用于多路径通信的方法和网络设备与流程

1.本发明涉及一种用于从第一网络实体经由多条路径向至少一个目的地网络实体传送至少一个通信服务的数据分组的方法。


背景技术：

2.混合接入网是一种其中结合了两种不同的网络技术(例如将一个xdsl网络与无线网络(诸如lte)相结合)的用于宽带接入网的特殊架构。类似地，3gpp atsss(第3代合作伙伴项目接入话务引导、切换和拆分)是指一种将3gpp和非3gpp接入相结合的架构。接入话务引导是指为新的数据流选择接入网并在所选接入网上传输该数据流的话务的规程，接入话务切换是指以保持数据流的连续性的方式来将正在进行的数据流的所有话务从一个接入网移动到另一接入网的规程，并且接入话务拆分是指跨多个接入网拆分数据流的话务的规程，其中在话务拆分被应用于数据流时，该数据流的一些话务经由一个接入来传输，而相同数据流的一些其他话务经由另一接入来传输。接入话务引导、切换和拆分适用于3gpp与非3gpp接入之间。可连接到不止一个网络的设备也被称为多宿主设备。
3.出于在对等设备之间同时使用多条路径的目的，存在若干种多路径网络协议，如2013年1月在rfc 6824中由ieft标准化的mptcp(多路径传输控制协议)、由p.amer等人在文档“load sharing for the stream control transmission protocol(sctp)(用于流控制传输协议(sctp)的负载共享)，draft-tuexen-tsvwg-sctp-multipath-18，2019年7月22日”中描述的cmt-sctp、以及如由m.amend等人在文档“dccp extensions for multipath operation with multiple addresses(用于具有多个地址的多路径操作的dccp扩展)，draft-amend-tsvwg-multipath-dccp-02，2019年7月8日”中公开的mp-dccp。
4.为了克服tcp和http限制，在2013年发起了所谓的quic协议，其名称“quic”最初提议为“quick udp internet connections(快速udp因特网连接)”的首字母缩写。在这种情况下，早期的努力是所谓的spdy。不发展tcp本身的决定是由于向后兼容的原因以及这种发展的缓慢渗透和部署而做出的。quic通过udp运行，并且承诺性能优于tcp，尽管它模仿了tcp的许多特性，如拥塞控制和可靠的按序交付。然而，当包括流复用和端到端加密时，它扩展了tcp的范围。在2018年做出关于下一http版本http/3将通过quic运行的决定。与其他传输协议一样，quic也需要服务的显式实现和选择。
5.因此，quic协议是一种通用传输层网络协议，其目前处于ietf内的标准化过程中。在j.iyengar等人的因特网草案“quic:a udp-based multiplexed and secure transport(quic：基于udp的经复用和安全传输)，draft-ietf-quic-transport-23，2019年9月12日”中描述了由ietf工作组进行的标准化的当前状态。在下文中，所述因特网草案的内容也被称为当前的quic设计quic的非标准化版本已经在使用，例如，在某些网络浏览器中实现。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于示出可如何使用quic协议来从第一网络实体经由多条路径向
至少一个目的地网络实体传送至少一个通信服务的数据分组的方式。
7.将注意，在本发明的上下文中，除非另有说明，否则术语quic应涵盖具有根据由ietf进行的quic协议的标准化的当前状态的特征的协议或根据quic协议的未来标准的协议。由于本发明提出了quic协议的某些扩展和/或修改，然而，在本发明的上下文中，术语quic不应限于由ietf进行的quic协议的标准化的当前状态，还应涵盖这些扩展和/或修改，特别是关于隧道的建立和mp-quic的采用以及在某些实施例中还关于不可靠数据传输的利用。
8.本发明的核心方面可以看出，在第一网络实体与第二网络实体之间建立了quic隧道，并且对于第一和第二网络实体之间的数据传输，使用多路径quic(mp-quic)协议。本发明的优选方面进一步在于利用第一网络实体与第二网络实体之间的不可靠数据传输。
9.附图的简要说明
10.附图中示出：
11.图1示出了解说本发明所解决的问题的非工作通信系统的示意图，
12.图2示出了本发明通信系统的优选实施例的示意图，以及
13.图3示出了用于混合接入的参考拓扑的示意图。
具体实施方式
14.在图1中，示出了非工作系统架构以用于解说例如在混合接入网中或在3gpp atsss的上下文中在应当经由多条路径利用quic协议时遇到的问题。在图1中所示的仅理论上的非工作通信系统10’中，用户装备100'经由lte网络310和xdsl网络320同时连接到转换器服务器200'。用户装备100'可以是混合客户端装备路由器，并且转换器200'可以是通信提供商的服务器中的混合聚集网关。
15.由于quic和tcp在传输特性方面有很多相似之处，因此可以使用mp-tcp协议的经验并将其转移到mp-quic协议。与mp-tcp相当的mp-quic协议可以在多条路径上拆分quic连接，并且依赖于quic的可靠的按序交付。
16.在系统10'中，指示在用户装备100'上运行的数目为n个应用的应用110'、120'、130'和140'将使用此类mp-quic协议来经由多条路径(即，经由网络310和320)向转换器200'传送数据分组。转换器200'随后将所接收到的数据分组经由因特网400转发到相应的目的地应用510'、520'、530'和540'，这些目的地应用510'、520'、530'和540'指示使用quic协议并且可能正在各种设备或服务器上运行的数目为n个目的地应用。
17.然而，与mp-tcp相当的mp-quic协议由于其固有的端到端加密而只能端到端工作并且不能容忍拦截。因此，无法实现将mp-quic协议转换为quic协议所需的代理250'，并且因此图1中所示的通信系统10'是非工作系统，其解说了在尝试经由多条路径来利用quic协议时遇到的一般问题。作为结果，纳入到混合接入或3gpp atsss中以用于运营商控制的话务管理在quic或mp-quic协议级别上不起作用。
18.在图2中，示出了本发明通信系统10的优选实施例的示意图，其中解决了上述问题。
19.通信系统10包括用户装备100，其中在数目为n个应用中，通信服务正在运行，这些通信服务分别生成要传送到相应目的地网络实体的数据分组。数据分组是基于取决于相应
的通信服务而选择的通信协议来生成的。在图2中所示的实施例中，第一应用110正在生成quic数据分组，第二应用120正在生成udp数据分组，第三应用130正在生成ip数据分组，第n应用140正在生成tcp数据分组。在所示的实施例中，来自不同应用的不同数据分组被路由到虚拟网络接口vnif 150，该虚拟网络接口vnif 150可以在混合客户端装备路由器中实现。应用110、120、130和140可能正在所述路由器上或在连接到该路由器的任何一种终端设备上运行，其中此类终端设备可以是移动电话、个人计算机、平板pc、智能电视机等。
20.在所示的实施例中，虚拟网络接口150被连接到转换器200中的虚拟网络接口250，其中所述转换器200优选地是通信提供商的服务器中的混合聚集网关。混合用户装备100和混合转换器200经由至少两个不同的网络同时连接，从而实现经由多条路径的数据传输。在所示的实施例中，虚拟网络接口150经由lte网络310和xdsl网络320连接到虚拟网络接口250。将注意，也可以利用其他类型的网络，其中在此类情形中，用户装备100和转换器200随后被提供有适于经由所述其他类型的网络进行通信的相应的网络接口。
21.本发明提出在第一网络实体与第二网络实体之间建立quic隧道，其中在图2中所示的实施例中，第一网络实体为用户装备100，而第二网络实体为转换器200，并且quic隧道被建立在虚拟网络接口150与虚拟网络接口250之间。建立quic隧道意指在quic协议的基础上使用隧道协议来建立连接。
22.tcp通常被用作隧道协议。quic可以类似地被用作隧道协议，其允许隧道服务保持quic的益处，而不会使性能和安全特性降级。
23.隧道协议是一种允许通过被称为封装的过程将数据从一个网络实体传输到另一网络实体的通信协议。由于quic隧道涉及由于使用quic协议而将话务数据重新打包成以加密为标准的不同形式，因而它可以隐藏通过隧道的话务的性质。隧道协议通过使用分组的数据部分(即，有效载荷)携带实际上提供服务的分组来工作。隧道使用分层协议模型(诸如osi或tcp/ip协议套件的那些模型)，但在使用有效载荷来携带通常不由网络提供的服务时，通常会违反分层。通常，递送协议在分层模型中以与有效载荷协议相同或比有效载荷协议更高的级别来操作。
24.两个具有多路径能力的实体(诸如实体100和200)之间的quic隧道通常可以从层2向上传输任何网络话务。在图2中所示的实施例中，封装成quic分组的数据分组示例性地包括来自应用110的quic数据分组、来自应用120的udp数据分组、来自应用130的ip数据分组和来自应用140的tcp数据分组。
25.本发明进一步提出，两个quic隧道终止点(在图2中所示的实施例中为虚拟网络接口150和250)采用mp-quic协议，以使得quic隧道本身分布在多条路径上。
26.quic的当前设计不能使多宿主或混合接入设备同时高效地使用不同的路径。因此，为了在quic隧道内利用mp-quic协议，本发明提出了当前quic协议的相应扩展。
27.通常，路径由4元组定义，包括源ip地址、源端口号、目的地ip地址和目的地端口号。quic路径是因主机而异的，即，从a到b的路径不同于从b到a的路径，这使得单向网络(诸如卫星)的使用在使用tcp时不适用。
28.此外，quic在连接的寿命期间并不绑定到特定的4元组。quic连接由放置在每个quic分组的公共报头中的连接id来标识。这使得主机能够继续连接，即使4元组发生变化。这种将连接从一个4元组转移到另一4元组的能力被称为连接迁移。因此，quic对等点可以
在被标示为初始路径的给定路径上开始，并且在另一条路径上结束。然而，当前的quic设计假设仅一个对称路径被用于给定连接。
29.在下文中，示例性地描述了在第一网络实体与第二网络实体之间的多路径quic连接的可能建立。多路径quic连接可以像常规quic连接一样开始，其中握手根据当前的quic设计进行。在该握手期间，可以在各网络实体之间(在如图2中所示的实施例中，利用虚拟网络接口150和250在用户装备100与转换器200之间)协商多路径能力。为此目的，在各网络实体之间传送指示相应网络实体用于多路径传输的能力的相应参数。例如，该参数可以指示可由相应网络实体同时支持的路径的数目。还可以构想，没有所传送的参数或值为0的参数指示不支持多路径传输，而任何其他参数值指示支持多路径传输。
30.已建立的多路径quic连接包括至少两条路径，其中每条路径与不同的四元组相关联并且由路径id标识，其中相应的路径id在各网络实体之间被协商。作为对当前quic设计的扩展，路径id在所有或至少在某些quic分组中被传送，其中路径id可被放置在相应quic分组的公共报头中。
31.因此，本发明的核心方面可以在用于第一和第二网络实体之间的数据传输的quic隧道和mp-quic协议的使用的组合中看到，其中第一网络实体特别是用户设备(诸如具有用于分别连接到不同网络的两个网络接口的混合接入路由器或智能电话)，并且其中第二网络实体特别是通信提供商的核心网中的服务器(诸如混合聚集网关)。
32.再次参考图2，使用如上所述的ip兼容多路径框架的服务基于quic隧道中的quic封装来通过虚拟网络接口150发送其有效载荷。由应用110、120、130和140提供的所示的示例性服务生成不同类型的数据分组，例如，ip分组、udp数据报、quic段、tcp段或以太网帧。虚拟网络接口150和250中的每一者取决于话务传输的方向而充当ip兼容多路径框架的入口或出口点。在进入虚拟网络接口150或250中的相应一者之后，有效载荷被封装到quic隧道中。在下一步中，mp-quic接管传输控制并决定在潜在路径束中的哪条路径上发送所封装的有效载荷。在接收方侧，分组由mp-quic栈接收。当分组被释放并且mp-quic被剥离，即，封装被移除时，所捎带的有效载荷离开接收方侧的相应虚拟网络接口，并准备经由因特网400转发到原始服务端点510、520、530或540中的相应一者。
33.如上所述，在quic隧道内，各种类型的数据分组可以被封装并作为有效载荷来传送，其中可以使用可靠传输在通信端点之间传送某些类型的数据分组，如例如在应用140与应用540之间传送的tcp数据分组。
34.传输控制协议或简称tcp旨在提供一种用于在两个端点之间可靠地发送数据流的接口，其中数据被交给tcp系统，其确保数据以完全相同的形式到达另一端，或连接将指示存在错误状况。为此，tcp将数据分解为网络分组，并向每个分组添加少量数据。该附加数据包括用于检测丢失的或乱序传送的分组的序列号、以及允许检测到分组数据内的错误的校验和。当任一问题发生时，tcp使用自动重复请求(arq)来告诉发送方重新发送丢失的或损坏的分组。在大多数实现中，tcp将连接上的任何错误视为阻塞操作，从而停止进一步的传输，直到错误得到解决或连接被视为失败。如果单个连接被用于发送多个数据流，如同在http/2协议中的情形一样，则所有这些流都会被阻塞，尽管其中只有一个流可能有问题。这种现象被称为行头阻塞。
35.quic旨在几乎等同于tcp连接，但等待时间更低。quic将udp用作其基础，其不包括
丢失恢复。相反，对每个quic流单独地进行流控制，并且在quic级别而不是udp级别重传丢失的数据。这意味着如果在一个流中发生错误，则协议栈可以继续独立地为其他流提供服务。然而，对于有错误的一个流，仍然会发生行头阻塞。
36.为了确保quic隧道在干扰的情形中不发生行头阻塞，优选地在quic内应用放宽其可靠传输的机制。
37.此外，如果采用可靠传输并相应地在数据分组的错误或重新排序的情形中执行重传的协议(诸如tcp)的数据分组被封装在quic隧道内，则也在quic隧道内利用同时地重传和重新排序捎带的tcp分组和底层quic分组来执行可靠传输时可能出现冲突。此类冲突可能导致等待时间显著增加和/或吞吐量减小。
38.因此，在本发明的优选实施例中，在第一和第二网络实体100和200之间不可靠地传送快速用户数据报协议因特网连接分组或quic分组。为此目的，优选地，从第一网络实体向第二网络实体传送指示quic隧道内的非可靠传输的信息，其中该信息可以根据当前的quic设计在握手中被传送。作为响应，快速用户数据报协议因特网连接分组或quic分组不可靠地(即，在分组丢失的情形中没有重传且没有重新排序的情况下)被传送。
39.不可靠的数据传输由于其优选地被提议用于quic隧道内的数据传输而是当前quic设计的另一扩展。为此目的，优选地，不同的或附加的帧类型可以由quic分组内的参数来定义和指示。
40.然而，多条路径的显著不同的传输特性可能导致经封装数据分组的大量加扰，这可能导致利用可靠传输(例如，tcp数据分组的可靠传输)的通信服务出现问题。因此，在优选实施例中，将所提取的数据分组从第二网络实体(例如，转换器200)转发到相应的目的地网络实体(例如，网络实体510、520、530或540)取决于排序信息而按序执行，该排序信息被包括在经封装数据分组(诸如tcp数据分组)、和/或快速用户数据报协议因特网连接分组或quic分组中。
41.换言之，优选地执行某个重新排序，然而这通常不是完整的重新排序，其中特别是容忍分组丢失并且因此不执行重传。
42.在优选实施例中，所接收到的数据分组在第二网络实体中的重新排序队列中排队以用于转发，并且其中重新排序队列中的数据分组根据预定义的重新排序准则来重新排序，并且其中在重新排序中跳过从第一网络实体经由隧道传送到第二网络实体的传输中丢失的数据分组。此外，诸机制可被用于如ep 3 531637a1中所描述的重新排序。
43.如由当前quic设计所定义的拥塞控制方案不适用于经由多条路径的数据传输。因此，优选地不使用这种拥塞控制方案。
44.对于quic隧道内的mp-quic数据传输，可以利用如rfc 6356中指定的lia拥塞控制方案，其也由多路径tcp使用。
45.在优选实施例中，可以从作为有效载荷在第一和/或第二网络实体中的quic隧道内传输的数据分组中提取拥塞控制信息，其中特别是所述提取的拥塞控制信息被用于适应第一网络实体与第二网络实体之间的quic隧道的拥塞控制。
46.在本发明的进一步优选实施例中，可用于从第一网络实体向第二网络实体传送数据的至少一条传输路径的最大传输单元被确定，并且快速用户数据报协议因特网连接分组的数据大小是取决于所确定的最大传输单元来选择的。
47.总而言之，本发明优选地组合用于形成如图2中所描绘的能够在多条路径上传输ip分组、udp数据报和quic段的ip兼容多路径框架的三种技术，其中所述技术是
48.使用quic隧道的quic封装，
49.在quic隧道内采用多路径quic，以及
50.quic隧道内有效载荷的不可靠传输。
51.所有这些技术都是当前quic设计的扩展和/或修改。
52.如以上所描述的，用于保证对通过quic隧道的所捎带的有效载荷的高效处理的附加特征可能是接收方侧上用于使有效载荷以与其最初相同或几乎相同的顺序排列的重组单元。重组单元可被放置在quic或mp-quic内，也可以作为外部实体放置，只要某个排序信息可用。
53.作为附加特征，当新路径加入mp-quic会话时，可能采用路径最大传输单元(pmtu)探测，以确保与虚拟网络接口最大传输单元(vnif mtu)没有不匹配并且避免碎片化。在pmtu低于vnif mtu与封装开销的差异的情形中，优选地适配vnif mtu。
54.作为用于避免quic隧道的性能降级的另一附加特征，可以采用与所捎带的有效载荷的潜在内部拥塞控制的一些交互，如以上所描述的，其中所捎带的有效载荷的拥塞控制参数可以仅出于监视目的而被测量，而不在此基础上执行quic隧道的拥塞控制。
55.图3示出了用于混合接入(ha)的参考拓扑600。参考拓扑600解说了具有客户网络611和带有混合接入客户端612的家庭网关的家庭网络区域110、具有各种各样运营商网络620、621、622、623、624、625的集成式运营商网络620、以及具有因特网631的因特网区域630。在运营商网络621、622、623、624、625、626处，实现混合接入算法和协议627以将混合接入客户端612与混合接入服务器628连接以用于与因特网631的连接。如图3中所示的参考拓扑600是其中可采用本发明的系统的示例，其中在图3中，如以上所描述的第一网络实体是混合接入客户端612，而第二网络实体是混合接入服务器628。
56.以下概述了至少一些优选方面。在下文中，术语“用户数据报协议因特网连接分组”是指如以上所描述的quic分组，其格式基于如本文所描述的由本发明提议的相应扩展和/或修改来扩展和/或修改的当前quic设计。
57.根据一个方面，提供了一种用于从第一网络实体向至少一个目的地网络实体传送至少一个通信服务的数据分组的方法，该方法包括以下步骤：在第一网络实体与第二网络实体之间建立快速用户数据报协议因特网连接隧道；从第一网络实体经由所述隧道向第二网络实体传送数据分组，其中数据分组被封装在快速用户数据报协议因特网连接分组内，并且其中快速用户数据报协议因特网连接分组是从第一网络实体经由多条路径传送到第二网络实体的；在第二网络实体中从所接收到的快速用户数据报协议因特网连接分组中提取数据分组；以及将所提取的数据分组从第二网络实体转发到相应的目的地网络实体。
58.在该方法的优选实施例中，从第一网络实体向第二网络实体传送指示快速用户数据报协议因特网连接隧道内的非可靠传输的信息，其中作为响应，快速用户数据报协议因特网连接分组被非可靠地传送。
59.优选地，数据分组和/或快速用户数据报协议因特网连接分组包括排序信息，其中将所提取的数据分组从第二网络实体转发到相应的目的地网络实体取决于所述排序信息而按序执行。
60.优选地，为了转发，所接收到的数据分组在第二网络实体中的重新排序队列中排队，并且其中重新排序队列中的数据分组根据预定义的重新排序准则来重新排序，并且其中在重新排序中跳过从第一网络实体到第二网络实体的传输中丢失的数据分组。
61.快速用户数据报协议因特网连接隧道优选地建立在第一网络实体中的第一虚拟网络接口与第二网络实体中的第二虚拟网络接口之间。虚拟网络接口本身是已知的，其中虚拟网络接口的使用允许在相应网络实体中进行简单路由。
62.优选地，源自不同通信服务的数据分组被封装在相同的快速用户数据报协议因特网连接分组中。
63.该方法优选地包括以下步骤：确定可用于从第一网络实体向第二网络实体传送数据分组的至少一条传输路径的最大传输单元；以及取决于所确定的最大传输单元来选择快速用户数据报协议因特网连接分组的数据大小。
64.此外，该方法优选地包括以下步骤：在第一和/或第二网络实体中从数据分组中提取拥塞控制信息，其中特别是所述提取的拥塞控制信息被用于适配第一网络实体与第二网络实体之间的快速用户数据报协议因特网连接隧道的拥塞控制。
65.根据另一方面，提供了一种网络设备，其包括至少两个网络接口，该网络设备适用于使用所述至少两个网络接口的多路径通信，其中该网络设备进一步适用于建立到另外的网络设备的快速用户数据报协议因特网连接隧道，所述另外的网络设备适用于多路径通信，其中该网络设备适用于经由所述隧道来向该另外的网络设备传送数据分组，所述数据分组被封装在快速用户数据报协议因特网连接分组内，其中该快速用户数据报协议因特网连接分组是经由多条路径传送的；从所接收到的快速用户数据报协议因特网连接分组中提取数据分组；以及将所提取的数据分组转发到相应的目的地。
66.网络设备优选地是混合客户端装备路由器、混合聚集网关或移动通信设备。
67.在进一步方面，提供了一种通信系统，其包括至少两个如以上所描述的网络设备，特别是用户装备和通信提供商的服务器的组合。