王文靜，雒江濤

1.重慶郵電大學 電子信息與網(wǎng)絡工程研究院，重慶 400065

2.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用與技術的高速發(fā)展，基于TCP/IP的體系結構逐漸暴露出諸多問題，比如，IP地址枯竭、安全性差、移動性差、擴展性差等[1]。為了徹底解決這些問題，“革命式”的信息中心網(wǎng)絡應運而生，其中，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是目前最受廣泛關注和研究的未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構之一[2-3]。

NDN繼承了IP體系結構的沙漏模型，區(qū)別在于用數(shù)據(jù)取代了細腰處的IP地址，并將安全內置于數(shù)據(jù)中，路由基于數(shù)據(jù)的名字而不是IP地址[3]。另外，NDN還引入了網(wǎng)內緩存機制，路由器可以緩存經(jīng)過的數(shù)據(jù)，并響應請求。又因為NDN內在地支持多路徑轉發(fā)，使得NDN具有信源不可控的特性，這樣會導致網(wǎng)絡中存在大量的冗余信息存儲及轉發(fā)，不可避免地會出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞。同時，擁塞控制對保證網(wǎng)絡的高效性，提高網(wǎng)絡的魯棒性和穩(wěn)定性具有重要作用，因此NDN的擁塞控制問題逐漸得到了各學者的廣泛關注。

目前，NDN中的擁塞控制主要分為兩種方式：由請求者驅動的擁塞控制和逐跳的興趣包整形機制。第一種方式是借鑒傳統(tǒng)TCP的設計，通過超時機制RTO來確認丟包的發(fā)生，并通過降低發(fā)送端的發(fā)送速率來減低網(wǎng)絡流量，進而緩解網(wǎng)絡擁塞。文獻[4]提出的興趣包控制協(xié)議（Interest Control Protocol，ICP）通過調節(jié)興趣包的發(fā)送速率實現(xiàn)了基于窗口的流量控制，同時也證明了ICP能實現(xiàn)較好的帶寬利用率。文獻[5]基于超時機制設計了CCTCP（Content Centric TCP）協(xié)議，CCTCP通過替每個流設置多個擁塞窗口和RTO計時器，來控制興趣包的發(fā)送速度。另外，CCTCP設計了一種預測機制來估算RTO值，但因為要維護多個計時器使得開銷過大。上面提到的由請求者驅動的、基于RTO超時機制的擁塞控制方式已經(jīng)被證明不適合用于NDN網(wǎng)絡，因為NDN特殊的傳輸方式不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，適用于端到端通信的傳輸協(xié)議在NDN中的實現(xiàn)是非常困難的。首先NDN中沒有報文到達確認機制，因此發(fā)送端只能通過RTO計時器來判斷擁塞的發(fā)生，但是在NDN中由于沒有確定的源，導致RTT的估算非常困難[6]，同時，使用RTO機制還有一個缺陷是其超時原因是不確定的。因此，相對于第一種隱式的擁塞控制，目前研究NDN的學者們更加看好逐跳的顯式擁塞控制[7]。文獻[8]提出通過逐跳地控制興趣包速率來實現(xiàn)NDN的擁塞控制，所設計的HoBHIS（Hop-By-Hop Interest Shaping mechanism）通過檢測路由器的傳輸隊列長度來計算興趣包速率，由于在NDN中一個興趣包最多返回一個數(shù)據(jù)包，因此可以通過調節(jié)興趣包速率來控制數(shù)據(jù)包的返回速率。文獻[9]在每個流公平共享帶寬的基礎上，提出了一種興趣包轉發(fā)策略。當興趣包速率超過路由器允許的速率時，向下游路由器發(fā)送NACK（Negative ACKnowledgment），下游路由器收到之后調節(jié)興趣包的速率并尋找其他可用的接口轉發(fā)興趣包，以減少單條鏈路的負載。文獻[10]提出了一種結合發(fā)送端與路由器端的擁塞控制機制HR-ICP（Hop-by-hop and Receiverdriven Interest Control Protocol），HR-ICP除了在發(fā)送端通過擁塞窗口調節(jié)興趣包速率，還能在中間節(jié)點檢測擁塞，使得HR-ICP能比ICP更快地發(fā)現(xiàn)并響應擁塞。文獻[8，10-12]在中間路由器檢測并調整興趣包的轉發(fā)速率來控制網(wǎng)絡擁塞，已經(jīng)獲得了較好的性能，但是沒有考慮數(shù)據(jù)流之間的公平性。文獻[9]為每個數(shù)據(jù)流分配了公平的帶寬，但是這樣無區(qū)別地分配固定的帶寬，將會導致網(wǎng)絡資源的浪費。為了解決這個問題，受傳統(tǒng)公平隊列調度算法的啟發(fā)，提出了一種路由器端的擁塞控制算法—NWFQ。NWFQ主要包括兩方面內容：（1）在路由器端，通過動態(tài)調整數(shù)據(jù)流的權重來調節(jié)興趣包調度順序，在盡可能保證為每個流提供所需帶寬的基礎上，在輸出端口利用令牌桶算法對超高速流進行降速限制。（2）在興趣包/數(shù)據(jù)包中擴展兩個字段，用于記錄擁塞信息和由當前網(wǎng)絡反饋的最佳興趣包速率。最后，通過顯式反饋機制將擁塞信息反饋給下游節(jié)點/請求端，這樣請求端可以根據(jù)網(wǎng)絡實時的變化來調節(jié)興趣包的發(fā)送速率，從而提高網(wǎng)絡的魯棒性和吞吐量。

2 算法設計

2.1 加權公平排隊算法

加權公平排隊WFQ是一種路由器公平隊列調度算法，也是一種擁塞管理算法，由于其能夠根據(jù)各數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級進行區(qū)分服務而引起了廣大研究者的關注。該算法根據(jù)流特性對其進行分類，不同的流經(jīng)過哈希函數(shù)映射進入不同的動態(tài)隊列。每個流所分配到的帶寬資源遵循最大-最小公平分配，且WFQ允許其他流使用某條流剩余的帶寬[13]。

為了在各個流之間提供公平的調度和保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先被服務，在入隊之前，WFQ計算每個數(shù)據(jù)包的虛擬調度時間（Virtual Schedule Time，VST）（見式（1）），VST決定了這個包出隊的時間順序。其中VST′是隊尾時間，記錄進入隊列之前此隊列的虛擬調度時間總和。scaling是縮放比例值，用來縮放虛擬調度時間，scaling與數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級成反比。new_packet_length是當前數(shù)據(jù)包的長度，WFQ規(guī)定優(yōu)先調度VST小的數(shù)據(jù)包[13]。設想流a擁有較低的優(yōu)先級和較小的平均包長，流b具有較高的優(yōu)先級和較大平均包長，當流a小于流b的虛擬調度時間時，流a可以通過不斷增大發(fā)送速率來占用網(wǎng)絡資源，使得高優(yōu)先級流的調度滯后?，F(xiàn)如今很多的多媒體應用的數(shù)據(jù)包符合流b的情況，這會導致這些應用的時延無法得到保證。因此，根據(jù)分組大小和優(yōu)先級來決定調度是不夠的，還應考慮速率限制等因素來抵制貪婪流。

2.2 NWFQ算法

NWFQ擁塞控制算法運行在NDN的路由器上，它繼承WFQ算法的思想，根據(jù)NDN名字前綴的不同將興趣包分為不同的流。并在NDN原有路由模型的基礎上增加了速率限制（Rate Limit，RL）模塊來實現(xiàn)懲罰機制。當遇到突發(fā)流量導致路由器發(fā)生擁塞時，RL模塊為每個路由節(jié)點計算一個公平速率 f來區(qū)分貪婪流（輸入速率超過公平速率）與非貪婪流，對前者進行懲戒，降低它的權重（此處的權重由數(shù)據(jù)速率和懲罰函數(shù)所共同決定），并在輸出接口實現(xiàn)令牌桶對轉發(fā)速率進行限制，將興趣包/數(shù)據(jù)包暫存于軟件隊列中，避免進一步的擁塞發(fā)生，從而減小丟包數(shù)，提高網(wǎng)絡吞吐量。NDN中的NWFQ擁塞控制模型如圖1所示。

圖1 NWFQ擁塞控制模型

從圖1中可以看到，NWFQ算法是在輸出接口對興趣包/數(shù)據(jù)包的轉發(fā)速率進行限制，RL模塊的具體實現(xiàn)包括NWFQ隊列調度和令牌桶技術兩部分。之所以采用NWFQ隊列是因為其具有區(qū)分服務特性，在網(wǎng)絡發(fā)生擁塞的不利情況下，它可以優(yōu)先調度需要傳輸?shù)木o急數(shù)據(jù)，保證緊急數(shù)據(jù)的服務帶寬。興趣包在RL模塊中的處理過程如圖2所示（數(shù)據(jù)包類似）。

圖2 興趣包在RL模塊中的處理過程

其中，NWFQ算法的核心體現(xiàn)在加入令牌的速率。從NWFQ隊列中調度的興趣包，若未超過路由器公平速率則直接轉發(fā)，若超過則進入擁塞處理過程，經(jīng)過令牌桶整形后再轉發(fā)。這一判斷的前提是路由器發(fā)生了擁塞，如果路由器沒有擁塞，就直接轉發(fā)，不用關注數(shù)據(jù)流的速率。只有在路由器發(fā)生擁塞的時候，為了阻止引起其他路由器發(fā)生擁塞才需要對數(shù)據(jù)流進行整形，同時為了緩解當前路由器的擁塞，需要借助顯式反饋機制告知下游路由器減小轉發(fā)速率，才不至于使得排隊隊列（時延）繼續(xù)增長。整形后的速率就是網(wǎng)絡希望的速率，這個速率是由NWFQ算法計算得到的，并且不會造成網(wǎng)絡擁塞。經(jīng)過整形，可以平滑網(wǎng)絡流量，降低上游路由器的擁塞。同時，采用令牌桶技術，將超速的興趣包加入緩存隊列等待，而非直接丟棄，可以減少突發(fā)傳輸導致的丟包。下面是NWFQ算法的具體流程。

Step 1 Initialize：unit_weight_servic←0，fair_rate←0，load of route：sumR←0

Input：nstreams：r1,r2,…,rn

Step 2 forifrom 1 to n //Calculate the load of the router

sumR←sumR+ri

end for

Step 3 if router becomes congested Then

calculate：unit_weight_service，fair_rate，weight_of_interest

Step 4//Punish greedy flow

ifriis speeding(ri＞fair_rate)Then

calculate output_rate：γi← unit_weight_service*weight_of_interest

update interest：penalty_rate← γi；

congestion_contribution←congestion_contribution+1

//send NACK

send NACK(penalty_rate)to downstream router

end if

end if

Step 5 if Interest satisfied Then //Send Data

if congestion_contribution＞0 Then

copy congestion_contribution and penalty_rate to Data packet

end if

send Data packet to consumer

end if

2.2.1 確定流i的權重

其中，wi(t)是數(shù)據(jù)流i的權重，ri(t)是興趣包i的輸入速率，θ是數(shù)據(jù)流的優(yōu)先值，懲罰函數(shù) p(ri(t))是單調遞減的正函數(shù)。當客戶端的輸入速率ri(t)超過閾值時，其相應的權重隨速率的增大而減小，也就是說，增大發(fā)送速率并不能獲得更大的輸出速率，甚至會降低輸出速率。這樣能防止貪婪用戶大肆搶占網(wǎng)絡資源，達到規(guī)范用戶行為的目的，這里 p(ri(t))=1/ri(t)。還可以考慮網(wǎng)絡客戶端或數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級，優(yōu)先級越高權重越大，為方便計算，本設計暫不考慮優(yōu)先級（即θ=1），所以修改后的權重為wi(t)=1/ri(t)。

2.2.2 計算轉發(fā)速率γi

在給定瓶頸鏈路的帶寬為C，興趣包發(fā)送速率向量為M ，n個流的輸入速率向量r=(r1,r2,…,rn)時，經(jīng)算法改進的興趣包轉發(fā)速率γ=(γ1,γ2,…,γn)的計算步驟如下。

（1）路由器負載sumR表征路由器的負載，當sumR≤C時，路由器工作在正常狀態(tài)，所有流都能得到完全的輸出。當sumR＞C時，路由器發(fā)生擁塞，需要執(zhí)行擁塞控制算法NWFQ。

（2）路由器輸出函數(shù)

其中，vi表示流i的轉發(fā)速率，λ是單位時間內為單位權值提供的輸出。即擁塞時，假設興趣包i的權值為w，所在路由器的單位權值服務量為λ，則興趣包i的輸出速率為(λ×w)。即當路由器負載超過鏈路帶寬時，NWFQ將為貪婪流計算出權值，權值wi(t)決定數(shù)據(jù)流的轉發(fā)速率。

輸出函數(shù)G(λ,r)表征路由器的總輸出量。假設網(wǎng)絡擁塞很嚴重時，每個流的速率都超過了公平速率，即所有流都被降速。此時有 ?i,?λ/ri≤ri?λ≤，即λ≤r。同理，所有流都未超速時，有?i,?λ/ri＞ri?λ＞r即λ＞r。當一部分流(n-k)被懲罰時，有：?k,s.t.λ/r(k)＞r(k)且 λ/r(k+1)≤r(k+1),即 r＜λ≤r。根據(jù)以上，擁塞函數(shù)可以展開如下。

其中，r=(r(1),r(2),…,r(n))是r=(r1,r2,…,rn)遞增序列的重新排列。當負載不超過鏈路帶寬時，每個流都能正常輸出，此時路由器擁塞程度隨著負載的增大而加深，即輸出函數(shù)與負載成正比；當負載超過鏈路帶寬時，路由器發(fā)生擁塞，部分流得不到完全的輸出，隨著負載的增加，路由器擁塞加深，吞吐量降低，此時輸出函數(shù)與負載成反比。因此輸出函數(shù)還可以用式（7）表示。由式（6）、（7）可得當前路由器的單位權值服務量。

（3）單位權值服務量λ

單位權值服務量只在網(wǎng)絡擁塞時才需要計算，且λ和 f都是所有流隊列所共享的。其中，λ主要用于確定路由器的公平速率 f，f主要用于界定貪婪流和非貪婪流。也就是說，網(wǎng)絡擁塞時，當輸入速率等于公平速率時，數(shù)據(jù)流全部輸出，即 vi=ri?λ/f=f?λ=f2；當輸入速率大于公平速率時，執(zhí)行NWFQ算法；當輸入速率小于公平速率時，輸出（轉發(fā)）速率等于輸入速率。

（4）公平速率 f

（5）興趣包的轉發(fā)速率γi

因為發(fā)送興趣包/數(shù)據(jù)包是以包為單位，而令牌桶的實現(xiàn)是以字節(jié)為單位，因此在執(zhí)行完算法之后還需進行上述單位轉換。

2.3 顯式反饋機制

當網(wǎng)絡擁塞時，由于NDN的多路徑轉發(fā)特性和帶寬的不同，一個興趣包可能產生多個反饋，這樣會導致網(wǎng)絡中存在大量的反饋和反饋引起的重傳，這樣不但會加重網(wǎng)絡擁塞，還會增大終端和路由器的開銷。為了避免這種多次反饋問題，本文擴展了ndnSIM1.0[14]中的興趣包，添加了兩個字段：懲罰速率(Penalty Rate)和擁塞貢獻(Congestion Contribution)，擴展后的興趣包結構如圖3所示。

圖3 擴展之后的興趣包

虛線部分是因實驗需要添加的兩個字段，其中，Penalty Rate是經(jīng)NWFQ算法計算得到的興趣包速率，Congestion Contribution是興趣包導致?lián)砣拇螖?shù)。請求端發(fā)送興趣包時，將懲罰速率R(Penalty Rate)初始化為興趣包的發(fā)送速率，擁塞貢獻CC(Congestion Contribution)置零，當興趣包經(jīng)過一個路由器并且此路由器發(fā)生擁塞時，如果興趣包i的輸入速率ri超過了公平速率 f，就說明興趣包i的輸入速率過高，即認為興趣包i對網(wǎng)絡擁塞做出了“貢獻”，然后將懲罰速率R更新為NWFQ計算得到的轉發(fā)速率γi并將擁塞貢獻CC加1，即R=min(R,γi)。同時，向該興趣包進入的接口發(fā)送擁塞通知NACK，NACK中封裝的是懲罰速率R，并且生存時間TTL=2，即只能轉發(fā)一跳。下游路由器收到NACK后，提取R作為新的令牌加入速率。這樣可以減少更多的興趣包/數(shù)據(jù)包進入擁塞區(qū)域，暫時緩解網(wǎng)絡擁塞。但是這樣也有可能導致本來不擁塞的下游節(jié)點產生擁塞，因此，為了從根本上解決擁塞，應根據(jù)網(wǎng)絡狀況減低請求端的興趣包發(fā)送速率。

為了不產生多余的流量，本設計利用數(shù)據(jù)包將新的興趣包發(fā)送速率返回請求端。即當興趣包找到匹配的數(shù)據(jù)包時，檢查興趣包中的擁塞貢獻值，若大于零，就把擁塞信息字段復制到數(shù)據(jù)包中并按原路返回給請求端；若為零，則直接返回數(shù)據(jù)包。這樣當請求端收到數(shù)據(jù)包后，就可以取出R值，并把這個值作為新的興趣包發(fā)送速率。

由于網(wǎng)絡的鏈路帶寬不同，興趣包有可能連續(xù)被NWFQ算法所“懲罰”，但是懲罰速率R記錄的是興趣包最后一次被“懲罰”之后的速率（最小速率），所以請求端以速率R發(fā)送興趣包時，能將網(wǎng)絡擁塞的概率降到最低。

3 仿真與分析

為驗證NWFQ算法的有效性，本文在ndnSIM1.0中實現(xiàn)了NWFQ算法。ndnSIM是基于NS-3的模塊化的仿真工具，能仿真多樣化的部署場景，支持大范圍的NDN實驗。實驗采用圖4所示的單瓶頸鏈路拓撲，其中，消費者C1至C10以每秒3 000個興趣包的速率向數(shù)據(jù)生產者請求不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)請求服從齊夫分布，鏈路傳播時延均為10 ms，包緩沖區(qū)大小設置為帶寬和延遲的乘積。轉發(fā)策略采用BestRoute，緩存放置、替換策略分別采用LCE（Leave Cache Everywhere）和LRU（Least Recently Used）[15]。為了驗證算法在網(wǎng)絡擁塞情況下的性能，與文獻[4，10]中的ICP和HR-ICP進行對比實驗，考慮的性能指標有：瓶頸鏈路利用率和丟包率。采用上述參數(shù)，分別仿真實現(xiàn)瓶頸帶寬從10 Mb/s增加到60 Mb/s時的仿真場景。

圖4 單瓶頸鏈路拓撲

因為NWFQ算法需要計算各路由器的公平速率，但公平速率隨著流的數(shù)量也在發(fā)生變化。為了更好地論證算法的性能，有必要分析一下當流數(shù)目變化條件下算法的穩(wěn)定性。場景二使用與場景一基本相同的實驗參數(shù)，但是模擬一個更加擁塞的網(wǎng)絡環(huán)境。鏈路傳播時延設為30 ms，消費者分別同時發(fā)送10～100條內容大小為200個數(shù)據(jù)塊的流，分析該場景下的平均流完成時間。

圖5給出了消費者在不同瓶頸鏈路帶寬時的瓶頸鏈路利用率。由圖中可見，隨著瓶頸帶寬的增加，NWFQ的瓶頸鏈路利用率逐漸上升并接近95%，這是由于NWFQ的主動擁塞檢測機制和顯式反饋機制，使得NWFQ能夠更好地適應網(wǎng)絡變化。ICP的瓶頸鏈路利用率從85%快速降低到79%，這是因為ICP采用擁塞窗口，慢啟動會導致平均鏈路利用率較低；而且隨著瓶頸帶寬的增大，擁塞窗口和鏈路緩存區(qū)均增大，所以消費者發(fā)送的興趣包增多，但是由于網(wǎng)絡擁塞會導致興趣包的排隊時間大大增加，相應的RTT隨之增大，從而降低了ICP的瓶頸鏈路利用率。HR-ICP由于在ICP的基礎上增加了中間節(jié)點檢測擁塞的功能，能更好地利用帶寬，但是它仍然采用發(fā)送端的擁塞窗口來調節(jié)發(fā)送速率，且調節(jié)的幅度不確定，只是一種對可用帶寬的猜測，相比NWFQ直接將網(wǎng)絡允許的速率反饋回發(fā)送端，HR-ICP并沒有充分地利用帶寬。另外，在圖中可以看到，ICP曲線的波動幅度較大，表明NWFQ和HR-ICP比ICP具有更好的穩(wěn)定性。這是因為基于路由器的逐跳整形機制相比基于發(fā)送端的擁塞窗口，前一種方式更適合NDN的傳輸方式。

圖5 瓶頸鏈路利用率

如圖6所示，ICP的丟包率最高，這是因為ICP在丟包造成超時后才能檢測到擁塞并對其進行處理。采用NWFQ算法時丟包率最低，這是因為NWFQ將超過路由器閾值的興趣包/數(shù)據(jù)包緩存起來，留待稍后發(fā)送，而不是直接丟棄，這樣不僅可以平滑網(wǎng)絡流量，降低上游節(jié)點的擁塞，還能減少因突發(fā)流量造成的丟包。同時用數(shù)據(jù)包將網(wǎng)絡允許的發(fā)送速率帶回發(fā)送端，可以從源頭上解決擁塞。HR-ICP的性能介于兩者之間，由于HRICP相比ICP可以更快發(fā)現(xiàn)擁塞，因此可以及時調節(jié)發(fā)送窗口，避免大部分丟包。

圖7表示平均流完成時間隨著流個數(shù)增加的變化。由圖中可以看出隨著流個數(shù)的增加，ICP、HR-ICP和NWFQ的平均流完成時間均增加。且NWFQ的平均完成時間最短，表明NWFQ能更好地利用網(wǎng)絡帶寬。另外，從圖中可以看到當流個數(shù)增加到40以后，平均流完成時間均大幅度增加，這是因為這時網(wǎng)絡發(fā)生了擁塞。從圖中可以看到，NWFQ曲線斜率在80個流以后就逐漸趨于平滑，相比ICP和HR-ICP的增長趨勢，表明NWFQ能更快速地適應網(wǎng)絡變化。

圖6 丟包率

圖7 平均流完成時間

4 結束語

本文將傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡中的路由器隊列調度算法引入NDN并提出了一種新的擁塞控制算法NWFQ。該算法為每個路由器計算一個公平速率以區(qū)分貪婪流與非貪婪流，并通過懲罰函數(shù)來修改數(shù)據(jù)流的權重，進而調整各數(shù)據(jù)流分到的帶寬。當網(wǎng)絡擁塞時，可以對資源進行盡可能公平的分配。NWFQ還提出了一種能有效減少反饋與重傳次數(shù)的顯式反饋機制。仿真結果表明該算法在保持高鏈路利用率的同時，擁有較低丟包率和較短平均流完成時間，能顯著提高網(wǎng)絡的QoS性能。

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