并行多徑傳輸中基于服務(wù)質(zhì)量的路徑優(yōu)化方案

王振朝，侯歡歡，李海瀟

1(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002) 2(河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點實驗室，河北 保定 071002)

1 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備成本的降低，多網(wǎng)融合及網(wǎng)絡(luò)接入方式的多樣性為終端在網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū)域通過多種接入方式并行傳輸提供了基礎(chǔ)條件[1，2].IETF互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組提出的MPTCP[3，4](Multipath Transport Control Protocal 多路徑傳輸控制協(xié)議)協(xié)議是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并行多徑(CMT Concurrent Multipath Transfer)傳輸[5]中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議，它通過TCP擴展實現(xiàn)端到端并行多徑傳輸，可以兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的中間件和應(yīng)用程序，與單路徑TCP相比具有更優(yōu)的傳輸性能.但在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多條路徑的路徑特性動態(tài)變化且差異較大，會導致數(shù)據(jù)包亂序、網(wǎng)絡(luò)分配不公平和擁塞控制等問題，降低系統(tǒng)吞吐量，增加系統(tǒng)重傳率.

路徑的差異性主要表現(xiàn)在路徑時延、帶寬和丟包率三方面，因此，對參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂奖仨氂兴x擇來提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量并降低網(wǎng)絡(luò)能耗.另一方面，使用過多路徑會降低系統(tǒng)性能，所以我們只需選擇所需和足夠數(shù)量的路徑來利用多徑傳輸能力[6].本文主要研究在所需路徑數(shù)已知時，如何從所有備用路徑中選擇出一組相應(yīng)數(shù)量的服務(wù)質(zhì)量高且能耗小的路徑.

Nasim Arianpoo提出一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下并行多經(jīng)傳輸中的公平機制[7]，使用Q學習機制來獲得網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)信息，根據(jù)所獲得的動態(tài)信息來選擇最佳路徑，以獲得更高的帶寬利用率并提高網(wǎng)絡(luò)公平性指數(shù)，從而有效均衡流量并提高服務(wù)質(zhì)量.Samar Shailendra提出一種基于MPSCTP (Multipath Stream Control Transmission Protocal)協(xié)議的優(yōu)化分流技術(shù)[8]，并提出使用一種延遲不敏感的優(yōu)化的啟發(fā)式算法來研究多路徑選擇的策略，提高了對MPSCTP中確認損耗的敏感性，從而提高了網(wǎng)絡(luò)利用率，并為終端用戶提供了更好的服務(wù)質(zhì)量.王振朝提出了一種基于能量感知的并行多徑傳輸方案[9]，利用端到端能耗模型獲得整個網(wǎng)絡(luò)的能耗指標，建立擁塞窗口變化與能耗的數(shù)量關(guān)系來動態(tài)調(diào)節(jié)分流比，從而達到提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率的目的.在實際網(wǎng)絡(luò)中，路徑損耗不僅包括數(shù)據(jù)傳輸損耗還包括維持路徑連接的損耗，該方案只分析計算了數(shù)據(jù)傳輸損耗，未考慮維持路徑連接所需要的能量損耗，所以該方案具有一定的局限性.陶洋提出了一種并行多路傳輸路徑質(zhì)量評估模型(CMT-PQEM)[10]，定期監(jiān)控并分析每條路徑的數(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)相關(guān)信息，評估、計算路徑的質(zhì)量，選擇相應(yīng)的路徑進行傳輸.通過該模型，系統(tǒng)的吞吐量有了較高提升，重傳率明顯下降.但是該算法只對路徑服務(wù)質(zhì)量進行了分析計算且計算時只考慮了路徑時延和緩沖區(qū)對路徑服務(wù)質(zhì)量的影響，沒有考慮路徑其他參數(shù)及路徑損耗與路徑選擇的制衡關(guān)系，移植性較差.

本文提出一種新的路徑優(yōu)化方案，根據(jù)路徑時延、帶寬和丟包率參數(shù)值的標準化處理值及能耗模型分別計算每條備用路徑的服務(wù)質(zhì)量和能耗，并在二維極坐標系下建立基于服務(wù)質(zhì)量和能耗的路徑評價模型，按照所需路徑數(shù)利用二分法在路徑評價模型中搜索出一組服務(wù)質(zhì)量高且能耗小的路徑設(shè)置為活躍路徑.本方案不僅全面考慮了路徑服務(wù)質(zhì)量和能耗對路徑優(yōu)化的影響，而且首次將二維極坐標系應(yīng)用到路徑搜索中，使得搜索結(jié)果更加準確，搜索出的活躍路徑的傳輸性能更優(yōu).

2 二維極坐標系下的路徑優(yōu)化方案

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，每個接入網(wǎng)中都存在著多條備用路徑來提供并行多徑傳輸且備用路徑擁有獨立的發(fā)送緩存區(qū)和共享的接收緩存區(qū).在建立的連接中，假設(shè)發(fā)送端到接收端之間存在n條獨立的備用路徑且每條備用路徑的接入方式隨機選擇.每條備用路徑的傳輸特性主要由路徑時延、帶寬和丟包率來決定，將上述參數(shù)分別用T、B和L來表示，則任意備用路徑i的性能參數(shù)組成的集合可以表示為Pi={Ti，Bi，Li}，其中i∈[1，n].以一維向量表示所有備用路徑的路徑時延值，即T=(T1，T2，…，Ti，…，Tn)，其中Ti表示第i條備用路徑的路徑時延值.同理可得B=(B1，B2，…，Bi，…，Bn)，L=(L1，L2，…，Li，…，Ln)

2.1 路徑服務(wù)質(zhì)量的計算

由于路徑時延、帶寬和丟包率對路徑性能的影響程度不同，因此需要預先對各參數(shù)值進行標準化處理.數(shù)據(jù)標準化處理包括數(shù)據(jù)同趨化處理和數(shù)據(jù)無量綱化處理：數(shù)據(jù)同趨化處理是因不同性質(zhì)的參數(shù)值直接加總時不能在綜合結(jié)果中正確反映其作用力，故先考慮改變數(shù)據(jù)性質(zhì)，使所有數(shù)據(jù)對綜合結(jié)果的作用力同趨化，以獲得加權(quán)后的正確結(jié)果.數(shù)據(jù)無量綱化處理則解決參數(shù)值的可比性問題.

以Tavg表示所有備用路徑的路徑時延的平均值，Taad表示所有備用路徑的路徑時延的平均絕對偏差，ti表示任意路徑i的路徑時延的標準化處理結(jié)果，則ti的計算公式如下[11]：

(1)

(2)

(3)

同理可得任意備用路徑i的帶寬和丟包率的標準化處理結(jié)果分別為：

(4)

(5)

數(shù)據(jù)傳輸前，首先在發(fā)送端選擇出所需數(shù)量的路徑，然后將數(shù)據(jù)調(diào)度到相應(yīng)路徑上，提供優(yōu)化的路徑分配，保證服務(wù)質(zhì)量.為了衡量每條備用路徑的服務(wù)質(zhì)量，采用式(6)來計算任意路徑i的服務(wù)能力：

(6)

其中，Si代表任意路徑i的服務(wù)能力，ti，li，bi分別表示任意路徑i的路徑時延、丟包率和帶寬值經(jīng)過標準化處理后的值.顯然，Si的值越小，路徑i的服務(wù)能力越好.

2.2 路徑能耗的計算

(7)

由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并行多徑傳輸中存在路徑參數(shù)動態(tài)變化且差異性較大的現(xiàn)象，所以網(wǎng)絡(luò)抖動就可能時有發(fā)生.為避免路徑i上能量損耗值的瞬時抖動，采用基于指數(shù)權(quán)重的移動平均數(shù)公式對式(7)進行平滑處理：

(8)

(9)

由公式(7)(8)(9)，可得路徑損耗的計算公式為：

(10)

2.3 基于路徑評價模型的路徑搜索方案

2.3.1 路徑評價模型的建立

圖1 極坐標系下的路徑評價模型Fig.1 Path evaluation model in polar coordinate system

數(shù)值與極坐標之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以表示為：

(11)

用隨機生成的100個點來模擬所有備用路徑，則建立的路徑評價模型如圖1所示.

2.3.2 路徑搜索方案

建立路徑評價模型之后，對路徑的全局搜索過程變成在二維空間中的某個子區(qū)域內(nèi)的局部搜索過程.由服務(wù)質(zhì)量和能耗的計算公式可知，我們應(yīng)盡量選取靠近極點O且靠近始邊OX的點對應(yīng)的路徑.在選擇過程中，當備用路徑數(shù)量比較大時，傳統(tǒng)窮搜法的計算量過大，因此本文給出二分法下的路徑搜索方案.

將所有備用路徑對應(yīng)的點標記在二維極坐標系下形成極坐標系下的路徑評價模型，且所有點在以O(shè)為圓心，以rmin=(Si)min，rmax=(Si)max為半徑的同心圓環(huán)內(nèi)(包括圓的邊界部分).因此，極角的范圍為[0，2π]，極徑的范圍為[rmin，rmax].圖2為極坐標系下的搜索空間.

圖2 極坐標系下的搜索空間Fig.2 Search space in polar coordinates system

1)若m=N，則此空間為最終的搜索空間，將此空間內(nèi)的路徑標記為活躍路徑.

針對路徑傳輸性能動態(tài)可變的情況，有以下兩種解決方案：①周期性對路徑參數(shù)值進行更新.②實時監(jiān)測參數(shù)值的變化，當變化范圍超過設(shè)定的閾值時，則對其進行更新.

2.4 方案執(zhí)行步驟

本方案的設(shè)計目標是從n條備用路徑中通過極坐標系下的路徑評價模型和路徑搜索方案選擇出N條服務(wù)質(zhì)量高且能耗小的路徑.執(zhí)行步驟如下：

1)獲取路徑參數(shù)，設(shè)置所有備用路徑均為活躍路徑，發(fā)送端采用Round-Robin調(diào)度算法發(fā)送數(shù)據(jù)到所有備用路徑上，搜集各條路徑的相關(guān)計算參數(shù).

2)根據(jù)獲取的路徑參數(shù)值，利用公式(6)和(10)分別計算每條路徑的服務(wù)質(zhì)量和能耗.

3)將每條路徑的服務(wù)質(zhì)量值和能耗值作如式(11)的轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化后的值組成的有序數(shù)組標記在二維極坐標系下形成極坐標系下的路徑評價模型.

4)結(jié)合所需路徑數(shù)，利用二分法在路徑評價模型中搜索出一組相應(yīng)數(shù)量的服務(wù)質(zhì)量高且能耗小的路徑標記為活躍路徑.

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了驗證本方案的有效性，采用基于Linux操作系統(tǒng)的NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真器(http：//code.google.com/p/mptcp-ns3/.)對本文中的路徑優(yōu)化方案和使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案進行仿真分析.將MPTCP工作組提供的MPTCP傳輸層開源模塊添加到NS-3中并對套接字進行修改，來評估異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的MPTCP協(xié)議加入路徑管理策略后的性能.

3.1 仿真條件設(shè)定

使用如圖3所示的無瓶頸鏈路構(gòu)建仿真的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖.

圖3 仿真拓撲圖Fig.3 Simulation topology

其中主機S為具有6個不同IP地址的多宿主發(fā)送端，主機D為具有6個IP地址的多宿主接收端，且發(fā)送端S到接收端D之間總共建立6條獨立的備用路徑，每條備用路徑的帶寬值服從[1Mbps，10Mbps]上的隨機分布，丟包率值取區(qū)間[1%，10%]內(nèi)的隨機數(shù)，路徑時延值設(shè)置為[50ms，200ms]區(qū)間內(nèi)的任意值.

仿真中選取接收端的能耗率和重傳數(shù)據(jù)包個數(shù)為評價指標，使用Round Robin的數(shù)據(jù)調(diào)度算法，當發(fā)生重傳時使用RTX-LOSSRATE重傳策略，所需路徑數(shù)設(shè)置為3，共享接收緩沖區(qū)容量[13]為：

Sbuffer=2×sumBi×Tmax

(12)

式中sumBi表示所有備用路徑的帶寬之和，Tmax表示所有備用路徑的路徑時延的最大值.

3.2 仿真結(jié)果及分析

分別使用兩種方案進行多次數(shù)據(jù)傳輸來統(tǒng)計兩種方案的重傳概率.當發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)較小時，重傳概率波動較大，隨著發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)的增多，重傳概率逐漸趨于穩(wěn)定，此時本文方案的重傳概率約為0.036，使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案的重傳概率約為0.087，本文方案的重傳概率相對于使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案的重傳概率降低了約58.6%.本文方案不僅考慮了時延對路徑選擇的影響還考慮了帶寬和丟包率與路徑選擇的制約關(guān)系，降低了丟包重傳概率，且活躍路徑的時延較小并帶寬較大，降低了超時重傳概率，因此本文方案的重傳概率較小.

使用相同數(shù)量的活躍路徑的前提下，對兩種方案在發(fā)送端以1packet/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時的網(wǎng)絡(luò)能耗的性能進行仿真，取50次仿真結(jié)果的平均值得到如圖4的仿真結(jié)果.由曲線走勢可以看出，能耗隨著仿真的進行逐漸上升，但是使用本文方案進行數(shù)據(jù)傳輸時的能耗要明顯低于使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案進行數(shù)據(jù)傳輸時的能耗.其主要原因是本文的路徑優(yōu)化方案不僅考慮了每條路徑的服務(wù)質(zhì)量，還考慮了路徑能耗與路徑選擇之間的制衡關(guān)系，使得選出的活躍路徑不僅服務(wù)質(zhì)量高而且能耗小，所以使用相同數(shù)量的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸時，本文提出的路徑優(yōu)化方案可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的低能耗傳輸.

圖4 網(wǎng)絡(luò)能耗隨仿真時間變化的曲線Fig.4 Curves of network energy consumption with simulation time

文獻[10]中使用置信區(qū)間來幫助選擇路徑，當路徑的置信區(qū)間大于設(shè)定閾值時就認為該路徑通信狀態(tài)良好.此種優(yōu)化方案完成的是對路徑的粗略搜索.本文使用二分法對路徑進行精確搜索，確保搜索出最優(yōu)性能的一組活躍路徑，這就使得算法復雜度可能增加，但是使用本文方案搜索出的活躍路徑的服務(wù)質(zhì)量更好且能耗較小，因此在提高服務(wù)質(zhì)量并降低能耗的優(yōu)化目標下，本文提出的路徑優(yōu)化方案要優(yōu)于使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案.

4 結(jié)束語

本文首先對各備用路徑的路徑參數(shù)值進行標準化處理并計算每條備用路徑的服務(wù)質(zhì)量，利用端對端能耗模型以及備用路徑數(shù)量計算每條備用路徑的能耗.然后將服務(wù)質(zhì)量值和能耗值進行相應(yīng)轉(zhuǎn)化后組成的有序數(shù)組標記在二維極坐標系下，建立極坐標系下的路徑評價模型，并利用二分法在路徑評價模型中搜索出一組所需路徑數(shù)的服務(wù)質(zhì)量高且能耗小的路徑標記為活躍路徑.相對于使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案，本方案全面考慮了路徑時延、帶寬和丟包率對路徑傳輸性能的影響，并給出了路徑能耗與路徑優(yōu)化的制衡關(guān)系，將二維極坐標系應(yīng)用到路徑搜索方案中使得搜索結(jié)果更準確.由NS3的仿真結(jié)果可知，本方案與使用CMT-PQEM的路徑優(yōu)化方案相比，降低了能耗與重傳概率，從而可延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

[1] Chenn-Jung Huang，Chih-Tai Guan，et al.A self-adaptive joint bandwidth allocation scheme for heterogeneous wireless networks[J].Applied Soft Computing，2015，37(C)：156-165.

[2] Daniel Wallace T，Khalim Amjad Meerja，et al.On-demand scheduling for concurrent multipath transfer using the stream control transmission protocol[J].Journal of Network and Computer Applications，2015，47：11-22.

[3] Bong-Hwan Oh，Jaiyong Lee.Constraint-based proactive scheduling for MPTCP in wireless networks[J].Computer Network，2015，91：548-563.

[4] Chawanat Nakasan，Kohei Ichikawa，Putchong Uthayopas.Performance evaluation of MPTCP over open flow network[J].IPSJ SIG Notes，2014,(30)：1-6.

[5] Lal Pratap Verma，Mahesh Kumar.An adaptive data chunk scheduling for concurrent multipath transfer[J].Computer Standards & Interfaces，2017，52：97-104.

[6] Wang Jing-yu.Game-theoretic model of asymmetrical multipath selection in pervasive computing environment[J].Pervasive and Mobile Computing，2015，27：37-57.

[7] Nasim Arianpoo，Victor C.M.Leung.A smart fairness mechanism for Concurrent multipath transfer in SCTP over wirless multi-hop network[J].Ad Hoc Network，2016，55：40-49.

[8] Samar Shailendra，Bhattacharjee R，Sanjay K Bose.A multipath variant of SCTP with optimized flow division extension[J].Computer Communications,2015，67：56-65.

[9] Wang Zhen-chao，Yang Xiao-long，et al.Energy-aware parallel multipath transmission in heterogeneous network[J].Journal of Chinese Computer Systems，2016，37(3)：526-530.

[10] Tao Yang，Zhou Xuan.Path quality estimate model of concurrent multipath transfer[J].Computer Engineering and Design，2015，36(10)：2622-2626.

[11] Wu Xiao-nian，Deng Meng-qin，Zhang Ming-ling，et al.Task scheduling algorithm based on priority and cost constraint in cloud computing[J].Journal of Computer Applications，2013，33(8)：2147-2150.

[12] He Shu-hua，He Ai-lin.The new methods of calculating initial value and selecting smoothing coefficient in exponential smoothing[J].Journal of Guangzhou University(Natural Science Edition)，2011，10(2)：6-10.

[13] Ford A，Rainciu C，Handley M，et al.Architectural guidelines for multipath TCP development[R].Internet Engineering Task Force，Request for Comments：6182，March，2011.

附中文參考文獻：

[9] 王振朝，楊小龍.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于能量感知的并行多徑傳輸方案[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2016，37(3)：526-530.

[10] 陶 洋，周 玄.并行多路傳輸路徑質(zhì)量評估模型[J].計算機工程與設(shè)計，2015，36(10)：2622-2626.

[11] 武小年，鄧夢琴，張明玲，等.云計算中基于優(yōu)先級和費用約束的任務(wù)調(diào)度算法[J].計算機應(yīng)用，2013，33(8)：2147-2150.

[12] 何舒華，何靄琳.指數(shù)平滑法初始值計算與平滑系數(shù)選取的新方法[J].廣州大學學報(自然科學版)，2011，10(2)：6-10.