陶 洋，周 玄

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了一個極度快速的發(fā)展。通過最近科學(xué)技術(shù)的支持，移動設(shè)備也變得越來越智能，許多設(shè)備都已經(jīng)裝有多網(wǎng)絡(luò)接口［1］。通過無線網(wǎng)絡(luò)，各個領(lǐng)域的大量日益復(fù)雜的服務(wù)和應(yīng)用，包括商業(yè)和娛樂，都被廣泛提供給這些移動設(shè)備的用戶，并且充分利用無處不在的訪問支持［2，3］。然而，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性要求額外的方案去解決平滑高質(zhì)量的服務(wù)配置［4］。SCTP 的多穴特性［5］和其動態(tài)的重構(gòu)擴(kuò)展［6］使其在無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中支持高效的數(shù)據(jù)傳輸，包括無縫切換，都有著廣闊的發(fā)展前景。

CMT 利用SCTP的多穴特性同時分配數(shù)據(jù)，在多條獨(dú)立的端到端的路徑上傳輸［7］。裝有多網(wǎng)絡(luò)接口的移動設(shè)備可以利用CMT 來獲得帶寬聚合，以提高數(shù)據(jù)的吞吐量、帶寬源利用以及系統(tǒng)的魯棒性［8］。CMT 被認(rèn)為是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中有嚴(yán)格時延和丟包率限制要求的實(shí)時多媒體流應(yīng)用的理想解決方案［9，10］。

然而，仍有許多SCTP CMT 的挑戰(zhàn)需要解決。經(jīng)典的CMT 策略主要用統(tǒng)一循環(huán)的方法分割所有路徑中的SCTP數(shù)據(jù)包，就帶寬、時延以及其它QoS 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)而言，不考慮路徑質(zhì)量的差異性。在無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，用這種盲目的循環(huán)方法調(diào)度數(shù)據(jù)塊毫無疑問的會引起嚴(yán)重的問題。因此，CMT 經(jīng)常遭受重大接收端緩沖區(qū)阻塞問題，這必將降低系統(tǒng)的傳輸效率。無序數(shù)據(jù)和選擇應(yīng)答 （SACK）段的增加會導(dǎo)致更多不必要的快速重發(fā)，擁塞窗口［11］數(shù)量的進(jìn)一步減少和由于SACKs引起的更高的開銷。

目前，CMT已經(jīng)引起了大量學(xué)術(shù)研究的興趣。Dreibholz等［12］在IETE中研究了連續(xù)不斷的SCTP標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，且在并行多路徑傳輸和安全領(lǐng)域給出了活動和挑戰(zhàn)的總體概述。Wallace等［13］提出SCTP的綜合回顧，并討論了3個相關(guān)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)：并行多路徑傳輸、切換管理和跨層活動。CMT 被高度評價為在基于多穴SCTP的環(huán)境中最熱門的研究之一。

Huang等［14］提出一種快速重傳策略，在車載網(wǎng)中，通過使用CMT 繼電器網(wǎng)管 （RG－CMT）來處理包丟失。當(dāng)包由于移交而發(fā)生丟失時，RG－CMT 從繼電器網(wǎng)管到車輛實(shí)現(xiàn)快速重傳，這將會節(jié)約傳輸時間和帶寬。仿真和分析結(jié)果顯示，在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，WCMT－SCTP 可以大大提高系統(tǒng)的吞吐量。

Natarajan等［15］提出一種具有潛在失效狀態(tài)的CMT。一條經(jīng)歷過單一超時的路徑就被標(biāo)示為 “潛在失敗”（PF），表明這條路徑的通信可靠性存在疑問。一條PF路徑是不會用來傳輸數(shù)據(jù)的，直到它返回完全活躍狀態(tài)。CMT－PF 減少了鏈路失敗的探測等待時間，提高了CMT 的吞吐量。然而CMT－PF用的是和CMT 同樣的循環(huán)時間表對所有路徑均等的分配數(shù)據(jù)包，并沒有考慮它們不同的處理能力。

由于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的多穴通信，時延、帶寬和替代路徑的丟包率都是不同的。如果使用一個循環(huán)數(shù)據(jù)交付策略，較慢路徑就很容易超負(fù)荷，而較快路徑仍處于未充分利用狀態(tài)。為避免不平衡的傳輸，減少接收端的數(shù)據(jù)亂序，減緩由于使用不同路徑并行傳輸導(dǎo)致的接收端緩沖區(qū)阻塞問題，本文提出一種在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中用于數(shù)據(jù)交付的并行多路傳輸路徑質(zhì)量評估模型，本模型主要貢獻(xiàn)如下：①精確的感知每條路徑當(dāng)前的傳輸狀態(tài)，并實(shí)時評估每條路徑的數(shù)據(jù)處理能力；②根據(jù)不同路徑對數(shù)據(jù)的處理能力動態(tài)分配數(shù)據(jù)流量，實(shí)現(xiàn)路徑充分利用。

1 路徑質(zhì)量評估模型 （PQEM）

本文提出的路徑質(zhì)量評估模型，通過選擇一個合理的估計區(qū)間來計算每條路徑進(jìn)入和離開發(fā)送端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理速率，以描述了每條路徑的通信質(zhì)量。任何一個不良狀況，包括丟包率、鏈路時延、路由器緩沖區(qū)的大小、信道容量、其它數(shù)據(jù)量的數(shù)量等等，都引起路徑處理能力的性能下降。PQEM 用了一個綜合的評估方法來反應(yīng)以上因素在通信質(zhì)量方面的影響。PQEM 發(fā)送端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理速率描述了更好的端到端的數(shù)據(jù)交付情況，因?yàn)樗痰墓烙嫊r間能使它更及時的反應(yīng)當(dāng)前路徑的通信狀態(tài)。此外，分配數(shù)據(jù)進(jìn)入和離開發(fā)送端緩沖區(qū)時間區(qū)間的采樣值可以通過預(yù)測路徑質(zhì)量變化趨勢輕松獲得。

1.1 路徑質(zhì)量因子的確定

RTT 通常用作路徑質(zhì)量估計最重要的參數(shù)，其計算涉及到數(shù)據(jù)傳輸時間、數(shù)據(jù)在接收端的處理時間和SACK 傳輸?shù)臅r間。在CMT 中，SACK 可以在不同的路徑上傳輸，因此有不同的時延，從而導(dǎo)致錯誤的RTT 估計。此外，通過計算每條路徑上發(fā)送每個包的RTT 單個采樣方法不能正確反映RTT 的變化過程，也不能很好的估計路徑質(zhì)量變化的趨勢。CMT－QA 不直接利用RTT 信息來分配在發(fā)送端等待的數(shù)據(jù)，相反，PQEM 根據(jù)分配數(shù)據(jù)的發(fā)送情況，把發(fā)送數(shù)據(jù)的總時間劃分成不同的時期。PQEM 收集發(fā)送的數(shù)據(jù)量，并計算發(fā)送數(shù)據(jù)和接收其相應(yīng)SACKs的時間間隔，以上過程就是用來計算進(jìn)入和離開發(fā)送端緩沖區(qū)的分布式數(shù)據(jù)的速率。通過這種方法，傳輸層就可以很好的估計每條端到端路徑的傳輸能力。

當(dāng)前的CMT 主張共享一個發(fā)送端緩沖區(qū)，這就不可能獲得每個路徑的通信信息。與此同時，發(fā)送端也可能發(fā)生傳輸阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到接收機(jī)時，直到發(fā)送端接收到ACK，這些數(shù)據(jù)塊才被存儲在發(fā)送端緩沖區(qū)，并被標(biāo)注有突出地位。當(dāng)路徑中存在重大傳輸能力差異時，共享發(fā)送端緩沖區(qū)中的較慢路徑就會經(jīng)常出現(xiàn)充滿標(biāo)有突出地位的數(shù)據(jù)塊。在這種情況下，即使當(dāng)前的擁塞和流控制機(jī)制允許，也沒有新的數(shù)據(jù)塊可以在快的路徑上進(jìn)行傳輸。為了正確的估計每條路徑的質(zhì)量，提高傳輸效率，在PQEM中，共享發(fā)送端緩沖區(qū)被分成兩部分。一部分是每條路徑的個人發(fā)送子緩沖區(qū)，另一部分是每個路徑連接獨(dú)立管理其自己發(fā)送子緩沖區(qū)。PQEM 用一個動態(tài)的緩沖區(qū)分配機(jī)制，根據(jù)路徑當(dāng)前的傳輸能力來為每條路徑分配不同的緩沖區(qū)空間大小。

基于以上為多路徑單獨(dú)發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們可以用式 （1）來計算路徑的質(zhì)量

式中：Tfi是一組分布式數(shù)據(jù)塊中第一個數(shù)據(jù)塊進(jìn)入路徑i的發(fā)送端緩沖區(qū)的時間，它可以通過記錄數(shù)據(jù)塊進(jìn)入發(fā)送端的時間獲取。Tli是一組分布式數(shù)據(jù)塊中最后一個數(shù)據(jù)塊離開路徑i的發(fā)送端緩沖區(qū)的時間，Tli可以通過記錄數(shù)據(jù)塊在發(fā)送端相應(yīng)的SACK 離開時間來獲取。緩沖區(qū)大小就表示路徑i發(fā)送端緩沖區(qū)的大小，在傳輸過程中，首先被數(shù)據(jù)塊占用，然后又被釋放出來，即在一段特殊時期內(nèi)，單位時間進(jìn)入和離開路徑i的發(fā)送端的數(shù)據(jù)量。Qi表示路徑i的發(fā)送端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理速率。Qi的值越小，表示當(dāng)前路徑i的質(zhì)量就越高。路徑i的緩沖區(qū)大小反應(yīng)了當(dāng)前路徑i在整個發(fā)送數(shù)據(jù)過程中的通信狀態(tài)。

1.2 路徑質(zhì)量因子的采樣

確定了路徑質(zhì)量因子，接下來就應(yīng)該確定多長時間來計算和更新路徑i的估計值Qi。在無線的情況下，如果這個估計區(qū)間太短了 （例如短于或者和RTT 一樣短），那么當(dāng)數(shù)據(jù)塊由于無線網(wǎng)絡(luò)情況發(fā)生變化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)塊隨機(jī)丟失時，它也許就不能正確的反應(yīng)路徑的狀況。但是，如果估計間隔設(shè)置太長，它又不能及時的反應(yīng)動態(tài)的路徑狀態(tài)。因此，間隔需要基于歷史信息，并且選擇一個合適長度的間隔來精確的更新Q 的值。置信區(qū)間的值被廣泛用來量化統(tǒng)計不確定性?；谙惹暗男蛄薪y(tǒng)計樣本，PQEM 使用置信區(qū)間來確定下一個間隔，并計算Q 的值。我們選擇沒有包丟失的時間間隔作為樣本。起初，PQEM 需要3次間隔作為初始樣本。如果發(fā)生包丟失的情況，那么從第一個包進(jìn)入發(fā)送端到包丟失前的最后一個包進(jìn)入發(fā)送端的時間段作為一個樣本。圖1就描述了這個抽樣的過程。

圖1 收集一個間隔樣值

采樣算法顯示了路徑i的樣本是怎樣采集的。每一條路徑都有一個相關(guān)的個體重傳計時器T3－rtx，以確保在沒有收到接收端任何反饋信息時進(jìn)行數(shù)據(jù)交付。在數(shù)據(jù)分配區(qū)間，當(dāng)?shù)谝粋€數(shù)據(jù)塊被發(fā)送出去的時候，它的發(fā)送時間記為一個成功傳輸時間區(qū)間的初始時間。當(dāng)一個數(shù)據(jù)塊被發(fā)送到任何一條路徑時 （包括重傳），如果和那條路徑相關(guān)聯(lián)的T3－rtx計時器還沒有開始工作，發(fā)送端就啟動計時器，以便它超時重傳后就失效。如果哪條路徑的時間計時器已經(jīng)開始運(yùn)作，當(dāng)一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)塊在早些時候被送來重傳時，發(fā)送端就要重啟計時器。每當(dāng)收到一個SACK 時，就表示收到了來自此路徑的一個有優(yōu)秀傳輸序列號的數(shù)據(jù)塊，這時，這條路徑的T3－rtx計時器就需要用它當(dāng)前的RTO（超時重傳時間）來重新啟動 （如果這條路上仍有一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)）。如果所有的優(yōu)秀的數(shù)據(jù)都被送到一條路徑上，并且已經(jīng)得到認(rèn)可，那這條路徑的T3－rtx計時器就可以關(guān)閉了。如果這個數(shù)據(jù)塊通過累計ACK 并且得到認(rèn)可，它就能從發(fā)送端的重傳隊(duì)列緩沖區(qū)中移除。如果出現(xiàn)包丟失的情況，不管是被RTO 探測到，還是被連續(xù)不斷的SACKs報道，發(fā)送端都應(yīng)該立刻重傳丟失的數(shù)據(jù)塊以減輕重新排序。在丟包的情況下，最后一個數(shù)據(jù)塊的時間戳 （指示發(fā)送時間）被記為一個成功數(shù)據(jù)傳輸區(qū)間的結(jié)束時間。在收集了最新的數(shù)據(jù)之后，我們就需要重新計算這條路徑的處理能力，并且更新Q 值。Q 值的更新分兩種情況：包丟失的情況和考慮置信區(qū)間的情況。

采樣算法：收集一個采樣

1：對于任一目的地址di，初始化di.初始數(shù)據(jù)＝TRUE；END＝0；

2：while（！END）

3： if（di.初始數(shù)據(jù)＝＝TRUE）

4： 記錄當(dāng)前時間作為初試時間

5： di.初始數(shù)據(jù)＝FALSE；

6： end if

7： 傳輸一個數(shù)據(jù)塊

8： 記錄當(dāng)前時間作為數(shù)據(jù)塊的時間戳；

9： if（di.rxt時間計時器已經(jīng)啟動＝＝FALSE）

10： 啟動T3－rtx時間計時器

11： di.rxt時間計時器已經(jīng)啟動＝TURE；

12： end if

13： if（杰出數(shù)據(jù)的應(yīng)答到達(dá)）

14： 重啟T3－rtx時間計時器

15： end if

16： if （T3－rtx 時 間 計 時 器 在RTO 后 期 滿｜｜SACK 報告4次丟失）

17： 記錄最后一個數(shù)據(jù)塊的時間戳作為結(jié)束時間

18： END＝1；

19： 立刻重傳；／＊發(fā)生丟包＊／

20： end if

21：end while

22：計算區(qū)間采樣 （結(jié)束時間－開始時間）

如上文算法所示，在收集樣本后，通過與歷史區(qū)間樣本相結(jié)合，我們可以計算出每條路徑的置信區(qū)間。假設(shè)一條路徑的時間間隔樣本為x1；x2；x3；…；xn，我們就可以使用下面的公式計算出時間間隔樣本的平均值

式中：xi——每一個時間樣本都沒有出現(xiàn)丟包的成功傳輸區(qū)間，N——樣本數(shù)量，——平均時間間隔。

式 （2）描述了計算平均值的基本公式。為避免在發(fā)送端存儲所有收集到的樣本，我們可以用一個迭代的方法去計算時間迭代平均值

相似的，式 （4）就可以用來計算標(biāo)準(zhǔn)差

式中：xi——每一個采樣都沒有丟包的成功傳輸間隔。N——樣本的數(shù)量，——平均的時間間隔，SN——所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

式 （4）是計算樣本標(biāo)準(zhǔn)差的一個基本公式。我們也可以用迭代的方法去計算標(biāo)準(zhǔn)差以避免在發(fā)送端存儲所有的樣本，以減小計算復(fù)雜度

式 （5）顯示，我們可以用4個變量來計算信的標(biāo)準(zhǔn)差SN＋1：先前的時間標(biāo)準(zhǔn)差SN、先前的平均時間間隔、當(dāng)前的時間樣本xN＋1和先前的樣本數(shù)量N。

當(dāng)計算一個成功傳播的變異系數(shù) （標(biāo)準(zhǔn)差／平均值）后，我們就可以適用這個估計區(qū)間。在從式 （3）和式 （5）中獲得平均值和標(biāo)準(zhǔn)差后，就可以用中心極限定理來計算置信區(qū)間

式中：N——樣本數(shù)量，1－α——置信標(biāo)準(zhǔn)。S是所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差?！袠颖镜钠骄怠?/p>

假設(shè)沒有丟包傳輸?shù)母怕试O(shè)置為98%，即α ＝0.02。如表1 所示，我們就可以用查表的方法得到Z1－α2 ＝2.326。因此，我們就可以獲得置信區(qū)間u，并作為進(jìn)一步評估的參考去更新路徑質(zhì)量和預(yù)測其趨勢。

置信區(qū)間的值也被用來作為一個參考，幫助選擇路徑。如果它小于RTO，包丟失就可能發(fā)生在很短的時間內(nèi)，這就意味著這條路經(jīng)的通信狀態(tài)不是很良好，我們無法檢測它直至一段相對較長的時間后。如果我們用它來并行傳輸數(shù)據(jù)塊，我們就需要等待這條路徑重傳丟失的數(shù)據(jù)塊，因此，傳輸效率就會下降。所以，我們需要用一個不活躍的狀態(tài)去標(biāo)注成功傳輸間隔小于RTO 的路徑。我們選擇高質(zhì)量路徑的子集進(jìn)行傳輸，保證數(shù)據(jù)包能有序的接受，并且重傳率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的方式。

表1 置信標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的α和Z值

2 仿真驗(yàn)證

本文分別對經(jīng)過PQEM 的并行多路傳輸 （下面以CMT－PQEM 表示）和傳統(tǒng)的CMT 以及具有潛在失效狀態(tài)的CMT （下面以CMT－PF 表示）在NS2 仿真軟件下進(jìn)行了性能評測與比較。

在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，本文分別對3種傳輸方式在不同丟包率的情況下進(jìn)行了平均吞吐量和平均重傳進(jìn)行了比較，圖2 （a）為仿真環(huán)境下異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌抡娼Y(jié)果如圖2 （b）、圖2 （c）所示。

圖2 仿真結(jié)果

從圖2 （b）可以看出，不管是CMT，CMT－PF，還是CMT－PQEM，隨著丟包率的增加，它們的平均吞吐量都會隨之下降，但是在同一丟包率的情況下，CMT－PQEM 的平均吞吐量都優(yōu)于其它兩個。從圖2 （c）可以看出，隨著丟包率的逐步增加，CMT、CMT－PF和CMT－PQEM 的平均重傳都相應(yīng)增加，但是在丟包率相同時，CMT 的平均重傳是最高的，而CMT－PQEM 的平均重傳是三者中最低的。綜合圖2可得：CMT－PQEM 的性能優(yōu)于CMT及CMT－PF。

3 結(jié)束語

鑒于以往CMT 的局限性，本文提出一種路徑質(zhì)量評估模型，該模型能實(shí)時計算和評估網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中每條路徑的質(zhì)量，充分考慮了不同路徑之間數(shù)據(jù)傳輸能力的差異，并根據(jù)之前以及當(dāng)前的數(shù)據(jù)來預(yù)測之后的路徑狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，適用于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并行傳輸。通過仿真驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的平均吞吐量，降低平均重傳，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。

［1］HUANG Weiwei.Research on SCTP parallel multiplex transmission based on wireless LAN ［D］.Xi’an：Xidian University，2012 （in Chinese）.［黃威威.無線局域網(wǎng)中基于SCTP并行多路傳輸?shù)难芯?［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.］

［2］JIANG Daoxia，PAN Shouwei，ZHOU Yao，et al.A kind of TCP congestion control algorithm based on end to end Ad Hoc network ［J］.Computer Science，2010，37 （7）：105－110 （in Chinese）.［蔣道霞，潘守偉，周曜，等.一種基于端到端的Ad Hoc 網(wǎng) 絡(luò)TCP 擁 塞 控 制 改 進(jìn) 算 法 ［J］.計 算 機(jī) 科 學(xué)，2010，37 （7）：105－110.］

［3］Natarajan P，Ekiz N，Amer PD，et al.Concurrent multipath transfer during path failure ［J］.Computer Communications，2009，32 （15）：1577－1587.

［4］XU Deli，SONG Fei，GAO Deyun，et al.The parallel multipath transmission based on SCTP in wireless environment［J］.Journal of Computer Applications，2010，30 （9）：2515－2518 （in Chinese）. ［許德力，宋飛，高德云，等.無線環(huán)境下基于SCTP的并行多路經(jīng)傳輸 ［J］.計算機(jī)應(yīng)用，2010，30（9）：2515－2518.］

［5］Mirani FH，Boukhatem N，Tran MA.A data－scheduling mechanism for multi－h(huán)omed mobile terminals with disparate link latencies［C］／／VTC 2010－Fall，2010：1－5.

［6］CUI Yong，CAI Yunfeng，GUO Renwei.The system and scheduling method to send packet in MPTCP ［P］.China，201110115777.9，2011－09－14 （in Chinese）. ［崔勇，蔡云峰，郭仁偉.MPTCP中發(fā)送數(shù)據(jù)包調(diào)度方法及系統(tǒng) ［P］.中國，201110115777.9，2011－09－14.］

［7］Caro A，Iyengar J.NS－2SCTP module［D］.Newark：Protocol Engineering Laboratory （PEL ）， University of Delaware，2012.

［8］Jabalameli H，Malekpour A，Hassani R，et al.An add－on for security on concurrent multipath communication SCTP［C］／／International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops：［s.n.］，2013：713－719.

［9］Huang CM，Lin MS.Multimedia streaming using partially reliable concurrent multipath transfer for multihomed network ［J］.IET Comm，2011，5 （5）：587－597.

［10］Liu Luo，Cuthbert Laurie.A novel QoS in node－disjoint routing for ad hoc networks［C］／／ICC Workshops，2008：202－206.

［11］TAO Yang，LI Pan，WU Jun.An update mechanism of CMT congestion window based on Westwood ［J］.Video Engineering，2011，35 （21）：89－91 （in Chinese）. ［陶洋，李攀，武俊.一種基于Westwood的CMT 擁塞窗口更新機(jī)制［J］.電視技術(shù)，2011，35 （21）：89－91.］

［12］Raiciu C，Barre S，Pluntke C.Improving datacenter performance and robustness with multipath TCP ［C］／／ACM，2011：266－277.

［13］Adhari H，Dreibholz T，Becke M，et al.Evaluation of concurrent multipath transfer over dissimilar paths ［C］／／International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops，2011：708－714.

［14］Budzisz L，F(xiàn)errus R，Casadevall F，et al.On concurrent mutipath transfer in SCTP－based handover scenarios ［C］／／Proceedings of the IEEE International Conference on Communications.Dresden：IEEE，2009：1－6.

［15］Xu C，F(xiàn)allon E，Qiao Y，et al.Performance evaluation of distributing real－time video over concurrent multipath ［C］／／Proc IEEE Conf Wireless Comm and Networking Conf，2009：1－6.