多路徑并行傳輸中傳輸路徑選擇策略

1、多路徑并行傳輸中傳輸路徑選擇策略劉杰民*白雪松王興偉秦皇島 066004)沈陽 110004)(東北大學秦皇島分校電子信息系(東北大學信息科學與工程學院摘 要：該文首先在實驗分析的基礎上，發(fā)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)端到端傳輸層多路徑并行傳輸(cmt)中，當端到端關聯(lián)中路徑間的特性參數(shù)如丟包率和延遲存在較大差異時，部分路徑并行傳輸?shù)耐掏铝績?yōu)于全部并行傳輸?shù)耐掏铝?，從?論證了多路徑并行傳輸情況下傳輸路徑選擇的必要性及對傳輸性能的影響。其次，建立了路徑吞吐量與不同丟包率 和延遲的擬合關系，并以路徑吞吐量為路徑權值，提出了一種基于路徑權值的傳輸路徑選擇策略cmt-pw(path weight)，給出了該策略的算法

2、實現(xiàn)和相應的偽代碼實現(xiàn)。仿真實驗表明，cmt-pw策略優(yōu)于傳統(tǒng)cmt策略。 關鍵詞：多路徑并行傳輸；傳輸路徑選擇；路徑權值；吞吐量中圖分類號：tp393.4doi: 10.3724/sp.j.1146.2011.01221文獻標識碼： a文章編號：1009-5896(2012)06-1521-04the strategy for transmission path selectionin concurrent multipath transferliu jie-minbai xue-songwang xing-wei(department of electronic information,

3、northeastern university at qinhuangdao, qinhuangdao 066004, china)(college of information science and engineering, northeastern university, shenyang 110004, china)abstract: based on experimental analysis, this paper firstly find that the throughput of concurrent partial pathtransfer is better than t

4、hat of concurrent all path transfer when there are more difference of path characteristic parameters among paths in concurrent multipath transfer (cmt) of internet end-to-end transport layer, so, the necessity and influence of transmission path selection in concurrent multipath transfer environment

5、are discussed. then, fitting relations to path throughput with a variety of loss rate and delay are establish. as path throughput to path welght, a transmission path selection strategy based on path weight (i.e., cmt-pw) is proposed, the realization of algorithm and pseudocode is given. the simulati

6、on reveals that cmt-pw policy outperforms than traditional cmt policy.key words: concurrent multipath transfer (cmt); transmission path selection; path weight; throughput引言隨著互聯(lián) 網(wǎng) 和相關技 術 發(fā)展，諸 如 wifi 、 wimax、cdma和 3g等接入方式種類亦不斷增多。 目前筆記本電腦和智能手機等移動終端設備大多具 有了兩種或更多的接入方式。同時，伴隨大規(guī)模實 時多媒體業(yè)務的不斷增加，用戶期望互聯(lián)網(wǎng)服務提 供商(

7、isp)能夠提供更高的帶寬。如何合理利用多種 接入方式進行數(shù)據(jù)的交互正得到廣泛關注 1-4 。在 此背景下，多路徑并行傳輸(concurrent multipath transfer, cmt)已逐漸成為業(yè)界的研究熱點 5-10 ， 并嘗試其在互聯(lián)網(wǎng)中應用層、傳輸層和鏈路層的實1現(xiàn)。目前關于多路徑并行傳輸?shù)膶崿F(xiàn)研究主要集中 在傳輸層，在傳輸層中，實現(xiàn)端到端多路徑傳輸主 要有基于傳輸控制協(xié)議(tcp)的實現(xiàn)和基于流控制 傳輸協(xié)議 (sctp) 的實 現(xiàn)。管道傳輸控制協(xié)議 (ptcp)11通過建立多個接口上的 tcp“管道”來 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路徑并行傳輸，實現(xiàn)帶寬聚合。多接口傳輸控制協(xié)議(m/tcp

8、) 通過在內(nèi)核中建立多12個接口的 tcp 連接來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路徑并行傳輸，并利用新的性，魯棒的tcp 選項管理不同接口 tcp 的連通ack 機制保證其可靠性。多路傳輸控制協(xié)議(mtcp)13的實現(xiàn)與 m/tcp 類似，但其加入了共享擁塞檢測機制。上述種種多路徑并行傳輸 均對路徑差異性考慮不足，僅僅依賴于 tcp 的滑動窗口機制，忽視了數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度算法的重要性，無 法適應路徑差異大的網(wǎng)絡環(huán)境?？煽慷嗦穫鬏攨f(xié)議(r-mtp)14通過帶寬估計調(diào)度數(shù)據(jù)分組在多個接口2011-11-25 收到，2012-03-12 改回國家自然科學基金(61070162, 71071028, 70931001)，高

9、等學校博士 學科點專項科研基金(20100042110025, 20110042110024)和中央高 ?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(n110204003)資助課題*通信作者：劉杰民 liujm1522電 子 與 信 息 學 報第 34 卷的分發(fā)比例，達到帶寬聚合的目的，但其發(fā)送速率易受帶寬 估計的影 響。多路 徑傳輸控 制協(xié)議 (mptcp)15 是最近一個活躍的關于端到端多路徑 并行傳輸?shù)囊粋€分支，但因其對 tcp 的分組格式做 了大量修改，尤其是多個選項的添加使其難以穿越 現(xiàn)有網(wǎng)絡的防火墻設備。由于 sctp 對多宿地址的 支持，很多端到端多路徑并行傳輸?shù)脑O計方案也采 用 sctp。負載共享

10、的流控制傳輸協(xié)議(ls-sctp)16 通過修改 sctp 發(fā)送機制，使得 sctp 能夠同時在 多條路徑上并行傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)負載均衡。同時多 路徑傳輸?shù)牧骺刂苽鬏攨f(xié)議(cmpsctp)l7引入了路 徑序列號和修改的 sack，完善了 ls-sctp 的設 計。但二者都皆對已有分組格式做了大量修改，后 向兼容性不強。韋斯特伍德(westwood)-部分可靠的 流控制傳輸協(xié)議(w-sctp-pr)18 通過動態(tài)估計路 徑帶寬，基于帶寬在各路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了 pr-sctp 多路徑并行傳輸，但其在與 tcp 共存時 帶寬容易被擠占。同時多路傳輸?shù)牧骺刂苽鬏攨f(xié)議 (cmt-sctp)l9在盡量不

11、改變標準 sctp 分組格式 的基礎上修改了 sctp 基于路徑的擁塞控制算法和 多種重傳算法，實現(xiàn) sctp 在多個接口的并行傳輸， 但其只是簡單在路徑間進行輪詢(round-robin)調(diào)度 發(fā)送，沒有考慮多路徑間的特性差異，而是端到端 的全部路徑均參與數(shù)據(jù)傳輸。本文從傳輸路徑的特性參數(shù)入手，提出了路徑 平均吞吐量和延遲與丟包率的擬合函數(shù)即路徑權值 的計算方法，基于此，設計了一種多路徑并行傳輸 中基于路徑權值的路徑選擇策略cmt-pw，并 通過仿真實驗分析了路徑權值計算方法的合理性及 該路徑選擇策略對提高傳輸性能的有效性。驗發(fā)現(xiàn)，如果關聯(lián)中質(zhì)量差的路徑(它們具有一定的帶寬，但延遲和丟包率較

12、大)參與數(shù)據(jù)傳輸，對關聯(lián) 整體吞吐量的提高不僅沒有任何貢獻，反而會導致 關聯(lián)整體吞吐量的下降，故參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂奖?須有所選擇。2.1 仿真模型模擬實驗使用特拉華大學的sctp協(xié)議模塊作 為ns模擬器20，這個協(xié)議模塊經(jīng)過修改已融合了多 路徑并行傳輸?shù)墓δ?，仿真拓撲如圖 1 所示，其中主機a為 4 個ip的多宿發(fā)送端，主機b為 4 個ip的多宿接收端，主機a和主機b之間的關聯(lián)由 4 條路徑組 成，分別為路徑 1、路徑 2、路徑 3 和路徑 4，各路徑的帶寬均為 10 mbps，路徑 1、路徑 2、路徑 3 的延遲和丟包率相當，其中路徑 4 的延遲為 100 ms， 丟包率為 6%。上述路徑的

13、延遲和丟包率的選取在目前實際internet合理值范圍內(nèi)(401040 ms)，各路徑共享接收緩存，這里設接收緩存為 64 kbyte，當數(shù) 據(jù)發(fā)生重傳時，多路徑并行傳輸使用 rtx_lossrate重傳策略，并使用多路徑并行傳輸?shù)幕A算法6,7(如cmt-pf算法，sfr算法，cuc算法和dlc算法)。2問題的提出多路徑并行傳輸?shù)年P聯(lián)中每一路徑均有獨立的圖 1 多路徑并行傳輸?shù)姆抡嫱負浒l(fā)送緩存，各路徑共享接收端緩存，且每一路徑均擁有獨立的路徑特征值，如帶寬、延遲、丟包率、 往返時延(rtt)、重傳超時(rto)、路徑狀態(tài)(活動 或非活動) 、及用于端到端擁塞控制的擁塞窗口 (cwnd)和慢啟

14、動閾值(ssthresh)等，其中帶寬、延遲 和丟包率是影響多路徑并行傳輸吞吐量的關鍵指 標，而在帶寬一定的情況下，路徑的延遲和丟包率 是動態(tài)變化的，故路徑的平均吞吐量必然和路徑的 延遲和丟包率相關聯(lián)。目前多路徑并行傳輸中傳輸 路徑使用策略是關聯(lián)中處于活動狀態(tài)的全部路徑均 參與數(shù)據(jù)的傳輸以提高關聯(lián)整體的吞吐量，該策略 考慮到每條路徑均有自己獨立的帶寬，全部路徑參 與數(shù)據(jù)的傳輸勢必提高關聯(lián)的整體帶寬，但忽略了 路徑延遲和丟包率對傳輸?shù)挠绊?。通過本文大量實2.2 結果分析圖 2 表明，在關聯(lián)建立后，從不同數(shù)量路徑的 并行傳輸?shù)耐掏铝靠芍? 條路徑并行傳輸時性能最差，而 3 條路徑并行傳輸時性能最

15、好，再次表明 高質(zhì)量路徑同時傳輸數(shù)據(jù)時，其吞吐量高于全部路徑(其中包括質(zhì)量差的路徑)并行傳輸?shù)耐掏铝?，?即當關聯(lián)中路徑的質(zhì)量存在較大差異時，部分路徑 的并行傳輸?shù)耐掏铝績?yōu)于全部路徑并行傳輸?shù)耐掏铝?。如何將路徑的平均吞吐量和路徑的丟包率與延 遲建立關聯(lián)，依據(jù)路徑丟包率與延遲提前預知不同 路徑的平均吞吐量，并據(jù)此進行傳輸路徑選擇，下 面給出具體的設計。第 6 期劉杰民等： 多路徑并行傳輸中傳輸路徑選擇策略1523量和一個函數(shù)。cmt-pw的算法步驟如下：步驟 1 處理接收到的確認塊，計算各個路徑 上的權值。如果路徑上的權值大于當前傳輸路徑的 最小值，則把該路徑傳輸狀態(tài)改為傳輸狀態(tài)，否則 到步驟

16、2。步驟 2 分析關聯(lián)的uipeerrwnd(接收端窗口 大小)，同時計算 10 s內(nèi)發(fā)生接收緩存阻塞的次數(shù) blocktimes。步驟 3 如果關聯(lián)傳輸在 10 s內(nèi)接收緩存阻塞 記數(shù)超過 5，即blocktimes5，則調(diào)用相關函數(shù)， 尋找關聯(lián)中正在傳輸數(shù)據(jù)的路徑集合中路徑權值最 小的路徑，并將其從傳輸路徑集合中刪除，并將路 徑接收阻塞記數(shù)置為 0(即blocktimes = 0)。步驟 4 檢驗接收緩存是否還有確認塊，沒有 則結束，有則返回步驟 1。3.3 cmt-pw的仿真實驗及結果分析cmt-pw方案的性能驗證仍使用圖 1 的仿真模 型。由圖 4(a)可知，在實驗所選定的 120 s

17、的傳輸過程中，cmt-pw比 3 條路徑同時傳輸?shù)耐掏铝看蠹s 高出 51.5%，比 4 條路徑同時傳輸?shù)耐掏铝看蠹s高出 11.5%。圖 2 不同路徑組合的并行傳輸吞吐量比較cmt-pw的設計33.1 路徑權值定義 1 路徑權值(path weight, pw)為路徑的 平均吞吐量，每條路徑均有獨立的路徑權值。該值 是建立在現(xiàn)有路徑特征值丟包率和延遲上的一個新 的特征值。定義 2 路徑平均吞吐量擬合函數(shù)即為路徑平 均吞吐量和路徑的丟包率與延遲的關聯(lián)函數(shù)。不同 丟包率時延遲在一定范圍內(nèi)變化的路徑平均吞吐量 擬合函數(shù)不同。為分析不同丟包率不同延遲對多路徑并行傳輸 性能的影響，選取網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖

18、3 所示，其 中路徑上的帶寬為 10 mbps，丟包率為 1% 10%， 對路徑上的延遲進行階段性的測試，因為延遲較小 時，對路徑的影響比較明顯，所以延遲從 10100 ms 之間取值相對較密，而延遲超過 100 ms之后，單位 時間內(nèi)對路徑的性能的影響程度也相對減輕，所以 取值相對較稀疏，分別選取 150 ms、200 ms、250 ms 和 300 ms。圖 4 不同方案的多路徑并行傳輸吞吐量比較由以上的分析和實驗可知，cmt-pw策略能夠?qū)崿F(xiàn)在關聯(lián)的多路徑中找出最優(yōu)路徑組合用于并行 的數(shù)據(jù)傳輸。圖 3 測試不同丟包率不同延遲對 cmt 平均吞吐量影響的仿真拓撲通過大量仿真實驗和結果分析，

19、最后得出路徑在不同丟包率不同延遲時路徑的平均吞吐量的關系 為平均吞吐量=f (丟包率)延遲 -g (丟包率)3.2 cmt-pw的算法為實現(xiàn)cmt-pw，增加變量如下：(1)對關聯(lián)中的路徑在sctpdest_s結構中增加 路徑權值變量。(2)在關聯(lián)sctpcmtagent類中增加了 3 個變結束語在使用多路徑進行數(shù)據(jù)傳輸時，為了帶寬的聚 合，傳統(tǒng)的cmt策略采用關聯(lián)的全部路徑進行數(shù)據(jù) 傳輸，盡管每條路徑擁有自己的獨立帶寬，但當路 徑間的丟包率和延遲存在較大差異時，丟包率高且 延遲大的路徑參與數(shù)據(jù)傳輸時會導致整個關聯(lián)吞吐 量的下降，因此在研究多路徑并行傳輸問題時，需 要考慮路徑選擇所造成的影響。

20、本文在研究多路徑41524電 子 與 信 息 學 報第 34 卷并行傳輸特點的基礎上，分析并建立了傳輸路徑吞吐量與丟包率和延遲的擬合關系，并以路徑吞吐量 為路徑權值，設計了一種基于路徑權值的多路徑并 行傳輸中傳輸路徑選擇方案cmt-pw，有效地消除 了丟包率高且延遲大的路徑對整個關聯(lián)吞吐量的影 響。參 考 文 獻11hsieh h y and sivakumar r. ptcp: an end-to-end transport layer protocol for striped connectionsc. ieee international conference on network pr

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