黃俊琳,雷 凱,汪 漪

(1.北京大學(xué)深圳研究生院 互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)中心，廣東 深圳 518055；2.南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518055)

0 引 言

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named data networking, NDN)[1]關(guān)注于內(nèi)容分發(fā)和獲取，是信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centric networking, ICN)[2]的一個(gè)被廣泛關(guān)注的體系構(gòu)架[3]。

無(wú)論是傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)還是命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，擁塞都是不可避免的。網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，根源在于用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求大于網(wǎng)絡(luò)自身所能提供的能力。并且擁塞發(fā)生一般會(huì)直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、傳輸時(shí)延增加、網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降等現(xiàn)象，如果沒(méi)有有效的擁塞控制方法進(jìn)行調(diào)控，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅?，需要使用擁塞控制算法?lái)解決有限的網(wǎng)絡(luò)資源的分配問(wèn)題。在不同的場(chǎng)景下，擁塞控制的優(yōu)化目標(biāo)存在不同，現(xiàn)有的NDN擁塞控制算法大多都將提高鏈路吞吐量作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，但是，隨著5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展以及自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和直播等技術(shù)與應(yīng)用的出現(xiàn)，如何在高通量的網(wǎng)絡(luò)下充分利用帶寬以及保障低延時(shí)傳輸成為傳輸控制的一個(gè)新目標(biāo)。傳統(tǒng)的加性增乘性減(additive increase multiplicative decrease，AIMD)的窗口調(diào)節(jié)思想不再適用于高速網(wǎng)絡(luò)，保守的線(xiàn)性增加和激進(jìn)的乘法減小窗口的方法使得鏈路帶寬利用率很低，抑制了NDN在高通量網(wǎng)絡(luò)下的發(fā)展，有必要針對(duì)這一特定的場(chǎng)景研究相應(yīng)的NDN擁塞控制算法。

要設(shè)計(jì)出適合NDN的擁塞控制算法，必須充分考慮NDN在數(shù)據(jù)傳輸上的新的特性[4]。

1)數(shù)據(jù)傳輸由接收端驅(qū)動(dòng)。消費(fèi)者通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送Interest包去請(qǐng)求內(nèi)容，中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)內(nèi)容緩存(content store, CS)、待處理請(qǐng)求表(pending interest table, PIT)以及轉(zhuǎn)發(fā)信息表(forwarding information base, FIB)對(duì)Interest進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，最后由擁有所請(qǐng)求數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)返回對(duì)應(yīng)的Data包。接收端驅(qū)動(dòng)的傳輸模式，是在接收端實(shí)現(xiàn)流量控制以及擁塞控制的基礎(chǔ)。

2)Interest包和Data包之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。一個(gè)Interest包只能取回一個(gè)Data包，并且對(duì)應(yīng)的Data包沿著Interest包到達(dá)的路徑原路返回。這種關(guān)系是在NDN中實(shí)現(xiàn)逐跳流平衡的基礎(chǔ)。

3)多數(shù)據(jù)源。NDN的傳輸是無(wú)連接的，并且內(nèi)容可以緩存在網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，因此，消費(fèi)者能夠從不同的內(nèi)容源(生產(chǎn)者或者緩存了對(duì)應(yīng)內(nèi)容的中間節(jié)點(diǎn))獲取數(shù)據(jù)。

4)多路徑傳輸。NDN的架構(gòu)天然支持多路徑轉(zhuǎn)發(fā)。在NDN中，路由節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)Interest包中的內(nèi)容名和隨機(jī)數(shù)識(shí)別并丟棄發(fā)生環(huán)回的包，同時(shí)，因?yàn)镈ata包是沿著Interest包傳輸?shù)脑窂椒祷氐?，所以，NDN中不會(huì)出現(xiàn)Data包環(huán)回的現(xiàn)象。而傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通常使用確定的最優(yōu)路徑來(lái)傳輸以防止數(shù)據(jù)包發(fā)生環(huán)回，這使得TCP中的多路徑是基于固定的路徑。因?yàn)镹DN的路由和轉(zhuǎn)發(fā)是相互分離的，路由節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)面的表現(xiàn)來(lái)進(jìn)行多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，所以能實(shí)現(xiàn)比TCP/IP更靈活的多路徑傳輸。

盡管NDN在傳輸模式上與TCP/IP存在區(qū)別，但是2種架構(gòu)下?lián)砣刂频谋举|(zhì)都是對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度以提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，關(guān)注的2個(gè)基本問(wèn)題都是如何預(yù)防擁塞的發(fā)生以及如何快速感知和響應(yīng)擁塞。在實(shí)現(xiàn)上兩者都是基于反饋信息進(jìn)行的閉環(huán)控制，并且端節(jié)點(diǎn)以及中間路由節(jié)點(diǎn)都是擁塞控制的參與者，例如，兩者都可以使用基于窗口的端到端的速率調(diào)節(jié)方法、中間節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)隊(duì)列管理參與到擁塞控制中。這些共性使得TCP的擁塞控制算法能夠被引入到NDN中，但是需要針對(duì)NDN的特性對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)注于如何在有一定的丟包率的網(wǎng)絡(luò)鏈路上充分利用帶寬以及如何降低網(wǎng)絡(luò)鏈路上緩存的占用率、減小傳輸延遲這2個(gè)問(wèn)題，本文分析了基于丟包的NDN擁塞控制方法的不足之處，在基于窗口的端到端擁塞控制算法的基礎(chǔ)上，借鑒谷歌最新提出的TCP擁塞控制思想[5]，提出基于瓶頸帶寬以及往返時(shí)延(bottleneck bandwidth and round-trip time，BBR)的NDN擁塞控制算法，并在ndnSIM實(shí)現(xiàn)了所提出的基于BBR的NDN擁塞控制算法。通過(guò)已有的ICP(interest control protocol)[6]擁塞控制算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提出的算法的性能。

1 相關(guān)研究

TCP擁塞控制的成果為NDN擁塞控制的研究提供了不少的思路?，F(xiàn)有的很多的NDN擁塞控制算法都還使用TCP的基于丟包或者基于時(shí)延的思路。TCP中的AIMD的窗口調(diào)節(jié)機(jī)制也在NDN得到廣泛的應(yīng)用。但是，NDN和TCP在數(shù)據(jù)傳輸模式的差異決定了兩者在擁塞控制的具體方法上必然存在差異。

Carofiglio等[6]提出的ICP擁塞控制算法是一種接收端驅(qū)動(dòng)的，基于窗口的端到端Interest包控制協(xié)議，窗口調(diào)節(jié)遵循AIMD的原則。這種方法對(duì)擁塞的判斷是基于丟包的，即根據(jù)超時(shí)重傳閾值(retransmission timeout, RTO)來(lái)判斷包傳輸是否發(fā)生超時(shí)，以確定是否發(fā)生擁塞。ITCP(information centric transport protocol)[7]是一個(gè)與ICP類(lèi)似的基于窗口的接收端驅(qū)動(dòng)的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與TCP相類(lèi)似的慢啟動(dòng)、擁塞避免、快重傳以及快恢復(fù)的機(jī)制。以上2個(gè)NDN擁塞控制算法是針對(duì)單數(shù)據(jù)源的場(chǎng)景的，沒(méi)有考慮到NDN能進(jìn)行靈活的多路徑傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。Saino[8]提出了一種維護(hù)多個(gè)擁塞窗口以及RTO值的NDN擁塞控制算法，以適應(yīng)NDN多數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)。Carofiglio[9]提出了一個(gè)多路徑擁塞控制(remote adaptive active queue management，RAAQM)算法，該方法為每條路徑設(shè)置一個(gè)RTO計(jì)時(shí)器用于判斷超時(shí)丟包，不同路徑的區(qū)分依賴(lài)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)為返回的Data包附加的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符。

雖然基于丟包的擁塞控制機(jī)制在NDN中仍被廣泛使用，但是它有2個(gè)明顯的缺點(diǎn)。

1)基于丟包的擁塞控制算法通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包是否發(fā)生超時(shí)來(lái)判斷是否發(fā)生丟包以及擁塞，因此，不能區(qū)分擁塞引起的丟包和傳輸錯(cuò)誤引起的丟包。如果丟包是由傳輸錯(cuò)誤引起的，基于丟包的擁塞控制算法所采取的“乘性減小”窗口調(diào)節(jié)方法將帶來(lái)不必要的傳輸窗口的大幅度減小，從而降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。

2)中間節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列可用于吸收網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的波動(dòng)，減少丟包的發(fā)生。消費(fèi)者采用基于丟包的擁塞控制算法時(shí)，受限于擁塞感知的方法和時(shí)機(jī)，為了能夠充分探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，會(huì)向網(wǎng)絡(luò)注入過(guò)量的數(shù)據(jù)請(qǐng)求包。這導(dǎo)致了中間節(jié)點(diǎn)的緩存空間的高占用率，增加了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的排隊(duì)時(shí)延。除此之外，緩存隊(duì)列過(guò)滿(mǎn)的現(xiàn)象，降低了節(jié)點(diǎn)應(yīng)對(duì)突發(fā)流量的能力，在共享該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)流突然增多時(shí)，緩存會(huì)被迅速填滿(mǎn)而發(fā)生丟包。因此，基于丟包的擁塞控制機(jī)制雖然能夠保證網(wǎng)絡(luò)以瓶頸帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是卻是以高時(shí)延以及頻繁丟包為代價(jià)的。

因?yàn)榛趤G包的擁塞感知方式存在滯后性并且會(huì)導(dǎo)致中間節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列過(guò)滿(mǎn)，所以一些已有的研究工作對(duì)擁塞感知方式進(jìn)行改進(jìn)。Schneider[10]提出一種路由器通過(guò)包排隊(duì)時(shí)間以及局部丟包檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)擁塞、通過(guò)顯式標(biāo)記包來(lái)通知請(qǐng)求端網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞、請(qǐng)求端在收到擁塞的信號(hào)后調(diào)節(jié)各個(gè)接口的轉(zhuǎn)發(fā)比而將原來(lái)的擁塞路徑的流量分?jǐn)偟狡渌窂降亩嗦窂絅DN擁塞控制算法。Rozhnova[11]提出了一種逐跳控制的Interest包速率控制算法。該算法根據(jù)隊(duì)列占用情況和可用資源調(diào)整Interest的轉(zhuǎn)發(fā)速率，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)由于擁塞無(wú)法向上游轉(zhuǎn)發(fā)Interest時(shí)，會(huì)通過(guò)NACK通知下游的節(jié)點(diǎn)。此外，該算法還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)接口進(jìn)行標(biāo)記以及排序以進(jìn)行多路徑適應(yīng)性轉(zhuǎn)發(fā)。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 算法整體設(shè)計(jì)思路

如果不考慮中間節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容緩存以及多路徑傳輸?shù)挠绊懀琋DN的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中往返時(shí)延(round-trip time,RTT)、傳輸速率與等待接收的Data包的數(shù)據(jù)量的關(guān)系模型與Leonard Kleinrock提出的模型是基本相符的，本文基于此模型分析NDN中擁塞控制的最佳工作點(diǎn)。

往返時(shí)延、傳輸速率與已發(fā)送但未確認(rèn)的包數(shù)的關(guān)系如圖1所示，基于丟包的擁塞控制機(jī)制使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傾向于工作在帶寬限制區(qū)域最右側(cè)的點(diǎn)，雖然實(shí)現(xiàn)了以瓶頸帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是緩存空間占用率過(guò)高，導(dǎo)致用戶(hù)經(jīng)歷較長(zhǎng)的傳輸延遲以及頻繁丟包。

在Leonard Kleinrock提出的模型中，使網(wǎng)絡(luò)工作在帶寬限制區(qū)域最左側(cè)的點(diǎn)要優(yōu)于帶寬限制區(qū)域最右側(cè)的點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)工作在Kleinrock最優(yōu)工作點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)最大的傳輸速率以及最小的傳輸時(shí)延。

基于丟包的NDN擁塞控制方法僅依據(jù)返回的Data包以及計(jì)算得到的往返時(shí)延來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)。然而，僅憑這2個(gè)信息無(wú)法量化網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的可用帶寬。為了能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，消費(fèi)者只能不斷地去增加傳輸?shù)乃俾手钡桨l(fā)生超時(shí)丟包。本文從谷歌提出的TCP擁塞控制算法[5]受到啟發(fā)，在所提出的算法中使用即時(shí)帶寬以及往返時(shí)延這2個(gè)量來(lái)量化可用帶寬以及描述網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制和調(diào)節(jié)，避免接收端為了充分探測(cè)可用帶寬而向網(wǎng)絡(luò)注入過(guò)量的請(qǐng)求包。同時(shí)，因?yàn)閾砣皇莵G包發(fā)生的唯一的原因，傳輸錯(cuò)誤也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的一個(gè)因素。所以，在無(wú)法區(qū)分這2種丟包的情況下，使用丟包事件作為擁塞的標(biāo)志顯然是不合理的，本算法不再以丟包作為擁塞的標(biāo)記，而更加關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)的瓶頸帶寬、物理鏈路延遲以及由這兩者決定的傳輸鏈路的容量。

基于BBR的NDN擁塞控制算法，核心是讓網(wǎng)絡(luò)工作在Kleinrock最優(yōu)工作點(diǎn)的附近，控制用戶(hù)注入網(wǎng)絡(luò)的流量，使之匹配網(wǎng)絡(luò)鏈路的承載能力，在確保數(shù)據(jù)以最大的速率傳輸?shù)耐瑫r(shí)最小化中間節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度，從而最小化傳輸?shù)耐禃r(shí)延。因?yàn)镹DN中數(shù)據(jù)傳輸是由接收端驅(qū)動(dòng)，并且一個(gè)Interest包最多只能取回一個(gè)Data包，所以，基于BBR的NDN擁塞控制算法通過(guò)在接收端控制Interest包的發(fā)送速率以及最大發(fā)送窗口來(lái)控制注入網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量。這2個(gè)參數(shù)的計(jì)算依賴(lài)于估計(jì)得到的瓶頸帶寬、物理鏈路延遲的值以及由當(dāng)前傳輸所處的狀態(tài)決定的速率增益、窗口增益。整體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)讓網(wǎng)絡(luò)工作在Kleinrock最優(yōu)工作點(diǎn)，關(guān)鍵在于如何確定鏈路瓶頸帶寬以及物理鏈路延遲。然而，瓶頸帶寬和物理鏈路延遲是無(wú)法同時(shí)測(cè)量的。要測(cè)量瓶頸帶寬，就必須保證網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬被充分利用，中間節(jié)點(diǎn)的緩存空間中存在一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，此時(shí)，由于排隊(duì)時(shí)延的存在，傳輸往返時(shí)延偏大；要測(cè)量物理鏈路延遲，就必須保證中間節(jié)點(diǎn)的緩存空間無(wú)隊(duì)列，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的流量不足以占滿(mǎn)鏈路帶寬，測(cè)得即時(shí)帶寬偏小。

由于瓶頸帶寬和物理鏈路延遲無(wú)法被同時(shí)測(cè)量，算法采用分時(shí)測(cè)量的方法，在應(yīng)用限制區(qū)域測(cè)量物理鏈路延遲的值，在帶寬限制區(qū)域測(cè)量瓶頸帶寬的值。圖1中，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，瓶頸帶寬是即時(shí)帶寬的最大值，物理鏈路延遲是往返時(shí)延的最小值，所以，本算法使用一個(gè)固定時(shí)間窗口內(nèi)的即時(shí)帶寬的最大值和往返時(shí)延的最小值作為它們的估計(jì)值。

2.2 狀態(tài)設(shè)置

針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸在不同的階段的特點(diǎn)，本算法設(shè)置了4個(gè)不同的狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由網(wǎng)絡(luò)反饋的信息進(jìn)行控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)自主的調(diào)速機(jī)制——主動(dòng)調(diào)節(jié)窗口以及周期性地去探測(cè)是否有更多的可用帶寬等功能。這4個(gè)狀態(tài)分別是快速探索瓶頸帶寬(啟動(dòng)狀態(tài))、消耗中間節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)隊(duì)列的低速發(fā)送(消耗隊(duì)列狀態(tài))、周期性探測(cè)可用帶寬的穩(wěn)定(周期探測(cè)狀態(tài))、維持低發(fā)送窗口以確定最小往返時(shí)延(時(shí)延更新?tīng)顟B(tài))，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖Fig.3 State transition diagram of the algorithm

啟動(dòng)狀態(tài)是傳輸?shù)某跏紶顟B(tài)，類(lèi)似于TCP擁塞控制中的“慢啟動(dòng)”階段，目的是在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)使數(shù)據(jù)充滿(mǎn)傳輸鏈路以探測(cè)到瓶頸帶寬。在該狀態(tài)下，通過(guò)查找所測(cè)量的瓶頸帶寬的平臺(tái)期來(lái)確定傳輸鏈路是否被充滿(mǎn)：如果連續(xù)在3個(gè)RTT周期內(nèi)所測(cè)量的最大即時(shí)帶寬只有很小的增長(zhǎng)，可以認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)平臺(tái)期，將此時(shí)的即時(shí)帶寬值視為瓶頸帶寬。因?yàn)槭窃谝粋€(gè)時(shí)間窗口內(nèi)確定傳輸速率是否達(dá)到瓶頸帶寬的，所以在探測(cè)到瓶頸帶寬后會(huì)形成一個(gè)較長(zhǎng)的隊(duì)列。

隊(duì)列消耗狀態(tài)緊跟在啟動(dòng)狀態(tài)之后，目的是消除在探測(cè)瓶頸帶寬的過(guò)程中所形成的長(zhǎng)隊(duì)列，使傳輸往返時(shí)延降低到接近物理鏈路延遲，確保網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定在Kleinrock最佳工作點(diǎn)附近。當(dāng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量小于或者等于網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬時(shí)延積時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)緩存的隊(duì)列被完全消耗，且傳輸鏈路保持充滿(mǎn)，接收端將從隊(duì)列消耗狀態(tài)切換到周期探測(cè)狀態(tài)。

周期探測(cè)是一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，傳輸過(guò)程中絕大部分時(shí)間會(huì)處于這個(gè)狀態(tài)。在進(jìn)入周期探測(cè)狀態(tài)時(shí)，算法已經(jīng)確定了當(dāng)前的瓶頸帶寬以及物理鏈路延遲，并以此來(lái)控制Interest包的發(fā)送速率以及窗口。此外，周期探測(cè)狀態(tài)下除了進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸之外，還有一個(gè)重要功能是周期性地去探測(cè)是否有更多的可用帶寬。

為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)探測(cè)，本算法使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的序列探測(cè)機(jī)制。在每一個(gè)探測(cè)周期進(jìn)行一次主動(dòng)探測(cè)，每一個(gè)周期分為8個(gè)階段，每個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間為測(cè)量得到的最小往返時(shí)延。階段之間的最主要的區(qū)別是速率增益可能會(huì)不同。8個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)于下面8個(gè)速率增益：a，2-a，1，1，1，1，1，1，其中，a為常數(shù)。整個(gè)探測(cè)周期的平均增益約為1，從而使得一個(gè)周期內(nèi)的平均發(fā)送速率約等于可用帶寬，實(shí)現(xiàn)高帶寬利用率的情況下維持一個(gè)短的隊(duì)列。a的取值不能過(guò)大或過(guò)小，a取值過(guò)大時(shí)，穩(wěn)定探測(cè)階段的往返時(shí)延的波動(dòng)幅度會(huì)較大；a取值過(guò)小時(shí)，探測(cè)可用帶寬的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，本文在使用不同的a進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后選取a=1.25。

在周期探測(cè)狀態(tài)下，狀態(tài)機(jī)不會(huì)主動(dòng)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)移，但這不意味著狀態(tài)機(jī)停留在周期探測(cè)狀態(tài)直到傳輸結(jié)束。在非時(shí)延更新?tīng)顟B(tài)下，狀態(tài)機(jī)內(nèi)部會(huì)對(duì)估計(jì)的物理鏈路延遲進(jìn)行監(jiān)視。狀態(tài)機(jī)發(fā)現(xiàn)該值長(zhǎng)期沒(méi)有被更新時(shí)，會(huì)切換到時(shí)延更新?tīng)顟B(tài)。在該狀態(tài)下，接收端使用一個(gè)小速率增益去消耗中間節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列，直到Interest包的發(fā)送窗口被限制在一個(gè)較小的值，并保持一段時(shí)間，確保探測(cè)到當(dāng)前的物理鏈路延遲的準(zhǔn)確值。

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)

本文在基于NS-3的NDN通用仿真平臺(tái)ndnSIM[12]中實(shí)現(xiàn)了所提出的基于瓶頸帶寬和往返時(shí)延的NDN擁塞控制方法，并使用不同的拓?fù)鋵?duì)該算法進(jìn)行評(píng)估，并與ICP擁塞控制算法進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)所使用的指標(biāo)主要有以下4點(diǎn)。

1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量。網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的數(shù)量，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬利用的一個(gè)重要的指標(biāo)。一個(gè)好的擁塞控制算法能夠在最大化吞吐量的同時(shí)使傳輸時(shí)延最小化。

2)傳輸時(shí)延。傳輸時(shí)延是指從Interest包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)到對(duì)應(yīng)的Data包返回到接收端之間的時(shí)間間隔，一般由物理鏈路延遲、數(shù)據(jù)包在中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理(路由和轉(zhuǎn)發(fā))產(chǎn)生的時(shí)延以及在中間節(jié)點(diǎn)排隊(duì)所產(chǎn)生的時(shí)延組成。其中，數(shù)據(jù)包在中間節(jié)點(diǎn)緩存中的排隊(duì)時(shí)延對(duì)傳輸時(shí)延的影響最為明顯。

3)路由節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長(zhǎng)度。路由節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長(zhǎng)度決定數(shù)據(jù)包在中間節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)間。

4)收斂時(shí)間。收斂時(shí)間指的是瓶頸帶寬鏈路的吞吐量收斂到瓶頸帶寬所需要的時(shí)間，這一指標(biāo)能夠反映出高帶寬網(wǎng)絡(luò)下的小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膸捓眯省?/p>

3.1 BBR-NDN算法與ICP-NDN算法的對(duì)比

實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)置如下。

1)實(shí)驗(yàn)拓?fù)湟约版溌穮?shù)如圖4所示，圖4a中，消費(fèi)者Ci向生產(chǎn)者Pi請(qǐng)求數(shù)據(jù)，形成4條數(shù)據(jù)流。選取2條流用于模擬背景流量。在模擬背景流量時(shí)，C4以每秒800個(gè)Interest包的速率請(qǐng)求數(shù)據(jù)，持續(xù)150 s；C3以每秒500個(gè)Interest包的速率請(qǐng)求數(shù)據(jù)，并且在100 s后停止請(qǐng)求，模擬變化的背景流量；

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.4 Network topology

2)Interest包的大小固定為37 Byte，Data包的大小固定為1 024 Byte；

3)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)不設(shè)置內(nèi)容緩存。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。使用本算法，總流量迅速收斂到瓶頸帶寬，并且往返時(shí)延穩(wěn)定在物理鏈路延遲附近，表明傳輸基本收斂到Kleinrock最優(yōu)工作點(diǎn)附近。

圖5 存在背景流量場(chǎng)景下BBR-NDN與ICP-NDN吞吐量對(duì)比Fig.5 Comparison of throughputs between BBR-NDN and ICP-NDN under scenery with background traffic

圖5表明，采用本算法，瓶頸鏈路的吞吐量收斂到瓶頸帶寬所用的時(shí)間要明顯小于ICP算法。并且在公平分享瓶頸帶寬上，使用本算法時(shí)，數(shù)據(jù)流1和數(shù)據(jù)流2對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)基本上是重合的，而使用ICP算法時(shí)，數(shù)據(jù)流1和數(shù)據(jù)流2在Data包的接收速率上差別明顯，尤其是在背景流量突然減小(100 s時(shí)，模擬背景流量的其中一條數(shù)據(jù)流突然停止請(qǐng)求數(shù)據(jù))，重新分配帶寬時(shí)，不公平性進(jìn)一步加劇，在圖5中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)流2的傳輸速率約為數(shù)據(jù)流1的2倍，差距進(jìn)一步被拉大。

圖6表明，本算法的傳輸往返時(shí)延一直很好地被穩(wěn)定在稍高于理想往返時(shí)延處；使用ICP算法時(shí)，由于瓶頸鏈路的緩存長(zhǎng)期處于高占用率的狀態(tài)，傳輸往返時(shí)延明顯大于理想往返時(shí)延。因此，基于BBR的NDN擁塞控制算法在保障低時(shí)延傳輸上明顯優(yōu)于ICP算法。它克服了基于丟包的擁塞控制算法為了充分利用瓶頸帶寬而過(guò)度占用緩存、傳輸時(shí)延較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

圖6 存在背景流量場(chǎng)景下BBR-NDN與ICP-NDN傳輸往返時(shí)延與隊(duì)列長(zhǎng)度對(duì)比Fig.6 Comparison of round-trip time and queue length between BBR-NDN and ICP-NDN under scenery with background traffic

更換其他往返時(shí)延重復(fù)實(shí)驗(yàn)，算法的吞吐量以及往返時(shí)延的變化曲線(xiàn)的形狀沒(méi)有很大的變化，所以不再一一繪制其他曲線(xiàn)，只將結(jié)果展示在表1中。

表1表明，使用本算法時(shí)，實(shí)際往返時(shí)延與理想往返時(shí)延的比值都只稍大于1。ICP算法在充分利用帶寬的同時(shí)對(duì)低時(shí)延的保障能力明顯不如本算法。

基于BBR的NDN擁塞控制算法在高帶寬下瓶頸鏈路吞吐量收斂到瓶頸帶寬所需的時(shí)間較短，且基本不隨往返時(shí)延的變化而變化，而ICP算法在同樣條件下的收斂時(shí)間則隨著往返時(shí)延的增大而明顯增大，并且都大于本算法。這個(gè)結(jié)果表明，基于BBR的NDN擁塞控制算法在快速收斂到瓶頸帶寬上明顯優(yōu)于ICP算法。

表1 BBR-NDN與ICP-NDN在平均往返時(shí)延以及收斂時(shí)間上對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison of average round-trip time and convergence time between BBR-NDN and ICP-NDN

3.2 多瓶頸鏈路實(shí)驗(yàn)

多瓶頸鏈路實(shí)驗(yàn)基本設(shè)置如下。

1)實(shí)驗(yàn)拓?fù)湟约版溌穮?shù)如圖4b所示，4條數(shù)據(jù)流的往返時(shí)延分別為240 ms，250 ms，250 ms，260 ms；

2)Interest包的大小固定為37 Byte，Data包的大小固定為1 024 Byte；

3)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)不設(shè)置內(nèi)容緩存。

多瓶頸鏈路拓?fù)湎碌膶?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。盡管網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流的往返時(shí)延存在差異，但是本算法仍能保證瓶頸鏈路的吞吐量能夠快速收斂到瓶頸帶寬，往返時(shí)延也能夠穩(wěn)定在稍高于理想往返時(shí)延附近。并且，在共享瓶頸鏈路帶寬時(shí)，各流的傳輸速率在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，但在平均傳輸速率上，流與流之間是基本公平的傳輸?shù)摹Ｒ虼?，在增加網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜度以及瓶頸鏈路的數(shù)量時(shí)，本算法仍能使數(shù)據(jù)流快速收斂到公平地共享帶寬的狀態(tài)，并能保障低時(shí)延傳輸。

4 總 結(jié)

基于BBR的NDN擁塞控制算法的核心策略是保證注入網(wǎng)絡(luò)的流量在速率和總量上面能夠匹配傳輸鏈路的能力。算法通過(guò)在接收端使用瓶頸帶寬以及物理傳輸延遲這2個(gè)參數(shù)來(lái)描述傳輸鏈路的性能，形成以即時(shí)帶寬和往返時(shí)延作為反饋信息的閉環(huán)控制方式，在不同狀態(tài)下匹配不同的速率增益以及窗口增益，用計(jì)算得到的數(shù)據(jù)傳輸速率以及發(fā)送窗口來(lái)控制Interest包的發(fā)送速率，從而控制返回的Data包的速率，實(shí)現(xiàn)在充分利用網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬的同時(shí)保障低時(shí)延傳輸。

本算法和和傳統(tǒng)的基于丟包的NDN擁塞控制算法相比有以下特點(diǎn)。首先，與傳統(tǒng)的基于丟包的擁塞控制算法的由丟包事件觸發(fā)的被動(dòng)擁塞控制不同，本算法傾向于主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)擁塞以及可用帶寬；其次，擁塞控制的反饋環(huán)傳遞的信息由即時(shí)帶寬以及往返時(shí)延組成，采用窗口和速率雙重控制的方式，兩者相互協(xié)調(diào)，前者控制消費(fèi)者注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)總量，后者控制信息流注入網(wǎng)絡(luò)的速率；此外，本算法根據(jù)估算的發(fā)送速率以及所請(qǐng)求內(nèi)容的大小來(lái)確定Interest包之間的發(fā)送間隔，實(shí)現(xiàn)了平滑的數(shù)據(jù)傳輸，減少了網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)流量；最后，在不考慮網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存以及多路徑傳輸?shù)那闆r下，本算法能使網(wǎng)絡(luò)收斂到Kleinrock模型的最優(yōu)工作點(diǎn)附近，該工作點(diǎn)能保證網(wǎng)絡(luò)以瓶頸帶寬進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)，減小中間路由節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的傳輸時(shí)延。

圖7 BBR-NDN在多瓶頸鏈路拓?fù)湎碌膫鬏斝阅蹻ig.7 Transmission performance of BBR-NDN under multi-bottleneck link topology

本算法是在接收端實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有引入中間節(jié)點(diǎn)的控制，然而中間節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，離擁塞的位置更近，能夠更快地感知擁塞的存在以及預(yù)見(jiàn)擁塞的發(fā)生，對(duì)擁塞的調(diào)控更為迅速。同時(shí)，NDN在架構(gòu)能夠很好地支持逐跳的控制方式。因此，在當(dāng)前的擁塞控制算法中引入逐跳控制和多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速反饋以及將擁塞鏈路的流量分流到其他可用的路徑上，是一個(gè)值的深入研究的地方。

由于路由器對(duì)Data包的緩存以及多路徑傳輸?shù)拇嬖?，端主機(jī)測(cè)量的往返時(shí)延存在多樣性，難以被準(zhǔn)確地估計(jì)[13]。由于依賴(lài)于測(cè)量的往返時(shí)延來(lái)估計(jì)鏈路的物理鏈路延遲，所以考慮緩存以及多路徑傳輸?shù)那闆r下，本算法在估計(jì)物理鏈路延遲的值時(shí)會(huì)存在較大的誤差。因此，針對(duì)緩存以及多路徑傳輸?shù)奶匦詫?duì)算法進(jìn)行優(yōu)化也是未來(lái)的一個(gè)研究點(diǎn)。

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(編輯：王敏琦)