安沙沙，才 智，葛萬成，汪亮友，林佳燕

0 引言

隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代通信網(wǎng)已發(fā)展成為一種多技術(shù)、多層次、多業(yè)務(wù)的混合網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息量每年都以驚人的速度增長，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷增加，在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方面，傳統(tǒng)的UDP視頻傳輸協(xié)議已經(jīng)顯現(xiàn)出一些不足。然而TCP協(xié)議，在大數(shù)據(jù)傳輸并發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，出現(xiàn)丟包重傳和抖動(dòng)失真的現(xiàn)象相對增多，因此TCP協(xié)議能否滿足未來大數(shù)據(jù)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求，面臨著不小的挑戰(zhàn)［1］。針對這一未來的挑戰(zhàn)，需要一種更好的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，更好的滿足視頻流的傳輸，公平的分享寬帶資源，這也是未來提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的研究方向之一［2］。該論文受到XCP(eXplicit Control Protocol)算法的啟發(fā)，提出了一種基于IP包頭的顯式擁塞控制ECN(Explicit Congestion Notification)的快速跨層擁塞控制算法FCLCP(Fast Cross Layer Congestion Control Protocol)，該算法能夠更加準(zhǔn)確的反映網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的鏈路狀況，更加有效的擁塞控制，有效的緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。

1 網(wǎng)絡(luò)擁塞的基本概念

擁塞是當(dāng)通信子網(wǎng)中某一部分的數(shù)據(jù)分組高于一定的水平，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理這些分組時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)的性能下降的情況。

擁塞會導(dǎo)致分組傳輸時(shí)延的急劇增加和分組的丟失，分組因?yàn)閬G失進(jìn)行的重傳又會加重?fù)砣?，造成惡性循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)砣罎⒌陌l(fā)生。網(wǎng)絡(luò)擁塞主要具有如下表現(xiàn)形式:一是上層應(yīng)用系統(tǒng)所具有的性能降低;二是丟包的概率大大增加;三是數(shù)據(jù)包延時(shí)大幅度增加。通過圖1能夠得出，當(dāng)負(fù)載過小時(shí)，其負(fù)載與吞吐量都表現(xiàn)出線性關(guān)系;當(dāng)上升到knee，也就是膝點(diǎn)后，當(dāng)負(fù)載不斷提高時(shí)，其吞吐量緩慢增加;但是一旦負(fù)載達(dá)到cliff，也就是崖點(diǎn)后，吞吐量會隨著負(fù)載的提高而不斷快速降低。一般而言，將knee點(diǎn)旁邊定義成擁塞避免區(qū)，而 cliff和knee間的區(qū)域我們稱之為擁塞恢復(fù)區(qū)，關(guān)于擁塞崩潰區(qū)，即為cliff之外的區(qū)域。

圖1 負(fù)載與吞吐量之間的關(guān)系

擁塞產(chǎn)生的直接原因有如下幾點(diǎn):①帶寬容量不足;②存儲空間不足;③如果系統(tǒng)處理器速度較慢、運(yùn)算效率低，路由器在更新路由表以及緩沖排隊(duì)時(shí)的處理速度滿足不了高速鏈路要求，也會產(chǎn)生擁塞［3］。

2 快速跨層擁塞控制算法

2． 1 基于XCP的速率推導(dǎo)

XCP［4］的核心思想是在活動(dòng)數(shù)據(jù)流中分配可用帶寬S=C－Λ－q(t)/d0，其中C是鏈路容量，Λ指數(shù)據(jù)包到達(dá)總速率。如果將每個(gè)數(shù)據(jù)流的空閑帶寬記為ΔR，那么所有數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包總和應(yīng)該不超出可用帶寬總和S，即:

進(jìn)一步可以轉(zhuǎn)化為:

根據(jù)式(2)，當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)率為Ri的數(shù)據(jù)流設(shè)置新的發(fā)送速率Rnewi為:

式(3)的第一、第二項(xiàng)為在當(dāng)前時(shí)間周期內(nèi)是常數(shù)，所以提取第三項(xiàng)作為本算法的速率分配公式，即

帶有穩(wěn)定性系數(shù)的FCLCP速率:

將式(4)的右式的分母部分左乘，得到:

可以發(fā)現(xiàn)式(5)的物理意義是發(fā)送到一個(gè)路由器的數(shù)據(jù)包總數(shù)不能超過帶寬－時(shí)延乘積扣除路由器端的隊(duì)列長度。其中，Rj=wj/RTTj是到達(dá)路由器的L數(shù)據(jù)包的第j個(gè)速率。對于控制周期d的預(yù)測，F(xiàn)CLCP不需要像RCP(Rapid Control Protocol)及XCP一樣的實(shí)際數(shù)據(jù)流的 RTT［5］(Round Trip Time)，d值可以根據(jù)最大及最小RTT值設(shè)置為某些合理的值，通過用戶定義或者從離線實(shí)驗(yàn)中獲取，表1列出了計(jì)算 ()R t所用到的標(biāo)記符號。

2． 2 FCLCP擁塞控制算法流程

所有數(shù)據(jù)流和FCLCP算法在終端及路由器端進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

(1)發(fā)送端以速率^Rj發(fā)送對應(yīng)數(shù)據(jù)包中的字節(jié)j;

(2)每個(gè)路由器計(jì)算 ()R t，時(shí)間間隔是一個(gè)路由器控制周期d內(nèi)，0＜d≤RTTmax，RTTmax是指已知或離線預(yù)測的最大流RTT，()R t的計(jì)算見表1;

表1 FCLCP算法中的參數(shù)標(biāo)識

(3)與j字節(jié)所在數(shù)據(jù)包經(jīng)過的每一路由器檢查 ^Rj與 ()R t，當(dāng) ()R t ＜^Rj時(shí)，以 ()R t覆蓋 ^Rj，反之則不做任何改變地轉(zhuǎn)發(fā);

(4)接收端將數(shù)據(jù)包中的 ^Rj復(fù)制到ACK包中;

(5)源端收到ACK包后，根據(jù) ^Rj將當(dāng)前的擁塞窗口更新為wj=^RjRTTj，RTTj是j字節(jié)所在數(shù)據(jù)流的RTT，同時(shí)根據(jù)ACK發(fā)現(xiàn)的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包;

(6)每個(gè)控制周期d內(nèi)，每一路由器刷新R(t)用以獲得數(shù)據(jù)流的路徑，R(t)作為一個(gè)鏈路的權(quán)值。

2． 3 FCLCP結(jié)合ECN的跨層擁塞控制實(shí)現(xiàn)

算法的跨層［6］還體現(xiàn)在使用了 IP包中的ECN［7］來實(shí)現(xiàn)FCLCP，即使用2位ECN位來編碼數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔lj，lj=1/Rj(t)=RTTj/wj(t)。接收端將已編碼的ECN位復(fù)制到相應(yīng)的ACK包中，并傳回給源端，lj可以用剩余3個(gè)不同的數(shù)值來編碼，3個(gè)數(shù)據(jù)包可以總共編碼為9個(gè)數(shù)值。當(dāng)數(shù)據(jù)流的競爭窗口wj以及發(fā)送速率Rj(t)增加時(shí)，數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔減少。FCLCP運(yùn)用ECN實(shí)現(xiàn)lj的過程如圖2所示，數(shù)據(jù)流經(jīng)過路徑的源端路由器共享相同的IPID及ECN值，源端則使用IPID及ECN值表示最大速率，即最小lj。每個(gè)路由器則使用相反的映射方程可以解碼出lj，然后將自身的lj和解碼出的lj進(jìn)行對比，如果自身的lj大于解碼lj，則往數(shù)據(jù)包中重寫 lj，lj=max(1/Rj(t)，1/R(t+d))。

圖2 FCLCP使用ECN的實(shí)現(xiàn)示意

3 仿真及結(jié)果

采用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真工具對FCLCP算法進(jìn)行仿真，來分析有線無線混合網(wǎng)絡(luò)下FCLCP擁塞控制機(jī)制的性能。根據(jù)仿真結(jié)果對目前應(yīng)用最廣泛且較為成熟的TCP Reno算法［8］和FCLCP控制機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)對比。

圖3顯示FCLCP算法和TCPReno算法的傳輸數(shù)據(jù)包總數(shù)與數(shù)據(jù)包損壞概率的關(guān)系。其中將數(shù)據(jù)包損壞概率設(shè)定在0到30%遞增的情況，由圖可知當(dāng)數(shù)據(jù)包損壞概率遞增時(shí)，數(shù)據(jù)包傳輸總數(shù)是在不斷遞減的。但可以明顯地發(fā)現(xiàn)，在仿真期間，F(xiàn)CLCP所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)要遠(yuǎn)大于TCP Reno。同時(shí)損壞概率為0．2左右時(shí)，F(xiàn)CLCP傳輸數(shù)據(jù)包總數(shù)的情況要遠(yuǎn)優(yōu)于TCP Reno。

圖3 丟包總數(shù)仿真結(jié)果

然后對多個(gè)數(shù)據(jù)流競爭時(shí)會產(chǎn)生不公平性進(jìn)行研究，驗(yàn)證本文提出的FCLCP能對該現(xiàn)象有一定改善。仿真場景是整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)中存在3個(gè)數(shù)據(jù)流。圖4顯示了各數(shù)據(jù)流平均有效吞吐量，單位是kb/s?？梢园l(fā)現(xiàn)，使用TCP Reno時(shí)，第3個(gè)數(shù)據(jù)流吞吐量幾乎為0，分析其原因可知當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)，會彼此相互競爭信道，產(chǎn)生不公平性。而使用FCLCP之后，數(shù)據(jù)流之間的公平性有了一定的改善。

圖4 3個(gè)數(shù)據(jù)流場景下各數(shù)據(jù)流吞吐量比較

4 結(jié)語

論文提出的FCLCP算法是基于跨層設(shè)計(jì)的思想，在顯式控制協(xié)議XCP的基礎(chǔ)上針對高數(shù)據(jù)傳輸效率的快速擁塞控制算法，其核心思想是利用一個(gè)公平速率［9］來度量數(shù)據(jù)流的傳輸速率，并且選擇數(shù)據(jù)流的傳輸路徑。通過IP包中的ECN信息來跨層實(shí)現(xiàn)FCLCP，使之既適合于視頻流式傳輸，又能與TCP公平分享帶寬，也不會產(chǎn)生新的包頭開銷。采用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真工具對FCLCP跨層擁塞機(jī)制進(jìn)行了仿真，同時(shí)與目前應(yīng)用最廣泛且較為成熟的TCP Reno算法在丟包數(shù)目和多個(gè)數(shù)據(jù)流的公平性方面進(jìn)行詳細(xì)比較，發(fā)現(xiàn)擁塞控制機(jī)制能夠較好的改善網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。因此把跨層設(shè)計(jì)應(yīng)用在視頻傳輸時(shí)的擁塞控制中是非?？尚械摹Ｕ撐牡难芯抗ぷ鞯玫搅松虾Ｊ锌茖W(xué)技術(shù)委員會科研項(xiàng)目《基于個(gè)性化推薦技術(shù)的航空移動(dòng)社區(qū)服務(wù)模式研究與應(yīng)用》(項(xiàng)目號:14DZ1101400)和同濟(jì)大學(xué)研究生國際交流基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號:201502008)的經(jīng)費(fèi)支持。

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