MPTCP中一種減緩緩存阻塞的重傳策略

胡 敏，劉 鵬，鄒 然

(重慶郵電大學(xué)軟件技術(shù)中心，重慶400065)

隨著互聯(lián)網(wǎng)中各種新應(yīng)用的興起，用戶對網(wǎng)絡(luò)資源(主要是帶寬)的需求越來越大。同時，寬帶接入技術(shù)逐漸多樣化，很多設(shè)備同時具有如ADSL、WiFi、3G等接入方式，即越來越多的設(shè)備具有多個網(wǎng)絡(luò)接口，并且可以配備多個網(wǎng)絡(luò)地址。MPTCP［1-3］是對TCP的擴展，支持多宿主，可以同時使用多條路徑并行傳輸數(shù)據(jù)。MPTCP的一大目標是兼容現(xiàn)有應(yīng)用及中間件，并且向后兼容TCP。因此，研究MPTCP具有非常重要的實際應(yīng)用價值。

但是，多路同時傳輸時接收端有限的緩存容易導(dǎo)致緩存阻塞［4-7］，使整體性能受到嚴重影響，MPTCP也是如此。目前減緩并行傳輸時接收端緩存阻塞的方法主要有兩種:1)保證數(shù)據(jù)按序到達接收端;2)盡快將丟失數(shù)據(jù)重傳到接收端。本文考慮第二個方法，提出一種新的基于綜合參數(shù)的重傳策略，使未及時到達的數(shù)據(jù)盡可能快地被重傳到接收端，從而減緩接收端緩存阻塞，提高MPTCP吞吐量。

1 相關(guān)研究

Janardhan R.Iyengar［4-8］等人對CMT-SCTP(基于流傳輸控制協(xié)議的多路同時傳輸)進行了大量研究。研究表明通過合適的重傳策略可以在一定程度上減緩緩存阻塞，提高端到端連接的吞吐量。他們提出了5種重傳策略［8］，分別是:1)RTX-SAME，重傳數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到原關(guān)聯(lián)上;2)RTX-ASAP，重傳數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到擁有可用窗口空間的關(guān)聯(lián)(SCTP中表示連接的術(shù)語)上，如果有多條關(guān)聯(lián)滿足條件，則隨機選擇一條;3)RTX-CWND，重傳數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到擁有最大擁塞控制窗口的關(guān)聯(lián)上，如果多條關(guān)聯(lián)滿足條件，則隨機選擇一條;4)RTX-SSTHRESH，重傳數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到擁有最大慢啟動門限的關(guān)聯(lián)上，如果多條關(guān)聯(lián)滿足條件，則隨機選擇一條;5)RTX-LOSSRATE，重傳數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到擁有最低報文丟失率的關(guān)聯(lián)上，如果多條關(guān)聯(lián)滿足條件，則隨機選擇一條。

在MPTCP中，一條子流即相當(dāng)于CMT中的一條關(guān)聯(lián)。重傳時，可以選擇原先相同的子流，可以選擇擁有窗口空間的子流，可以選擇擁有最大擁塞控制窗口的子流，可以選擇擁有最大慢啟動門限的子流，可以選擇擁有最低丟包率的子流。但是無論基于哪一種策略，都只考慮單一因素，這在網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)多變的現(xiàn)實環(huán)境中并不能達到理想結(jié)果。因此本文研究一種基于綜合參數(shù)考慮的重傳策略。

2 基于綜合參數(shù)的RTX-DLCS

根據(jù)RFC6182，MPTCP中快速重傳應(yīng)該選擇相同子流傳輸，超時重傳應(yīng)該選擇不同子流傳輸。因此，MPTCP中超時重傳技術(shù)可分為如下幾種:1)隨機選擇一條擁有可用窗口空間的子流;2)選擇擁有最大擁塞控制窗口的子流;3)選擇擁有最大慢啟動門限的子流;4)選擇丟包率最小的子流。

MPTCP中:第一種策略相當(dāng)于一種隨機選擇策略，幾乎不考慮底層子流的性能差異，不能達到較好的重傳性能;最后一種方法選擇使用報文丟包率低的子流，其目的是為了減少報文丟失，從而減少重傳次數(shù);中間兩種方法根據(jù)CWND和SSTHRESH值反映路徑狀況的優(yōu)劣，同樣傾向于選擇丟包率低的子流。

考慮到實際環(huán)境中各子流狀態(tài)不斷變化，本文綜合考慮子流傳輸時延和丟包率，提出基于綜合參數(shù)的MPTCP重傳策略RTX-DLCS。RTX-DLCS重傳策略的核心思想是:快速重傳時選擇原先的子流;超時重傳時，計算不同子流報文段傳輸成功的平均時間，選擇擁有最小時間的子流;如果有相同最小時間，則選擇擁有最大擁塞控制窗口(CWND)的子流;如果CWND值也相同，則繼續(xù)選擇擁有最大慢啟動門限的子流。

設(shè)子流Si的丟包率為li，延遲為di，超時時間為RTO，假設(shè)包之間丟包事件相互獨立。則一個數(shù)據(jù)包一次就成功到達接收端的時間R0為

數(shù)據(jù)包經(jīng)歷一次重傳才成功到達接收端的時間R1為

數(shù)據(jù)包經(jīng)歷兩次重傳才成功到達接收端的時間R2為

以此類推，經(jīng)歷m次重傳后成功到達接收端的時間Rm為

因此，一個數(shù)據(jù)包成功到達接收端的平均時間Ti為

帶入以上各式，化簡得

在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，利用MPTCP協(xié)議出現(xiàn)連續(xù)3次超時重傳的概率基本為零，因此式(6)中m為3，帶入得

RTX-DLCS中采用式(7)計算不同子流的時間Ti，RTX-DLCS重傳策略為:

if data outstanding on subflows that have timed out

Tmin=∞ //存放最小平均時間

CWND=0 //存放最大擁塞窗口

SSTHR=0 //存放最大慢啟動門限

RTXSUB=NULL //存放備選路徑

for each subflow Si

if Ti＜Tmin

RTXSUB=Si

TminTi

else if T=Tmin

if CWND＜Si-＞cwnd

RTXSUB=Si

CWND=Si-＞cwnd

else if CWND=Si-＞cwnd

if SSTHRE＜Si-＞ssthre

RTXSUB=Si

SSTHRE=Si-＞ssthre

Choose Sito sent a retransmission

return

else

Choose the same subflow to sent a retransmission

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真拓撲

本文以NS-3為仿真平臺，采用一個較簡單的模擬拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。忽略網(wǎng)絡(luò)瓶頸鏈路、最后一跳等因素的影響，重點關(guān)注在不同丟包率、不同延遲、不同接收端緩存下RTX-DLCS重傳策略的性能表現(xiàn)。

圖1模擬拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 中節(jié)點A表示源端，節(jié)點B表示目的端。源端和目的端都配備兩個IP地址，端到端傳輸速率都為5 Mbit/s，參考時延為40 ms，80 ms和160 ms。子流1的丟包率固定為1%，子流2的丟包率在1%～10%之間變化。鏈路前向和后向丟包率相同，數(shù)據(jù)包丟包事件相互獨立。

為了評估不同緩存大小下各策略的性能表現(xiàn)，設(shè)置接收緩存大小分別為32 kbyte，64 kbyte和128 kbyte。

3.2 性能分析

根據(jù)RFC6182建議，仿真過程中快速重傳一律選擇相同子流，超時重傳時選擇各種不同重傳策略。因為RTX-SAME最簡單，且性能較低，因此超時重傳中只使用除RTX-SAME外的4種策略。

3.2.1 不同延遲下性能評估

現(xiàn)在大多數(shù)終端都配備了2 Gbyte的內(nèi)存，64 kbyte接收緩存區(qū)很合理，因此本文在64 kbyte緩存下評估不同往返時延時RTX-DLCS的性能表現(xiàn)。圖2展示了5種重傳策略在不同丟包率、不同延遲情況下的性能對比曲線。

圖2 5種重傳策略在不同丟包率、不同延遲情況下的性能對比曲線

圖2 a中，子流1和子流2的延遲都為40 ms，MPTCP采用5種不同重傳策略重傳數(shù)據(jù)。由于兩條子流延遲相同，所以RTX-DLCS策略重傳選路實質(zhì)上首先根據(jù)丟包率，然后再考慮擁塞窗口和慢啟動門限。從圖2中可以看出，RTX-ASAP性能相對來說較差;RTX-LOSSRATE，RTX-CWND和RTX-SSTHRESH性能互相有好有壞，整體上性能相當(dāng);RTX-DLCS與此3種策略相比并無明顯優(yōu)勢，性能只是略好。其原因是，子流1和子流2延遲相同，RTX-DLCS策略根據(jù)式(7)計算Ti時，Ti僅受丟包率影響，即實際上是先考慮丟包率對重傳選路的影響，而RTXLOSSRATE選擇數(shù)據(jù)丟失率最低的路徑作為重傳路徑，減少了重傳數(shù)據(jù)的丟失，RTX-SSTHRESH選擇最大慢啟動門限的路徑，RTX-CWND選擇擁有最大窗口值的路徑，它們二者都考慮了路徑狀況，本質(zhì)上也減少了重傳數(shù)據(jù)的丟失。因此這4種策略實質(zhì)上都以丟包作為參考因素，所以性能差別不大。如果兩條子流丟包率相同，RTX-DLCS還會再綜合考慮擁塞控制窗口和慢啟動門限，而其他策略只考慮單一因素，因此這種情況出現(xiàn)時RTX-DLCS性能就要優(yōu)于其他策略。圖2b、2c中，子流1的延遲分別為80 ms和160 ms，子流2的延遲固定為40 ms。圖2b中MPTCP連接整體性能下降是受子流延遲影響，延遲增加，緩存區(qū)阻塞更嚴重，即影響MPTCP吞吐量。這種影響隨著延遲增加不斷惡化，如圖2c所示。將圖2b，圖2c分別與圖2a對比，發(fā)現(xiàn)RTX-DLCS性能優(yōu)勢更加明顯。這是因為子流1的延遲發(fā)生變化，RTX-DLCS策略根據(jù)延遲和丟包綜合考慮選擇正確的重傳子流。

3.2.2 不同接收緩存下性能評估

為了深入分析不同緩存大小下RTX-DLCS重傳策略性能表現(xiàn)，又分別設(shè)置接收緩存為32 kbyte和128 kbyte。

圖3展示了接收緩存為32 kbyte時各重傳策略的性能表現(xiàn)，由于緩存區(qū)阻塞，整體吞吐量受到較嚴重的影響。圖4展示了接收緩存為128 kbyte時各重傳策略的性能表現(xiàn)，由于接收緩存的增加，緩存區(qū)阻塞有所減小，MPTCP整體吞吐量受重傳策略的影響減小。在圖3、圖4中，RTXDLCS性能整體上優(yōu)于其他重傳策略，且優(yōu)勢隨著緩存大小不同而不同，這也證明上述分析的正確性。

圖3 接收緩存為32 kbyte，延遲為40 ms

對比圖2、圖3和圖4中可以發(fā)現(xiàn)，RTX-DLCS性能整體上優(yōu)于其他4種重傳策略。因為考慮了丟包率的重傳策略能在一定程度上避免重復(fù)的超時重傳，但是僅考慮單一的影響因素并不能達到最好的效果。綜合考慮延遲和丟包率等因素的重傳策略能進一步減少超時重傳，從而減緩緩存阻塞，提高MPTCP吞吐量。

圖4 接收緩存為128 kbyte，延遲為40 ms

4 小結(jié)

深入研究了多路同時傳輸中的重傳策略和MPTCP協(xié)議，重點研究了MPTCP中超時重傳時選路策略，提出了一種基于綜合參數(shù)考慮的重傳策略RTX-DLCS，減緩了緩存阻塞，提高了MPTCP吞吐量。仿真表明，RTX-DLCS整體性能較優(yōu)。在延遲和丟包率均不同的情況下，RTX-DLCS表現(xiàn)最好。

本文主要對比了緩存為64 kbyte時子流1丟包率不變、子流2延遲不變的情況和不同緩存大小時RTX-DLCS的性能表現(xiàn)。為了進一步驗證RTX-DLCS性能的優(yōu)越性，下一步工作中將設(shè)置更加復(fù)雜的仿真環(huán)境、更全面的對比，綜合評估RTX-DLCS性能表現(xiàn)。

［1］RFC 6182，Architectural guidelines for multipath TCP development［S］.2011.

［2］RFC 6356，Coupled congestion control for multipath transport protocols［S］.2011.

［3］FORD A，RAICIU C，HANDLEY M.TCP extensions for multipath operation with multiple addresses，draft-ietf-mptcp-multiaddressed-09［EB/OL］.［2012-10-10］.http://tools.ietf.org/pdf/draft-ietf-mptcp-multiaddressed-12.pdf.

［4］IYENGAR J，AMER P，STEWART R.Concurrent multipath transfer using CTP multihoming over independent end-to-end paths［J］.IEEE/ACM Transactions on Networking，2006，14(5):951-964.

［5］IYENGAR JR，AMER PD，STEWART R.Receive buffer blocking in concurrent multipath transfer［C］//Proc.IEEE Global Telecommunications Conference.Louis，USA:IEEE Press，2005:1-7.

［6］IYENGAR JR，AMER PD，STEWART R.Performace implications of a bounded receive buffer in concurrent multipath transfer［J］.Computer Communication，2007，30(4):818-829.

［7］LIU Jiemin，ZOU Hongxing，DOU Jingxin.Reducing receive buffer blocking in concurrent multipath transfer［C］//Proc.Circuits and Systems for Communications.Shanghai:IEEE Press，2008:367-371.

［8］IYENGAR J，AMER P，STEWART R.Retransmission policies for concurrent multipath transfer using SCTP multihoming［C］//Proc.12th IEEE International Conference.Singapore:IEEE Press，2004:713-719.