隨楠楠，王 聰，張冬梅，周 欣，徐友云，3

1.解放軍理工大學 通信工程學院，南京 210007

2.中國人民解放軍 63612部隊

3.南京郵電大學 通信與網(wǎng)絡技術(shù)國家工程研究中心，南京 210003

1 引言

近年來，M2M通信（Machine to Machine Communications）和移動多媒體業(yè)務發(fā)展迅猛，海量M2M終端和智能設(shè)備對無線寬帶傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L，異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下基于并發(fā)多路傳輸（Concurrent Multipath Transfer，CMT）的資源提供方式是滿足未來業(yè)務發(fā)展需求的重要技術(shù)手段[1-2]。CMT是基于流控制傳輸協(xié)議（Stream Control Transmission Protocol，SCTP）的改進型傳輸層協(xié)議[3]，它使得多模終端可以同時在多個網(wǎng)絡接口上傳輸數(shù)據(jù)，且基于SCTP的動態(tài)地址重配置協(xié)議，CMT關(guān)聯(lián)在進行路徑切換時不會發(fā)生中斷。

異構(gòu)無線網(wǎng)絡傳輸路徑的不對稱會造成數(shù)據(jù)包亂序到達的問題，這需要通過高效的數(shù)據(jù)分發(fā)和擁塞窗口控制策略進行解決[4-5]，丟包類型識別則是異構(gòu)無線環(huán)境下CMT傳輸面臨的另一個重要問題[6]。在用戶移動過程中，無線鏈路可能因衰落、陰影、多徑和噪聲等因素的影響而發(fā)生短時間的惡化，造成數(shù)據(jù)包的丟失，稱之為無線丟包。不同于擁塞丟包，無線丟包多是隨機偶發(fā)的，無線鏈路在丟包后可能又迅即得到改善，因而多路并發(fā)傳輸應當對無線丟包采取與擁塞丟包不同的處理機制。而當前CMT協(xié)議并不具備丟包類型識別能力，CMT接收端每收到一個新的數(shù)據(jù)包就會向發(fā)送端反饋一個SACK包，CMT接收端根據(jù)SACK包判斷是否存在丟包的可能，若收到4個SACK重復確認某個數(shù)據(jù)包未按序到達，CMT發(fā)送端便將其判定為擁塞丟包，接著對丟包進行快重傳，并減小擁塞窗口以執(zhí)行擁塞避免過程。CMT現(xiàn)有擁塞控制機制不僅不能減少無線丟包，反而會造成傳輸速率的下降。

針對CMT/SCTP無線傳輸中的丟包類型識別問題，TCP中類似于Biaz、Spike以及ZigZag的丟包類型識別算法是一種借鑒[7]。文獻[8-9]采用了基于ZigZag的丟包類型識別機制，如文獻[8]利用數(shù)據(jù)包的往返時間（Round Trip Time，RTT）來估算路徑的單程時延，再結(jié)合丟包個數(shù)來比較丟包后的單程時延和路徑的平均單程時延，從而做出丟包類型的判定。對鏈路質(zhì)量和利用情況進行估計，進而判別丟包類型是一種重要的研究思路[10-11]。文獻[12]提出在所有路徑上發(fā)送背靠背的鏈路帶寬探測包，當業(yè)務傳輸速率高于路徑帶寬時判定丟包原因為擁塞。文獻[13]通過路徑估計容量與實際傳輸速率之差來計算路徑剩余容量，若丟包發(fā)生時的路徑剩余容量為正值則將其判定無線丟包，為負值則將其判定為擁塞丟包。文獻[14]首先估計鏈路的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量Q，Q由傳輸單位字節(jié)所需的時間來衡量，當rtticwnd＜Qi時，判定路徑i上的丟包是擁塞造成的。文獻[15-16]提出由路由器利用SCTP協(xié)議的ECN擴展位來標記可能的擁塞丟包。

ECN機制需要中間路由器的輔助，如何設(shè)定擁塞門限也需要研究。類似于ZigZag的機制則需要接收端輔助測量單程時延，而在往返路徑不對稱的異構(gòu)無線網(wǎng)絡中，利用RTT估計單程時延存在較大誤差。路徑擁塞會導致RTT的增長，高RTT時仍可能發(fā)生無線丟包，而擁塞丟包通常發(fā)生在RTT增長的最高峰。由于無線鏈路的惡化是短時隨機的，因此只對單個丟包原因進行識別，連續(xù)丟包則認為是擁塞造成的?；谏鲜龇治?，提出了稱為CMT-SC的丟包類型識別機制，依據(jù)丟包時測量得到的RTT對平穩(wěn)特征參數(shù)（S參數(shù)，Steady Parameters）和擁塞特征參數(shù)（C參數(shù)，Congestion Parameters）進行更新，衡量丟包時的路徑擁塞狀態(tài)，進而識別丟包原因。兩組參數(shù)的估計只需在發(fā)送端進行，不需要接收端和中間路由器的輔助。基于CMT模塊開發(fā)了CMT-SC模塊，通過NS-2.35[17]驗證了CMT-SC機制的性能優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)模型

圖1所示的異構(gòu)無線網(wǎng)絡環(huán)境中，大量M2M終端通過M2M網(wǎng)關(guān)與服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，M2M網(wǎng)關(guān)利用CMT協(xié)議同時接入蜂窩網(wǎng)絡和WLAN（Wireless Local Area Network）。M2M服務器與基站和WLAN接入點之間通過有線寬帶進行連接，具有較好的QoS（Quality of Service）保證和很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，路徑1和路徑2的瓶頸主要在無線鏈路部分。蜂窩網(wǎng)絡和WLAN鏈路上均存在其他用戶的背景流量，占用了部分無線鏈路帶寬，對M2M網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸速率產(chǎn)生影響。由于蜂窩網(wǎng)絡與WLAN鏈路傳輸速率不對稱，M2M網(wǎng)關(guān)可能會緩存阻塞，由此影響整個CMT關(guān)聯(lián)的傳輸速率。在M2M網(wǎng)關(guān)通信過程中，無線鏈路可能因衰落和干擾而短時間的惡化，從而造成數(shù)據(jù)包隨機偶發(fā)的丟失。為了充分利用各條路徑上的帶寬，CMT需要有效的區(qū)分擁塞丟包和無線丟包。

圖1 M2M通信中的異構(gòu)無線傳輸環(huán)境

3 路徑狀態(tài)的度量

路徑的往返時間反映了路徑的擁塞程度，因此本文提出了平穩(wěn)特征參數(shù)和擁塞特征參數(shù)來評估路徑狀態(tài)，兩組參數(shù)只需要發(fā)送端利用路徑RTT便可計算。本文假定每一個CMT數(shù)據(jù)包只含有一個chunk，TSNi表示TSN號為i的數(shù)據(jù)包。對于路徑d，“d.X”表示路徑d上緩存的變量X，“d.TSNi.X”表示路徑d上緩存的關(guān)于TSNi的變量X。

3.1 平穩(wěn)特征參數(shù)的更新機制

路徑d的RTT達到極大值d.RttSteadyHigh后的d.RttSteadyDuraTh時間內(nèi)沒有因擁塞而丟包，便認為路徑d處于平穩(wěn)狀態(tài)。此時路徑d的RTT特征由平穩(wěn)特征參數(shù)來表征，其中d.RttSteady表示平穩(wěn)狀態(tài)下的RTT均值，d.RttSteadyVar表示RTT的偏差。為了及時反映路徑d的RTT動態(tài)變化，設(shè)定接收端每收到一個TSN就向發(fā)送端回送一個SACK。

發(fā)送端每收到一個SACK，檢查能否從其中得到關(guān)于路徑d的最新RTT即d.dNewRtt。若d.dNewRtt＞d.RttSteadyHigh，則路徑狀態(tài)可能發(fā)生了改變，需要重新對路徑的平穩(wěn)狀態(tài)進行更新，如式（1）：

其中λs∈(0,1)是常量，用于控制平穩(wěn)特征參數(shù)的更新時間，d.RttSteadyStartTime是平穩(wěn)特征參數(shù)的起始更新時間，dCurrTime是系統(tǒng)仿真時間。

在d.dNewRtt≤d.RttSteadyHigh時，若路徑平穩(wěn)狀態(tài)的持續(xù)時間已經(jīng)超過d.RttSteadyDuraTh，認為已經(jīng)獲得了有效的平穩(wěn)特征參數(shù)，不再需要更新了，否則需對平穩(wěn)特征參數(shù)進行更新，如式（2）：

其中αSC和βSC是用于控制平穩(wěn)特征參數(shù)更新速率的常量。

3.2 擁塞特征參數(shù)的更新機制

路徑的擁塞特征參數(shù)是對擁塞丟包發(fā)生時的RTT進行度量，其中d.RttCongestionAve是路徑擁塞時的RTT均值，d.RttCongestionVar是路徑擁塞時的RTT偏差。若CMT-SC機制判定TSNi為擁塞丟包，將啟動擁塞特征參數(shù)更新過程，如式（3）：

其中d.TSNi.RttMissing為TSNi被丟棄時的往返時間，由發(fā)送端根據(jù)第一個對TSNi的間隔確認（Gap Acknowledgement）所確定。θSC∈(0,1)和γSC∈(0,1)是常量，用于控制擁塞特征參數(shù)的更新速率。

4CMT-SC丟包類型識別機制

圖2為CMT-SC機制運行流程圖。發(fā)送端每收到一個新的SACK，輪詢每一條路徑（以路徑d為例），依據(jù)得到的新的RTT樣本值d.dNewRtt對路徑d的平穩(wěn)特征參數(shù)進行更新。若SACK中有對d.TSNi的Gap ACK，則d.TSNi可能丟失，用變量d.TSNi.RttAfterMissing表示此時的路徑RTT估計值，并使d.TSNi的丟包計數(shù)器d.TSNi.MissingReprot加1。但是該狀態(tài)無法確認d.TSNi是否丟失以及丟失原因，所以含有Gap ACK的SACK仍被用于平穩(wěn)特征參數(shù)的更新。

圖2 CMT-SC無線丟包類型識別機制

若d.TSNi.MissingReprot≥4，則判定d.TSNi丟失并重傳d.TSNi。若一次丟多個包或當前丟包時間距離上次丟包時間d.PreDropTime不超過d.DropGapTimeTh時，CMT-SC則將丟包判定為擁塞丟包。其中λc∈(0,1)是常量，d.dSrtt是CMT原始協(xié)議中估計出的路徑平滑RTT。

對于單個丟包，若路徑d上已經(jīng)獲得了有效的平穩(wěn)特征參數(shù)，首先根據(jù)平穩(wěn)特征參數(shù)對無線丟包類型進行識別，再根據(jù)擁塞特征參數(shù)對無線丟包類型進行識別，只有兩組參數(shù)均判定為擁塞丟包，發(fā)送端才執(zhí)行擁塞避免過程。圖3為根據(jù)平穩(wěn)特征參數(shù)和擁塞特征參數(shù)對丟包類型進行識別的示意圖。d.TSNi.RttAfterMissing≤d.RttSteady+d.RttSteadyVar時，認為丟包發(fā)生時路徑d處于平穩(wěn)狀態(tài)，則判定d.TSNi為無線丟包，只重傳d.TSNi而不對路徑d的擁塞窗口控制參數(shù)進行調(diào)整。若不能依據(jù)平穩(wěn)特征參數(shù)判定d.TSNi為無線丟包，再用擁塞特征參數(shù)對其識別，當d.RttCongestionAved.RttCongestionVar＜d.TSNi.RttAfterMissing時，認為丟包時路徑d處于擁塞狀態(tài)，因此判定d.TSNi為擁塞丟包，否則將其判定為無線丟包。對于擁塞丟包，重傳該數(shù)據(jù)包并減小擁塞窗口和慢啟動閾值，更新?lián)砣卣鲄?shù)。路徑如果擁塞，說明路徑狀態(tài)發(fā)生了較大的變動，原有的平穩(wěn)特征參數(shù)就會失效，因此將平穩(wěn)特征參數(shù)重置為0。

圖3 無線丟包識別示意圖

CMT-SC機制在路徑超時情況下認為路徑狀態(tài)發(fā)生了非常重大的變動，原有的平穩(wěn)特征參數(shù)和擁塞特征參數(shù)都將失效，因此會將兩組參數(shù)重置為0，超時情況下的擁塞窗口處理與CMT相同。

5 仿真分析

圖4為在NS-2.35上搭建的異構(gòu)無線網(wǎng)絡仿真拓撲，Ri,j代表接入路由器，R1,1和R1,2之間的路徑1表示蜂窩鏈路，帶寬為384 Kb/s，單向傳輸時延50 ms。R2,1和R2,2之間的路徑2表示W(wǎng)LAN鏈路，帶寬為11 Mb/s，單向時延為100 ms。其他鏈路均為有線鏈路，帶寬為100 Mb/s，單向時延為5 ms。

圖4 NS-2.35中網(wǎng)絡仿真拓撲

仿真模擬服務器一側(cè)到M2M網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務類型為FTP，并假設(shè)蜂窩鏈路和WLAN鏈路具有相同的丟包率和負載程度。為了模擬真實的網(wǎng)絡環(huán)境，R1,1和R2,1各與兩個背景流量產(chǎn)生器相連，R1,2和R2,2分別與蜂窩用戶和WLAN用戶相連。仿真中分別考慮了固定比特速率（Constant Bit Rate，CBR）和指數(shù)分布（Exponential，EXP）兩類背景業(yè)務，模擬網(wǎng)絡環(huán)境較為穩(wěn)定和網(wǎng)絡環(huán)境動態(tài)變化的場景。背景流量的傳輸層協(xié)議為UDP，數(shù)據(jù)包的大小分別為100 Byte和500 Byte，分別表示小數(shù)據(jù)傳輸和大數(shù)據(jù)傳輸，仿真中的負載程度指的是背景業(yè)務發(fā)送速率占路徑可用帶寬的比值。仿真中的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 CMT-SC算法仿真參數(shù)配置

如圖5所示，無論在CBR還是在EXP背景流量下，CMT-SC算法在吞吐量上明顯優(yōu)于CMT原始協(xié)議。例如，在CBR背景流量條件下，丟包率為3%時CMT-SC相較于CMT在吞吐量上提升了約11.56%，而在丟包率為8%時吞吐量性能提升了約22.33%。值得注意的是，當丟包率為0時，CMT-SC在吞吐量上稍低于CMT，這是因為CMT-SC算法誤把擁塞丟包判定為無線丟包導致的。

圖5 CMT-SC算法與CMT的吞吐量性能對比

圖6所示為在CBR背景流量、丟包率為3%的條件下，CMT-SC算法與CMT在擁塞窗口控制性能上的對比。運用CMT-SC丟包類型識別機制以后，總體上兩條路徑的擁塞窗口都高于CMT，其中蜂窩鏈路相較于WLAN鏈路更為明顯。這是因為CMT-SC能有效地識別無線丟包，避免了不必要的擁塞窗口減半，從而優(yōu)化了擁塞窗口的控制性能。由于蜂窩鏈路時延小于WLAN鏈路，所以蜂窩鏈路能夠更快更準確地感知到路徑狀態(tài)，蜂窩鏈路的擁塞窗口更為平穩(wěn)。

圖6 CMT-SC算法與CMT擁塞窗口控制性能對比

圖7所示為在CBR背景流量條件下，CMT-SC算法與CMT在不同接收窗口大小下的吞吐量性能對比。從圖中可以看出，CMT-SC算法和CMT在接收窗口為128 KB條件下的吞吐量均高于接收窗口為64 KB時的吞吐量，這是因為接收窗口越大，接收方可以緩存的亂序到達的數(shù)據(jù)包越多，也就允許發(fā)送方以更高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，從而帶來吞吐量性能上的提升，但是也可以看出這種性能的提升隨著丟包率的增大而下降。例如對于CMT-SC算法來說，在輕負載條件下，丟包率為3%時，接收窗口的增長使得吞吐量性能提升了約37.1%，而當丟包率為8%時，吞吐量性能的提升只有約18%。另外從圖7中可以看出，在丟包率較低時，CMT在128 KB接收窗口條件下的吞吐量高于CMT-SC算法在64 KB接收窗口條件下的吞吐量，但是隨著丟包率增加到一定程度后，CMT-SC算法在64 KB接收窗口條件下的吞吐量與CMT在128 KB接收窗口條件下的吞吐量相差不多甚至略高，這可以說明應用CMT-SC算法可以在一定程度上減少接收方對緩存的需求。

圖7 接收窗口對吞吐量性能影響（CBR背景流量）

圖8 給出了在背景流量為CBR業(yè)務的條件下，不同接收窗口大小對CMT-SC 算法的丟包類型識別準確率的影響。從圖中可以看出，無論負載高低，接收窗口為128 KB 時的無線丟包識別準確率要低于接收窗口為64 KB時的準確率，擁塞丟包識別準確率則基本相同。從圖中還可以看出，隨著丟包率的增加，擁塞丟包識別準確率基本不受影響，但無線丟包識別率下降，這是因為丟包率的增加導致丟包時間間隔越來越小，無線路徑狀態(tài)更加不穩(wěn)定，CMT-SC 算法無法獲取有效的平穩(wěn)特征參數(shù)對丟包類型進行識別。

圖8 CMT-SC丟包類型識別準確率（CBR背景流量）

6 結(jié)束語

本文基于對無線路徑RTT特征的度量設(shè)計了平穩(wěn)特征參數(shù)和擁塞特征參數(shù)的度量和更新算法，提出了丟包類型識別機制CMT-SC，通過比較兩組參數(shù)和丟包發(fā)生時的無線路徑RTT參數(shù)對丟包類型進行判別。在NS-2.35上的網(wǎng)絡仿真結(jié)果表明CMT-SC算法在吞吐量方面相對于CMT有明顯的提升，可以在一定程度上減輕接收方對接收緩存的需求。在不顯著影響擁塞丟包識別準確率的情況下，CMT-SC算法的無線丟包識別準確率較好，但隨著丟包率的增長而下降。

[1]Chen M，Wan J，Gonzalez S，et al.A survey of recent developments in home M2M networks[J].IEEE Communications Surveys&Tutorials，2014，16（1）：98-114.

[2]Wallace T D，Shami A.Concurrent multipath transfer using SCTP：modelling and congestion window management[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2014，13（11）：2510-2523.

[3]Iyengar J R，Amer P D，Stewart R.Concurrent multipath transfer using SCTP multihoming over independent end-toend paths[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2006，14（5）：951-964.

[4]符發(fā)，周星，楊雄，等.MPTCP與CMT-SCTP多路徑傳輸協(xié)議性能分析[J].計算機工程與應用，2013，49（21）：79-82.

[5]Cao Y L，Xu C Q，Guan J F，et al.QoS-driven SCTP-based multimedia delivery over heterogeneous wireless networks[J].Science China Information Sciences，2014，57（10）：1-10.

[6]常潔，周文安，宋俊德.有線和無線混合網(wǎng)絡環(huán)境下SCTP性能改進研究綜述[J].計算機科學，2012，39（11）：67-71.

[7]Cen S，Cosman P C，Voelker G M.End-to-end differentiation of congestion and wireless losses[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2003，11（5）：703-717.

[8]Joe I，Huang E.SCTP throughput improvement through automatic path switching[C]//8th International Conference on Information Science and Digital Content Technology，2012：243-246.

[9]Wu J，Yuen C，Wang M，et al.Content-aware concurrent multipath transfer for high-definition video streaming over heterogeneous wireless networks[J].IEEE Transactions on Parallel Distributed Systems，2016，27（3）：710-723.

[10]Lan K，Sha N.A CMT congestion window updates mechanism based on TCP Westwood[C]//2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011：2119-2122.

[11]Fracchia R，Casetti C，Chiasserini C F，et al.A WiSE extension of SCTP for wireless networks[C]//IEEE International Conference on Communications，2005：1448-1453.

[12]Naqvi I H，Pérennou T.A DCCP congestion control mechanism for wired-cum-wireless environments[C]//Wireless Communications&Networking Conference，2007：3912-3917.

[13]Xu C Q，Li Z F，Li J L，et al.Cross-layer fairness-driven concurrent multipath video delivery over heterogeneous wireless networks[J].IEEE Transactions on Circuits&Systems for Video Technology，2015，25（7）：1175-1189.

[14]Xu C Q，Liu T J，Guan J F，et al.CMT-QA：qualityaware adaptive concurrent multipath data transfer in heterogeneous wireless networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2013，12（11）：2193-2205.

[15]Liu T J，Xu C Q，Guan J F，et al.Loss detection mechanism in SCTP heterogeneous wireless networks[C]//2012 Second International Conference on Business Computing and Global Informatization，2012：679-680.

[16]Wu J，Cheng B，Yuen C，et al.Distortion-aware concurrent multipath transfer for mobile video streaming in heterogeneous wireless networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2015，14（4）：688-701.

[17]UC Berkeley LBL，USC/ISI and Xerox Parc.NS-2 documentation and software version 2.35[EB/OL].[2015-02-17].http：//www.isi.edu/nsnam/ns.