新型互聯(lián)網(wǎng)多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制機制分析

胡倩

摘 要：新型互聯(lián)網(wǎng)平臺中，WIFI、云計算、4G數(shù)據(jù)傳輸體系逐步完善導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸模式的出現(xiàn)，以往TCP模式在各種應(yīng)用中導(dǎo)致其不能有效建立網(wǎng)絡(luò)連接，為網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸造成了阻礙，而多路徑傳輸協(xié)議主要是利用資源共享的方式將數(shù)據(jù)流進行分散控制，從而有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠行裕恼乱远嗦窂絺鬏攨f(xié)議擁塞控制機制為入手點，對網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸協(xié)議的有效應(yīng)用進行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：新型互聯(lián)網(wǎng)；多路徑傳輸協(xié)議；擁塞控制機制

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0012-02

Abstract： WiFi， cloud computing and 4G data transmission system in the new Internet platform have gradually improved， resulting in the emergence of network multipath transmission mode. In the past， the TCP mode could not establish the network connection effectively in various applications， which has caused the obstruction for the network multipath transmission. Multipath transmission protocol mainly uses the way of resource sharing to decentralize and control the data flow， so as to effectively improve the effectiveness of network transmission. This paper takes congestion control mechanism of multipath transmission protocol as the starting point， and the effective application of network multipath transmission protocol is simply analyzed.

Keywords： new Internet； multipath transport protocol； congestion control mechanism

前言

多路徑傳輸?shù)哪繕酥饕蔷W(wǎng)絡(luò)的并行傳輸促使網(wǎng)絡(luò)可用帶寬不斷增加，為使用者提供更加完善的網(wǎng)絡(luò)體驗；在網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑發(fā)生故障時，多路徑傳輸可以利用相關(guān)資源保障選擇進一步優(yōu)化模式，保障網(wǎng)絡(luò)端口連接的高效、可靠性。在多路徑傳輸協(xié)議中擁塞情況的出現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸造成了阻礙，因此基于多路徑傳輸協(xié)議對擁塞控制機制進行適當(dāng)優(yōu)化非常重要。

1 多路徑傳輸目標

多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制研究目標主要是針對網(wǎng)絡(luò)多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫?、可靠性、RP、帕累托最優(yōu)性等[1]。其中帕累托最優(yōu)性主要在多路徑傳輸中同步提升網(wǎng)絡(luò)性能，保證周邊用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐暾６叫灾饕蔷W(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸過程中保證同級別流在瓶頸鏈路享有網(wǎng)絡(luò)資源的抑制性，若網(wǎng)絡(luò)端點資源過多則會增加網(wǎng)絡(luò)擁塞風(fēng)險；而RP原則主要是將多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸視為一個統(tǒng)一的資源庫，然后在多路徑資源庫的基礎(chǔ)上對其進行單獨的調(diào)整優(yōu)化。

2 多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制算法

以往多路徑傳輸協(xié)議主要有pTCP、mTCP、cTCP等。其中pTCP不能保證多個流并發(fā)時網(wǎng)絡(luò)的公平性；mTCP主要針對傳輸問題制定的多路徑傳輸協(xié)議，各個網(wǎng)絡(luò)子流之間的影響程度不大。mTCP可以對共享線路的各個子流進行逐一檢測，降低網(wǎng)絡(luò)丟包率；cTCP對TCP具有一定的兼容性，其可以在保留TCP以往報文頭格式的同時，采用獨立的窗口機制進行網(wǎng)絡(luò)處理。由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)窗口的單一性導(dǎo)致其性能受鏈路丟包率的影響，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸?shù)男庞弥凳艿綋p傷。

多路徑傳輸獨立的擁塞控制機制由于侵略性較強對以往TCP的公平性造成不利的影響，從而抑制了多路徑傳輸協(xié)議擁塞機制的正常發(fā)展。基于獨立的子流控制多路徑傳輸擁塞控制機制算法主要有EWTCP[18]算法、Coupled[7，11]算法、Linked Inceases[19]算法等。Linked Inceases[19]算法綜藝是將EWTCP[18]算法與Coupled[7，11]算法進行有效的整合，其根據(jù)網(wǎng)絡(luò)多路徑不同鏈路的RTT區(qū)別與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的關(guān)系，然后通過建立數(shù)據(jù)信息限額保證多路徑傳輸控制擁塞機制的公平性；而Coupled[7，11]算法則是系統(tǒng)地對擁塞算法進行了綜合分析，當(dāng)RTT與鏈路RTT出現(xiàn)錯位時系統(tǒng)會自動選擇丟包率最小的途徑，但是由于丟包率與擁塞程度的關(guān)聯(lián)性不大，因此這種算法并不能發(fā)揮良好的作用；EWTCP[18]算法可以對多路徑網(wǎng)絡(luò)子流設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，然后避免網(wǎng)絡(luò)子流獨立運行導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞情況的發(fā)生，雖然保證了多路徑傳輸?shù)墓叫裕遣⒉荒鼙ＷC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的充分利用，如在擁塞程度不大的路徑上進行流量轉(zhuǎn)移等。

3 多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制機制改進措施

以往互聯(lián)網(wǎng)常用的傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議，隨著社會生產(chǎn)生活對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求的增加，再加上互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)的變更，導(dǎo)致TCP傳輸協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪M一步發(fā)展造成了阻礙[2]?，F(xiàn)階段多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸模式（COTCP）受到了社會各行各業(yè)的重視，考慮到傳統(tǒng)的擁塞控制機制算法不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫?，如在COTCP用戶在共享瓶頸鏈路階段會造成傳輸路徑的加倍強制侵占，從而影響其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸，因此針對多路徑傳輸公平性問題，可在動態(tài)路徑加權(quán)的基礎(chǔ)上進行擁塞控制算法的改進，即DWCC擁塞控制算法。其可以根據(jù)多路徑傳輸過程中的不同點，對多路徑傳輸過程進行實時動態(tài)監(jiān)控調(diào)整，通過對各個子流路徑權(quán)重因子的優(yōu)化促使多路徑傳輸資源得到充分的應(yīng)用，同時也可以在多路徑連接時保證其他用戶傳輸?shù)挠行н\行。此外針對均衡擁塞問題，多路徑傳輸協(xié)議在均衡擁塞的過程中會導(dǎo)致整體互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)波動情況，而在鏈路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行LECC擁塞控制算法的運行可以有效解決這個問題，LECC擁塞控制算法可以通過對相應(yīng)鏈路狀態(tài)的估算為擁塞控制窗口的優(yōu)化提供依據(jù)，然后保證整體數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的均衡運行。在多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制機制優(yōu)化設(shè)計中，主要以linux內(nèi)核為理論基礎(chǔ)，然后在多路徑傳輸協(xié)議中，擁塞控制機制是非常重要的一部分。而由于網(wǎng)絡(luò)承受數(shù)量的有限性增加了數(shù)據(jù)傳輸擁塞問題的發(fā)生概率?；贑OTCP多路徑傳輸擁塞控制機制可以在保證各路徑獨立運行的基礎(chǔ)上在其接收終端設(shè)置信息接受緩沖區(qū)，結(jié)合資源分配公平及高效的原則，提高多路徑傳輸?shù)男阅?。endprint

基于COTCP多路徑傳輸服務(wù)在支持以往傳輸協(xié)議功能的基礎(chǔ)上，增加了報文有效性驗證、多路徑并行傳輸、多流傳輸、數(shù)據(jù)應(yīng)答服務(wù)、連接建立及釋放功能[3]。基于COTCP多路徑傳輸服務(wù)可以在每個模塊發(fā)送端口建立單獨的傳輸編號，然后將這些模塊發(fā)送端口進行統(tǒng)一整合，由同一個報文管理，接收端口在接收到相應(yīng)的報文模塊應(yīng)答后才允許相應(yīng)的模塊傳輸，這種傳輸模式可以避免路徑瓶頸擁塞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸阻礙。在多路徑傳輸過程中，管理端會在連接相應(yīng)端口建立一定的驗證標識，在報文發(fā)送前校驗和會在報文首部確認，從而避免由于網(wǎng)絡(luò)鏈接導(dǎo)致報文故障。

基于COTCP模式的擁塞控制機制為單獨的控制形式，若某一傳輸路徑出現(xiàn)擁塞故障時，系統(tǒng)終端會對相應(yīng)路徑擁塞窗口進行管理，對網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑中其他路徑傳輸不作處理，最大限度的降低了單條路徑擁塞狀態(tài)對整體路徑傳輸?shù)挠绊懗潭?。在發(fā)生報文丟失狀況時COTCP會針對相應(yīng)報文進行重傳服務(wù)，同時就相應(yīng)報文的特點在余下路徑中進行擇優(yōu)路徑選擇，而當(dāng)報文丟失重傳頻率超過路徑重傳上限時，COTCP則會在不影響其他路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯聦⑾鄳?yīng)路徑更改為未激活狀態(tài)。多路徑傳輸協(xié)議使用過程中，基于Linux內(nèi)核的擁塞控制機制算法可以在每條路基連接過程中設(shè)置相應(yīng)的驗證標識、目的端口，根據(jù)相應(yīng)傳輸路徑的區(qū)別選擇配置最優(yōu)的擁塞控制參數(shù)，然后結(jié)合DWCC擁塞控制算法和LECC擁塞控制算法進行綜合控制，在每條傳輸路徑中多路徑傳輸協(xié)議可以在獨立擁塞窗口的基礎(chǔ)上，設(shè)置慢啟動門限制、分段文字驗證，最后設(shè)置統(tǒng)一的接收窗口，保證多路徑傳輸管理的系統(tǒng)規(guī)范性。其中接收窗口主要用字節(jié)為單位表示現(xiàn)階段接收端可用緩存空間的容量，一般用模塊接收窗口通告進行指示；慢啟動門限值主要是對數(shù)據(jù)傳輸擁塞控制過程中擁塞避免算法應(yīng)用的評估，一般與網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞的程度為依據(jù)，在設(shè)置慢啟動門限值時可根據(jù)接收窗口的可用緩存空間進行調(diào)整設(shè)置；擁塞窗口主要是對多路徑可發(fā)送報文數(shù)量的約束，數(shù)據(jù)發(fā)送端可以相應(yīng)模塊信息變動狀態(tài)為依據(jù)，對擁塞窗口進行更新調(diào)整，同時在相應(yīng)擁塞窗口中應(yīng)注意設(shè)定擁塞控制窗口報文限值，即在多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸中多路徑傳輸協(xié)議報文發(fā)送數(shù)量應(yīng)小于擁塞控制窗口、接收窗口報文最大限值。

4 多路徑傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

隨著Amazon、Goole等企業(yè)云計算應(yīng)用的不斷發(fā)展為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)流量的交互提供的動力，以往樹形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)瓶頸帶寬、單點失效等一系列問題。因此基于新型互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多路徑TCP應(yīng)用的傳輸非常重要。多路徑傳輸協(xié)議擁塞控制機制在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以將路線擁塞控制在核心路由器中，保證流量分布的公平性，同時多路徑TCP會自動選擇更優(yōu)的路徑，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝?、魯棒性。在網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸TCP應(yīng)用時可以利用相關(guān)路徑進行流量移動，保證網(wǎng)絡(luò)流量充足的利用。即數(shù)據(jù)中心相關(guān)網(wǎng)絡(luò)利用提高根據(jù)TCP連接數(shù)量的差別提高鏈路的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞程度。新型互聯(lián)網(wǎng)下多路徑傳輸在實際應(yīng)用中還存在一些問題，如子流數(shù)據(jù)、擁塞控制影響、網(wǎng)絡(luò)拓撲影響等。其中子流數(shù)據(jù)會隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲體系的變化對網(wǎng)絡(luò)最佳利用程度有一定的影響，在FatTee網(wǎng)絡(luò)拓撲體系中大多百分之九十以上的利用率需要八條子流，而在其他拓撲體系中達到百分之九十以上的利用率子流的樹目就不能確定；而網(wǎng)絡(luò)拓撲對網(wǎng)絡(luò)性能的影響主要是通過對核心交換機連接服務(wù)器對吞吐量的影響，如在Bcube、FatTree體系結(jié)構(gòu)中由于其采用的核心交換機分別為混合交換機、太網(wǎng)交換機，從而對多路徑傳輸吞吐量造成不同的影響；擁塞控制應(yīng)在主要是由于Uncoupled算法、EWTCP算法運行時各子流獨立性造成多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓叫?，在瓶頸傳輸時帶寬的大面積強占則對網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效控制造成了阻礙，這種情況也對網(wǎng)絡(luò)鏈路負載的平衡工作提出了難題。

5 結(jié)束語

總而言之，新型互聯(lián)網(wǎng)中，多路徑傳輸模式得到了越來越廣泛的應(yīng)用，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)路徑擁塞問題的發(fā)生，以往擁塞控制機制算法由于運行的侵略性較強，對多路徑傳輸?shù)墓叫栽斐闪瞬焕挠绊懀虼私Y(jié)合新型互聯(lián)網(wǎng)特點進行多路徑傳輸擁塞控制機制的優(yōu)化可以促使網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的提升，從而為多路徑網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定發(fā)展提供保障。

參考文獻：

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