命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一種顯式擁塞控制方法研究

邢光林，胡青，侯睿

（中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢 430074）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu)在安全性、移動(dòng)性、可靠性和可擴(kuò)展性等方面面臨著諸多挑戰(zhàn)［1］，而信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information Centric Networking，ICN）［2-3］摒棄了傳統(tǒng)的以IP 層為核心的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，采用以信息為核心的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)［4］，其關(guān)注信息本身并弱化信息位置，將網(wǎng)絡(luò)通信方式從端到端的通信方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢(xún)?nèi)容為中心的通信方式，逐漸成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主流研究方向 之 一［5］. 其 中，命 名 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 絡(luò)（Named Data Networking，NDN）因其耦合路由、網(wǎng)內(nèi)存儲(chǔ)等特點(diǎn)被認(rèn)為是信息中心網(wǎng)絡(luò)最具代表性的一個(gè)架構(gòu)方案，受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注.

在NDN 中，使用了兩種類(lèi)型的包來(lái)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者（即內(nèi)容請(qǐng)求者）和生產(chǎn)者（即內(nèi)容發(fā)布者）之間的通信，分別是興趣包和數(shù)據(jù)包［6］，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容被指派一個(gè)唯一的內(nèi)容名稱(chēng).消費(fèi)者將所需數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱(chēng)封裝到興趣包中并發(fā)送到NDN 網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)NDN路由器接收到興趣包后會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱(chēng)將興趣包以逐跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的生產(chǎn)者，生產(chǎn)者將消費(fèi)者所需數(shù)據(jù)內(nèi)容封裝到數(shù)據(jù)包中，沿興趣包所經(jīng)路徑原路返回至消費(fèi)者，完成數(shù)據(jù)交互過(guò)程.每個(gè)NDN 節(jié)點(diǎn)維護(hù)三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是內(nèi)容存儲(chǔ)（Content Store，CS）、待定興趣表（Pending Interest Table，PIT）和轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)（Forwarding Information Base，F(xiàn)IB），其中CS為內(nèi)容存儲(chǔ)，PIT用于記錄名稱(chēng)前綴和傳入接口等信息，F(xiàn)IB 提供基于內(nèi)容名稱(chēng)的路由.由于NDN 采用基于內(nèi)容名稱(chēng)路由的無(wú)連接傳輸模式［7］，這使得擁塞控制變得復(fù)雜，因?yàn)閭鬏攲拥膿砣刂茩C(jī)制通常使用端到端的網(wǎng)絡(luò)路徑屬性的估計(jì)來(lái)執(zhí)行［8］，同時(shí)擁塞控制對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的性能具有重要意義，因此NDN的擁塞控制問(wèn)題逐漸受到廣泛關(guān)注.

本文提出一種顯式擁塞控制方法（Explicit Congestion Control Method，ECM）.當(dāng)遇到突發(fā)流量導(dǎo)致鏈路發(fā)生擁塞時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)為每個(gè)數(shù)據(jù)流配置一個(gè)計(jì)數(shù)器，轉(zhuǎn)發(fā)興趣包時(shí)計(jì)數(shù)器會(huì)相應(yīng)遞減，當(dāng)計(jì)數(shù)器為零時(shí)（這意味著該數(shù)據(jù)流已經(jīng)傳輸了其被允許的數(shù)據(jù)量），則當(dāng)前數(shù)據(jù)流被標(biāo)記為貪婪流，屬于這些流的興趣包被加入到緩存（整形）隊(duì)列中，然后當(dāng)前路由節(jié)點(diǎn)通知其下游路由節(jié)點(diǎn)降低興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)速率（即顯式擁塞通知），最后通過(guò)數(shù)據(jù)包將擁塞信息返回給消費(fèi)者，消費(fèi)者從而可根據(jù)擁塞信息來(lái)調(diào)整興趣包的發(fā)送速率.

1 相關(guān)工作

NDN 中現(xiàn)有的擁塞控制研究工作可以大致概括為兩種類(lèi)型：由請(qǐng)求者驅(qū)動(dòng)的擁塞控制機(jī)制和逐跳擁塞控制機(jī)制.

第一類(lèi)方式借鑒了傳統(tǒng)TCP/IP 的設(shè)計(jì)，通過(guò)在消費(fèi)者方調(diào)整興趣包的發(fā)送速率來(lái)達(dá)到擁塞控制的目的.速率調(diào)整使用的是“和式增加積式減少”（Additive Increase Multiplicative Decrease，AIMD）.文獻(xiàn)［9］提出了一種興趣控制協(xié)議ICP（Interest Control Protocol），設(shè)置在消費(fèi)者方的AIMD 控制器會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的情況來(lái)調(diào)整發(fā)送窗口的大小.文獻(xiàn)［10］提出了一種基于超時(shí)機(jī)制的CCTCP（Content Centric TCP）協(xié)議，通過(guò)替每個(gè)流設(shè)置多個(gè)擁塞窗口和RTO 超時(shí)重傳機(jī)制來(lái)控制興趣包的發(fā)送速率.以上都是基于超時(shí)驅(qū)動(dòng)的擁塞控制策略，該類(lèi)型的算法都是使用了RTT（Round Trip Time）作為超時(shí)的度量，但是由于NDN 的多源特性，消費(fèi)者所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中的分布通常是不確定的，這導(dǎo)致對(duì)RTT 的準(zhǔn)確估算非常困難.因此，NDN 的學(xué)者更傾向于逐跳的顯式擁塞控制機(jī)制.

逐跳擁塞控制機(jī)制依賴(lài)于中間路由節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn)［11］提出了一種結(jié)合發(fā)送端與路由節(jié)點(diǎn)端的擁塞控制機(jī)制HR-ICP（Hop-by-hop and Receiver-driven Interest Control Protocol），它采用了逐跳的興趣包整形方案，使得HR-ICP 能夠比ICP 更快地檢測(cè)和響應(yīng)擁塞狀態(tài).文獻(xiàn)［12］提出了一種采用顯式擁塞通知的擁塞控制機(jī)制CHoPCoP（Chunk-switched Hop Pull Control Protocol），能夠很好的處理NDN 中的多源、多路徑問(wèn)題.文獻(xiàn)［13］提出了一種逐跳的興趣包整形機(jī)制，通過(guò)監(jiān)測(cè)路由節(jié)點(diǎn)輸出鏈路上的興趣包隊(duì)列大小來(lái)計(jì)算和控制興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)速率.文獻(xiàn)［14］提出了一種基于公平性的路由節(jié)點(diǎn)主動(dòng)隊(duì)列管理方法，該方法通過(guò)流量速率整形來(lái)保證資源的公平分配.上述方法雖然獲得了較好的性能，但是并沒(méi)有考慮資源的公平分配，因此需要在中間路由節(jié)點(diǎn)處實(shí)施公平方案，以確保貪婪流不會(huì)壟斷可用的網(wǎng)絡(luò)資源.

本文借鑒速率控制協(xié)議（RCP）的思想，提出一種基于路由節(jié)點(diǎn)端的擁塞控制方法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，ECM 利用計(jì)數(shù)器和整形隊(duì)列對(duì)標(biāo)記為貪婪流的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理，同時(shí)更新興趣包中的擁塞信息域并將其逐跳反饋給下游路由節(jié)點(diǎn)，最后利用數(shù)據(jù)包將擁塞信息反饋給消費(fèi)者，消費(fèi)者據(jù)此調(diào)整興趣包的發(fā)送速率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，在保證數(shù)據(jù)流的公平性的前提下考慮了不同數(shù)據(jù)流之間的優(yōu)先級(jí)，保障了數(shù)據(jù)流的QoS.

2 算法設(shè)計(jì)和擁塞控制機(jī)制

2.1 數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)

ECM考慮了鏈路帶寬、數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)和延時(shí)要求，保證了各種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的QoS要求.每個(gè)數(shù)據(jù)流所分配得到的帶寬資源遵循最大-最小公平分配.設(shè)不同數(shù)據(jù)流QoS要求的延時(shí)上限為Di，瓶頸鏈路帶寬為C，整形隊(duì)列的最大長(zhǎng)度為Qmax，路由節(jié)點(diǎn)j中數(shù)據(jù)流i的平均速率為rij，路由節(jié)點(diǎn)j中數(shù)據(jù)流i的最大數(shù)據(jù)包大小為Sij，沿路所經(jīng)路由器數(shù)量為n，鏈路傳播延時(shí)為Df，則數(shù)據(jù)流i的延時(shí)上限可以被寫(xiě)為：

ECM引入了延時(shí)差值αi=Di-Di*來(lái)確定不同數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí).當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)按照ri為數(shù)據(jù)流分配帶寬時(shí)，αi表示其QoS 要求的延時(shí)上限與公式計(jì)算得出的延時(shí)上限之間的差值，αi越小，表示根據(jù)公式計(jì)算得出的延時(shí)上限與QoS 要求的延時(shí)上限越接近，數(shù)據(jù)流對(duì)其被分配的帶寬資源的變動(dòng)越敏感，相應(yīng)地優(yōu)先級(jí)也越高.

2.2 ECM算法設(shè)計(jì)

ECM主要的流程圖如圖1所示.

圖1 ECM算法流程Fig.1 ECM algorithm process

ECM 算法運(yùn)行在NDN 路由節(jié)點(diǎn)上，首先根據(jù)NDN 名字前綴的不同將興趣包分為不同的流，之所以這樣定義，是因?yàn)榫哂邢嗤智熬Y的興趣包具有相同或相似的狀態(tài)，PIT 中唯一的名字前綴的數(shù)量決定了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中活動(dòng)的流的數(shù)量.當(dāng)遇到突發(fā)流量導(dǎo)致鏈路發(fā)生擁塞時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)會(huì)為每個(gè)數(shù)據(jù)流配置一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)興趣包被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)計(jì)數(shù)器會(huì)相應(yīng)遞減.當(dāng)計(jì)數(shù)器大于零時(shí)，興趣包直接轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)計(jì)數(shù)器小于或等于零時(shí)，則當(dāng)前數(shù)據(jù)流被標(biāo)記為貪婪流，需要對(duì)其速率進(jìn)行限制，將貪婪流的興趣包暫時(shí)緩存于整形隊(duì)列中而不是直接丟棄，既避免了進(jìn)一步的擁塞，同時(shí)也降低了丟包率，直到相應(yīng)計(jì)數(shù)器被重置更新后，整形隊(duì)列中的興趣包才被轉(zhuǎn)發(fā)，計(jì)數(shù)器被重置更新的值為ECM 計(jì)算得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)（限制）速率.為了緩解當(dāng)前鏈路的擁塞，還需要借助顯式擁塞通知機(jī)制通知其下游路由節(jié)點(diǎn)降低興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)速率，才不會(huì)因?yàn)殛?duì)列持續(xù)增加導(dǎo)致延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)算法整形后的速率就是網(wǎng)絡(luò)期望且不會(huì)造成擁塞的速率.ECM 核心算法的偽代碼如算法1所示.

ECM 的速率控制算法是基于文獻(xiàn)［15］中提出的速率控制協(xié)議（RCP）設(shè)計(jì)的.采用RCP 的動(dòng)機(jī)思想在于其為所有流公平分配速率（即帶寬）的優(yōu)勢(shì)，并以快速的下載時(shí)間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的優(yōu)化利用.NDN 路由節(jié)點(diǎn)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和緩存數(shù)據(jù)包的能力為RCP 的實(shí)現(xiàn)和部署提供了很好的支持，此外，NDN的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)性質(zhì)也能很好地契合RCP 的反饋機(jī)制.ECM 的速率控制方案的核心思想是，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)值R（t），該值表示當(dāng)前路由節(jié)點(diǎn)支持的最大的數(shù)據(jù)包的返回速率，即當(dāng)n個(gè)流的輸入速率為ri（t）=（r1，r2，r3…rn）時(shí)，路 由節(jié)點(diǎn)的負(fù)載為sumR=，當(dāng)sumR＜R（t）時(shí)，鏈路沒(méi)有發(fā)生擁塞，當(dāng)sumR＞R（t）時(shí)，鏈路發(fā)生了擁塞，需要執(zhí)行ECM 算法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行限制，R（t）的更新公式如下：

在公式中，η是目標(biāo)鏈路利用率，α和β是控制穩(wěn)定性和性能的參數(shù)，C為可用鏈路帶寬，y（t）為路由節(jié)點(diǎn)在周期（t-T，t）內(nèi)的總輸入流量，q（t）表示時(shí)間t時(shí)緩沖隊(duì)列的長(zhǎng)度，d是消費(fèi)者發(fā)送興趣包和匹配數(shù)據(jù)包到達(dá)消費(fèi)者之間的平均響應(yīng)時(shí)間.

由于ECM 是具體到每個(gè)數(shù)據(jù)流的擁塞控制方法，因此還需要對(duì)R（t）進(jìn)行分割，為了達(dá)到優(yōu)化傳輸和負(fù)載平衡的目的，可以公式化為一個(gè)簡(jiǎn)單的凸優(yōu)化問(wèn)題，設(shè)當(dāng)前路由節(jié)點(diǎn)中有n個(gè)活動(dòng)數(shù)據(jù)流，興趣包的發(fā)送速率為mi=（m1，m2，m3…mn），具體公式如下：

顯然，當(dāng)α1r1=α2r2= ···=αnrn時(shí)能夠得到最優(yōu)解值，繼而得到每個(gè)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)速率為：

算法1 ECM 算法的偽代碼符號(hào)約定：ri 流的輸入速率vi 轉(zhuǎn)發(fā)速率sumR 路由負(fù)載輸入 n streams：r1，r2，…rn輸出 n streams：r1，r2，…rn按照既定的規(guī)則被轉(zhuǎn)發(fā)for each ri do sumR←sumR+ri end for if sumR＞R //發(fā)生擁塞for each ri do calculate vi. //計(jì)算限制速率if counters＞0 counters←counters-interest.data_size interest=Shaping_Queue_Dequeue（i）Forward（interest）end if else Shaping_Queue_Enqueue（interest）Limit_Rate←vi Congestion_Flag←Congestion_Flag+1 send NACK to downstream router end else end for if counter for each flow should be reset after some time for each ri do Update_Counters（vi） //更新計(jì)數(shù)器end for end if end if else Standard_NDN_Processing end else if Interest packet is satisfied copy Limit_Rate and Congestion_Flag in Data packet send Data packet to consumer end if

2.3 顯式擁塞通知

本文通過(guò)拓展興趣包的結(jié)構(gòu)，增加兩個(gè)字段：限制速率（Limit Rate）和擁塞標(biāo)志（Congestion Flag）來(lái)實(shí)現(xiàn)顯式擁塞通知.擴(kuò)展之后的興趣包結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 興趣包結(jié)構(gòu)Fig.2 Interest packet structure

其中，限制速率為算法計(jì)算得到的興趣包轉(zhuǎn)發(fā)速率，擁塞標(biāo)志表示興趣包是否導(dǎo)致了擁塞的發(fā)生.當(dāng)消費(fèi)者開(kāi)始發(fā)送興趣包時(shí)，將限制速率初始化為興趣包的發(fā)送速率，擁塞標(biāo)志初始化為零.當(dāng)遇到突發(fā)流量導(dǎo)致鏈路發(fā)生擁塞時(shí)，如果興趣包所屬的數(shù)據(jù)流相應(yīng)的計(jì)數(shù)器小于等于零時(shí)，那么則判斷當(dāng)前興趣包的輸入速率過(guò)高，即認(rèn)為其對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞做出了“貢獻(xiàn)”，需要對(duì)其速率進(jìn)行限制，將算法計(jì)算得到的轉(zhuǎn)發(fā)速率更新到相應(yīng)的限制速率字段，并且將擁塞標(biāo)志加一，同時(shí)向該興趣包傳入的接口發(fā)送NACK，NACK 中封裝的是限制速率，當(dāng)下游路由節(jié)點(diǎn)（k-1）收到NACK 后不會(huì)自動(dòng)通知其下游路由節(jié)點(diǎn)（k-2），而是提取限制速率作為新的計(jì)數(shù)器更新速率，并根據(jù)自身負(fù)載來(lái)決定是否發(fā)送NACK.這樣可以減少更多的興趣包傳入該擁塞區(qū)域，從而暫時(shí)緩解網(wǎng)絡(luò)的擁塞，但是這樣也可能造成本來(lái)不擁塞的下游鏈路發(fā)生擁塞，因此要徹底解決網(wǎng)絡(luò)的擁塞，還需要消費(fèi)者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況來(lái)改變興趣包的發(fā)送速率.

當(dāng)一個(gè)興趣包即將被滿(mǎn)足時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)檢查其擁塞標(biāo)志，如果等于零，則直接返回?cái)?shù)據(jù)包；如果大于零，則將限制速率復(fù)制到數(shù)據(jù)包中并原路返回給消費(fèi)者.當(dāng)消費(fèi)者接收到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包中的限制速率提取出來(lái)作為新的興趣包發(fā)送速率，這樣就可以將網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的概率降到最低，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，保證網(wǎng)絡(luò)的良好性能.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

在ndnSIM2.0 上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，來(lái)證明所提出的算法的有效性.ndnSIM2.0是一個(gè)基于ns-3的仿真平臺(tái)，能夠仿真多樣化的部署場(chǎng)景，支持大范圍的NDN實(shí)驗(yàn).仿真實(shí)驗(yàn)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示.采用的是單瓶頸鏈路拓?fù)?，其中消費(fèi)者Src1 至Src3 每秒發(fā)送1000個(gè)興趣包，三種數(shù)據(jù)流所能接收的最大延時(shí)Di分別為45 ms，50 ms 和55 ms，數(shù)據(jù)請(qǐng)求服從齊夫分布，鏈路的傳播延時(shí)為10 ms，轉(zhuǎn)發(fā)策略采用的是BestRoute.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.3 Network topology

因?yàn)镋CM 算法需要計(jì)算大量數(shù)據(jù)流的速率，但是其隨著網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況也在發(fā)生變化.為了更好地驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性，場(chǎng)景二使用了與場(chǎng)景一基本相同的參數(shù)，但是瓶頸鏈路帶寬從1 M 逐漸增加到6 M，觀察平均丟包率的變化.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將提出的ECM 算法與ICP、HR-ICP 和CHoPCoP進(jìn)行了比較，ICP 是一種類(lèi)似于TCP 的興趣包控制協(xié)議，設(shè)置在消費(fèi)者的AIMD 控制器會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況來(lái)調(diào)整輸出窗口的大小，HR-ICP 在ICP 的基礎(chǔ)上提出一種結(jié)合發(fā)送端與路由節(jié)點(diǎn)端的擁塞控制機(jī)制，CHoPCoP 使用顯式擁塞通知而不是RTO計(jì)時(shí)器來(lái)更快地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞信息.考慮的性能指標(biāo)包括延時(shí)，數(shù)據(jù)接收速率和丟包率.

延時(shí)隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖4 所示.三位消費(fèi)者的延時(shí)都逐漸增加并收斂于40 ms 左右，收斂以后處于穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)镋CM 能夠通過(guò)收集返回?cái)?shù)據(jù)包攜帶的速率信息來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度上的路由節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載達(dá)到相對(duì)均衡時(shí)，消費(fèi)者將以接近恒定的速率發(fā)送興趣包，因此明顯改善了延時(shí)抖動(dòng)性，說(shuō)明了算法的穩(wěn)定性.同時(shí)，收斂后的延時(shí)隨數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)的增大逐漸減少，這樣既保證了數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量同時(shí)也提供了更好的體驗(yàn)質(zhì)量.

圖4 用戶(hù)延時(shí)Fig.4 Delay of users

圖5顯示了三種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的瓶頸帶寬分配情況.我們可以明顯觀察到，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，系統(tǒng)分配帶寬的情況和數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)是一致的，也就是說(shuō)，當(dāng)鏈路帶寬不足的情況下，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的QoS得到了有效的保證.

圖5 不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的寬帶分配情況Fig.5 Bandwidth allocation of different priority flows

圖6比較了ICP、HR-ICP、CHoPCoP和ECM在仿真期間的數(shù)據(jù)接受速率.可以看到ECM 的性能是明顯優(yōu)于ICP 和HR-ICP 的，這是因?yàn)镮CP 采用了擁塞窗口，慢啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致速率較低，同時(shí)由于擁塞窗口的增加，消費(fèi)者發(fā)送的興趣包增多，這樣會(huì)導(dǎo)致興趣包的排隊(duì)時(shí)間增加，相應(yīng)的RTT 也會(huì)增加，從而降低了ICP 的網(wǎng)絡(luò)容量利用率，而HR-ICP 由于在中間路由節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)擁塞從而與ICP 相比網(wǎng)絡(luò)容量利用率更好，但其仍采用擁塞窗口來(lái)調(diào)節(jié)興趣包發(fā)送速率.ECM 和CHoPCoP 都能很好地利用網(wǎng)絡(luò)容量，由于CHoPCoP 使用了顯式擁塞通知機(jī)制，使得其能更好地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞信息，從而更好地利用網(wǎng)絡(luò)容量，但是ECM比CHoPCoP的穩(wěn)定性更好.

圖6 四種方法的數(shù)據(jù)接收速率Fig.6 Data rate of four methods

圖7 是這三種機(jī)制的數(shù)據(jù)接受速率的小提琴圖.小提琴圖是箱線(xiàn)圖與核密度圖的結(jié)合，顯示了速率的中位數(shù)和四分位數(shù)以及速率的集中和離散程度，可以看到ECM 的數(shù)據(jù)分布是更集中的，同時(shí)根據(jù)表1的數(shù)據(jù)顯示，ECM的四位方差最小，中位數(shù)最大，也說(shuō)明ECM 在充分利用了網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)，保證了較好的穩(wěn)定性.

表1 數(shù)據(jù)接收速率統(tǒng)計(jì)Tab.1 Data rate statistics

圖7 數(shù)據(jù)接收速率的小提琴圖Fig.7 Violin diagram of Data rate

圖8是四種方法的平均丟包率隨瓶頸鏈路的變化情況.可以看到ECM 的丟包率是最小的，這是因?yàn)镋CM 將貪婪流的興趣包暫時(shí)存于隊(duì)列中而不是直接丟棄，這樣不僅可以平滑網(wǎng)絡(luò)流量，降低上游路由節(jié)點(diǎn)的擁塞狀況，同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)的丟失.ICP的丟包率最高，這是因?yàn)镮CP是在鏈路因?yàn)閬G包造成超時(shí)后才能檢測(cè)到擁塞并進(jìn)行擁塞控制，從而導(dǎo)致了較高的丟包率，HR-ICP 和CHoPCoP 的性能介于兩者之間，這是因?yàn)镠R-ICP 相比ICP 能夠在中間節(jié)點(diǎn)更快地檢測(cè)擁塞，而CHoPCoP 使用了顯式擁塞通知機(jī)制，能夠提前通知消費(fèi)者潛在的擁塞，從而消費(fèi)者可以更快地調(diào)節(jié)興趣包的發(fā)送窗口，避免大部分丟包.

圖8 四種方法的平均丟包率Fig.8 Average packet loss rate of four methods

三種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的平均丟包率隨瓶頸鏈路帶寬的變化結(jié)果如圖9所示.從中可以觀察到，當(dāng)瓶頸鏈路帶寬相同時(shí)，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的平均丟包率低于低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流，這是因?yàn)楫?dāng)鏈路發(fā)生擁塞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先給高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流分配帶寬，因此網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量也得到了有效的保證.

圖9 不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的平均丟包率Fig.9 Average packet loss rate of different priority flows

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種顯式擁塞控制方法，消費(fèi)者可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及時(shí)調(diào)整興趣包的發(fā)送速率，在輸出端口通過(guò)計(jì)數(shù)器和整形隊(duì)列對(duì)貪婪流進(jìn)行限制，同時(shí)通過(guò)顯式擁塞通知機(jī)制使得網(wǎng)絡(luò)能夠更快地對(duì)擁塞信息作出反應(yīng). 仿真結(jié)果表明，與ICP 和CHoPCoP 這兩種典型的擁塞控制機(jī)制相比，ECM 具有更好的網(wǎng)絡(luò)容量利用率和穩(wěn)定性以及更低的丟包率.