胡 慶，鄒 然，劉 鵬

(重慶郵電大學(xué)軟件技術(shù)中心，重慶 400065)

0 引言

多路徑傳輸協(xié)議(multipath transmission control protocol，MPTCP)以資源共享的方式，把數(shù)據(jù)流分發(fā)到多條鏈路上來提高網(wǎng)絡(luò)帶寬。其思想最早是由Christian Huitema于1995 年在一篇 IETF 的 daft［1］中提出。2009年，IETF為此專門成立了MPTCP工作組，主要致力解決MPTCP體系結(jié)構(gòu)、擁塞控制、路由、API、安全方面［3-5］的問題。在2011年3月形成rfc文案［2］。本文主要針對(duì)包調(diào)度功能進(jìn)行研究并提出一種改進(jìn)算法。

W-SCTP(westwood stream control transmission protocol)利用一次RTT(round trip time)中發(fā)送的所有數(shù)據(jù)建立算法估計(jì)帶寬［7］，但是不能很好地考慮傳輸時(shí)延的影響;CMT(concurrent multipath transfer)協(xié)議中提出流與路徑綁定策略［8］，但是妨礙了與標(biāo)準(zhǔn)SCTP(stream control transmission protocol)和現(xiàn)有CMT傳輸?shù)募嫒菪?。?009年，針對(duì)MPTCP提出的數(shù)據(jù)調(diào)度方案有2種:①數(shù)據(jù)從應(yīng)用層到達(dá)后馬上分配給各個(gè)路徑傳輸;②利用各個(gè)子路徑的擁塞窗口數(shù)來分配數(shù)據(jù)給可用路徑。這2種方法都非常簡單，對(duì)于解決鏈路擁塞和緩沖擁塞幾乎沒有太大作用。2011年，在MPTCP的rfc文案［2］中提出利用數(shù)據(jù)序號(hào)映射結(jié)合數(shù)據(jù)段在不同子路徑中的鏈接級(jí)序號(hào)編號(hào)，數(shù)據(jù)以輪詢的方式分配給每條子路徑進(jìn)行傳輸。然而，以上調(diào)度方案都處于起草階段，只是提出了調(diào)度思想，現(xiàn)在MPTCP協(xié)議中大多還是采用的輪詢方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配。

在本文中，筆者提出一種基于MPTCP的數(shù)據(jù)調(diào)度算法，利用對(duì)子路延遲時(shí)間(round trip time，RTT)和接收端成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為參數(shù)，對(duì)傳輸性能進(jìn)行估計(jì)，利用這些參數(shù)以動(dòng)態(tài)預(yù)留方式進(jìn)行調(diào)度，減少接收端緩存壓力，提高M(jìn)PTCP的傳輸速率和帶寬利用率。

1 數(shù)據(jù)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

在這部分中，首先，筆者分析了影響MPTCP協(xié)議傳輸性能的因子:RTT、丟包率、接收窗口大小等，當(dāng)中RTT尤其重要，它是鏈路性能的主要參數(shù)之一;然后，筆者綜合考慮每條子路徑接收端成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，針對(duì)MPTCP提出了一種新的數(shù)據(jù)調(diào)度算法，即動(dòng)態(tài)預(yù)留數(shù)據(jù)調(diào)度(dynamic resource reservation data scheduling，DR-RS)算法。

1.1 MPTCP傳輸性能分析

在MPTCP協(xié)議中，由于各條子路徑性能的差異，不能使得各子路徑達(dá)到最佳性能，將引起傳輸吞吐量下降，即MPTCP的適應(yīng)性問題。各條子路徑可能具有不同的特點(diǎn)，如帶寬、延遲和錯(cuò)誤率等，當(dāng)子路徑之間的性能差異較大時(shí)，會(huì)使數(shù)據(jù)包不能按序到達(dá)接收端，引起數(shù)據(jù)包的亂序，其問題的根源在于MPTCP協(xié)議的數(shù)據(jù)流控制機(jī)制，當(dāng)接收端的接收窗口小于發(fā)送端的擁塞窗口時(shí)，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率受接收窗口大小的影響。當(dāng)接收窗口大小為0時(shí)，發(fā)送端將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

MPTCP協(xié)議的傳輸性能與路徑相關(guān)系數(shù)、丟包率、延遲接收窗口大小相關(guān)。首先，影響MPTCP協(xié)議整體性能的關(guān)鍵因素是路徑的RTT，它是路徑傳輸速度的重要體現(xiàn)。其次，丟包率也是影響MPTCP協(xié)議整體性能的原因，丟包主要分為2種情況:一是丟包引起快重傳，可能會(huì)降低另一條子路徑的速率;二是丟包引起超時(shí)，另一條子路徑需要等待丟失包重新傳輸并達(dá)到接收端。最后，接收窗口大小也是造成適應(yīng)性問題的因素。MPTCP協(xié)議中接收窗口分為MPTCP總接收窗口和子路徑TCP的接收窗口，前者會(huì)影響其整體性能，它是所有已接收到的數(shù)據(jù)包最終的緩存，發(fā)生適應(yīng)性問題主要是由于總接收窗口的緩存空間被占滿;后者會(huì)影響該子路徑的整體性能，當(dāng)總接收窗口被占滿后，子路徑中發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)被緩存在子路徑的緩存中，所以，子路徑TCP接收窗口的大小也會(huì)影響MPTCP的整體性能。

1.2 DR-RS算法的設(shè)計(jì)

在MPTCP中建立一種有效調(diào)度機(jī)制是十分必要的，筆者提出一種針對(duì)MPTCP的數(shù)據(jù)調(diào)度的DRRS算法。該算法首先預(yù)測每條子路徑接收端成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，結(jié)合該條子路徑的性能參數(shù)RTT，對(duì)所有子路徑進(jìn)行排序并預(yù)留空間，依次分配數(shù)據(jù)包傳輸。以下為該算法的具體內(nèi)容。

1)當(dāng)需要為各子路徑分配數(shù)據(jù)包時(shí)，首先分別估算出每條子路徑接收端成功收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)

2)將各子路徑按照比例:N/RTT(成功傳包數(shù)與延遲的比值)為參數(shù)進(jìn)行排序，并分別計(jì)算出各子路徑發(fā)送窗口剩余空間:Cwndi。

3)以Ni/RTTi最小的子路徑作為基準(zhǔn)路徑，在每條子路徑的接收緩存中依次分配預(yù)留的空間大小。數(shù)據(jù)包的分配會(huì)按Ni/RTTi由大到小的順序分配給各子路徑。

算法的偽代碼如下。

其中，R為子路徑的RTT;E為子路成功傳包數(shù)量;S為預(yù)留空間;B為最小傳輸包的大小;F為兩路徑的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

1.3 DR-RS算法與現(xiàn)有MPTCP算法對(duì)比分析

2011年，在MPTCP的rfc文案［2］中提出利用路徑管理原件中提供的可用路徑，數(shù)據(jù)包按照輪詢的方式，及RRS(round robin scheduling)數(shù)據(jù)調(diào)度策略，依次將請(qǐng)求調(diào)度的數(shù)據(jù)包按照公式i=(i+1)mod n進(jìn)行調(diào)度。該算法的優(yōu)點(diǎn)是簡潔易實(shí)現(xiàn)。但它并沒有考慮各條子路徑之間的性能差異，是一種無狀態(tài)調(diào)度，所以，它無法滿足多路徑并行傳輸?shù)倪m應(yīng)性，降低了整體鏈路的傳輸性能。

筆者提出的DR-RS算法，對(duì)在接收端成功接收到數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)合性能參數(shù)RTT來進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，是一種動(dòng)態(tài)預(yù)留算法，它滿足了MPTCP的適應(yīng)性，提高了整理吞吐量及整體鏈路的性能。

2 仿真與性能分析

采用NS-3仿真工具對(duì)DS-RS算法進(jìn)行性能評(píng)估。方案如下:假定主機(jī)H1，H2間已建立多路徑傳輸通道，主機(jī)H1需要同時(shí)利用各條子路徑給主機(jī)H2傳輸一個(gè) FTP數(shù)據(jù)流，主機(jī)之間同時(shí)使用MPTCP中現(xiàn)有RRS數(shù)據(jù)調(diào)度方案和改進(jìn)后的DRRS數(shù)據(jù)調(diào)度方案持續(xù)傳輸同樣的數(shù)據(jù)流。設(shè)定2條子路徑間路徑延遲比例為1∶4和1∶6，拓?fù)洳蓸訒r(shí)間設(shè)為30 s。

圖1為2種方案在不同時(shí)延下，接收端成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的對(duì)比，圖1中RRS 1-6和RRS 1-4表示RRS中子路徑延遲的比率分別設(shè)置為1∶6和1∶4時(shí)的情況，DR-RS算法中同理。DR-RS中子路徑接收端的成功收包數(shù)更高于RRS機(jī)制中子路徑接收端的成功收包數(shù)。

圖1 不同機(jī)制中成功傳包數(shù)量Fig.1 Number of packets delivered by different mechanisms’settings

圖2為2種方案的擁塞窗口數(shù)Cwnd對(duì)比，DRRS估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中端到端間的成功傳包數(shù)和延遲，使得包在子路徑上有效傳輸，因此，擁塞窗口更加穩(wěn)定，增長速度更快且更高。

圖2 延時(shí)比率為1∶4時(shí)的擁塞窗口增長情況Fig.2 Cwndgrowth pattern with delay ratio 1∶4

另一方面，RRS方案下的擁塞窗口增長穩(wěn)定性并不理想。因?yàn)閭鞑パ舆t在path－2(RRS Path2)上比在path－1(RRS Path1)大，path－2上的包傳輸比path－1上的包傳輸時(shí)間更長，同時(shí)傳輸?shù)陌黳ath－2比path－1后抵達(dá)。

在圖3對(duì)比了2種方案的吞吐量。在DR-RS中，吞吐量更高;另一方面，RRS方法中由于失序數(shù)據(jù)從而發(fā)生快重傳，使得擁塞窗口一直很小，導(dǎo)致堵塞，降低了吞吐量。

圖3 延時(shí)比率為1∶4時(shí)的吞吐量情況Fig.3 Throughput achieved with path delay ratio 1∶4

3 結(jié)束語

本文分析了在MPTCP中影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的因素，在MPTCP現(xiàn)有數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制上提出綜合考慮子路徑的往返時(shí)延和接收端成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的DR-RS算法。通過使用NS-3進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果表明，提出的調(diào)度機(jī)制減少了MPTCP中的重傳數(shù)，提高了吞吐量。下一步深入MPTCP數(shù)據(jù)調(diào)度的研究，嘗試建立一個(gè)完整的數(shù)據(jù)調(diào)度方案，從而達(dá)到更好的負(fù)載均衡。

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［8］吳曉丹，秦亞娟.流與路徑綁定的CMT研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.WU Xiaodan，Tai Yajuan.Research and Implementation of flow path bound under CMT［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University.2008.