夏雨峰，占 敖，吳呈瑜，王 卉

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院， 杭州 浙江 310018)

0 引言

媒體服務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)(例如，視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)直播、在線游戲等)給單一鏈路傳輸方式帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)[1]，標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議在傳輸過(guò)程中只允許單一鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)法滿足大帶寬傳輸要求。隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善和移動(dòng)設(shè)備的進(jìn)步，移動(dòng)端設(shè)備配備多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的多模終端可以隨時(shí)隨地接入無(wú)線局域網(wǎng)(802.11)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)(LTE)、WiFi等網(wǎng)絡(luò)，從而使得移動(dòng)終端同時(shí)接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為可能?，F(xiàn)有的蘋(píng)果的IOS[2]和三星的Galaxy[3]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多路網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)接入。多互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)也提出了MPTCP[4]和基于流控制傳輸協(xié)議(Stream Control Transmission Protocol,SCTP)[5]，與SCTP相比，MPTCP是基于TCP的多路復(fù)用協(xié)議， MPTCP將TCP/IP協(xié)議模型中的傳輸層擴(kuò)展為支持多路徑傳輸?shù)腗PTCP 傳輸層，將傳統(tǒng)的TCP鏈路拓展為多個(gè)TCP子流并行鏈路，數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)度算法在不同的子流上傳輸，并且與傳統(tǒng)的TCP協(xié)議后向兼容而易于實(shí)現(xiàn)[6]。

MPTCP中的擁塞控制一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),Uncoupled TCP算法使用TCP經(jīng)典的擁塞控制算法Reno，是簡(jiǎn)單的MPTCP擁塞控制算法[7],子流擁有獨(dú)立的擁塞控制過(guò)程，子流間存在較大的侵略性。為更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，文獻(xiàn)[8]提出基于瓶頸公平性的擁塞控制 (Shared Bottleneck Congestion Control,SB-CC)算法，根據(jù)顯式擁塞通知(Explicit Congestion Notification,ECN)機(jī)制將不同子流劃分到不同瓶頸集合，在瓶頸集合內(nèi)部實(shí)現(xiàn)基于子流的耦合擁塞控制，彈性地調(diào)整擁塞窗口的增大和減小。文獻(xiàn)[9]改進(jìn)的D-OLIA(Distinguish packet loss-OLIA)算法，根據(jù)時(shí)延抖動(dòng)和擁塞抖動(dòng)判斷丟包類(lèi)型，滿足公平性并提升鏈路的吞吐量。文獻(xiàn)[10-13]是Westwood算法以及改進(jìn)的帶寬估計(jì)算法，存在帶寬估計(jì)波動(dòng)較大、估計(jì)值為樣本的算數(shù)帶寬以及過(guò)高估計(jì)等問(wèn)題。為解決MPTCP協(xié)議建立多路徑子流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，子流在瓶頸處存在的公平性問(wèn)題、擁塞控制算法中帶寬估計(jì)值的抖動(dòng)性以及與實(shí)際鏈路帶寬值偏差較大的問(wèn)題，本文提出一種基于MPTCP耦合的自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法(ABEC-MPTCP)，在滿足子流瓶頸處公平性的前提下，進(jìn)一步提高帶寬估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而使鏈路獲得更高的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

圖1為多路徑傳輸協(xié)議的系統(tǒng)模型，發(fā)送端和接收端都采用MPTCP，支持多路徑并行傳輸。多路徑傳輸中各個(gè)子流的連接采用標(biāo)準(zhǔn)TCP會(huì)話來(lái)提供底層傳輸，將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層分解成MPTCP和TCP兩部分。為了區(qū)別于總體多路徑傳輸協(xié)議，分層的TCP子流作為MPTCP擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了路徑管理、數(shù)據(jù)調(diào)度、子流接口和擁塞控制等功能。TCP子流與傳統(tǒng)的TCP一樣提供可靠的連接與數(shù)據(jù)傳輸，MPTCP源地址與目的地址建立類(lèi)似于常規(guī)的TCP連接，在報(bào)文中添加了支持MPTCP協(xié)議(MP_CAPABLE)、添加子流(MP_JOIN)、數(shù)據(jù)序列號(hào)映射等選項(xiàng)。在建立子流連接時(shí)攜帶MP_CAPABLE包用來(lái)確認(rèn)雙方是否支持MPTCP傳輸,在添加子流時(shí)傳輸攜帶MP_JOIN數(shù)據(jù)包增加新的子流。子類(lèi)型添加數(shù)據(jù)序列映射，通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)度將映射數(shù)據(jù)序列分配到子流發(fā)送的緩沖區(qū)，根據(jù)接收端的反饋信息(RTT(Round-Trip Time)、鏈路丟包率等)對(duì)各個(gè)子流擁塞狀況進(jìn)行控制。接收端將多路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包根據(jù)雙序列號(hào)(即子流序列號(hào)和數(shù)據(jù)序列號(hào))進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合重組。另外，根據(jù)MPTCP擁塞控制的標(biāo)準(zhǔn)提出多路徑傳輸中擁塞控制的3個(gè)目標(biāo)[14]：

① 高性能原則：多路徑傳輸流的吞吐量至少要比單路徑傳輸最優(yōu)時(shí)的吞吐量大；

② 公平性原則：多路徑子流不應(yīng)與其他路徑共享資源中占用比單路徑時(shí)更多的容量；

③ 負(fù)載均衡原則：在滿足前兩個(gè)目標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能地將流量移出最擁擠的路徑。

目前大多數(shù)MPTCP擁塞控制算法中每個(gè)子流的擁塞控制都是相互獨(dú)立的，當(dāng)子流i處于擁塞避免階段接收到一個(gè)ACK應(yīng)答包時(shí)，擁塞窗口的增量為：

Δw=1/wi。

(1)

圖1 MPTCP系統(tǒng)模型Fig.1 MPTCP system model

當(dāng)MPTCP的n個(gè)子流于TCP連接共享瓶頸鏈路時(shí)，MPTCP連接的攻擊性將是TCP連接的n倍，此時(shí)并不能滿足MPTCP擁塞控制中公平性的要求。當(dāng)子流i上出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，表示當(dāng)前鏈路發(fā)生擁塞，擁塞窗口減少為：

Δw=wi/2。

(2)

鏈路發(fā)生丟包時(shí)如果擁塞窗口盲目減半，會(huì)犧牲網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率或過(guò)早地使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞狀態(tài)，甚至可能導(dǎo)致鏈路的性能差于單路徑傳輸?shù)男阅堋６鴤鹘y(tǒng)的Westwood擁塞控制算法的帶寬估計(jì)計(jì)算公式為：

(3)

式中，α取值為19/21，Bw[k]為帶寬估計(jì)值，Bw[k-1]為上一時(shí)刻的帶寬估計(jì)值，acked為接收的數(shù)據(jù)量。采用固定極點(diǎn)的濾波器來(lái)處理帶寬樣本，不能提供一個(gè)有偏估計(jì)值，樣本的算數(shù)帶寬不等于平均帶寬。為滿足MPTCP擁塞設(shè)計(jì)高性能的要求，擁塞窗口的更新機(jī)制需要進(jìn)行改進(jìn)。為滿足公平性和高性能的要求，本文提出耦合的自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法。

2 ABEC-MPTCP設(shè)計(jì)方案

2.1 子流耦合

在設(shè)計(jì)擁塞控制方案時(shí)首先要考慮MPTCP子流的侵略性，盡可能保證在瓶頸處的公平性[15]。當(dāng)鏈路處于擁塞避免狀態(tài)，非耦合鏈路的子流擁塞窗口的增量為1/wi。耦合算法設(shè)wi為子流i上的擁塞窗口，segmenti為子流i上收到字節(jié)數(shù)，MSSi為最大報(bào)文段長(zhǎng)度，wtot為鏈路連接中所有子流擁塞窗口之和，則耦合鏈路的子流擁塞窗口增量為：

(4)

式中，α是用來(lái)控制MPTCP子流對(duì)TCP流侵略性的常量因子，定義為：

(5)

2.2 算法設(shè)計(jì)

Westwood是修改發(fā)送端擁塞窗口的算法[16-17]，通過(guò)檢測(cè)接收端返回的ACK速率，單位時(shí)間接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度乘積與時(shí)間間隔相除的值，經(jīng)過(guò)低通濾波器平滑樣本序列獲得更加精確的結(jié)果，作為對(duì)該鏈路的帶寬估計(jì)值。該算法主要是用于鏈路發(fā)生擁塞或者丟包后利用估計(jì)的帶寬值Bw設(shè)置慢啟動(dòng)閾值Ssthresh和擁塞窗口Cwnd，避免在擁塞或丟包發(fā)生時(shí)盲目的減半發(fā)送速率。本文算法是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法Westeood基礎(chǔ)上，對(duì)帶寬估計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，采用耦合子流帶寬的自適應(yīng)估計(jì)。

算法的流程如圖2所示，收到ACK數(shù)據(jù)包后鏈路建立連接，當(dāng)Ssthresh≥Cwnd時(shí)，則擁塞控制方案進(jìn)入慢啟動(dòng)階段；當(dāng)Ssthresh

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart

時(shí)間間隔的自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法采用大于一個(gè)往返時(shí)間的T時(shí)間間隔，消除鏈路往返時(shí)間差異帶來(lái)的鏈路抖動(dòng)。算法模型如圖3所示，設(shè)在T時(shí)間間隔內(nèi)收到n個(gè)數(shù)據(jù)包(L1,L2,…,L3)，則T時(shí)刻內(nèi)的平均帶寬表示為：

(6)

圖3 算法基礎(chǔ)模型Fig.3 Basic model of algorithm

為避免一個(gè)往返時(shí)間間隔接近于0時(shí)對(duì)帶寬估計(jì)偏差較大的影響，采用大于一個(gè)往返時(shí)間的間隔來(lái)估計(jì)平均發(fā)送時(shí)間，帶寬估計(jì)算法的偽代碼如算法1所示。

算法1 耦合的自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法

Input:Socket,Acked,n,subflow[n],U[n],rtt,β

Output:bandwidth,Ssthresh,Cwnd

1:Sk=Socket.getStatus()

2:Uk=βUk+(1-β)|Sk-Sk-1|

5:FunctionEstimateBW(rtt,Socket,α)

6:interval=rtt.getSecond()

7:packet=Socket.getLength()

8:Sk=α·Sk-1+(1-α)·packet

9:Tk=α·Tk-1+(1-α)·interval

11:FunctionSlowStart(Socket,NumAcked)

14:cwnd=Socket.getCwnd()

15:cwnd=cwnd+δ·NumAcked·cwndtot

16: returnNumAcked- 1

17:elsereturn 0

18:end if

19:FunctionCongestionAvoidance(Socket,Acked,subflow,δ)

20:i= 0,sum= 0

21:whilei

22:sum=sum+subflowi

25:cwnd=Socket.getCwnd+adder

26: returncwnd

27:FunctionIncreaseWindow(Socket,Acked,subflow,δ)

28:ssthresh=max(EstimateBW(rtt,Socket,α),2·Acked)

29:cwnd=Socket.getCwnd

30:ifcwnd≤ssthreshthen

31:Acked=SlowStart(Socket,Acked)

32:end if

33:ifcwnd>ssthreshthen

34:Acked=CongestionAvoidanceSocket(Socket,Acked,subflow,δ)

35: end if

其中，Acked是以字節(jié)為單位的段大小，interval是當(dāng)前時(shí)間，Tk-1是上一次數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間，k和k-1表示當(dāng)前值和先前值。Sk和Tk分別是平均分組長(zhǎng)度和平均時(shí)間間隔，同時(shí)也是濾波器的兩個(gè)濾波量。α(0<α<1)是低通濾波器的極點(diǎn)(濾波器增益)，α的取值對(duì)算法帶寬估計(jì)有很重要的影響，當(dāng)α設(shè)置一個(gè)較大或者較小的定值時(shí)，帶寬估計(jì)值隨網(wǎng)路鏈路狀態(tài)波動(dòng)而變化。在此α值的設(shè)置根據(jù)當(dāng)前鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)U決定，α的表達(dá)式為：

(7)

式中，τk為過(guò)濾器參數(shù)決定濾波器的增益，隨著時(shí)間的變化而變化。子流鏈路正常工作時(shí)，τk的取值最小為一個(gè)RTT，并且根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及時(shí)間間隔內(nèi)的往返個(gè)數(shù)N決定，即：

(8)

式中，Uk是當(dāng)前鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)：

Uk=βUk+(1-β)|sk-sk-1|。

(9)

由上述算法得出帶寬估計(jì)值Bw，將此值作為鏈路發(fā)生丟包或超時(shí)后的慢啟動(dòng)閾值。

2.3 算法的復(fù)雜度及性能分析

相對(duì)于原始算法，增益的大小是由多路徑的n條鏈路狀態(tài)決定的，其計(jì)算的復(fù)雜度為O(n)，而對(duì)于鏈路帶寬大小估計(jì)的復(fù)雜度也為O(n)，總體而言，提出算法的復(fù)雜度為O(n)+O(n)=O(n)，即線性復(fù)雜度?；谏鲜龅乃惴ㄋ枷?，子流鏈路耦合性的增加，必然會(huì)對(duì)傳輸性能較優(yōu)的鏈路產(chǎn)生影響，降低該鏈路的最大帶寬利用率。但從整體來(lái)看，提升了整個(gè)系統(tǒng)的帶寬利用率。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文基于主流的網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-3.29平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[18-19]，對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證和性能評(píng)估，主要比較本文算法以及Westwood的兩種帶寬估計(jì)算法在帶寬估計(jì)值和鏈路吞吐量上的兩個(gè)性能指標(biāo)。

3.1 仿真場(chǎng)景配置

仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩條無(wú)線鏈路組成，接收端和發(fā)送端都支持多路徑傳輸協(xié)議。路徑帶寬值設(shè)置為5 Mbit/s，往返延時(shí)設(shè)置為20 ms,鏈路的隨機(jī)錯(cuò)誤率為3%。忽略仿真初始階段建立鏈路連接前1 s的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為測(cè)試吞吐量的性能指標(biāo)，隊(duì)列選擇發(fā)送2 500個(gè)數(shù)據(jù)包，其他仿真參數(shù)采用默認(rèn)值。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4和圖5給出了ABEC-MPTCP、Westwood以及Tustin三種算法的鏈路帶寬估計(jì)值以及傳輸?shù)钠骄掏铝俊?/p>

圖4 鏈路帶寬估計(jì)值Fig.4 Link bandwidth estimate

圖4為3種帶寬估計(jì)算法對(duì)實(shí)時(shí)鏈路帶寬的估計(jì)值。其中，Westwood算法是傳統(tǒng)固定極點(diǎn)濾波器的帶寬估計(jì)算法，Tustin表示為雙線性濾波帶寬估計(jì)算法。如圖4所示，Westwood算法的帶寬估計(jì)值在20 000 bit/s左右振蕩，這是鏈路振蕩的影響，不穩(wěn)定的帶寬值會(huì)影響鏈路的吞吐量；Tustin算法的帶寬估計(jì)值雖然處于一個(gè)較為穩(wěn)定的范圍，但相比于Westwood算法的估計(jì)值，該算法的帶寬估計(jì)較低，不能充分利用鏈路的帶寬資源，導(dǎo)致?lián)砣刂七^(guò)早地進(jìn)入擁塞避免階段，從而使得鏈路的吞吐量降低；ABEC-MPTCP算法的帶寬估計(jì)值保持在32 000 bit/s左右，雖然存在部分點(diǎn)的過(guò)高估計(jì)，但相比于Westwood算法和Tustin算法，帶寬估計(jì)值平均提高40%以上，而帶寬估計(jì)值的帶寬平均值也相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 鏈路吞吐量Fig.5 Link throughput

圖5為鏈路吞吐量的仿真結(jié)果，圖中Tustin算法的吞吐量在2～3 s發(fā)生驟降，根據(jù)圖4可知，Tustin算法的帶寬估計(jì)值在2～3 s時(shí)也出現(xiàn)過(guò)低的帶寬估計(jì)，使其過(guò)早地進(jìn)入擁塞避免階段，導(dǎo)致吞吐量的突然降低。Westwood算法的吞吐量與Tustin算法的吞吐量相差較小，根據(jù)帶寬估計(jì)狀況可知，帶寬估計(jì)值振蕩也會(huì)降低實(shí)際鏈路的吞吐量。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用耦合自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法時(shí)，與其他兩種算法相比，ABEC-MPTCP算法的吞吐量明顯更高，增長(zhǎng)幅度在40%以上，但該算法開(kāi)始階段過(guò)高的帶寬估計(jì)，使得鏈路的吞吐量在開(kāi)始階段也出現(xiàn)了突然的降低。

綜上所述，在本文的MPTCP仿真場(chǎng)景下，ABEC-MPTCP算法的吞吐量?jī)?yōu)于Westwood的擁塞控制算法，表明ABEC-MPTCP算法的估計(jì)值是更加接近鏈路的真實(shí)值，并且可知經(jīng)過(guò)濾波器處理后的帶寬估計(jì)值相對(duì)更加平穩(wěn)。

4 結(jié)論

在保證系統(tǒng)公平性和負(fù)載均衡的前提下，本文提出基于MPTCP耦合的自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法，首先在慢啟動(dòng)階段保證子流鏈路瓶頸處的公平性，再在基于時(shí)間間隔的估計(jì)算法中加入自適應(yīng)帶寬估計(jì)算法，有利于改善帶寬估計(jì)的精度與穩(wěn)定性。相比已有的算法，本文算法提升40%左右的系統(tǒng)吞吐量，這是因?yàn)樽赃m應(yīng)的帶寬估計(jì)算法對(duì)鏈路的實(shí)時(shí)帶寬估計(jì)更加精確，時(shí)間間隔內(nèi)的平均估計(jì)值相對(duì)穩(wěn)定，更充分地利用了網(wǎng)絡(luò)資源。未來(lái)的工作，將進(jìn)一步提高帶寬估計(jì)的精確度以及估計(jì)值的穩(wěn)定性。