趙靜靜，衷璐潔

(首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100048)

0 引 言

不同于傳統(tǒng)TCP，MPTCP[1]是一種端到端的多路通信，它將一條數(shù)據(jù)流劃分為多條子流，通過多條鏈路同時(shí)進(jìn)行傳輸實(shí)現(xiàn)吞吐量提升。在無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不斷進(jìn)步的今天，智能手機(jī)終端普遍同時(shí)支持LTE和Wi-Fi[2]。針對(duì)MPTCP與TCP資源共享公平性問題，需要將子流往返時(shí)延不同的情況納入考慮，根據(jù)各子流RTT的不同情況來控制擁塞窗口變化速度。同時(shí)，應(yīng)充分考慮子流間擁塞程度差異，避免在子流間出現(xiàn)跳躍引起鏈路抖動(dòng)問題，而通過對(duì)RTT進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，在數(shù)據(jù)流未擁塞至丟包狀態(tài)時(shí)即實(shí)施擁塞控制，調(diào)整擁塞窗口大小，可有效減少分組丟失，對(duì)此，本文提出PPQD擁塞控制算法。通過在每條鏈路上使用一個(gè)窗口強(qiáng)度增長(zhǎng)控制因子，實(shí)現(xiàn)各子流擁塞窗口的適時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，避免擁塞窗口大波動(dòng)的出現(xiàn)，提高鏈路帶寬利用率。

1 相關(guān)工作

1.1 MPTCP設(shè)計(jì)要求

目前，MPTCP的多路徑特性對(duì)擁塞控制算法提出了新的要求，對(duì)此IETF工作組在制定MPTCP規(guī)范時(shí)對(duì)吞吐量、公平性及擁塞控制等方面提出了幾點(diǎn)要求請(qǐng)參見文獻(xiàn)[3]。

1.2 MPTCP公平性

針對(duì)如何利用多條可用路徑進(jìn)行高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，直接的方案是對(duì)已有單路徑傳輸控制協(xié)議[4]進(jìn)行功能上的擴(kuò)展，即針對(duì)每條可用路徑上的各條子流，都獨(dú)立地執(zhí)行單路徑傳輸控制協(xié)議。但由于n條子路徑的多路徑流占用的瓶頸帶寬一般為單路徑流的n倍，當(dāng)瓶頸帶寬幾乎完全被多路徑流霸占時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生單路徑流帶寬饑餓現(xiàn)象，這樣的情形會(huì)引發(fā)公平性問題。

目前關(guān)于多路徑公平性的相關(guān)研究中，Uncoupled的算法思想請(qǐng)參見文獻(xiàn)[4]，該算法在當(dāng)這些子流共享同一瓶頸帶寬時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的侵略性，令網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化。C.Raiciu等[5]提出的LIA算法，根據(jù)擁塞窗口大小wr、 總擁塞窗口大小wtotal和侵略因子α的值來動(dòng)態(tài)分配各子流的擁塞窗口，實(shí)現(xiàn)了子流侵略性避免的動(dòng)態(tài)控制。在該算法中，侵略因子考慮各子流RTT不相等的情況，用1/wr來控制擁塞窗口增長(zhǎng)的上限，可有效制止各子流搶占更多的TCP鏈路流量，保障瓶頸鏈路上公平的帶寬競(jìng)爭(zhēng)。但LIA算法在子流擁塞程度差異不大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生子流間的跳躍現(xiàn)象，引發(fā)“抖動(dòng)性”問題。因此，提前探知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)減少擁塞窗口的抖動(dòng)是提升吞吐量性能的重要前提。

1.3 基于時(shí)延的MPTCP擁塞反映機(jī)制

擁塞反映機(jī)制是擁塞控制研究中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)基于丟包作為網(wǎng)絡(luò)擁塞的信號(hào)反映不夠及時(shí)[6,7]，而RTT更具可變性，反應(yīng)也更為靈敏[8]。Brakmo等[9]提出一種單路徑TCP擁塞控制算法TCP Vegas，通過測(cè)量鏈路RTT來進(jìn)行擁塞區(qū)分。該算法在RTT變大時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生，隨后開始減小擁塞窗口，當(dāng)探測(cè)到RTT減小時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞逐步解除，當(dāng)前鏈路傳輸性能轉(zhuǎn)好，于是增大擁塞窗口提高發(fā)送速率。Cao等將Vegas的思想引入至MPTCP中，提出了基于時(shí)延的MPTCP擁塞控制算法w Vegas(weighted Vegas)。w Vegas算法思想請(qǐng)參見文獻(xiàn)[10]。對(duì)于存在緩存、RTT增大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，w Vegas算法仍會(huì)在網(wǎng)絡(luò)未擁塞的情況下降低相應(yīng)子流的擁塞窗口，而由于網(wǎng)絡(luò)未擁塞，單路徑TCP不會(huì)降低自己的擁塞窗口，如此反復(fù)，w Vegas會(huì)引起帶寬競(jìng)爭(zhēng)力下降，傳輸效率也會(huì)隨之受到影響。

2 基于主動(dòng)探測(cè)排隊(duì)時(shí)延的MPTCP擁塞控制方法(active detection of queuing delay，PPQD)

在無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，一個(gè)移動(dòng)用戶可同時(shí)通過Wi-Fi和4G等多種方式訪問互聯(lián)網(wǎng)。發(fā)送端(sender)和接收端(receiver)之間傳輸數(shù)據(jù)的往返時(shí)延RTT計(jì)算方法請(qǐng)參見文獻(xiàn)[11]。

圖1給出了在無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中MPTCP的一條鏈路i從連接到接收ACK確認(rèn)的過程。其中，Qd,i(t) 和Pd,i(t) 分別表示t時(shí)刻數(shù)據(jù)在路由器緩存的排隊(duì)時(shí)延和系統(tǒng)處理時(shí)延；Td,i(t) 表示t時(shí)刻數(shù)據(jù)在鏈路i上的傳播時(shí)延；d為往返時(shí)延。

圖1 鏈路i上的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延

定義1 前向時(shí)延(the forward delay，F(xiàn)D)：假定子流s上數(shù)據(jù)從發(fā)送端S流經(jīng)了n-1個(gè)路由達(dá)到接收端R，t時(shí)刻前向時(shí)延記作FD(t)，如式(1)所示

(1)

定義2 后向時(shí)延(the backward delay，BD)：假定子流s上數(shù)據(jù)從接收端S通過m-1個(gè)路由器將ACK反饋給發(fā)送端R，t時(shí)刻后向時(shí)延記作BD(t)，如式(2)所示

(2)

往返時(shí)延RTT由前向時(shí)延及后向時(shí)延組成，如式(3)所示

RTT(t)=FD(t)+BD(t)

(3)

在不考慮路由改變的情況下，網(wǎng)絡(luò)中排隊(duì)時(shí)延可以用來感知網(wǎng)絡(luò)擁塞的狀態(tài)。為了計(jì)算鏈路的排隊(duì)時(shí)延需先計(jì)算往返時(shí)延RTT。對(duì)此，本文提出將TCP Vegas基于時(shí)延的擁塞窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整方法與MPTCP融合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于主動(dòng)探測(cè)排隊(duì)時(shí)延的MPTCP擁塞控制方法PPQD，方法框架如圖2所示。PPQD方法采用二次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法對(duì)往返時(shí)延實(shí)施平滑預(yù)測(cè)，然后根據(jù)往返時(shí)延預(yù)測(cè)排隊(duì)時(shí)延，以排隊(duì)時(shí)延與其均值的比較結(jié)果反映網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，并據(jù)此指導(dǎo)擁塞窗口的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖2 PPQD整體框架設(shè)計(jì)

基于主動(dòng)探測(cè)排隊(duì)時(shí)延的MPTCP擁塞控制(congestion control based on proactive probing of queuing delay，PPQD)方法由：(Ⅰ)RTT主動(dòng)探測(cè)(RTT_Probing)；(Ⅱ)RTT平滑處理(RTT_Smoothing)；(Ⅲ)排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)(QRTT_Probing)及(Ⅳ)擁塞窗口自適應(yīng)調(diào)整(Cwnd_Adjusting)幾個(gè)部分組成。其中，RTT_Probing主要負(fù)責(zé)主動(dòng)探測(cè)鏈路RTT信息的提取，主要實(shí)現(xiàn)方式為：開啟時(shí)間戳，記錄數(shù)據(jù)包發(fā)送及到達(dá)時(shí)間對(duì)RTT信息進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)；RTT_Smoothing主要負(fù)責(zé)平滑預(yù)測(cè)鏈路RTT，實(shí)現(xiàn)RTT平滑化，并在對(duì)RTT完成平滑處理后，將二次指數(shù)平滑后的值RTTpre反饋給QRTT_Probing；QRTT_Probing主要負(fù)責(zé)主動(dòng)探測(cè)鏈路排隊(duì)時(shí)延信息的提取，通過計(jì)算緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)量和鏈路帶寬，對(duì)排隊(duì)時(shí)延信息進(jìn)行求解預(yù)測(cè)，然后將排隊(duì)時(shí)延與通過RTT均值計(jì)算出的排隊(duì)時(shí)延均值進(jìn)行對(duì)比來提前探測(cè)鏈路狀態(tài)，并反饋鏈路狀態(tài)信息給Cwnd_Adjusting；Cwnd_Adjusting則主要負(fù)責(zé)完成擁塞窗口的自適應(yīng)調(diào)整，使用一個(gè)窗口強(qiáng)度增長(zhǎng)控制因子，動(dòng)態(tài)調(diào)整每一條鏈路的擁塞窗口。

3 方法描述

3.1 鏈路RTT主動(dòng)探測(cè)(RTT_Probing)

提前探測(cè)排隊(duì)時(shí)延信息，需要主動(dòng)探測(cè)鏈路RTT，RTT_Probing模塊使用基于時(shí)間戳的主動(dòng)探測(cè)方法。首先向MPTCP網(wǎng)絡(luò)注入一定長(zhǎng)度的探測(cè)包并設(shè)置一個(gè)時(shí)間戳，然后等待來自于接收端的響應(yīng)。通過計(jì)算探測(cè)包的到達(dá)時(shí)間與發(fā)出時(shí)間差值獲取鏈路響應(yīng)時(shí)間。在此過程中，為更準(zhǔn)確地獲取鏈路RTT，需要將發(fā)送端發(fā)送對(duì)應(yīng)ACK前所消耗的響應(yīng)時(shí)間納入考慮。圖3給出了考慮發(fā)送端響應(yīng)時(shí)間的RTT主動(dòng)探測(cè)過程。圖中T1表示發(fā)送端發(fā)送探測(cè)包的時(shí)刻；T2表示接收端接收探測(cè)包的時(shí)刻；T3表示發(fā)送端接收到探測(cè)包及ACK到發(fā)送對(duì)應(yīng)的ACK前所消耗的時(shí)間段，即發(fā)送端的響應(yīng)時(shí)間；T4表示發(fā)送端發(fā)送該探測(cè)包的ACK的時(shí)刻。

圖3 考慮發(fā)送端響應(yīng)時(shí)間的RTT主動(dòng)探測(cè)

一個(gè)有效考慮發(fā)送端響應(yīng)時(shí)間的RTT(i) 主動(dòng)探測(cè)過程由一個(gè)4元組組成，RTT(i)={P，I，R，T3}，其中：

(1)P是一個(gè)探測(cè)包的有限序列的集合，p(i) 是P中的第i個(gè)探測(cè)包。

(2)I是單調(diào)增函數(shù)，定義為：I∶P→S。S為發(fā)送端發(fā)送探測(cè)包的時(shí)間，I決定發(fā)送探測(cè)包到潛在的接收端的時(shí)間序列。

(3)R為所有響應(yīng)包的時(shí)間戳函數(shù)，定義為：R∶P→T。T為發(fā)送端接收探測(cè)包和ACK后向接收端響應(yīng)ACK的時(shí)間，R決定了發(fā)送端接收探測(cè)包和ACK后向接收端響應(yīng)ACK時(shí)的帶有時(shí)間戳的探測(cè)包時(shí)間序列[12]。

(4)T3(i)表示發(fā)送端接收到探測(cè)包i及ACK到發(fā)送對(duì)應(yīng)的ACK前所消耗的時(shí)間段。

考慮發(fā)送端響應(yīng)時(shí)間的RTT(i) 的計(jì)算方法如式(4)所示

RTT(i)=R(p(i))-I(p(i))-T3(p(i))

(4)

3.2 RTT平滑化(RTT_Smoothing)

為避免因丟包導(dǎo)致探測(cè)值產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，保障RTT的平滑性，本文采用二次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型對(duì)RTT_Probing模塊獲取的RTT探測(cè)值進(jìn)行平滑處理。RTT平滑處理模塊RTT_Smoothing主要由一次指數(shù)平滑處理和二次指數(shù)平滑處理兩個(gè)階段組成。

(1)一次指數(shù)平滑處理(RTT_Smoothing_FP)

為消除RTT探測(cè)值的短期上升或下降波動(dòng)，首先對(duì)呈線性變化趨勢(shì)的RTT時(shí)間序列進(jìn)行一次指數(shù)平滑處理。定義RTT_Probing模塊探測(cè)所得到的樣本值為時(shí)間序列觀測(cè)值，假設(shè)時(shí)間序列為x1,x2,…,xn(n為時(shí)間序列長(zhǎng)度)，區(qū)間[1,n]為時(shí)間序列的觀測(cè)期，當(dāng)時(shí)間序列的觀測(cè)期n>n0時(shí) (n0=15，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)觀測(cè)期大于15時(shí)，誤差較小且趨于穩(wěn)定，探測(cè)精度更高)，初始值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響很小，此時(shí)選取第一次觀測(cè)值作為初始值，之后，根據(jù)鏈路RTT的進(jìn)一步探測(cè)結(jié)果，選取BaseRTT作為平滑往返時(shí)延的初始值，BaseRTT的計(jì)算方法如式(5)所示

BaseRTT=min{RTT(i),T0}

(5)

式中：RTT(i) 由式(4)計(jì)算所得，T0為路由器緩存為空時(shí)的往返時(shí)延，也是所有觀測(cè)往返時(shí)延的最小值。

(6)

(2)二次指數(shù)平滑處理(RTT_Smoothing_SP)

(7)

之后，計(jì)算第t+T時(shí)刻的RTT預(yù)測(cè)值

(8)

式中：α為平滑系數(shù)，T為t時(shí)刻到預(yù)測(cè)時(shí)刻的間隔時(shí)刻數(shù)。RTTpret+T預(yù)測(cè)結(jié)果由RTTpre表示。具體算法描述如算法1所示。

算法1： RTT_Smoothing

輸出： 第t時(shí)刻的RTT二次平滑值

(1) for 任一MPTCP連接的子流ido

(2) if 子流i收到ACK then

(3) 獲取RTT_Probing模塊RTT探測(cè)值；

(4) RTT探測(cè)值進(jìn)行一次指數(shù)平滑處理；

(5) RTT探測(cè)值進(jìn)行二次指數(shù)平滑處理；

(6) 更新RTT序列；

(7) end if

(8) returnRTTpre；

(9) end for

其中，行(3)～行(5)完成對(duì)獲取的RTT的探測(cè)值進(jìn)行平滑化處理；行(6)、行(7)負(fù)責(zé)對(duì)處理后的RTT觀測(cè)區(qū)間值進(jìn)行更新存儲(chǔ)；行(8)負(fù)責(zé)將計(jì)算完成后的最終平滑處理結(jié)果RTTpre傳遞給QRTT_Probing模塊，用于排隊(duì)時(shí)延的主動(dòng)探測(cè)。

3.3 排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)(QRTT_Probing)

在實(shí)時(shí)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)反饋時(shí)延的情況不可避免，傳統(tǒng)MPTCP“加性增、乘性減”算法在執(zhí)行一段時(shí)間后，各子流上的排隊(duì)時(shí)延將存在巨大差異，導(dǎo)致周期性的振蕩。為削弱反饋時(shí)延，弱化由此引起的振蕩，本文提出采用排隊(duì)時(shí)延的平滑預(yù)測(cè)值而不是實(shí)測(cè)值來驅(qū)動(dòng)擁塞控制算法。考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包的發(fā)送、詢問、響應(yīng)等一系列動(dòng)作都與鏈路排隊(duì)時(shí)延相關(guān)，而排隊(duì)時(shí)延均值相較于最大排隊(duì)時(shí)延及最小排隊(duì)時(shí)延具有相對(duì)穩(wěn)定，可更好反映網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢(shì)，故在排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)模塊QRTT_Probing中將包含鏈路排隊(duì)時(shí)延探測(cè)值計(jì)算、RTT均值計(jì)算以及排隊(duì)時(shí)延均值計(jì)算等3個(gè)部分。

(1)排隊(duì)時(shí)延探測(cè)值計(jì)算

鏈路i的排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)值QueuingDelaypre計(jì)算方法如式(9)所示

(9)

式中：B表示當(dāng)前占用緩沖區(qū)的大小為D的數(shù)據(jù)包數(shù)量，RTTpre為經(jīng)RTT_Smoothing平滑處理后的反饋值。wr表示擁塞窗口大小。

(2)RTT均值計(jì)算

(10)

式中：m_sumRTT表示鏈路i從傳輸開始到傳輸結(jié)束的RTT總和，m_cntRTT表示在傳輸過程中RTT的增量。

(3)排隊(duì)時(shí)延均值計(jì)算

(11)

算法2： QRTT_Probing

輸入： B，S，wr，RTTpre

(1) for 任一MPTCP連接的子流ido

(2) if 子流i收到ACK then

(3) 計(jì)算QueuingDelaypre；

(4) 計(jì)算RTT均值；

(5) 由RTT均值計(jì)算排隊(duì)時(shí)延均值；

(6) end if

(7) returnQueuingDelaypre；

(9) end for

3.4 擁塞窗口自適應(yīng)調(diào)整(Cwnd_Adjusting)

MPTCP擁塞控制通常采用“加性增、乘性減”的策略對(duì)擁塞窗口wr進(jìn)行調(diào)整，采用各個(gè)子流獨(dú)立進(jìn)行擁塞控制的原則，依照各個(gè)子流傳輸情況，當(dāng)收到接收端響應(yīng)的新的ACK消息，其對(duì)應(yīng)子流的wr將呈線性增加，當(dāng)收到3個(gè)重復(fù)的ACK消息后，觸發(fā)擁塞控制算法，調(diào)整子流wr按比例減少。這種策略聚合每條子流的可用帶寬，當(dāng)MPTCP多路徑流與TCP單路徑流同時(shí)使用某網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，MPTCP流占用的容量應(yīng)不多于TCP流所占用的容量，以保證MPTCP的公平性要求。但各子流的時(shí)延由于wr的調(diào)整會(huì)出現(xiàn)巨大差異，導(dǎo)致周期性的振蕩發(fā)生，令有效吞吐量急劇下降。

為了削弱因?yàn)闀r(shí)延差異所引起的鏈路震蕩，提升MPTCP的有效吞吐量，本文提出一種基于排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)的擁塞控制策略，在每條鏈路上使用一個(gè)擁塞窗口強(qiáng)度增長(zhǎng)控制因子δ(δ取經(jīng)驗(yàn)值0.9)，并根據(jù)鏈路擁塞程度實(shí)施擁塞窗口的自適應(yīng)調(diào)整。

若排隊(duì)時(shí)延探測(cè)值大于排隊(duì)時(shí)延均值，即使發(fā)送端沒有收到3次重復(fù)的ACK，也會(huì)實(shí)施相應(yīng)的擁塞窗口減小策略。若排隊(duì)時(shí)延的探測(cè)值小于排隊(duì)時(shí)延均值，實(shí)施擁塞窗口自適應(yīng)調(diào)整策略，動(dòng)態(tài)增加擁塞窗口。具體方法如下：

(12)

(13)

其中，wr表示擁塞窗口大小，wr+1表示下一時(shí)刻的擁塞窗口值，1/wr用來控制擁塞窗口增長(zhǎng)的上限，確保與TCP流之間的公平性，wtotal表示所有子流實(shí)時(shí)擁塞窗口之和，α表示控制MPTCP流對(duì)TCP流侵略性的常量因子，定義如下

(14)

算法具體描述如算法3所示。

算法3： Cwnd_Adjusting

初始化：BaseRTT

輸出： 完成擁塞窗口的自適應(yīng)調(diào)整

(1) for 任一MPTCP連接的子流ido

(2) if 子流i收到ACK then

(3) //對(duì)比預(yù)測(cè)排隊(duì)時(shí)延及其均值

(5) //則判斷鏈路無擁塞，增加擁塞窗口：

(7) }else

(8) {//則判斷鏈路擁塞，減小擁塞窗口：

(10) }end if

(11) end if

(12) end for

其中，行(2)、行(3)負(fù)責(zé)子流i收到ACK后的預(yù)測(cè)排隊(duì)時(shí)延及其均值的對(duì)比；行(4)～行(7)根據(jù)排隊(duì)時(shí)延預(yù)測(cè)值及其均值的對(duì)比判斷結(jié)果實(shí)施擁塞窗口的增加策略；行(8)～行(10)負(fù)責(zé)實(shí)施擁塞窗口的減小策略。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @ 3.6 GHz，搭載8 GB內(nèi)存，操作系統(tǒng)使用Ubuntu16.04，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用NS-3，實(shí)驗(yàn)拓?fù)浼皡?shù)設(shè)定如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)拓?fù)浼皡?shù)

實(shí)驗(yàn)拓?fù)浒p接口的手機(jī)終端，采用Wi-Fi和LTE雙路徑進(jìn)行并行傳輸，其中：路徑1上的平均帶寬設(shè)置為15 mbps，2 ms的傳播時(shí)延，路徑2上的平均帶寬設(shè)置為10 mbps，1 ms的傳播時(shí)延。仿真中有線鏈路的帶寬設(shè)置為2.4 Gbps，時(shí)延設(shè)置為10 ms，分組大小固定為1000 Byte。實(shí)驗(yàn)以FTP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸為例，仿真覆蓋慢啟動(dòng)、擁塞避免及快重傳階段，以1 s為單位實(shí)施擁塞窗口及時(shí)延統(tǒng)計(jì)。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 鏈路狀態(tài)評(píng)估

在無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)延是一項(xiàng)重要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量性能指標(biāo)。對(duì)連續(xù)的實(shí)時(shí)應(yīng)用而言，時(shí)延方差大小可以作為鏈路狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)，時(shí)延方差越小鏈路狀態(tài)越好。本文選取LIA和Uncoupled作為比較對(duì)象，對(duì)多路徑鏈接下的時(shí)延方差進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。其中，PPQD算法的時(shí)延方差為7 896 490.816；LIA算法的時(shí)延方差為7 903 261.904；Uncoupled算法的時(shí)延方差為7 900 358.802。相較于LIA和Uncoupled算法，由于RTT的提前探測(cè)和平滑化處理，PPQD算法可更好地減弱RTT振蕩，抑制RTT波動(dòng)。

圖5 RTT方差對(duì)比

4.2.2 公平性評(píng)估

圖6給出了網(wǎng)絡(luò)共享瓶頸場(chǎng)景的相關(guān)設(shè)置。其中，S1、S2代表數(shù)據(jù)發(fā)送端，F(xiàn)1、F2代表多路徑兩條子流；單路徑流TCP和兩條子流共享一條瓶頸路徑；瓶頸路徑帶寬B設(shè)置為15 Mbps；時(shí)延D設(shè)置為2 ms；丟包率P設(shè)置為0.1%。3條路徑同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 共享瓶頸場(chǎng)景

圖7給出了共享瓶頸處TCP流及兩條PPQD子流PPQD-F1和PPQD-F2的吞吐量數(shù)據(jù)。其中，TCP單路徑流平均吞吐量為7.52 Mbit/s，PPQD-F1和PPQD-F2多路徑流的平均吞吐量為7.49 Mbit/s。MPTCP各子流的平均吞吐量與TCP單路徑流的平均吞吐量接近，相差甚微。

圖7 共享瓶頸處TCP流和PPQD子流吞吐量

此外，本文還分別統(tǒng)計(jì)了PPQD、LIA和Uncoupled這3種算法的多路徑連接吞吐量數(shù)據(jù)，如圖8所示。其中，PPQD算法所獲得的平均吞吐量為6.58 Mbps，LIA算法所獲得的平均吞吐量為5.17 Mbps，PPQD算法的平均吞吐量性能優(yōu)于LIA算法。與此同時(shí)，Uncoupled算法平均吞吐量為10.63 Mbps，占用了約70.8%的帶寬容量，相較于LIA算法和PPQD算法，該算法在共享瓶頸處表現(xiàn)出了較強(qiáng)的侵略性。

圖8 實(shí)時(shí)吞吐量

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估

(1)丟包后吞吐量變化

在表1中給出了PPQD、LIA和Uncoupled在發(fā)生鏈路丟包前后的實(shí)時(shí)吞吐量數(shù)據(jù)。其中，在[14 s,16 s]區(qū)間內(nèi)，PPQD算法的實(shí)時(shí)吞吐量從6.4 Mbps增加至6.82 Mbps，增量為6.56%，LIA算法的實(shí)時(shí)吞吐量從4.9 Mbps變化為5.01 Mbps，增量為0.11%，Uncoupled算法的實(shí)時(shí)吞吐量從11 Mbps變化為11.32 Mbps，增量為2.9%；之后的兩次丟包，PPQD算法的實(shí)時(shí)吞吐量增量分別為26.1%和17.4%，LIA算法的實(shí)時(shí)吞吐量增量分別為6.94%和4.07%，Uncoupled算法的實(shí)時(shí)吞吐量增量分別為6.18%和9.22%。相較于LIA算法和Uncoupled算法，PPQD算法表現(xiàn)出了更好的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)應(yīng)對(duì)及性能恢復(fù)能力。

表1 鏈路丟包后實(shí)時(shí)吞吐量增量

(2)擁塞窗口變化

擁塞窗口在MPTCP建立新的連接和慢啟動(dòng)階段的原理請(qǐng)參見文獻(xiàn)[13]，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞進(jìn)入擁塞避免階段后，擁塞窗口會(huì)迅速減小，當(dāng)數(shù)據(jù)包超時(shí)時(shí)，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)，擁塞窗口會(huì)慢慢恢復(fù)。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，PPQD算法的實(shí)時(shí)擁塞窗口整體大于LIA算法和Uncoupled算法。如圖9所示，在12.6153 s，15.7773 s和24.9913 s時(shí)鏈路發(fā)生丟包現(xiàn)象，各算法的擁塞窗口及吞吐量均有所下降。在12.6153 s到15.7773 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，PPQD算法的擁塞窗口從72 285 bit上升至85 615 bit，增量為13 330 bit；Uncoupled算法的擁塞窗口從67 519 bit上升到74 659 bit，增量為7140 bit；LIA算法的擁塞窗口從62 753 bit上升至65 182 bit，增量?jī)H為249 bit。第2次丟包發(fā)生后，PPQD算法的擁塞窗口增量為24 146 bit；Uncoupled算法擁塞窗口增量為14 121 bit；LIA算法擁塞窗口增量?jī)H為5049 bit；第3次丟包發(fā)生后，PPQD算法的擁塞窗口增量為17 253 bit；Uncoupled算法的增量為10 306 bit；LIA算法的增量?jī)H為3360 bit?？傮w而言，PPQD算法表現(xiàn)出了較Uncoupled算法和LIA算法更強(qiáng)的擁塞窗口調(diào)節(jié)能力。

圖9 擁塞窗口變化

5 結(jié)束語

本文針對(duì)多路傳輸中因網(wǎng)絡(luò)擁塞所引發(fā)的排隊(duì)延遲導(dǎo)致的分組延遲抖動(dòng)及公平性問題，提出一種基于排隊(duì)時(shí)延主動(dòng)探測(cè)的擁塞區(qū)分鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)化協(xié)議PPQD，以滿足多路徑流公平性為基礎(chǔ)，實(shí)施鏈路RTT主動(dòng)探測(cè)，以排隊(duì)時(shí)延預(yù)測(cè)結(jié)果及其均值比較為依據(jù)提前探知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并相應(yīng)實(shí)施擁塞窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整，以解決鏈路抖動(dòng)問題。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PPQD相較于LIA和Uncoupled能夠更好地實(shí)現(xiàn)TCP單路徑流和多路徑流在共享瓶頸處可用帶寬的公平分配，減少時(shí)延抖動(dòng)，提升吞吐量。