命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的一種主動(dòng)擁塞控制策略

王文靜，雒江濤

1.重慶郵電大學(xué) 電子信息與網(wǎng)絡(luò)工程研究院，重慶 400065

2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與技術(shù)的高速發(fā)展，基于TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)逐漸暴露出諸多問題，比如，IP地址枯竭、安全性差、移動(dòng)性差、擴(kuò)展性差等[1]。為了徹底解決這些問題，“革命式”的信息中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，其中，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是目前最受廣泛關(guān)注和研究的未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)之一[2-3]。

NDN繼承了IP體系結(jié)構(gòu)的沙漏模型，區(qū)別在于用數(shù)據(jù)取代了細(xì)腰處的IP地址，并將安全內(nèi)置于數(shù)據(jù)中，路由基于數(shù)據(jù)的名字而不是IP地址[3]。另外，NDN還引入了網(wǎng)內(nèi)緩存機(jī)制，路由器可以緩存經(jīng)過的數(shù)據(jù)，并響應(yīng)請(qǐng)求。又因?yàn)镹DN內(nèi)在地支持多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，使得NDN具有信源不可控的特性，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在大量的冗余信息存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。同時(shí)，擁塞控制對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)的高效性，提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和穩(wěn)定性具有重要作用，因此NDN的擁塞控制問題逐漸得到了各學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前，NDN中的擁塞控制主要分為兩種方式：由請(qǐng)求者驅(qū)動(dòng)的擁塞控制和逐跳的興趣包整形機(jī)制。第一種方式是借鑒傳統(tǒng)TCP的設(shè)計(jì)，通過超時(shí)機(jī)制RTO來確認(rèn)丟包的發(fā)生，并通過降低發(fā)送端的發(fā)送速率來減低網(wǎng)絡(luò)流量，進(jìn)而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。文獻(xiàn)[4]提出的興趣包控制協(xié)議（Interest Control Protocol，ICP）通過調(diào)節(jié)興趣包的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)了基于窗口的流量控制，同時(shí)也證明了ICP能實(shí)現(xiàn)較好的帶寬利用率。文獻(xiàn)[5]基于超時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)了CCTCP（Content Centric TCP）協(xié)議，CCTCP通過替每個(gè)流設(shè)置多個(gè)擁塞窗口和RTO計(jì)時(shí)器，來控制興趣包的發(fā)送速度。另外，CCTCP設(shè)計(jì)了一種預(yù)測(cè)機(jī)制來估算RTO值，但因?yàn)橐S護(hù)多個(gè)計(jì)時(shí)器使得開銷過大。上面提到的由請(qǐng)求者驅(qū)動(dòng)的、基于RTO超時(shí)機(jī)制的擁塞控制方式已經(jīng)被證明不適合用于NDN網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镹DN特殊的傳輸方式不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，適用于端到端通信的傳輸協(xié)議在NDN中的實(shí)現(xiàn)是非常困難的。首先NDN中沒有報(bào)文到達(dá)確認(rèn)機(jī)制，因此發(fā)送端只能通過RTO計(jì)時(shí)器來判斷擁塞的發(fā)生，但是在NDN中由于沒有確定的源，導(dǎo)致RTT的估算非常困難[6]，同時(shí)，使用RTO機(jī)制還有一個(gè)缺陷是其超時(shí)原因是不確定的。因此，相對(duì)于第一種隱式的擁塞控制，目前研究NDN的學(xué)者們更加看好逐跳的顯式擁塞控制[7]。文獻(xiàn)[8]提出通過逐跳地控制興趣包速率來實(shí)現(xiàn)NDN的擁塞控制，所設(shè)計(jì)的HoBHIS（Hop-By-Hop Interest Shaping mechanism）通過檢測(cè)路由器的傳輸隊(duì)列長(zhǎng)度來計(jì)算興趣包速率，由于在NDN中一個(gè)興趣包最多返回一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此可以通過調(diào)節(jié)興趣包速率來控制數(shù)據(jù)包的返回速率。文獻(xiàn)[9]在每個(gè)流公平共享帶寬的基礎(chǔ)上，提出了一種興趣包轉(zhuǎn)發(fā)策略。當(dāng)興趣包速率超過路由器允許的速率時(shí)，向下游路由器發(fā)送NACK（Negative ACKnowledgment），下游路由器收到之后調(diào)節(jié)興趣包的速率并尋找其他可用的接口轉(zhuǎn)發(fā)興趣包，以減少單條鏈路的負(fù)載。文獻(xiàn)[10]提出了一種結(jié)合發(fā)送端與路由器端的擁塞控制機(jī)制HR-ICP（Hop-by-hop and Receiverdriven Interest Control Protocol），HR-ICP除了在發(fā)送端通過擁塞窗口調(diào)節(jié)興趣包速率，還能在中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)擁塞，使得HR-ICP能比ICP更快地發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)擁塞。文獻(xiàn)[8，10-12]在中間路由器檢測(cè)并調(diào)整興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)速率來控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，已經(jīng)獲得了較好的性能，但是沒有考慮數(shù)據(jù)流之間的公平性。文獻(xiàn)[9]為每個(gè)數(shù)據(jù)流分配了公平的帶寬，但是這樣無(wú)區(qū)別地分配固定的帶寬，將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，受傳統(tǒng)公平隊(duì)列調(diào)度算法的啟發(fā)，提出了一種路由器端的擁塞控制算法—NWFQ。NWFQ主要包括兩方面內(nèi)容：（1）在路由器端，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)流的權(quán)重來調(diào)節(jié)興趣包調(diào)度順序，在盡可能保證為每個(gè)流提供所需帶寬的基礎(chǔ)上，在輸出端口利用令牌桶算法對(duì)超高速流進(jìn)行降速限制。（2）在興趣包/數(shù)據(jù)包中擴(kuò)展兩個(gè)字段，用于記錄擁塞信息和由當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)反饋的最佳興趣包速率。最后，通過顯式反饋機(jī)制將擁塞信息反饋給下游節(jié)點(diǎn)/請(qǐng)求端，這樣請(qǐng)求端可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的變化來調(diào)節(jié)興趣包的發(fā)送速率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和吞吐量。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 加權(quán)公平排隊(duì)算法

加權(quán)公平排隊(duì)WFQ是一種路由器公平隊(duì)列調(diào)度算法，也是一種擁塞管理算法，由于其能夠根據(jù)各數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分服務(wù)而引起了廣大研究者的關(guān)注。該算法根據(jù)流特性對(duì)其進(jìn)行分類，不同的流經(jīng)過哈希函數(shù)映射進(jìn)入不同的動(dòng)態(tài)隊(duì)列。每個(gè)流所分配到的帶寬資源遵循最大-最小公平分配，且WFQ允許其他流使用某條流剩余的帶寬[13]。

為了在各個(gè)流之間提供公平的調(diào)度和保證優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)優(yōu)先被服務(wù)，在入隊(duì)之前，WFQ計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)包的虛擬調(diào)度時(shí)間（Virtual Schedule Time，VST）（見式（1）），VST決定了這個(gè)包出隊(duì)的時(shí)間順序。其中VST′是隊(duì)尾時(shí)間，記錄進(jìn)入隊(duì)列之前此隊(duì)列的虛擬調(diào)度時(shí)間總和。scaling是縮放比例值，用來縮放虛擬調(diào)度時(shí)間，scaling與數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)成反比。new_packet_length是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，WFQ規(guī)定優(yōu)先調(diào)度VST小的數(shù)據(jù)包[13]。設(shè)想流a擁有較低的優(yōu)先級(jí)和較小的平均包長(zhǎng)，流b具有較高的優(yōu)先級(jí)和較大平均包長(zhǎng)，當(dāng)流a小于流b的虛擬調(diào)度時(shí)間時(shí)，流a可以通過不斷增大發(fā)送速率來占用網(wǎng)絡(luò)資源，使得高優(yōu)先級(jí)流的調(diào)度滯后。現(xiàn)如今很多的多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)包符合流b的情況，這會(huì)導(dǎo)致這些應(yīng)用的時(shí)延無(wú)法得到保證。因此，根據(jù)分組大小和優(yōu)先級(jí)來決定調(diào)度是不夠的，還應(yīng)考慮速率限制等因素來抵制貪婪流。

2.2 NWFQ算法

NWFQ擁塞控制算法運(yùn)行在NDN的路由器上，它繼承WFQ算法的思想，根據(jù)NDN名字前綴的不同將興趣包分為不同的流。并在NDN原有路由模型的基礎(chǔ)上增加了速率限制（Rate Limit，RL）模塊來實(shí)現(xiàn)懲罰機(jī)制。當(dāng)遇到突發(fā)流量導(dǎo)致路由器發(fā)生擁塞時(shí)，RL模塊為每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)計(jì)算一個(gè)公平速率 f來區(qū)分貪婪流（輸入速率超過公平速率）與非貪婪流，對(duì)前者進(jìn)行懲戒，降低它的權(quán)重（此處的權(quán)重由數(shù)據(jù)速率和懲罰函數(shù)所共同決定），并在輸出接口實(shí)現(xiàn)令牌桶對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)速率進(jìn)行限制，將興趣包/數(shù)據(jù)包暫存于軟件隊(duì)列中，避免進(jìn)一步的擁塞發(fā)生，從而減小丟包數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。NDN中的NWFQ擁塞控制模型如圖1所示。

圖1 NWFQ擁塞控制模型

從圖1中可以看到，NWFQ算法是在輸出接口對(duì)興趣包/數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率進(jìn)行限制，RL模塊的具體實(shí)現(xiàn)包括NWFQ隊(duì)列調(diào)度和令牌桶技術(shù)兩部分。之所以采用NWFQ隊(duì)列是因?yàn)槠渚哂袇^(qū)分服務(wù)特性，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的不利情況下，它可以優(yōu)先調(diào)度需要傳輸?shù)木o急數(shù)據(jù)，保證緊急數(shù)據(jù)的服務(wù)帶寬。興趣包在RL模塊中的處理過程如圖2所示（數(shù)據(jù)包類似）。

圖2 興趣包在RL模塊中的處理過程

其中，NWFQ算法的核心體現(xiàn)在加入令牌的速率。從NWFQ隊(duì)列中調(diào)度的興趣包，若未超過路由器公平速率則直接轉(zhuǎn)發(fā)，若超過則進(jìn)入擁塞處理過程，經(jīng)過令牌桶整形后再轉(zhuǎn)發(fā)。這一判斷的前提是路由器發(fā)生了擁塞，如果路由器沒有擁塞，就直接轉(zhuǎn)發(fā)，不用關(guān)注數(shù)據(jù)流的速率。只有在路由器發(fā)生擁塞的時(shí)候，為了阻止引起其他路由器發(fā)生擁塞才需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行整形，同時(shí)為了緩解當(dāng)前路由器的擁塞，需要借助顯式反饋機(jī)制告知下游路由器減小轉(zhuǎn)發(fā)速率，才不至于使得排隊(duì)隊(duì)列（時(shí)延）繼續(xù)增長(zhǎng)。整形后的速率就是網(wǎng)絡(luò)希望的速率，這個(gè)速率是由NWFQ算法計(jì)算得到的，并且不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。經(jīng)過整形，可以平滑網(wǎng)絡(luò)流量，降低上游路由器的擁塞。同時(shí)，采用令牌桶技術(shù)，將超速的興趣包加入緩存隊(duì)列等待，而非直接丟棄，可以減少突發(fā)傳輸導(dǎo)致的丟包。下面是NWFQ算法的具體流程。

Step 1 Initialize：unit_weight_servic←0，fair_rate←0，load of route：sumR←0

Input：nstreams：r1,r2,…,rn

Step 2 forifrom 1 to n //Calculate the load of the router

sumR←sumR+ri

end for

Step 3 if router becomes congested Then

calculate：unit_weight_service，fair_rate，weight_of_interest

Step 4//Punish greedy flow

ifriis speeding(ri＞fair_rate)Then

calculate output_rate：γi← unit_weight_service*weight_of_interest

update interest：penalty_rate← γi；

congestion_contribution←congestion_contribution+1

//send NACK

send NACK(penalty_rate)to downstream router

end if

end if

Step 5 if Interest satisfied Then //Send Data

if congestion_contribution＞0 Then

copy congestion_contribution and penalty_rate to Data packet

end if

send Data packet to consumer

end if

2.2.1 確定流i的權(quán)重

其中，wi(t)是數(shù)據(jù)流i的權(quán)重，ri(t)是興趣包i的輸入速率，θ是數(shù)據(jù)流的優(yōu)先值，懲罰函數(shù) p(ri(t))是單調(diào)遞減的正函數(shù)。當(dāng)客戶端的輸入速率ri(t)超過閾值時(shí)，其相應(yīng)的權(quán)重隨速率的增大而減小，也就是說，增大發(fā)送速率并不能獲得更大的輸出速率，甚至?xí)档洼敵鏊俾?。這樣能防止貪婪用戶大肆搶占網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到規(guī)范用戶行為的目的，這里 p(ri(t))=1/ri(t)。還可以考慮網(wǎng)絡(luò)客戶端或數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高權(quán)重越大，為方便計(jì)算，本設(shè)計(jì)暫不考慮優(yōu)先級(jí)（即θ=1），所以修改后的權(quán)重為wi(t)=1/ri(t)。

2.2.2 計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)速率γi

在給定瓶頸鏈路的帶寬為C，興趣包發(fā)送速率向量為M ，n個(gè)流的輸入速率向量r=(r1,r2,…,rn)時(shí)，經(jīng)算法改進(jìn)的興趣包轉(zhuǎn)發(fā)速率γ=(γ1,γ2,…,γn)的計(jì)算步驟如下。

（1）路由器負(fù)載sumR表征路由器的負(fù)載，當(dāng)sumR≤C時(shí)，路由器工作在正常狀態(tài)，所有流都能得到完全的輸出。當(dāng)sumR＞C時(shí)，路由器發(fā)生擁塞，需要執(zhí)行擁塞控制算法NWFQ。

（2）路由器輸出函數(shù)

其中，vi表示流i的轉(zhuǎn)發(fā)速率，λ是單位時(shí)間內(nèi)為單位權(quán)值提供的輸出。即擁塞時(shí)，假設(shè)興趣包i的權(quán)值為w，所在路由器的單位權(quán)值服務(wù)量為λ，則興趣包i的輸出速率為(λ×w)。即當(dāng)路由器負(fù)載超過鏈路帶寬時(shí)，NWFQ將為貪婪流計(jì)算出權(quán)值，權(quán)值wi(t)決定數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)速率。

輸出函數(shù)G(λ,r)表征路由器的總輸出量。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)擁塞很嚴(yán)重時(shí)，每個(gè)流的速率都超過了公平速率，即所有流都被降速。此時(shí)有 ?i,?λ/ri≤ri?λ≤，即λ≤r。同理，所有流都未超速時(shí)，有?i,?λ/ri＞ri?λ＞r即λ＞r。當(dāng)一部分流(n-k)被懲罰時(shí)，有：?k,s.t.λ/r(k)＞r(k)且 λ/r(k+1)≤r(k+1),即 r＜λ≤r。根據(jù)以上，擁塞函數(shù)可以展開如下。

其中，r=(r(1),r(2),…,r(n))是r=(r1,r2,…,rn)遞增序列的重新排列。當(dāng)負(fù)載不超過鏈路帶寬時(shí)，每個(gè)流都能正常輸出，此時(shí)路由器擁塞程度隨著負(fù)載的增大而加深，即輸出函數(shù)與負(fù)載成正比；當(dāng)負(fù)載超過鏈路帶寬時(shí)，路由器發(fā)生擁塞，部分流得不到完全的輸出，隨著負(fù)載的增加，路由器擁塞加深，吞吐量降低，此時(shí)輸出函數(shù)與負(fù)載成反比。因此輸出函數(shù)還可以用式（7）表示。由式（6）、（7）可得當(dāng)前路由器的單位權(quán)值服務(wù)量。

（3）單位權(quán)值服務(wù)量λ

單位權(quán)值服務(wù)量只在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)才需要計(jì)算，且λ和 f都是所有流隊(duì)列所共享的。其中，λ主要用于確定路由器的公平速率 f，f主要用于界定貪婪流和非貪婪流。也就是說，網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，當(dāng)輸入速率等于公平速率時(shí)，數(shù)據(jù)流全部輸出，即 vi=ri?λ/f=f?λ=f2；當(dāng)輸入速率大于公平速率時(shí)，執(zhí)行NWFQ算法；當(dāng)輸入速率小于公平速率時(shí)，輸出（轉(zhuǎn)發(fā)）速率等于輸入速率。

（4）公平速率 f

（5）興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)速率γi

因?yàn)榘l(fā)送興趣包/數(shù)據(jù)包是以包為單位，而令牌桶的實(shí)現(xiàn)是以字節(jié)為單位，因此在執(zhí)行完算法之后還需進(jìn)行上述單位轉(zhuǎn)換。

2.3 顯式反饋機(jī)制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，由于NDN的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)特性和帶寬的不同，一個(gè)興趣包可能產(chǎn)生多個(gè)反饋，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在大量的反饋和反饋引起的重傳，這樣不但會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)擁塞，還會(huì)增大終端和路由器的開銷。為了避免這種多次反饋問題，本文擴(kuò)展了ndnSIM1.0[14]中的興趣包，添加了兩個(gè)字段：懲罰速率(Penalty Rate)和擁塞貢獻(xiàn)(Congestion Contribution)，擴(kuò)展后的興趣包結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展之后的興趣包

虛線部分是因?qū)嶒?yàn)需要添加的兩個(gè)字段，其中，Penalty Rate是經(jīng)NWFQ算法計(jì)算得到的興趣包速率，Congestion Contribution是興趣包導(dǎo)致?lián)砣拇螖?shù)。請(qǐng)求端發(fā)送興趣包時(shí)，將懲罰速率R(Penalty Rate)初始化為興趣包的發(fā)送速率，擁塞貢獻(xiàn)CC(Congestion Contribution)置零，當(dāng)興趣包經(jīng)過一個(gè)路由器并且此路由器發(fā)生擁塞時(shí)，如果興趣包i的輸入速率ri超過了公平速率 f，就說明興趣包i的輸入速率過高，即認(rèn)為興趣包i對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞做出了“貢獻(xiàn)”，然后將懲罰速率R更新為NWFQ計(jì)算得到的轉(zhuǎn)發(fā)速率γi并將擁塞貢獻(xiàn)CC加1，即R=min(R,γi)。同時(shí)，向該興趣包進(jìn)入的接口發(fā)送擁塞通知NACK，NACK中封裝的是懲罰速率R，并且生存時(shí)間TTL=2，即只能轉(zhuǎn)發(fā)一跳。下游路由器收到NACK后，提取R作為新的令牌加入速率。這樣可以減少更多的興趣包/數(shù)據(jù)包進(jìn)入擁塞區(qū)域，暫時(shí)緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。但是這樣也有可能導(dǎo)致本來不擁塞的下游節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞，因此，為了從根本上解決擁塞，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況減低請(qǐng)求端的興趣包發(fā)送速率。

為了不產(chǎn)生多余的流量，本設(shè)計(jì)利用數(shù)據(jù)包將新的興趣包發(fā)送速率返回請(qǐng)求端。即當(dāng)興趣包找到匹配的數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查興趣包中的擁塞貢獻(xiàn)值，若大于零，就把擁塞信息字段復(fù)制到數(shù)據(jù)包中并按原路返回給請(qǐng)求端；若為零，則直接返回?cái)?shù)據(jù)包。這樣當(dāng)請(qǐng)求端收到數(shù)據(jù)包后，就可以取出R值，并把這個(gè)值作為新的興趣包發(fā)送速率。

由于網(wǎng)絡(luò)的鏈路帶寬不同，興趣包有可能連續(xù)被NWFQ算法所“懲罰”，但是懲罰速率R記錄的是興趣包最后一次被“懲罰”之后的速率（最小速率），所以請(qǐng)求端以速率R發(fā)送興趣包時(shí)，能將網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率降到最低。

3 仿真與分析

為驗(yàn)證NWFQ算法的有效性，本文在ndnSIM1.0中實(shí)現(xiàn)了NWFQ算法。ndnSIM是基于NS-3的模塊化的仿真工具，能仿真多樣化的部署場(chǎng)景，支持大范圍的NDN實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用圖4所示的單瓶頸鏈路拓?fù)?，其中，消費(fèi)者C1至C10以每秒3 000個(gè)興趣包的速率向數(shù)據(jù)生產(chǎn)者請(qǐng)求不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)請(qǐng)求服從齊夫分布，鏈路傳播時(shí)延均為10 ms，包緩沖區(qū)大小設(shè)置為帶寬和延遲的乘積。轉(zhuǎn)發(fā)策略采用BestRoute，緩存放置、替換策略分別采用LCE（Leave Cache Everywhere）和LRU（Least Recently Used）[15]。為了驗(yàn)證算法在網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下的性能，與文獻(xiàn)[4，10]中的ICP和HR-ICP進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考慮的性能指標(biāo)有：瓶頸鏈路利用率和丟包率。采用上述參數(shù)，分別仿真實(shí)現(xiàn)瓶頸帶寬從10 Mb/s增加到60 Mb/s時(shí)的仿真場(chǎng)景。

圖4 單瓶頸鏈路拓?fù)?/p>

因?yàn)镹WFQ算法需要計(jì)算各路由器的公平速率，但公平速率隨著流的數(shù)量也在發(fā)生變化。為了更好地論證算法的性能，有必要分析一下當(dāng)流數(shù)目變化條件下算法的穩(wěn)定性。場(chǎng)景二使用與場(chǎng)景一基本相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，但是模擬一個(gè)更加擁塞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。鏈路傳播時(shí)延設(shè)為30 ms，消費(fèi)者分別同時(shí)發(fā)送10～100條內(nèi)容大小為200個(gè)數(shù)據(jù)塊的流，分析該場(chǎng)景下的平均流完成時(shí)間。

圖5給出了消費(fèi)者在不同瓶頸鏈路帶寬時(shí)的瓶頸鏈路利用率。由圖中可見，隨著瓶頸帶寬的增加，NWFQ的瓶頸鏈路利用率逐漸上升并接近95%，這是由于NWFQ的主動(dòng)擁塞檢測(cè)機(jī)制和顯式反饋機(jī)制，使得NWFQ能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化。ICP的瓶頸鏈路利用率從85%快速降低到79%，這是因?yàn)镮CP采用擁塞窗口，慢啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致平均鏈路利用率較低；而且隨著瓶頸帶寬的增大，擁塞窗口和鏈路緩存區(qū)均增大，所以消費(fèi)者發(fā)送的興趣包增多，但是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)導(dǎo)致興趣包的排隊(duì)時(shí)間大大增加，相應(yīng)的RTT隨之增大，從而降低了ICP的瓶頸鏈路利用率。HR-ICP由于在ICP的基礎(chǔ)上增加了中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)擁塞的功能，能更好地利用帶寬，但是它仍然采用發(fā)送端的擁塞窗口來調(diào)節(jié)發(fā)送速率，且調(diào)節(jié)的幅度不確定，只是一種對(duì)可用帶寬的猜測(cè)，相比NWFQ直接將網(wǎng)絡(luò)允許的速率反饋回發(fā)送端，HR-ICP并沒有充分地利用帶寬。另外，在圖中可以看到，ICP曲線的波動(dòng)幅度較大，表明NWFQ和HR-ICP比ICP具有更好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)榛诼酚善鞯闹鹛螜C(jī)制相比基于發(fā)送端的擁塞窗口，前一種方式更適合NDN的傳輸方式。

圖5 瓶頸鏈路利用率

如圖6所示，ICP的丟包率最高，這是因?yàn)镮CP在丟包造成超時(shí)后才能檢測(cè)到擁塞并對(duì)其進(jìn)行處理。采用NWFQ算法時(shí)丟包率最低，這是因?yàn)镹WFQ將超過路由器閾值的興趣包/數(shù)據(jù)包緩存起來，留待稍后發(fā)送，而不是直接丟棄，這樣不僅可以平滑網(wǎng)絡(luò)流量，降低上游節(jié)點(diǎn)的擁塞，還能減少因突發(fā)流量造成的丟包。同時(shí)用數(shù)據(jù)包將網(wǎng)絡(luò)允許的發(fā)送速率帶回發(fā)送端，可以從源頭上解決擁塞。HR-ICP的性能介于兩者之間，由于HRICP相比ICP可以更快發(fā)現(xiàn)擁塞，因此可以及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)送窗口，避免大部分丟包。

圖7表示平均流完成時(shí)間隨著流個(gè)數(shù)增加的變化。由圖中可以看出隨著流個(gè)數(shù)的增加，ICP、HR-ICP和NWFQ的平均流完成時(shí)間均增加。且NWFQ的平均完成時(shí)間最短，表明NWFQ能更好地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。另外，從圖中可以看到當(dāng)流個(gè)數(shù)增加到40以后，平均流完成時(shí)間均大幅度增加，這是因?yàn)檫@時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。從圖中可以看到，NWFQ曲線斜率在80個(gè)流以后就逐漸趨于平滑，相比ICP和HR-ICP的增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明NWFQ能更快速地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化。

圖6 丟包率

圖7 平均流完成時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中的路由器隊(duì)列調(diào)度算法引入NDN并提出了一種新的擁塞控制算法NWFQ。該算法為每個(gè)路由器計(jì)算一個(gè)公平速率以區(qū)分貪婪流與非貪婪流，并通過懲罰函數(shù)來修改數(shù)據(jù)流的權(quán)重，進(jìn)而調(diào)整各數(shù)據(jù)流分到的帶寬。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以對(duì)資源進(jìn)行盡可能公平的分配。NWFQ還提出了一種能有效減少反饋與重傳次數(shù)的顯式反饋機(jī)制。仿真結(jié)果表明該算法在保持高鏈路利用率的同時(shí)，擁有較低丟包率和較短平均流完成時(shí)間，能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的QoS性能。

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