1.工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述系统部署于构成数据传输路径的发送端设备与接收端设备之上,所述优化系统包括:设置于所述发送端设备的发送端优化处理单元(1),其用于在检测到数据包丢失事件时,基于预先获取的网络传输动态特征,对所述数据包丢失事件的成因进行诊断,并依据诊断结论自适应地在至少两种不同的拥塞控制模式之间进行切换并执行相应的控制策略;所述发送端优化处理单元(1)内部集成包括:实时信道状态推断模块(3),其构成为一嵌入内核协议栈的逻辑处理单元,用于持续监测并分析数据包往返时延的动态特征,并在检测到丢包事件时,输出关于该丢包事件是“拥塞性丢包”还是“非拥塞性丢包”的诊断结论;
所述实时信道状态推断模块(3)包括:
时延基准参数计算子模块(7),其用于依据实时接收的往返时延样本值,采用指数加权移动平均算法持续更新一个平滑往返时延和一个时延方差;
时延动态特征分析子模块(8),其用于基于包含过去N个往返时延样本值的时间序列数据队列,计算所述时间序列数据队列内往返时延序列的一阶导数,即时延梯度;
丢包成因诊断子模块(9),其在检测到丢包事件时被激活,并读取在所述丢包事件发生前的时延梯度与时延方差,该丢包成因诊断子模块(9)内置一组诊断判据,用于依据所述时延梯度和时延方差的值与预设阈值的比较结果,判定丢包事件为“拥塞性丢包”或“非拥塞性丢包”双模拥塞控制引擎模块(4),其作为一种拥塞控制器,具备至少两种运行状态,分别为拥塞规避状态和信道波动适应状态,所述双模拥塞控制引擎模块(4)根据所述实时信道状态推断模块(3)输出的诊断结论,在所述拥塞规避状态与信道波动适应状态之间进行切换;
自适应数据分片与应答请求模块(5),其功能与所述双模拥塞控制引擎模块(4)的当前运行状态相耦合,用于在所述双模拥塞控制引擎模块(4)切换至信道波动适应状态时,执行调整数据报文段尺寸以及向接收端请求即时应答的协同操作;
设置于所述接收端设备的接收端优化处理单元(2),其用于响应所述发送端优化处理单元(1)在特定拥塞控制模式下发送的协同指令,并相应地调整其确认应答的生成策略,以配合所述发送端优化处理单元(1)的控制策略。
2.根据权利要求1所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述丢包成因诊断子模块(9)内置的所述诊断判据的逻辑具体为:若在丢包事件发生前,所述时延梯度的绝对值大于一个预设的第一梯度阈值,同时所述时延方差大于一个预设的第一方差阈值,则判定该丢包事件为“拥塞性丢包”;
反之,若所述时延梯度的绝对值小于一个预设的第二梯度阈值,且所述时延方差小于一个预设的第二方差阈值,则判定该丢包事件为“非拥塞性丢包”;
其中,所述第一梯度阈值与第一方差阈值的值,被动态地设定为当前平滑往返时延乘以一个第一倍数因子α;并且,所述第二梯度阈值与第二方差阈值的值,被动态地设定为当前平滑往返时延乘以一个第二倍数因子β,其中所述第一倍数因子α的取值范围为[0.5,1.5],所述第二倍数因子β的取值范围为[0.1,0.4],且α>β。
3.根据权利要求1所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述双模拥塞控制引擎模块(4)的状态转移与控制逻辑具体为:当所述实时信道状态推断模块(3)报告发生“拥塞性丢包”时,所述引擎维持或进入拥塞规避状态,并执行标准的拥塞控制响应,该响应包括将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口大小的一半,并将拥塞窗口重置为一个最大报文段长度;
当所述实时信道状态推断模块(3)报告发生“非拥塞性丢包”时,所述引擎从拥塞规避状态切换至信道波动适应状态,并执行一种非惩罚性的窗口调整策略。
4.根据权利要求3所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述引擎在信道波动适应状态下执行的所述非惩罚性的窗口调整策略具体为:保持当前的慢启动阈值不变;
将拥塞窗口减少一个预设的、小于其当前值的固定数量;
在成功重传并收到确认后,以一种受控的速率恢复拥塞窗口;
并且,所述引擎在满足预设的退出条件时,从信道波动适应状态自动返回至拥塞规避状态,所述退出条件包括:在信道波动适应状态下连续成功重传并收到确认的数据包数量达到一个预设值,或者在信道波动适应状态下停留的时间超过一个最大时长。
5.根据权利要求1所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述自适应数据分片与应答请求模块(5)的具体功能实现为:当所述双模拥塞控制引擎模块(4)切换至信道波动适应状态时,所述自适应数据分片与应答请求模块(5)内部的动态报文段长度调整子模块(10)被激活,并将发送端所使用的最大报文段长度值临时性地减小一个特定的比例因子;
所述自适应数据分片与应答请求模块(5)内部的定制化TCP选项生成与解析子模块(11)被激活,在所有从发送端发出的TCP数据包头部中,插入一种预定义的定制化TCP选项,并设置该选项中的一个特定标志位,以向接收端请求即时应答。
6.根据权利要求5所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统,其特征在于,所述接收端优化处理单元(2)内部集成有增强型应答生成模块(6);所述增强型应答生成模块(6)的具体功能实现为:在常规情况下,遵循标准的延迟应答策略进行应答;
当其检测到接收到的TCP数据包中包含了所述定制化TCP选项,并且其中的请求即时应答标志位被设置时,则改变应答行为模式,对每一个成功接收的、带有该标志位的数据包都立刻生成并发送一个独立的确认应答。
7.一种工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化方法,该优化方法适用于权利要求1-6中任意一项所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化系统;该优化方法包括以下步骤:S1:在数据传输过程中,由部署于发送端设备的发送端优化处理单元(1)持续监测网络传输动态特征,所述动态特征至少包括数据包的往返时延及其统计衍生值;
S2:当所述发送端优化处理单元(1)检测到数据包丢失事件时,调用其内部的实时信道状态推断模块(3),依据在丢包事件发生前所记录的所述网络传输动态特征,对该丢包事件的成因进行诊断,并输出诊断结论为“拥塞性丢包”或“非拥塞性丢包”;
S3:所述发送端优化处理单元(1)依据所述诊断结论执行差异化的响应:若诊断结论为“拥塞性丢包”,则执行严厉的拥塞控制措施,该措施包括大幅削减拥塞窗口;若诊断结论为“非拥塞性丢包”,则执行一系列协同的优化动作,该优化动作包括:切换至一种旨在适应信道波动的控制状态,对拥塞窗口执行温和的、非惩罚性的削减,临时性地减小发送数据包的最大报文段长度,并在后续发出的数据包中携带请求即时应答的信令;
S4:由部署于接收端设备的接收端优化处理单元(2)在接收到带有请求即时应答信令的数据包后,暂停标准的延迟应答策略,转而为每一个成功接收的此类数据包发送即时的确认应答,以协同发送端进行快速恢复。
8.根据权利要求7所述的工业物联网基于TCP的数据传输低延迟协议优化方法,其特征在于,所述S2中对丢包成因进行诊断的过程进一步包括:在丢包事件发生前,持续计算并更新网络的平滑往返时延、时延方差以及时延梯度;
在丢包事件发生时,比较当前的时延梯度的绝对值和时延方差与一组动态阈值;
其中,所述动态阈值是根据当前的平滑往返时延动态设定的;
若所述时延梯度绝对值和时延方差均大于各自对应的阈值,则判定为“拥塞性丢包”,触发所述严厉的拥塞控制措施;否则,判定为“非拥塞性丢包”,触发所述一系列协同的优化动作。