号为本地实体的““ACK报文应答序号”。报文发往有线网络一侧。

[0138] [0139] [0140] [0141] [0142] [0143] [0144] [0145]

TCP(Transmission Control Protocol)：传输控制协议；RTT(Round Trip Time)：往返传输时间；ACK：Acknowledge确认标志；RST：Reset复位标志；FIN：Finish结束标志；SYN：Synchronize同步标志；RLC：Radio Link Control无线链路控制；WCDMA：Wideband Code Division Multiple Access宽带码分多工存取。

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说 明 书 附 图

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图1

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