多路徑并行傳輸?shù)穆窂絼討B(tài)決策方法

陶曉玲，于　萌，王　勇

(1.桂林電子科技大學廣西高校云計算與復雜系統(tǒng)重點實驗室，廣西桂林541004；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004；3.桂林電子科技大學廣西可信重點實驗室，廣西桂林541004)

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多路徑并行傳輸?shù)穆窂絼討B(tài)決策方法

陶曉玲1，2，于萌2，王勇3

(1.桂林電子科技大學廣西高校云計算與復雜系統(tǒng)重點實驗室，廣西桂林541004；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004；3.桂林電子科技大學廣西可信重點實驗室，廣西桂林541004)

摘要：針對目前多路徑并行傳輸過程中，由于傳輸路徑質(zhì)量的差異會導致網(wǎng)絡傳輸性能整體下降的問題，提出一種多路徑并行傳輸?shù)穆窂絼討B(tài)決策方法 (concurrent multipath transfer-dynamic selection，CMT-DS)。該方法考慮到路徑傳輸質(zhì)量對網(wǎng)絡吞吐量的影響，通過測量時延、抖動、丟包率、緩存占用比4個路徑傳輸屬性，并擬合成路徑質(zhì)量的關聯(lián)函數(shù)，根據(jù)該關聯(lián)函數(shù)來對路徑進行動態(tài)的選擇。通過實驗驗證，結果表明：CMT-DS方法對屬性參數(shù)測量趨近于Spirent網(wǎng)絡測試儀測量結果，對路徑動態(tài)的選擇較其他方法可使得網(wǎng)絡吞吐量提高12.07%。

關鍵詞：多路徑并行傳輸；路徑質(zhì)量；動態(tài)決策；網(wǎng)絡性能

0引言

隨著網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，WiMax、WiFi、3G、4G等網(wǎng)絡種類變得越來越多，同一個網(wǎng)絡終端可以連接多種網(wǎng)絡服務類型，使得網(wǎng)絡接入的方式也更為復雜。同時，大規(guī)模的實時多媒體業(yè)務(VoIP，VOD等)不斷增加，用戶對網(wǎng)絡帶寬的期望也越來越高，單一網(wǎng)絡傳輸路徑不能滿足網(wǎng)絡帶寬聚合的需求，網(wǎng)絡終端具備的多接口不能完全被利用，造成了資源浪費。因此，多路徑并行傳輸(concurrentmultipathtransmission，CMT)已經(jīng)成為網(wǎng)絡研究的一個熱點。CMT是一種帶寬聚合技術[1]，是指在源主機和目的主機之間同時使用多條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，該技術使網(wǎng)絡終端利用多種方式接入網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸和交互，以達到提高傳輸效率和增強網(wǎng)絡可靠性的目的。

目前，國內(nèi)外研究學者針對CMT進行了大量的研究。文獻[2]提出了基于流傳輸控制協(xié)議(streamingcontroltransmissionprotocol，SCTP)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ⒁?guī)定所有數(shù)據(jù)從主路徑進行傳輸，當主路徑失效或發(fā)生超時重傳時，才切換到作為備用路徑的其余路徑上。因此，這種方法只是解決了移動網(wǎng)絡區(qū)域切換的問題，提升了網(wǎng)絡容錯性和可靠性，但實際上仍然是利用單一的傳輸路徑來進行通信。Iyengar等人[3]在文獻[2]的基礎上將SCTP進行拓展后提出了CMT-SCTP，實現(xiàn)了多路徑的并行傳輸，但是并沒有解決不必要的重傳及擁塞窗口不能正確增加的問題；文獻[4]提出了一種快速分裂重傳(splitfastretransmit，SFR)算法，通過對發(fā)送端協(xié)議進行修改和完善，完全忽略掉不信任的選擇性確認(selectedACK，SACK)，避免了快速重傳問題。以上這些文獻提出的策略只針對靜態(tài)的路徑傳輸，當路徑差異比較大時，所有路徑的吞吐量總和仍可能低于部分路徑并行傳輸?shù)耐掏铝?。近年來，有部分研究學者關注到路徑選擇問題是多路徑并行傳輸中的關鍵問題。文獻[5]提出了一種動態(tài)的路徑選擇方法，考慮了不同路徑的傳輸時延具有差異，按照最小時延優(yōu)先傳輸?shù)囊?guī)則來分配數(shù)據(jù)；劉暢等人[6]針對路徑差異大導致的多路徑傳輸速率低于單路徑的情況，建立了單路徑與多路徑傳輸?shù)呐R界條件的建模方法，卻不能解決路徑質(zhì)量差異存在實時變化的狀況，容易產(chǎn)生路徑的擁塞；劉杰民等人[7]提出了基于時延和丟包率兩個參數(shù)的路徑?jīng)Q策方案，在一定程度上避免了數(shù)據(jù)在發(fā)送端傳輸?shù)却龝r間過長問題，但忽略了并行傳輸因緩存阻塞而造成的數(shù)據(jù)亂序問題，質(zhì)量較差的路徑上傳輸數(shù)據(jù)會阻礙質(zhì)量較好的路徑上數(shù)據(jù)的遞交，從而引發(fā)數(shù)據(jù)重傳等問題來限制吞吐量性能[8]，甚至有可能不如只用一條路徑來傳輸數(shù)據(jù)的吞吐量。

針對現(xiàn)有方法在解決動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境下不能很好提升傳輸數(shù)據(jù)包性能的缺陷，本文從影響傳輸路徑質(zhì)量的綜合特性參數(shù)入手，包括時延RTT(round-triptime)、抖動J(Jitter)、丟包率PLA(packetlossrate)以及緩存占用比BS(buffersize)4個路徑屬性參數(shù)，提出多路徑并行傳輸?shù)穆窂絼討B(tài)決策方法CMT-DS(dynamicselection)，并進行實驗測試。

1算法描述

為了對算法進行更形象的描述，構建了多路徑并行傳輸網(wǎng)絡拓撲圖，如圖1所示。

圖1　多路徑并行傳輸網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1　The network topology of concurrent multipath transfer

圖1中，發(fā)送端主機A和接收端主機B的關聯(lián)由兩塊NetMagic連接組成，每個NetMagic對應3個網(wǎng)絡接口，具有多個發(fā)送端地址和接收端地址、發(fā)送端端口號、接收端端口號、發(fā)送端IP地址以及接收端IP地址，構成了并行傳輸?shù)?條路徑：Path1、Path2和Path3。同時，設計了測量和決策模塊來對路徑質(zhì)量進行測量并根據(jù)網(wǎng)絡傳輸情況對路徑動態(tài)地選擇。

設計的整個方案是針對實時變化的網(wǎng)絡環(huán)境的，所以路徑的決策與調(diào)整是動態(tài)的。方案執(zhí)行過程如下：

1)主機A發(fā)送數(shù)據(jù)包到NetMagic1，測量模塊根據(jù)路徑質(zhì)量的一些衡量指標(傳輸延時、丟包率、路徑抖動以及緩存占用比)實時獲得網(wǎng)絡狀況的反饋信息，對網(wǎng)絡傳輸路徑的質(zhì)量進行測量評估之后將參數(shù)提交到?jīng)Q策模塊；

2)決策模塊利用設計的路徑質(zhì)量測量方案，衡量和評估每條路徑的傳輸能力，根據(jù)路徑質(zhì)量的優(yōu)劣將路徑分為活躍狀態(tài)和非活躍狀態(tài)；

3)基于路徑傳輸參數(shù)周期性地選擇出可以適用于傳輸數(shù)據(jù)的活動性狀態(tài)路徑的所有集合，在發(fā)送端為數(shù)據(jù)動態(tài)選擇合適的路徑進行傳輸，同時舍棄不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆腔钴S路徑。

2路徑質(zhì)量測量方法

2.1路徑傳輸時延測量

在端到端的多路徑并行傳輸中，對于對稱路徑，時延主要是傳輸時延，其為往返時間的一半[9]。為了更好地測量本文非對稱路徑的準確時延，采用測量往返時延的方法進行路徑時延測量。

測量時延所用的方法即在數(shù)據(jù)包的頭部標上時間戳，并在測量模塊內(nèi)有兩個相互獨立的輸入輸出通道，并設置脈沖觸發(fā)器。當有數(shù)據(jù)包輸入時，其輸入通道輸入開門信號，打開閘門，對數(shù)據(jù)打上時間戳Tin，而輸出通道輸入關門信號，閘門關閉；反之，數(shù)據(jù)包輸出時，輸入通道輸入關門信號，關閉閘門，輸出通道輸入開門信號，打開閘門，并對輸出的數(shù)據(jù)包再一次打上時間戳Tout。

當路徑波動比較大時，采取測量群數(shù)據(jù)的時延的方法。令一個最小的數(shù)據(jù)包Pmin在路徑Pathi上傳輸，那么在該路徑上的時延就等于從發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)包Pmin開始計算，一直到接收端接收到該包，然后向發(fā)送端發(fā)送反饋SACK，發(fā)送端接收到SACK結束所用的時間。每隔一個心跳周期100ns發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，共發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，得到N個時延數(shù)據(jù)RTT1，RTT2，…，RTTN，計算公式為：

RTTi=Tout_i-Tin_i。

(1)

式中：RTTi代表對第i個數(shù)據(jù)包所測量的時延大小；Ti_in為數(shù)據(jù)包在第i次輸入時的時間戳；Ti_out為數(shù)據(jù)包在第i次輸出時的時間戳，i=1， 2， …， N。

由于單個數(shù)據(jù)包的時延具有隨機性，不能很好地反映路徑的特性，所以群數(shù)據(jù)時延用N個數(shù)據(jù)包時延的期望來表示，計算公式如下：

(2)

式中：E[RTTi]為i個數(shù)據(jù)包組成的群數(shù)據(jù)的時延，i=1， 2， …， N。

2.2時延抖動測量

(3)

式中Ji為第i次路徑時延的抖動值，i=1， 2， …， N。

2.3丟包測量

(4)

(5)

需要注意的是，公式(4)和公式(5)測得的丟包率只是丟包的頻率，當檢測到有一個包丟失時，實際上可能有很多個數(shù)據(jù)包是丟失狀態(tài)。所以路徑的丟包率需動態(tài)進行更新，計算公式如下：

(6)

其中：PLA_n代表的是Pathi第n次測量丟包率的數(shù)值；Pf_n、Pt_n、PS_n分別表示的是在Pathi路徑上第n次測量丟包率時的快速重傳次數(shù)、超時重傳的次數(shù)以及發(fā)送端發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)量；λ是一個乘數(shù)因子，作用就是放大超時重傳次數(shù)的比例。在實際網(wǎng)絡中，超時重傳比快速重傳對路徑吞吐量的負面影響更大些。

2.4緩存占用比測量

如圖2所示，在傳輸過程中數(shù)據(jù)包P1在路徑1上發(fā)生中斷或者丟失，在其余路徑上的數(shù)據(jù)包都正常傳輸，其余數(shù)據(jù)包到達接收端后不能向上一層遞交，都會存放在緩存區(qū)等待接受釋放信號。緩存門限T是能緩存最大數(shù)據(jù)包的數(shù)量能力，當數(shù)據(jù)過多達到緩存門限T時，就極易發(fā)生亂序和擁塞現(xiàn)象[12]。由于造成路徑阻塞的原因是路徑的時延且無法避免，所以不能修改時延和丟包率等參數(shù)。針對上述阻塞現(xiàn)象，本文提出的方法是將每條路徑都分配一個相同大小的緩存區(qū)，當發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時，測量模塊按一定的采樣時鐘從傳輸?shù)穆窂街胁蓸訑?shù)據(jù)流，放到設置的緩存區(qū)中檢測其所占用的緩存，從而間接得到緩存占用比。

海洋上有好幾只無形的“手”能隨時撥弄海面上孤零零的冰山——海風、洋流能直接推動冰山轉(zhuǎn)向；日曬和氣溫升高能讓冰山融化，改變冰山的形狀。

圖2　多路徑并行傳輸緩存阻塞示意圖Fig.2　The blocking buffer in concurrent multipath transfer

所以，為避免緩存阻塞等情況發(fā)生，允許發(fā)送端在傳輸路徑上所發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量D為：

(7)

式中：端到端的多路徑有N條；Ci代表路徑i的擁塞窗口大??；Oi代表路徑上發(fā)送端已發(fā)送但是未被接收端發(fā)送接收回應的outstanding數(shù)據(jù)量大??；R代表接收端緩存區(qū)大小；D是數(shù)據(jù)包延遲到達接收端而引起接收端數(shù)據(jù)亂序容量的上限邊界。如果R≥D，接收端緩沖區(qū)在數(shù)據(jù)超過容量前能將其遞交；如果R

緩存占用的大小為：

(8)

其中a_R是接收端通告窗口大小。通過公式(7)、(8)分析得出緩存占用比BS為：

(9)

3動態(tài)路徑?jīng)Q策方法

路徑時延會導致傳輸延遲且信號失真；抖動在網(wǎng)絡中會造成誤碼率的提高；丟包會使傳輸數(shù)據(jù)中途丟失；緩存很大程度上導致數(shù)據(jù)的重傳，故4個參數(shù)對路徑質(zhì)量的估計起決定作用，缺一不可。

定義1傳輸路徑質(zhì)量是指建立在路徑時延、抖動、丟包以及緩存占用比基礎上的擬合函數(shù)。不同的路徑由于路徑傳輸參數(shù)的差異導致路徑質(zhì)量在動態(tài)變化。

定義2傳輸路徑吞吐量是指在某個時刻，網(wǎng)絡中的通信雙方之間，提供給傳輸路徑的剩余帶寬。 即在沒有數(shù)據(jù)丟失的情況下，傳輸路徑能夠接受的最大速率。

傳輸路徑質(zhì)量擬合函數(shù)即是與路徑質(zhì)量參數(shù)：時延、抖動、丟包率以及緩存占用的關聯(lián)權值函數(shù)。本文經(jīng)過大量的實驗和分析，最后得到該擬合函數(shù)為：

(10)

其中：Q為傳輸路徑質(zhì)量；?1、?2、?3、?4分別是RTT、J、PLA、BS在算法中所占的權重系數(shù)，且滿足約束條件：

(11)

具體的權值根據(jù)實際的網(wǎng)絡情況而唯一確定。

4實驗及結果分析

4.1實驗環(huán)境

根據(jù)圖1，利用NetMagic構建多路徑并行傳輸?shù)木W(wǎng)絡架構，其中，運用了2塊NetMagic08，每塊NetMagic08外設4個RJ45電口和4個SERDES光口，并具有512MB的DDR2SDRAM進行報文緩存。測量參數(shù)時為了對比，運用Spirent網(wǎng)絡測試儀再次對參數(shù)進行測量，Spirent網(wǎng)絡測試儀是由美國思博倫公司所研制，其最大發(fā)送速率可達1 000Mb/s。且最后的實驗結果在QuartusII的仿真工具SignalTapII上來獲取。

4.2實驗結果

為了驗證本文提出的方法在路徑質(zhì)量參數(shù)測量方面的有效性，利用Spirent網(wǎng)絡測試儀測量實驗數(shù)據(jù)，并與采用本文的CMT-DS方法的測試結果進行對比，最后得到的實驗結果如圖3所示。

圖3　Sprient與CMT-DS測試對比圖Fig.3　The comparison of test results of Sprient and CMT-DS

圖3(a)(b)(c)(d)分別為采用兩種方法測得的時延、抖動、丟包率與緩存占用比的結果對比圖。圖3(b)中，Spirent測量的抖動值是將初始時間設置為0時，即沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時的時刻，而CMT-DS方法是將開始發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻設為時間初始值，故初始發(fā)送數(shù)據(jù)時，針對抖動的測量會有明顯的區(qū)別。而圖3(d)中，因接收端緩存分配較小造成緩存占用比的波動較大，但在實際網(wǎng)絡傳輸中并不影響測量的準確性。從圖3可以看出，在傳輸數(shù)據(jù)時，發(fā)送不同大小的數(shù)據(jù)量，會導致延時、抖動、丟包率與緩存占用比均有不同。整體來看，CMT-DS測量模塊已經(jīng)很趨近Spirent網(wǎng)絡測試儀測試的結果，且成本低，操作方便，并能將測試結果放在決策模塊里實現(xiàn)動態(tài)測量功能。

基于路徑質(zhì)量的動態(tài)選擇路徑結果是在SignalTap上仿真獲取的，如圖4所示，并將3條路徑控制字的后三位標志位分別標識為quality_1、quality_2和quality_3。如圖4(a)所示，路徑的Value即路徑質(zhì)量Q用十六進制表示，3條路徑質(zhì)量不相同，路徑1的Value為00h，路徑2的Value為8Ch，路徑3的Value為57h。通過比較，路徑2的Value最大，代表其劣勢權值較高，將其舍棄，即將其置0，那么控制字的標志位后三位變成了101，轉(zhuǎn)換為16進制就為5h。從圖4(b)中可以看出，當路徑的傳輸參數(shù)，時延、抖動、丟包以及緩存占用比均有變化時，路徑的權值也均有變化，路徑3的Value最高，將其標志位置1，得到110，轉(zhuǎn)換為十六進制為6h，驗證實驗結果的正確性，并具有動態(tài)選擇的功能，即實現(xiàn)了動態(tài)決策算法。由圖4可以看出，當3條路徑質(zhì)量不相同時，舍棄了質(zhì)量最差的路徑，選擇其余兩條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，當有路徑質(zhì)量波動時，對路徑進行動態(tài)選擇。

圖4　路徑動態(tài)選擇結果Fig.4　The results of dynamic path selection

實驗過程中硬件資源利用情況如表1所示，可得知本文提出的方法對于硬件資源的消耗很少。

表1　硬件資源利用情況

在多路徑并行傳輸研究中，比較有代表性的有文獻[13]提出的CMT-IP方法和文獻[14]提出的CMT-BT方法。CMT-IP通過對路徑延時、帶寬和接收緩存大小這3個屬性的評估和計算演化建立網(wǎng)絡傳輸模型；CMT-BT利用擴展矢量卡爾曼濾波對每條路徑的帶寬與時延2個屬性進行預測。雖然以上方法在單路徑和多路徑(2個)的選擇測試中取得較好的測試結果，但是CMT-IP只是修改了數(shù)據(jù)發(fā)送方，并沒有考慮到傳輸路徑的差異，當差異較大時，會影響網(wǎng)絡整體的吞吐量；CMT-BT只是針對兩條傳輸路徑中，基于帶寬和往返時間選擇出一條質(zhì)量較好的傳輸路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，但是其應用環(huán)境受算法局限性并不適合在較多路徑(大于等于3)選擇中應用。

為了驗證本文提出的方法對網(wǎng)絡吞吐量的影響，實驗過程中以帶寬利用率為依據(jù)，在多路徑中選擇最優(yōu)路徑數(shù)。實驗采用的具體參數(shù)為：路徑1往返時間200ms， 帶寬1 500Kb/s，丟包率為2.3%，緩存占用比為78.1%；路徑2往返時間300ms，帶寬1 500Kb/s，丟包率為3.5%，緩存占用比為83.2%；路徑3往返時間300ms，帶寬1 500Kb/s，丟包率為1.1%，緩存占用比為80.6%。路徑吞吐量e的計算公式如下：

(12)

式中n代表路徑個數(shù)，S為路徑上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)在一定程度的抖動、丟包以及擁塞都會以比例的形式影響傳輸路徑的吞吐量。

圖5　CMT-DS與CMT-IP、CMT-BT吞吐量對比Fig.5　The comparison of throughput among methods (CMT-DS， CMT-IP and CMT-BT)

圖5是本文提出的CMT-DS方法與CMT-IP方法、CMT-BT方法的吞吐量對比圖。從圖5可以看出，在3條傳輸路徑?jīng)Q策過程中，采用CMT-IP和CMT-BT的方法進行路徑處理會導致帶寬利用率降低，而本文的CMT-DS方法可使得網(wǎng)絡吞吐量較CMT-IP和CMT-BT提高12.07%，在一定程度上提升了網(wǎng)絡性能，并在NetMagic平臺驗證了結果的可行性，符合設計預期要求。

5結束語

本文從路徑質(zhì)量參數(shù)入手，提出了一種多路徑并行傳輸?shù)穆窂絼討B(tài)決策方法。該方法主要考慮2個部分：測試模塊和決策模塊。測試模塊測試路徑時延、抖動、丟包率、緩存占用比等路徑質(zhì)量參數(shù)；決策模塊運用已測量的參數(shù)根據(jù)路徑的權值生成擬合函數(shù)來對路徑質(zhì)量進行評估，同時實時舍棄質(zhì)量最差的傳輸路徑，實現(xiàn)了路徑動態(tài)選擇的功能，即數(shù)據(jù)在傳輸過程中可以隨時切換路徑，以達到最理想的傳輸效果。

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(責任編輯黃勇)

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.02.007

收稿日期：2016-03-31

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61363006，61163058)；廣西高校云計算與復雜系統(tǒng)重點實驗室資助項目(14104)；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(YJCXS201516)

中圖分類號：TP393.02

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6600(2016)02-0046-08

DynamicSelectionMethodofPathforConcurrentMultipathTransfer

TAOXiaoling1，2，YUMeng2，WANGYong3

(1.GuangxiCollegesandUniversitiesKeyLaboratoryofCloudComputingandComplexSystems，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuilinGuangxi541004，China; 2.CollegeofInformationandCommunication，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuilinGuangxi541004，China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofTrustedSoftware，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuilinGuangxi541004，China)

Abstract:In the multi-path parallel transmission process, due to the differences in the quality of the transmission path, the overall performance declines in the network transmission. To overcome this problem, a multi-path parallel transmission path dynamic decision method (concurrent multipath transfer-dynamic selection, CMT-DS) is proposed in this article. Taking into account the influence of path transmission quality on network throughput, by measuring the time delay, jitter, packet loss rate and cache occupancy ratio in the network transmission,the correlation function of the quality of the path is established and the path is selected dynamically based on the correlation function.Experimental results show that the CMT-DS method is more close to the measurement results of the Spirent network test instrument, and the choice of dynamic path improves the network throughput by 12.07%.

Keywords:concurrent multipath transfer; quality of path; dynamic selection; network performance

通信聯(lián)系人：陶曉玲(1977—)，女，浙江金華人，桂林電子科技大學副研究員。E-mail：txl@guet.edu.cn