多路徑并行傳輸中傳輸路徑選擇策略

劉杰民 白雪松 王興偉

①(東北大學(xué)秦皇島分校電子信息系 秦皇島 066004)

②(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110004)

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)發(fā)展，諸如Wifi、WiMax、CDMA和3G等接入方式種類(lèi)亦不斷增多。目前筆記本電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備大多具有了兩種或更多的接入方式。同時(shí)，伴隨大規(guī)模實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的不斷增加，用戶(hù)期望互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)能夠提供更高的帶寬。如何合理利用多種接入方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互正得到廣泛關(guān)注[1-4]。在此背景下，多路徑并行傳輸(Concurrent Multipath Transfer, CMT)已逐漸成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)[5-10]，并嘗試其在互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用層、傳輸層和鏈路層的實(shí)現(xiàn)。

目前關(guān)于多路徑并行傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)研究主要集中在傳輸層，在傳輸層中，實(shí)現(xiàn)端到端多路徑傳輸主要有基于傳輸控制協(xié)議(TCP)的實(shí)現(xiàn)和基于流控制傳輸協(xié)議(SCTP)的實(shí)現(xiàn)。管道傳輸控制協(xié)議(pTCP)[11]通過(guò)建立多個(gè)接口上的 TCP“管道”來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路徑并行傳輸，實(shí)現(xiàn)帶寬聚合。多接口傳輸控制協(xié)議(M/TCP)[12]通過(guò)在內(nèi)核中建立多個(gè)接口的TCP連接來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路徑并行傳輸，并利用新的 TCP選項(xiàng)管理不同接口 TCP的連通性，魯棒的 ACK機(jī)制保證其可靠性。多路傳輸控制協(xié)議(mTCP)[13]的實(shí)現(xiàn)與 M/TCP類(lèi)似，但其加入了共享?yè)砣麢z測(cè)機(jī)制。上述種種多路徑并行傳輸均對(duì)路徑差異性考慮不足，僅僅依賴(lài)于TCP的滑動(dòng)窗口機(jī)制，忽視了數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度算法的重要性，無(wú)法適應(yīng)路徑差異大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?？煽慷嗦穫鬏攨f(xié)議(R-MTP)[14]通過(guò)帶寬估計(jì)調(diào)度數(shù)據(jù)分組在多個(gè)接口的分發(fā)比例，達(dá)到帶寬聚合的目的，但其發(fā)送速率易受帶寬估計(jì)的影響。多路徑傳輸控制協(xié)議(MPTCP)[15]是最近一個(gè)活躍的關(guān)于端到端多路徑并行傳輸?shù)囊粋€(gè)分支，但因其對(duì)TCP的分組格式做了大量修改，尤其是多個(gè)選項(xiàng)的添加使其難以穿越現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的防火墻設(shè)備。由于SCTP對(duì)多宿地址的支持，很多端到端多路徑并行傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案也采用SCTP。負(fù)載共享的流控制傳輸協(xié)議(LS-SCTP)[16]通過(guò)修改SCTP發(fā)送機(jī)制，使得SCTP能夠同時(shí)在多條路徑上并行傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。同時(shí)多路徑傳輸?shù)牧骺刂苽鬏攨f(xié)議(cmpSCTP)[l7]引入了路徑序列號(hào)和修改的 SACK，完善了 LS-SCTP的設(shè)計(jì)。但二者都皆對(duì)已有分組格式做了大量修改，后向兼容性不強(qiáng)。韋斯特伍德(Westwood)-部分可靠的流控制傳輸協(xié)議(W-SCTP-PR)[18]通過(guò)動(dòng)態(tài)估計(jì)路徑帶寬，基于帶寬在各路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了PR-SCTP多路徑并行傳輸，但其在與TCP共存時(shí)帶寬容易被擠占。同時(shí)多路傳輸?shù)牧骺刂苽鬏攨f(xié)議(CMT-SCTP)[l9]在盡量不改變標(biāo)準(zhǔn)SCTP分組格式的基礎(chǔ)上修改了SCTP基于路徑的擁塞控制算法和多種重傳算法，實(shí)現(xiàn)SCTP在多個(gè)接口的并行傳輸，但其只是簡(jiǎn)單在路徑間進(jìn)行輪詢(xún)(round-robin)調(diào)度發(fā)送，沒(méi)有考慮多路徑間的特性差異，而是端到端的全部路徑均參與數(shù)據(jù)傳輸。

本文從傳輸路徑的特性參數(shù)入手，提出了路徑平均吞吐量和延遲與丟包率的擬合函數(shù)即路徑權(quán)值的計(jì)算方法，基于此，設(shè)計(jì)了一種多路徑并行傳輸中基于路徑權(quán)值的路徑選擇策略——CMT-PW，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了路徑權(quán)值計(jì)算方法的合理性及該路徑選擇策略對(duì)提高傳輸性能的有效性。

2 問(wèn)題的提出

多路徑并行傳輸?shù)年P(guān)聯(lián)中每一路徑均有獨(dú)立的發(fā)送緩存，各路徑共享接收端緩存，且每一路徑均擁有獨(dú)立的路徑特征值，如帶寬、延遲、丟包率、往返時(shí)延(RTT)、重傳超時(shí)(RTO)、路徑狀態(tài)(活動(dòng)或非活動(dòng))、及用于端到端擁塞控制的擁塞窗口(Cwnd)和慢啟動(dòng)閾值(ssthresh)等，其中帶寬、延遲和丟包率是影響多路徑并行傳輸吞吐量的關(guān)鍵指標(biāo)，而在帶寬一定的情況下，路徑的延遲和丟包率是動(dòng)態(tài)變化的，故路徑的平均吞吐量必然和路徑的延遲和丟包率相關(guān)聯(lián)。目前多路徑并行傳輸中傳輸路徑使用策略是關(guān)聯(lián)中處于活動(dòng)狀態(tài)的全部路徑均參與數(shù)據(jù)的傳輸以提高關(guān)聯(lián)整體的吞吐量，該策略考慮到每條路徑均有自己獨(dú)立的帶寬，全部路徑參與數(shù)據(jù)的傳輸勢(shì)必提高關(guān)聯(lián)的整體帶寬，但忽略了路徑延遲和丟包率對(duì)傳輸?shù)挠绊?。通過(guò)本文大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果關(guān)聯(lián)中質(zhì)量差的路徑(它們具有一定的帶寬，但延遲和丟包率較大)參與數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)關(guān)聯(lián)整體吞吐量的提高不僅沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，反而會(huì)導(dǎo)致關(guān)聯(lián)整體吞吐量的下降，故參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂奖仨氂兴x擇。

2.1 仿真模型

模擬實(shí)驗(yàn)使用特拉華大學(xué)的SCTP協(xié)議模塊作為NS模擬器[20]，這個(gè)協(xié)議模塊經(jīng)過(guò)修改已融合了多路徑并行傳輸?shù)墓δ?，仿真拓?fù)淙鐖D1所示，其中主機(jī)A為4個(gè)IP的多宿發(fā)送端，主機(jī)B為4個(gè)IP的多宿接收端，主機(jī)A和主機(jī)B之間的關(guān)聯(lián)由4條路徑組成，分別為路徑1、路徑2、路徑3和路徑4，各路徑的帶寬均為10 Mbps，路徑1、路徑2、路徑3的延遲和丟包率相當(dāng)，其中路徑4的延遲為100 ms，丟包率為6%。上述路徑的延遲和丟包率的選取在目前實(shí)際Internet合理值范圍內(nèi)(40～1040 ms)，各路徑共享接收緩存，這里設(shè)接收緩存為64 kByte，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生重傳時(shí)，多路徑并行傳輸使用RTX_LOSSRATE重傳策略，并使用多路徑并行傳輸?shù)幕A(chǔ)算法[6,7](如CMT-PF算法，SFR算法，CUC算法和DLC算法)。

圖1 多路徑并行傳輸?shù)姆抡嫱負(fù)?/p>

2.2 結(jié)果分析

圖2表明，在關(guān)聯(lián)建立后，從不同數(shù)量路徑的并行傳輸?shù)耐掏铝靠芍?條路徑并行傳輸時(shí)性能最差，而3條路徑并行傳輸時(shí)性能最好，再次表明高質(zhì)量路徑同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其吞吐量高于全部路徑(其中包括質(zhì)量差的路徑)并行傳輸?shù)耐掏铝浚嗉串?dāng)關(guān)聯(lián)中路徑的質(zhì)量存在較大差異時(shí)，部分路徑的并行傳輸?shù)耐掏铝績(jī)?yōu)于全部路徑并行傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

如何將路徑的平均吞吐量和路徑的丟包率與延遲建立關(guān)聯(lián)，依據(jù)路徑丟包率與延遲提前預(yù)知不同路徑的平均吞吐量，并據(jù)此進(jìn)行傳輸路徑選擇，下面給出具體的設(shè)計(jì)。

圖2 不同路徑組合的并行傳輸吞吐量比較

3 CMT-PW的設(shè)計(jì)

3.1 路徑權(quán)值

定義1路徑權(quán)值(Path Weight, PW)為路徑的平均吞吐量，每條路徑均有獨(dú)立的路徑權(quán)值。該值是建立在現(xiàn)有路徑特征值丟包率和延遲上的一個(gè)新的特征值。

定義 2路徑平均吞吐量擬合函數(shù)即為路徑平均吞吐量和路徑的丟包率與延遲的關(guān)聯(lián)函數(shù)。不同丟包率時(shí)延遲在一定范圍內(nèi)變化的路徑平均吞吐量擬合函數(shù)不同。

為分析不同丟包率不同延遲對(duì)多路徑并行傳輸性能的影響，選取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中路徑上的帶寬為10 Mbps，丟包率為1% ～10%，對(duì)路徑上的延遲進(jìn)行階段性的測(cè)試，因?yàn)檠舆t較小時(shí)，對(duì)路徑的影響比較明顯，所以延遲從10～100 ms之間取值相對(duì)較密，而延遲超過(guò)100 ms之后，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)路徑的性能的影響程度也相對(duì)減輕，所以取值相對(duì)較稀疏，分別選取150 ms、200 ms、250 ms和300 ms。

圖3 測(cè)試不同丟包率不同延遲對(duì)CMT平均吞吐量影響的仿真拓?fù)?/p>

通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，最后得出路徑在不同丟包率不同延遲時(shí)路徑的平均吞吐量的關(guān)系為

3.2 CMT-PW的算法

為實(shí)現(xiàn)CMT-PW，增加變量如下：

(1)對(duì)關(guān)聯(lián)中的路徑在SctpDest_S結(jié)構(gòu)中增加路徑權(quán)值變量。

(2)在關(guān)聯(lián)SCTPCMTAgent類(lèi)中增加了 3個(gè)變量和一個(gè)函數(shù)。

CMT-PW的算法步驟如下：

步驟 1 處理接收到的確認(rèn)塊，計(jì)算各個(gè)路徑上的權(quán)值。如果路徑上的權(quán)值大于當(dāng)前傳輸路徑的最小值，則把該路徑傳輸狀態(tài)改為傳輸狀態(tài)，否則到步驟2。

步驟 2 分析關(guān)聯(lián)的uiPeerRwnd(接收端窗口大小)，同時(shí)計(jì)算 10 s內(nèi)發(fā)生接收緩存阻塞的次數(shù)BlockTimes。

步驟 3 如果關(guān)聯(lián)傳輸在 10 s內(nèi)接收緩存阻塞記數(shù)超過(guò)5，即BlockTimes＞5，則調(diào)用相關(guān)函數(shù)，尋找關(guān)聯(lián)中正在傳輸數(shù)據(jù)的路徑集合中路徑權(quán)值最小的路徑，并將其從傳輸路徑集合中刪除，并將路徑接收阻塞記數(shù)置為0(即BlockTimes = 0)。

步驟 4 檢驗(yàn)接收緩存是否還有確認(rèn)塊，沒(méi)有則結(jié)束，有則返回步驟1。

3.3 CMT-PW的仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

CMT-PW方案的性能驗(yàn)證仍使用圖1的仿真模型。

由圖4(a)可知，在實(shí)驗(yàn)所選定的120 s的傳輸過(guò)程中，CMT-PW比3條路徑同時(shí)傳輸?shù)耐掏铝看蠹s高出51.5%，比4條路徑同時(shí)傳輸?shù)耐掏铝看蠹s高出11.5%。

圖4 不同方案的多路徑并行傳輸吞吐量比較

由以上的分析和實(shí)驗(yàn)可知，CMT-PW策略能夠?qū)崿F(xiàn)在關(guān)聯(lián)的多路徑中找出最優(yōu)路徑組合用于并行的數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用多路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為了帶寬的聚合，傳統(tǒng)的CMT策略采用關(guān)聯(lián)的全部路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，盡管每條路徑擁有自己的獨(dú)立帶寬，但當(dāng)路徑間的丟包率和延遲存在較大差異時(shí)，丟包率高且延遲大的路徑參與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)關(guān)聯(lián)吞吐量的下降，因此在研究多路徑并行傳輸問(wèn)題時(shí)，需要考慮路徑選擇所造成的影響。本文在研究多路徑并行傳輸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析并建立了傳輸路徑吞吐量與丟包率和延遲的擬合關(guān)系，并以路徑吞吐量為路徑權(quán)值，設(shè)計(jì)了一種基于路徑權(quán)值的多路徑并行傳輸中傳輸路徑選擇方案CMT-PW，有效地消除了丟包率高且延遲大的路徑對(duì)整個(gè)關(guān)聯(lián)吞吐量的影響。

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