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    基于排隊時延主動探測的多路傳輸擁塞控制

    2021-03-23 09:38:28趙靜靜衷璐潔
    計算機工程與設計 2021年3期
    關鍵詞:接收端吞吐量增量

    趙靜靜,衷璐潔

    (首都師范大學 信息工程學院,北京 100048)

    0 引 言

    不同于傳統(tǒng)TCP,MPTCP[1]是一種端到端的多路通信,它將一條數(shù)據(jù)流劃分為多條子流,通過多條鏈路同時進行傳輸實現(xiàn)吞吐量提升。在無線移動網(wǎng)絡不斷進步的今天,智能手機終端普遍同時支持LTE和Wi-Fi[2]。針對MPTCP與TCP資源共享公平性問題,需要將子流往返時延不同的情況納入考慮,根據(jù)各子流RTT的不同情況來控制擁塞窗口變化速度。同時,應充分考慮子流間擁塞程度差異,避免在子流間出現(xiàn)跳躍引起鏈路抖動問題,而通過對RTT進行主動探測,在數(shù)據(jù)流未擁塞至丟包狀態(tài)時即實施擁塞控制,調(diào)整擁塞窗口大小,可有效減少分組丟失,對此,本文提出PPQD擁塞控制算法。通過在每條鏈路上使用一個窗口強度增長控制因子,實現(xiàn)各子流擁塞窗口的適時動態(tài)調(diào)整,避免擁塞窗口大波動的出現(xiàn),提高鏈路帶寬利用率。

    1 相關工作

    1.1 MPTCP設計要求

    目前,MPTCP的多路徑特性對擁塞控制算法提出了新的要求,對此IETF工作組在制定MPTCP規(guī)范時對吞吐量、公平性及擁塞控制等方面提出了幾點要求請參見文獻[3]。

    1.2 MPTCP公平性

    針對如何利用多條可用路徑進行高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},直接的方案是對已有單路徑傳輸控制協(xié)議[4]進行功能上的擴展,即針對每條可用路徑上的各條子流,都獨立地執(zhí)行單路徑傳輸控制協(xié)議。但由于n條子路徑的多路徑流占用的瓶頸帶寬一般為單路徑流的n倍,當瓶頸帶寬幾乎完全被多路徑流霸占時,就會產(chǎn)生單路徑流帶寬饑餓現(xiàn)象,這樣的情形會引發(fā)公平性問題。

    目前關于多路徑公平性的相關研究中,Uncoupled的算法思想請參見文獻[4],該算法在當這些子流共享同一瓶頸帶寬時,會表現(xiàn)出較為嚴重的侵略性,令網(wǎng)絡環(huán)境惡化。C.Raiciu等[5]提出的LIA算法,根據(jù)擁塞窗口大小wr、 總擁塞窗口大小wtotal和侵略因子α的值來動態(tài)分配各子流的擁塞窗口,實現(xiàn)了子流侵略性避免的動態(tài)控制。在該算法中,侵略因子考慮各子流RTT不相等的情況,用1/wr來控制擁塞窗口增長的上限,可有效制止各子流搶占更多的TCP鏈路流量,保障瓶頸鏈路上公平的帶寬競爭。但LIA算法在子流擁塞程度差異不大時,會產(chǎn)生子流間的跳躍現(xiàn)象,引發(fā)“抖動性”問題。因此,提前探知網(wǎng)絡狀態(tài)減少擁塞窗口的抖動是提升吞吐量性能的重要前提。

    1.3 基于時延的MPTCP擁塞反映機制

    擁塞反映機制是擁塞控制研究中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)基于丟包作為網(wǎng)絡擁塞的信號反映不夠及時[6,7],而RTT更具可變性,反應也更為靈敏[8]。Brakmo等[9]提出一種單路徑TCP擁塞控制算法TCP Vegas,通過測量鏈路RTT來進行擁塞區(qū)分。該算法在RTT變大時,認為網(wǎng)絡擁塞發(fā)生,隨后開始減小擁塞窗口,當探測到RTT減小時,認為網(wǎng)絡擁塞逐步解除,當前鏈路傳輸性能轉好,于是增大擁塞窗口提高發(fā)送速率。Cao等將Vegas的思想引入至MPTCP中,提出了基于時延的MPTCP擁塞控制算法w Vegas(weighted Vegas)。w Vegas算法思想請參見文獻[10]。對于存在緩存、RTT增大的網(wǎng)絡環(huán)境,w Vegas算法仍會在網(wǎng)絡未擁塞的情況下降低相應子流的擁塞窗口,而由于網(wǎng)絡未擁塞,單路徑TCP不會降低自己的擁塞窗口,如此反復,w Vegas會引起帶寬競爭力下降,傳輸效率也會隨之受到影響。

    2 基于主動探測排隊時延的MPTCP擁塞控制方法(active detection of queuing delay,PPQD)

    在無線移動網(wǎng)絡場景中,一個移動用戶可同時通過Wi-Fi和4G等多種方式訪問互聯(lián)網(wǎng)。發(fā)送端(sender)和接收端(receiver)之間傳輸數(shù)據(jù)的往返時延RTT計算方法請參見文獻[11]。

    圖1給出了在無線移動網(wǎng)絡場景中MPTCP的一條鏈路i從連接到接收ACK確認的過程。其中,Qd,i(t) 和Pd,i(t) 分別表示t時刻數(shù)據(jù)在路由器緩存的排隊時延和系統(tǒng)處理時延;Td,i(t) 表示t時刻數(shù)據(jù)在鏈路i上的傳播時延;d為往返時延。

    圖1 鏈路i上的數(shù)據(jù)傳輸時延

    定義1 前向時延(the forward delay,F(xiàn)D):假定子流s上數(shù)據(jù)從發(fā)送端S流經(jīng)了n-1個路由達到接收端R,t時刻前向時延記作FD(t),如式(1)所示

    (1)

    定義2 后向時延(the backward delay,BD):假定子流s上數(shù)據(jù)從接收端S通過m-1個路由器將ACK反饋給發(fā)送端R,t時刻后向時延記作BD(t),如式(2)所示

    (2)

    往返時延RTT由前向時延及后向時延組成,如式(3)所示

    RTT(t)=FD(t)+BD(t)

    (3)

    在不考慮路由改變的情況下,網(wǎng)絡中排隊時延可以用來感知網(wǎng)絡擁塞的狀態(tài)。為了計算鏈路的排隊時延需先計算往返時延RTT。對此,本文提出將TCP Vegas基于時延的擁塞窗口動態(tài)調(diào)整方法與MPTCP融合,設計并實現(xiàn)了基于主動探測排隊時延的MPTCP擁塞控制方法PPQD,方法框架如圖2所示。PPQD方法采用二次指數(shù)平滑預測法對往返時延實施平滑預測,然后根據(jù)往返時延預測排隊時延,以排隊時延與其均值的比較結果反映網(wǎng)絡擁塞情況,并據(jù)此指導擁塞窗口的動態(tài)調(diào)整。

    圖2 PPQD整體框架設計

    基于主動探測排隊時延的MPTCP擁塞控制(congestion control based on proactive probing of queuing delay,PPQD)方法由:(Ⅰ)RTT主動探測(RTT_Probing);(Ⅱ)RTT平滑處理(RTT_Smoothing);(Ⅲ)排隊時延主動探測(QRTT_Probing)及(Ⅳ)擁塞窗口自適應調(diào)整(Cwnd_Adjusting)幾個部分組成。其中,RTT_Probing主要負責主動探測鏈路RTT信息的提取,主要實現(xiàn)方式為:開啟時間戳,記錄數(shù)據(jù)包發(fā)送及到達時間對RTT信息進行主動探測;RTT_Smoothing主要負責平滑預測鏈路RTT,實現(xiàn)RTT平滑化,并在對RTT完成平滑處理后,將二次指數(shù)平滑后的值RTTpre反饋給QRTT_Probing;QRTT_Probing主要負責主動探測鏈路排隊時延信息的提取,通過計算緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)量和鏈路帶寬,對排隊時延信息進行求解預測,然后將排隊時延與通過RTT均值計算出的排隊時延均值進行對比來提前探測鏈路狀態(tài),并反饋鏈路狀態(tài)信息給Cwnd_Adjusting;Cwnd_Adjusting則主要負責完成擁塞窗口的自適應調(diào)整,使用一個窗口強度增長控制因子,動態(tài)調(diào)整每一條鏈路的擁塞窗口。

    3 方法描述

    3.1 鏈路RTT主動探測(RTT_Probing)

    提前探測排隊時延信息,需要主動探測鏈路RTT,RTT_Probing模塊使用基于時間戳的主動探測方法。首先向MPTCP網(wǎng)絡注入一定長度的探測包并設置一個時間戳,然后等待來自于接收端的響應。通過計算探測包的到達時間與發(fā)出時間差值獲取鏈路響應時間。在此過程中,為更準確地獲取鏈路RTT,需要將發(fā)送端發(fā)送對應ACK前所消耗的響應時間納入考慮。圖3給出了考慮發(fā)送端響應時間的RTT主動探測過程。圖中T1表示發(fā)送端發(fā)送探測包的時刻;T2表示接收端接收探測包的時刻;T3表示發(fā)送端接收到探測包及ACK到發(fā)送對應的ACK前所消耗的時間段,即發(fā)送端的響應時間;T4表示發(fā)送端發(fā)送該探測包的ACK的時刻。

    圖3 考慮發(fā)送端響應時間的RTT主動探測

    一個有效考慮發(fā)送端響應時間的RTT(i) 主動探測過程由一個4元組組成,RTT(i)={P,I,R,T3},其中:

    (1)P是一個探測包的有限序列的集合,p(i) 是P中的第i個探測包。

    (2)I是單調(diào)增函數(shù),定義為:I∶P→S。S為發(fā)送端發(fā)送探測包的時間,I決定發(fā)送探測包到潛在的接收端的時間序列。

    (3)R為所有響應包的時間戳函數(shù),定義為:R∶P→T。T為發(fā)送端接收探測包和ACK后向接收端響應ACK的時間,R決定了發(fā)送端接收探測包和ACK后向接收端響應ACK時的帶有時間戳的探測包時間序列[12]。

    (4)T3(i)表示發(fā)送端接收到探測包i及ACK到發(fā)送對應的ACK前所消耗的時間段。

    考慮發(fā)送端響應時間的RTT(i) 的計算方法如式(4)所示

    RTT(i)=R(p(i))-I(p(i))-T3(p(i))

    (4)

    3.2 RTT平滑化(RTT_Smoothing)

    為避免因丟包導致探測值產(chǎn)生大幅度的波動,保障RTT的平滑性,本文采用二次指數(shù)平滑預測模型對RTT_Probing模塊獲取的RTT探測值進行平滑處理。RTT平滑處理模塊RTT_Smoothing主要由一次指數(shù)平滑處理和二次指數(shù)平滑處理兩個階段組成。

    (1)一次指數(shù)平滑處理(RTT_Smoothing_FP)

    為消除RTT探測值的短期上升或下降波動,首先對呈線性變化趨勢的RTT時間序列進行一次指數(shù)平滑處理。定義RTT_Probing模塊探測所得到的樣本值為時間序列觀測值,假設時間序列為x1,x2,…,xn(n為時間序列長度),區(qū)間[1,n]為時間序列的觀測期,當時間序列的觀測期n>n0時 (n0=15,經(jīng)過大量實驗驗證,當觀測期大于15時,誤差較小且趨于穩(wěn)定,探測精度更高),初始值對預測結果的影響很小,此時選取第一次觀測值作為初始值,之后,根據(jù)鏈路RTT的進一步探測結果,選取BaseRTT作為平滑往返時延的初始值,BaseRTT的計算方法如式(5)所示

    BaseRTT=min{RTT(i),T0}

    (5)

    式中:RTT(i) 由式(4)計算所得,T0為路由器緩存為空時的往返時延,也是所有觀測往返時延的最小值。

    (6)

    (2)二次指數(shù)平滑處理(RTT_Smoothing_SP)

    (7)

    之后,計算第t+T時刻的RTT預測值

    (8)

    式中:α為平滑系數(shù),T為t時刻到預測時刻的間隔時刻數(shù)。RTTpret+T預測結果由RTTpre表示。具體算法描述如算法1所示。

    算法1: RTT_Smoothing

    輸出: 第t時刻的RTT二次平滑值

    (1) for 任一MPTCP連接的子流ido

    (2) if 子流i收到ACK then

    (3) 獲取RTT_Probing模塊RTT探測值;

    (4) RTT探測值進行一次指數(shù)平滑處理;

    (5) RTT探測值進行二次指數(shù)平滑處理;

    (6) 更新RTT序列;

    (7) end if

    (8) returnRTTpre;

    (9) end for

    其中,行(3)~行(5)完成對獲取的RTT的探測值進行平滑化處理;行(6)、行(7)負責對處理后的RTT觀測區(qū)間值進行更新存儲;行(8)負責將計算完成后的最終平滑處理結果RTTpre傳遞給QRTT_Probing模塊,用于排隊時延的主動探測。

    3.3 排隊時延主動探測(QRTT_Probing)

    在實時無線移動網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡反饋時延的情況不可避免,傳統(tǒng)MPTCP“加性增、乘性減”算法在執(zhí)行一段時間后,各子流上的排隊時延將存在巨大差異,導致周期性的振蕩。為削弱反饋時延,弱化由此引起的振蕩,本文提出采用排隊時延的平滑預測值而不是實測值來驅(qū)動擁塞控制算法。考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包的發(fā)送、詢問、響應等一系列動作都與鏈路排隊時延相關,而排隊時延均值相較于最大排隊時延及最小排隊時延具有相對穩(wěn)定,可更好反映網(wǎng)絡性能優(yōu)勢,故在排隊時延主動探測模塊QRTT_Probing中將包含鏈路排隊時延探測值計算、RTT均值計算以及排隊時延均值計算等3個部分。

    (1)排隊時延探測值計算

    鏈路i的排隊時延主動探測值QueuingDelaypre計算方法如式(9)所示

    (9)

    式中:B表示當前占用緩沖區(qū)的大小為D的數(shù)據(jù)包數(shù)量,RTTpre為經(jīng)RTT_Smoothing平滑處理后的反饋值。wr表示擁塞窗口大小。

    (2)RTT均值計算

    (10)

    式中:m_sumRTT表示鏈路i從傳輸開始到傳輸結束的RTT總和,m_cntRTT表示在傳輸過程中RTT的增量。

    (3)排隊時延均值計算

    (11)

    算法2: QRTT_Probing

    輸入: B,S,wr,RTTpre

    (1) for 任一MPTCP連接的子流ido

    (2) if 子流i收到ACK then

    (3) 計算QueuingDelaypre;

    (4) 計算RTT均值;

    (5) 由RTT均值計算排隊時延均值;

    (6) end if

    (7) returnQueuingDelaypre;

    (9) end for

    3.4 擁塞窗口自適應調(diào)整(Cwnd_Adjusting)

    MPTCP擁塞控制通常采用“加性增、乘性減”的策略對擁塞窗口wr進行調(diào)整,采用各個子流獨立進行擁塞控制的原則,依照各個子流傳輸情況,當收到接收端響應的新的ACK消息,其對應子流的wr將呈線性增加,當收到3個重復的ACK消息后,觸發(fā)擁塞控制算法,調(diào)整子流wr按比例減少。這種策略聚合每條子流的可用帶寬,當MPTCP多路徑流與TCP單路徑流同時使用某網(wǎng)絡資源時,MPTCP流占用的容量應不多于TCP流所占用的容量,以保證MPTCP的公平性要求。但各子流的時延由于wr的調(diào)整會出現(xiàn)巨大差異,導致周期性的振蕩發(fā)生,令有效吞吐量急劇下降。

    為了削弱因為時延差異所引起的鏈路震蕩,提升MPTCP的有效吞吐量,本文提出一種基于排隊時延主動探測的擁塞控制策略,在每條鏈路上使用一個擁塞窗口強度增長控制因子δ(δ取經(jīng)驗值0.9),并根據(jù)鏈路擁塞程度實施擁塞窗口的自適應調(diào)整。

    若排隊時延探測值大于排隊時延均值,即使發(fā)送端沒有收到3次重復的ACK,也會實施相應的擁塞窗口減小策略。若排隊時延的探測值小于排隊時延均值,實施擁塞窗口自適應調(diào)整策略,動態(tài)增加擁塞窗口。具體方法如下:

    (12)

    (13)

    其中,wr表示擁塞窗口大小,wr+1表示下一時刻的擁塞窗口值,1/wr用來控制擁塞窗口增長的上限,確保與TCP流之間的公平性,wtotal表示所有子流實時擁塞窗口之和,α表示控制MPTCP流對TCP流侵略性的常量因子,定義如下

    (14)

    算法具體描述如算法3所示。

    算法3: Cwnd_Adjusting

    初始化:BaseRTT

    輸出: 完成擁塞窗口的自適應調(diào)整

    (1) for 任一MPTCP連接的子流ido

    (2) if 子流i收到ACK then

    (3) //對比預測排隊時延及其均值

    (5) //則判斷鏈路無擁塞,增加擁塞窗口:

    (7) }else

    (8) {//則判斷鏈路擁塞,減小擁塞窗口:

    (10) }end if

    (11) end if

    (12) end for

    其中,行(2)、行(3)負責子流i收到ACK后的預測排隊時延及其均值的對比;行(4)~行(7)根據(jù)排隊時延預測值及其均值的對比判斷結果實施擁塞窗口的增加策略;行(8)~行(10)負責實施擁塞窗口的減小策略。

    4 實驗結果及分析

    4.1 實驗參數(shù)設定

    本文實驗環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @ 3.6 GHz,搭載8 GB內(nèi)存,操作系統(tǒng)使用Ubuntu16.04,仿真實驗平臺采用NS-3,實驗拓撲及參數(shù)設定如圖4所示。

    圖4 實驗拓撲及參數(shù)

    實驗拓撲包含雙接口的手機終端,采用Wi-Fi和LTE雙路徑進行并行傳輸,其中:路徑1上的平均帶寬設置為15 mbps,2 ms的傳播時延,路徑2上的平均帶寬設置為10 mbps,1 ms的傳播時延。仿真中有線鏈路的帶寬設置為2.4 Gbps,時延設置為10 ms,分組大小固定為1000 Byte。實驗以FTP業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸為例,仿真覆蓋慢啟動、擁塞避免及快重傳階段,以1 s為單位實施擁塞窗口及時延統(tǒng)計。

    4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

    4.2.1 鏈路狀態(tài)評估

    在無線移動網(wǎng)絡中,時延是一項重要的網(wǎng)絡服務質(zhì)量性能指標。對連續(xù)的實時應用而言,時延方差大小可以作為鏈路狀態(tài)評估的指標,時延方差越小鏈路狀態(tài)越好。本文選取LIA和Uncoupled作為比較對象,對多路徑鏈接下的時延方差進行了對比,如圖5所示。其中,PPQD算法的時延方差為7 896 490.816;LIA算法的時延方差為7 903 261.904;Uncoupled算法的時延方差為7 900 358.802。相較于LIA和Uncoupled算法,由于RTT的提前探測和平滑化處理,PPQD算法可更好地減弱RTT振蕩,抑制RTT波動。

    圖5 RTT方差對比

    4.2.2 公平性評估

    圖6給出了網(wǎng)絡共享瓶頸場景的相關設置。其中,S1、S2代表數(shù)據(jù)發(fā)送端,F(xiàn)1、F2代表多路徑兩條子流;單路徑流TCP和兩條子流共享一條瓶頸路徑;瓶頸路徑帶寬B設置為15 Mbps;時延D設置為2 ms;丟包率P設置為0.1%。3條路徑同時進行數(shù)據(jù)傳輸。

    圖6 共享瓶頸場景

    圖7給出了共享瓶頸處TCP流及兩條PPQD子流PPQD-F1和PPQD-F2的吞吐量數(shù)據(jù)。其中,TCP單路徑流平均吞吐量為7.52 Mbit/s,PPQD-F1和PPQD-F2多路徑流的平均吞吐量為7.49 Mbit/s。MPTCP各子流的平均吞吐量與TCP單路徑流的平均吞吐量接近,相差甚微。

    圖7 共享瓶頸處TCP流和PPQD子流吞吐量

    此外,本文還分別統(tǒng)計了PPQD、LIA和Uncoupled這3種算法的多路徑連接吞吐量數(shù)據(jù),如圖8所示。其中,PPQD算法所獲得的平均吞吐量為6.58 Mbps,LIA算法所獲得的平均吞吐量為5.17 Mbps,PPQD算法的平均吞吐量性能優(yōu)于LIA算法。與此同時,Uncoupled算法平均吞吐量為10.63 Mbps,占用了約70.8%的帶寬容量,相較于LIA算法和PPQD算法,該算法在共享瓶頸處表現(xiàn)出了較強的侵略性。

    圖8 實時吞吐量

    4.2.3 網(wǎng)絡性能評估

    (1)丟包后吞吐量變化

    在表1中給出了PPQD、LIA和Uncoupled在發(fā)生鏈路丟包前后的實時吞吐量數(shù)據(jù)。其中,在[14 s,16 s]區(qū)間內(nèi),PPQD算法的實時吞吐量從6.4 Mbps增加至6.82 Mbps,增量為6.56%,LIA算法的實時吞吐量從4.9 Mbps變化為5.01 Mbps,增量為0.11%,Uncoupled算法的實時吞吐量從11 Mbps變化為11.32 Mbps,增量為2.9%;之后的兩次丟包,PPQD算法的實時吞吐量增量分別為26.1%和17.4%,LIA算法的實時吞吐量增量分別為6.94%和4.07%,Uncoupled算法的實時吞吐量增量分別為6.18%和9.22%。相較于LIA算法和Uncoupled算法,PPQD算法表現(xiàn)出了更好的網(wǎng)絡狀態(tài)應對及性能恢復能力。

    表1 鏈路丟包后實時吞吐量增量

    (2)擁塞窗口變化

    擁塞窗口在MPTCP建立新的連接和慢啟動階段的原理請參見文獻[13],當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞進入擁塞避免階段后,擁塞窗口會迅速減小,當數(shù)據(jù)包超時時,重新進入慢啟動,擁塞窗口會慢慢恢復。

    在數(shù)據(jù)傳輸過程中,PPQD算法的實時擁塞窗口整體大于LIA算法和Uncoupled算法。如圖9所示,在12.6153 s,15.7773 s和24.9913 s時鏈路發(fā)生丟包現(xiàn)象,各算法的擁塞窗口及吞吐量均有所下降。在12.6153 s到15.7773 s的時間區(qū)間內(nèi),PPQD算法的擁塞窗口從72 285 bit上升至85 615 bit,增量為13 330 bit;Uncoupled算法的擁塞窗口從67 519 bit上升到74 659 bit,增量為7140 bit;LIA算法的擁塞窗口從62 753 bit上升至65 182 bit,增量僅為249 bit。第2次丟包發(fā)生后,PPQD算法的擁塞窗口增量為24 146 bit;Uncoupled算法擁塞窗口增量為14 121 bit;LIA算法擁塞窗口增量僅為5049 bit;第3次丟包發(fā)生后,PPQD算法的擁塞窗口增量為17 253 bit;Uncoupled算法的增量為10 306 bit;LIA算法的增量僅為3360 bit??傮w而言,PPQD算法表現(xiàn)出了較Uncoupled算法和LIA算法更強的擁塞窗口調(diào)節(jié)能力。

    圖9 擁塞窗口變化

    5 結束語

    本文針對多路傳輸中因網(wǎng)絡擁塞所引發(fā)的排隊延遲導致的分組延遲抖動及公平性問題,提出一種基于排隊時延主動探測的擁塞區(qū)分鏈路質(zhì)量優(yōu)化協(xié)議PPQD,以滿足多路徑流公平性為基礎,實施鏈路RTT主動探測,以排隊時延預測結果及其均值比較為依據(jù)提前探知網(wǎng)絡狀態(tài),并相應實施擁塞窗口動態(tài)調(diào)整,以解決鏈路抖動問題。仿真實驗結果表明,PPQD相較于LIA和Uncoupled能夠更好地實現(xiàn)TCP單路徑流和多路徑流在共享瓶頸處可用帶寬的公平分配,減少時延抖動,提升吞吐量。

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