章廣梅,張建豐,王煒發(fā),李 勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所,廣州 510310)

0 引 言

隨著通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，用戶終端設(shè)備往往配置了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，以支持不同的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。與此同時(shí)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)直播等新技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)高網(wǎng)絡(luò)帶寬和低端到端傳輸時(shí)延的需求越來越高。為了實(shí)現(xiàn)多鏈路傳輸，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(The Internet Engineering Task Force，IETF)提出了多路徑傳輸控制協(xié)議(Multipath Transmission Control Protocol，MPTCP)。MPTCP協(xié)議作為傳統(tǒng)傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)的擴(kuò)展，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議兼容，向上仍然為應(yīng)用層提供TCP套接字，向下采用標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議進(jìn)行子流的數(shù)據(jù)傳輸，為用戶提供了透明的多路徑利用能力。與只使用單路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP協(xié)議相比，使用MPTCP協(xié)議進(jìn)行多路徑傳輸?shù)闹饕獌?yōu)勢有：聚合每個(gè)接口的帶寬，提高了傳輸帶寬；應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可在用戶移入或移出覆蓋范圍時(shí)添加或刪除鏈接，而不會(huì)中斷端到端的TCP連接；終端可根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀況，選擇合適的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)動(dòng)態(tài)變化的接口特性有更好的適應(yīng)能力。基于以上優(yōu)勢，MPTCP協(xié)議在多路徑傳輸中具有重要的意義，并已應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)場景。

但是，在某些異構(gòu)多鏈路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于不同鏈路之間在帶寬、往返時(shí)延(Round-Trip Time，RTT)、丟包率等服務(wù)指標(biāo)上存在較大的差異，每條鏈路的傳輸效率各不相同，如果MPTCP調(diào)度策略不考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下各種復(fù)雜因素的影響依然進(jìn)行理想情況下的調(diào)度，會(huì)面臨隊(duì)頭阻塞、帶寬利用率低下、應(yīng)用延遲增高、吞吐量下降等諸多問題，直接導(dǎo)致MPTCP傳輸性能的下降。在調(diào)度策略與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境嚴(yán)重不匹配的情況下，基于多鏈路的MPTCP傳輸性能甚至?xí)陀诨趩捂溌返腡CP傳輸性能。因此，如何制定合理的調(diào)度策略，對(duì)MPTCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度，使多鏈路傳輸為用戶提供更高的帶寬、更低的端到端時(shí)延并最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率成為網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域重要的課題。

近年來，國內(nèi)外研究者致力于從多個(gè)方面優(yōu)化MPTCP的數(shù)據(jù)調(diào)度，利用啟發(fā)式方法或強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法等，提出了不少優(yōu)秀的MPTCP調(diào)度方法[1-3]。本文首先介紹了MPTCP的基本功能和數(shù)據(jù)調(diào)度中面臨的主要問題，然后從調(diào)度策略針對(duì)的不同優(yōu)化目標(biāo)著手，系統(tǒng)地整理和比較了近年來關(guān)于MPTCP非對(duì)稱多鏈路傳輸調(diào)度方法的相關(guān)工作，對(duì)其擬解決的主要問題和研究方法進(jìn)行了對(duì)比分析，最后對(duì)各個(gè)方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 MPTCP數(shù)據(jù)調(diào)度問題

MPTCP的設(shè)計(jì)必須遵守應(yīng)用程序的兼容性和網(wǎng)絡(luò)的兼容性。其中，應(yīng)用程序的兼容性是指只要可以運(yùn)行在TCP環(huán)境下，就可以在沒有任何修改的情況下，運(yùn)行于MPTCP環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)的兼容是指MPTCP兼容其他協(xié)議。MPTCP位于傳輸層和應(yīng)用層之間，負(fù)責(zé)為應(yīng)用層提供標(biāo)準(zhǔn)TCP接口以及各個(gè)TCP子流的管理。MPTCP的基本功能有路徑管理、數(shù)據(jù)包調(diào)度、子流接口和擁塞控制，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 MPTCP處理流程

數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制是MPTCP的一個(gè)關(guān)鍵組件，數(shù)據(jù)調(diào)度算法的性能直接影響到MPTCP的傳輸性能。尤其是在鏈路性能指標(biāo)差異較大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，MPTCP進(jìn)行多路徑數(shù)據(jù)傳輸會(huì)面臨隊(duì)頭阻塞、帶寬利用率低下、應(yīng)用延遲增高、吞吐量下降等諸多問題，直接導(dǎo)致傳輸性能下降。

為了保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，MPTCP和傳統(tǒng)的TCP協(xié)議相同，需要將亂序的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)在MPTCP接收端的緩沖區(qū)內(nèi)，直到可以使其重新排序的數(shù)據(jù)包到達(dá)才將它們一起提交給上層應(yīng)用。然而，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，同時(shí)使用的多條鏈路往往帶寬、時(shí)延各項(xiàng)指標(biāo)都不同[4]，因此在發(fā)送端按順序調(diào)度的各個(gè)數(shù)據(jù)包無法按照順序到達(dá)接收端，如果某條鏈路未確認(rèn)其數(shù)據(jù)包，那么MPTCP的發(fā)送窗口將停止滑動(dòng)，導(dǎo)致所有MPTCP發(fā)送鏈路阻塞，稱為隊(duì)頭阻塞(Head-of-Line Blocking,HoL)問題。隊(duì)頭阻塞問題是MPTCP接收端無序緩沖區(qū)增長惡化后的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致吞吐量下降，嚴(yán)重影響MPTCP的傳輸性能。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，鏈路之間的差異越大，MPTCP受隊(duì)頭阻塞問題影響，傳輸性能的下降也越嚴(yán)重。雖然可以通過增大接收端緩沖區(qū)來緩解隊(duì)頭阻塞問題，但這樣既消耗了資源也不能為實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸帶來性能提升。

2 調(diào)度方法的研究現(xiàn)狀

目前在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的三種MPTCP數(shù)據(jù)包調(diào)度算法為輪詢算法、最小傳輸時(shí)延算法(minimum Round-Trip Time,MinRTT)和冗余算法。調(diào)度算法會(huì)顯著影響MPTCP傳輸性能：輪詢算法將應(yīng)用層傳入的數(shù)據(jù)分為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，以輪詢的方式將數(shù)據(jù)包分配給各個(gè)可用子流進(jìn)行發(fā)送；MinRTT算法依據(jù)每個(gè)可用子流的往返時(shí)延大小順序來分配數(shù)據(jù)包，優(yōu)先給往返時(shí)延最小的子流分配數(shù)據(jù)包，直至數(shù)據(jù)包填滿了該子流的擁塞窗口，然后將數(shù)據(jù)包分配給往返時(shí)延次小的子流；冗余算法將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包復(fù)制多份，分配給每一個(gè)可用的子流，提高了傳輸?shù)聂敯粜圆⑶医档土藗鬏敃r(shí)延，但發(fā)送了大量冗余的數(shù)據(jù)包，增大了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求日益增高，這三種數(shù)據(jù)包調(diào)度算法難以滿足復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場景。研究者針對(duì)不同的應(yīng)用場景和優(yōu)化目標(biāo)，提出了多種MPTCP數(shù)據(jù)包調(diào)度算法。

2.1 減少數(shù)據(jù)包重新排序

由于鏈路之間的質(zhì)量差異，高質(zhì)量鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)包需要在接收端緩沖區(qū)等待低質(zhì)量鏈路的數(shù)據(jù)包到達(dá)，然后進(jìn)行重新排序。頻繁的數(shù)據(jù)包重新排序?qū)?dǎo)致MPTCP性能的下降。如表1所示，為了減少數(shù)據(jù)包的重新排序，現(xiàn)有方法通常是基于不同的指標(biāo)預(yù)測數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端的時(shí)間來確定如何在發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)包的調(diào)度，使得所有數(shù)據(jù)包盡可能有序地到達(dá)接收端，從而避免數(shù)據(jù)包的重新排序。

表1 減少數(shù)據(jù)包重新排序的方案

表1(續(xù))

2.2 減少數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間

很多MPTCP數(shù)據(jù)調(diào)度算法以提升吞吐量為目標(biāo)，這適用于較長的數(shù)據(jù)密集型流(例如繁重的大象流)，因?yàn)閭鬏斶@些數(shù)據(jù)流，性能通常受吞吐量限制。然而，相對(duì)應(yīng)的細(xì)流(Thin Flow)作為交互應(yīng)用程序(例如在線游戲、SSH和控制連接)的主要來源，是長期運(yùn)行的連接，每個(gè)往返時(shí)間僅有幾個(gè)數(shù)據(jù)包。這些細(xì)流通常具有嚴(yán)格的等待時(shí)間要求，不同于吞吐量敏感的應(yīng)用程序。因此，如表2所示，也有很多研究者針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用場景，通過減少數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端的時(shí)間來優(yōu)化MPTCP的傳輸性能。

表2 減少數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間的方案

2.3 提高快鏈路利用率

MPTCP在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，當(dāng)鏈路之間質(zhì)量差異較大時(shí)很容易出現(xiàn)快鏈路等待慢鏈路，導(dǎo)致其利用率不足甚至低于單路徑TCP傳輸帶寬的問題。如表3所示，研究者們從此角度出發(fā)，以提高快鏈路利用率為目標(biāo)，以此來優(yōu)化MPTCP在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能。

表3 提高快鏈路利用率的方案

2.4 與強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合

隨著近年來計(jì)算能力的提高、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展，將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的工作越來越多，其中，以強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Reinforcement Learning，RL)為主的機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠有效地解決連續(xù)決策問題，受到了研究者們的廣泛關(guān)注[30]。文獻(xiàn)[31-32]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)RL中的Q-learning[33]法相結(jié)合，提出了深度Q網(wǎng)絡(luò)(Deep Q Network,DQN)模型，用于處理基于視覺感知的控制任務(wù)?；谏疃葟?qiáng)化學(xué)習(xí)(Deep Reinforcement Learning,DRL)的MPTCP數(shù)據(jù)包調(diào)度框架如圖2所示，盡管相關(guān)研究還在起步階段，但如表4所示，已取得了優(yōu)于啟發(fā)式數(shù)據(jù)包調(diào)度算法的成果。

圖2 基于RL的MPTCP傳輸模型框架

表4 與強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合的方案

3 研究趨勢和未來展望

隨著MPTCP在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的增加以及5G、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、SDN等新興技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求標(biāo)準(zhǔn)會(huì)越來越高，范圍會(huì)越來越廣，而目前MPTCP數(shù)據(jù)調(diào)度與這些新技術(shù)的結(jié)合還不夠成熟，未來還需要進(jìn)一步加強(qiáng)多路徑傳輸優(yōu)化和新興技術(shù)的融合。

3.1 與5G相結(jié)合

3GPP提出了 5G 的 3 個(gè)典型應(yīng)用場景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器通信和超高可靠低時(shí)延通信。在此背景下的多路徑傳輸?shù)难芯恐攸c(diǎn)在于更快的下載、更低的數(shù)據(jù)傳輸成本以及不同接口之間的無縫切換，尤其是無線接口(例如WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò))。例如，為了滿足高帶寬、低時(shí)延的應(yīng)用需求，與5G相結(jié)合的MPTCP調(diào)度算法的一個(gè)優(yōu)化方向是實(shí)現(xiàn)高速率和低時(shí)延的雙重目標(biāo)；為了滿足海量設(shè)備同時(shí)聯(lián)網(wǎng)的要求，MPTCP調(diào)度算法也必須考慮到能耗消耗的問題，如何權(quán)衡低能耗需求與海量連接密度需求之間的關(guān)系[40]，實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備的效用最大化也是未來MPTCP調(diào)度算法優(yōu)化的一大挑戰(zhàn)。隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，在大帶寬和低時(shí)延業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)過程中如何應(yīng)用MPTCP將是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的研究熱點(diǎn)。

3.2 與強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合

與啟發(fā)式算法只能依靠固定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包調(diào)度不同，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的MPTCP數(shù)據(jù)包調(diào)度可以通過獲取當(dāng)前環(huán)境中的有用信息進(jìn)行學(xué)習(xí)。相比于傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)包調(diào)度算法可以充分考慮同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的性質(zhì)、權(quán)衡多種服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)并且適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?；谏疃葟?qiáng)化學(xué)習(xí)的MPTCP數(shù)據(jù)包調(diào)度優(yōu)化研究還在起步階段，盡管已取得了一些優(yōu)于啟發(fā)式數(shù)據(jù)包調(diào)度算法的成果，但如何設(shè)計(jì)合理的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)、加快模型收斂等也是MPTCP調(diào)度算法優(yōu)化的挑戰(zhàn)。隨著深度學(xué)習(xí)算法及智能硬件的發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)習(xí)同MPTCP的結(jié)合是多路徑傳輸調(diào)度研究的重要趨勢和熱點(diǎn)。

3.3 與網(wǎng)絡(luò)其他層信息結(jié)合

大多數(shù)調(diào)度程序只使用端到端路徑屬性(例如延遲和帶寬)來制定調(diào)度決策，然而，底層鏈路的動(dòng)態(tài)變化以及上層應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)指標(biāo)的不同需求等這些因素都會(huì)給端到端的多路徑傳輸中的數(shù)據(jù)調(diào)度帶來影響。因此，只依靠傳統(tǒng)的傳輸層信息無法最大限度地發(fā)揮多鏈路傳輸?shù)膬?yōu)勢。如何通過結(jié)合其他層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效利用，進(jìn)一步提升MPTCP的傳輸性能是調(diào)度算法重要優(yōu)化方向。利用物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層的相關(guān)信息，通過跨層調(diào)度來提升多路徑傳輸?shù)男阅苁嵌嗦窂絺鬏斦{(diào)度研究的重要手段和趨勢。