并行多路傳輸路徑質量評估模型

陶 洋，周 玄

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065）

0 引 言

近年來，無線通信技術已經經歷了一個極度快速的發展。通過最近科學技術的支持，移動設備也變得越來越智能，許多設備都已經裝有多網絡接口［1］。通過無線網絡，各個領域的大量日益復雜的服務和應用，包括商業和娛樂，都被廣泛提供給這些移動設備的用戶，并且充分利用無處不在的訪問支持［2，3］。然而，無線網絡環境的異構性要求額外的方案去解決平滑高質量的服務配置［4］。SCTP 的多穴特性［5］和其動態的重構擴展［6］使其在無線異構網絡中支持高效的數據傳輸，包括無縫切換，都有著廣闊的發展前景。

CMT 利用SCTP的多穴特性同時分配數據，在多條獨立的端到端的路徑上傳輸［7］。裝有多網絡接口的移動設備可以利用CMT 來獲得帶寬聚合，以提高數據的吞吐量、帶寬源利用以及系統的魯棒性［8］。CMT 被認為是異構無線網絡中有嚴格時延和丟包率限制要求的實時多媒體流應用的理想解決方案［9，10］。

然而，仍有許多SCTP CMT 的挑戰需要解決。經典的CMT 策略主要用統一循環的方法分割所有路徑中的SCTP數據包，就帶寬、時延以及其它QoS 相關網絡參數而言，不考慮路徑質量的差異性。在無線異構網絡中，用這種盲目的循環方法調度數據塊毫無疑問的會引起嚴重的問題。因此，CMT 經常遭受重大接收端緩沖區阻塞問題，這必將降低系統的傳輸效率。無序數據和選擇應答 （SACK）段的增加會導致更多不必要的快速重發，擁塞窗口［11］數量的進一步減少和由于SACKs引起的更高的開銷。

目前，CMT已經引起了大量學術研究的興趣。Dreibholz等［12］在IETE中研究了連續不斷的SCTP標準化進程，且在并行多路徑傳輸和安全領域給出了活動和挑戰的總體概述。Wallace等［13］提出SCTP的綜合回顧，并討論了3個相關領域的貢獻：并行多路徑傳輸、切換管理和跨層活動。CMT 被高度評價為在基于多穴SCTP的環境中最熱門的研究之一。

Huang等［14］提出一種快速重傳策略，在車載網中，通過使用CMT 繼電器網管 （RG－CMT）來處理包丟失。當包由于移交而發生丟失時，RG－CMT 從繼電器網管到車輛實現快速重傳，這將會節約傳輸時間和帶寬。仿真和分析結果顯示，在無線自組織網絡中，WCMT－SCTP 可以大大提高系統的吞吐量。

Natarajan等［15］提出一種具有潛在失效狀態的CMT。一條經歷過單一超時的路徑就被標示為 “潛在失敗”（PF），表明這條路徑的通信可靠性存在疑問。一條PF路徑是不會用來傳輸數據的，直到它返回完全活躍狀態。CMT－PF 減少了鏈路失敗的探測等待時間，提高了CMT 的吞吐量。然而CMT－PF用的是和CMT 同樣的循環時間表對所有路徑均等的分配數據包，并沒有考慮它們不同的處理能力。

由于異構無線網絡中的多穴通信，時延、帶寬和替代路徑的丟包率都是不同的。如果使用一個循環數據交付策略，較慢路徑就很容易超負荷，而較快路徑仍處于未充分利用狀態。為避免不平衡的傳輸，減少接收端的數據亂序，減緩由于使用不同路徑并行傳輸導致的接收端緩沖區阻塞問題，本文提出一種在異構無線網絡中用于數據交付的并行多路傳輸路徑質量評估模型，本模型主要貢獻如下：①精確的感知每條路徑當前的傳輸狀態，并實時評估每條路徑的數據處理能力；②根據不同路徑對數據的處理能力動態分配數據流量，實現路徑充分利用。

1 路徑質量評估模型 （PQEM）

本文提出的路徑質量評估模型，通過選擇一個合理的估計區間來計算每條路徑進入和離開發送端緩沖區的數據處理速率，以描述了每條路徑的通信質量。任何一個不良狀況，包括丟包率、鏈路時延、路由器緩沖區的大小、信道容量、其它數據量的數量等等，都引起路徑處理能力的性能下降。PQEM 用了一個綜合的評估方法來反應以上因素在通信質量方面的影響。PQEM 發送端緩沖區的數據處理速率描述了更好的端到端的數據交付情況，因為它更短的估計時間能使它更及時的反應當前路徑的通信狀態。此外，分配數據進入和離開發送端緩沖區時間區間的采樣值可以通過預測路徑質量變化趨勢輕松獲得。

1.1 路徑質量因子的確定

RTT 通常用作路徑質量估計最重要的參數，其計算涉及到數據傳輸時間、數據在接收端的處理時間和SACK 傳輸的時間。在CMT 中，SACK 可以在不同的路徑上傳輸，因此有不同的時延，從而導致錯誤的RTT 估計。此外，通過計算每條路徑上發送每個包的RTT 單個采樣方法不能正確反映RTT 的變化過程，也不能很好的估計路徑質量變化的趨勢。CMT－QA 不直接利用RTT 信息來分配在發送端等待的數據，相反，PQEM 根據分配數據的發送情況，把發送數據的總時間劃分成不同的時期。PQEM 收集發送的數據量，并計算發送數據和接收其相應SACKs的時間間隔，以上過程就是用來計算進入和離開發送端緩沖區的分布式數據的速率。通過這種方法，傳輸層就可以很好的估計每條端到端路徑的傳輸能力。

當前的CMT 主張共享一個發送端緩沖區，這就不可能獲得每個路徑的通信信息。與此同時，發送端也可能發生傳輸阻塞。當數據塊被發送到接收機時，直到發送端接收到ACK，這些數據塊才被存儲在發送端緩沖區，并被標注有突出地位。當路徑中存在重大傳輸能力差異時，共享發送端緩沖區中的較慢路徑就會經常出現充滿標有突出地位的數據塊。在這種情況下，即使當前的擁塞和流控制機制允許，也沒有新的數據塊可以在快的路徑上進行傳輸。為了正確的估計每條路徑的質量，提高傳輸效率，在PQEM中，共享發送端緩沖區被分成兩部分。一部分是每條路徑的個人發送子緩沖區，另一部分是每個路徑連接獨立管理其自己發送子緩沖區。PQEM 用一個動態的緩沖區分配機制，根據路徑當前的傳輸能力來為每條路徑分配不同的緩沖區空間大小。

基于以上為多路徑單獨發送緩沖區的結構設計，我們可以用式 （1）來計算路徑的質量

式中：Tfi是一組分布式數據塊中第一個數據塊進入路徑i的發送端緩沖區的時間，它可以通過記錄數據塊進入發送端的時間獲取。Tli是一組分布式數據塊中最后一個數據塊離開路徑i的發送端緩沖區的時間，Tli可以通過記錄數據塊在發送端相應的SACK 離開時間來獲取。緩沖區大小就表示路徑i發送端緩沖區的大小，在傳輸過程中，首先被數據塊占用，然后又被釋放出來，即在一段特殊時期內，單位時間進入和離開路徑i的發送端的數據量。Qi表示路徑i的發送端緩沖區的數據處理速率。Qi的值越小，表示當前路徑i的質量就越高。路徑i的緩沖區大小反應了當前路徑i在整個發送數據過程中的通信狀態。

1.2 路徑質量因子的采樣

確定了路徑質量因子，接下來就應該確定多長時間來計算和更新路徑i的估計值Qi。在無線的情況下，如果這個估計區間太短了 （例如短于或者和RTT 一樣短），那么當數據塊由于無線網絡情況發生變化而導致的數據塊隨機丟失時，它也許就不能正確的反應路徑的狀況。但是，如果估計間隔設置太長，它又不能及時的反應動態的路徑狀態。因此，間隔需要基于歷史信息，并且選擇一個合適長度的間隔來精確的更新Q 的值。置信區間的值被廣泛用來量化統計不確定性。基于先前的序列統計樣本，PQEM 使用置信區間來確定下一個間隔，并計算Q 的值。我們選擇沒有包丟失的時間間隔作為樣本。起初，PQEM 需要3次間隔作為初始樣本。如果發生包丟失的情況，那么從第一個包進入發送端到包丟失前的最后一個包進入發送端的時間段作為一個樣本。圖1就描述了這個抽樣的過程。

圖1 收集一個間隔樣值

采樣算法顯示了路徑i的樣本是怎樣采集的。每一條路徑都有一個相關的個體重傳計時器T3－rtx，以確保在沒有收到接收端任何反饋信息時進行數據交付。在數據分配區間，當第一個數據塊被發送出去的時候，它的發送時間記為一個成功傳輸時間區間的初始時間。當一個數據塊被發送到任何一條路徑時 （包括重傳），如果和那條路徑相關聯的T3－rtx計時器還沒有開始工作，發送端就啟動計時器，以便它超時重傳后就失效。如果哪條路徑的時間計時器已經開始運作，當一個優秀的數據塊在早些時候被送來重傳時，發送端就要重啟計時器。每當收到一個SACK 時，就表示收到了來自此路徑的一個有優秀傳輸序列號的數據塊，這時，這條路徑的T3－rtx計時器就需要用它當前的RTO（超時重傳時間）來重新啟動 （如果這條路上仍有一個優秀的數據）。如果所有的優秀的數據都被送到一條路徑上，并且已經得到認可，那這條路徑的T3－rtx計時器就可以關閉了。如果這個數據塊通過累計ACK 并且得到認可，它就能從發送端的重傳隊列緩沖區中移除。如果出現包丟失的情況，不管是被RTO 探測到，還是被連續不斷的SACKs報道，發送端都應該立刻重傳丟失的數據塊以減輕重新排序。在丟包的情況下，最后一個數據塊的時間戳 （指示發送時間）被記為一個成功數據傳輸區間的結束時間。在收集了最新的數據之后，我們就需要重新計算這條路徑的處理能力，并且更新Q 值。Q 值的更新分兩種情況：包丟失的情況和考慮置信區間的情況。

采樣算法：收集一個采樣

1：對于任一目的地址di，初始化di.初始數據＝TRUE；END＝0；

2：while（！END）

3： if（di.初始數據＝＝TRUE）

4： 記錄當前時間作為初試時間

5： di.初始數據＝FALSE；

6： end if

7： 傳輸一個數據塊

8： 記錄當前時間作為數據塊的時間戳；

9： if（di.rxt時間計時器已經啟動＝＝FALSE）

10： 啟動T3－rtx時間計時器

11： di.rxt時間計時器已經啟動＝TURE；

12： end if

13： if（杰出數據的應答到達）

14： 重啟T3－rtx時間計時器

15： end if

16： if （T3－rtx 時 間 計 時 器 在RTO 后 期 滿｜｜SACK 報告4次丟失）

17： 記錄最后一個數據塊的時間戳作為結束時間

18： END＝1；

19： 立刻重傳；／＊發生丟包＊／

20： end if

21：end while

22：計算區間采樣 （結束時間－開始時間）

如上文算法所示，在收集樣本后，通過與歷史區間樣本相結合，我們可以計算出每條路徑的置信區間。假設一條路徑的時間間隔樣本為x1；x2；x3；…；xn，我們就可以使用下面的公式計算出時間間隔樣本的平均值

式中：xi——每一個時間樣本都沒有出現丟包的成功傳輸區間，N——樣本數量，——平均時間間隔。

式 （2）描述了計算平均值的基本公式。為避免在發送端存儲所有收集到的樣本，我們可以用一個迭代的方法去計算時間迭代平均值

相似的，式 （4）就可以用來計算標準差

式中：xi——每一個采樣都沒有丟包的成功傳輸間隔。N——樣本的數量，——平均的時間間隔，SN——所有樣本的標準差。

式 （4）是計算樣本標準差的一個基本公式。我們也可以用迭代的方法去計算標準差以避免在發送端存儲所有的樣本，以減小計算復雜度

式 （5）顯示，我們可以用4個變量來計算信的標準差SN＋1：先前的時間標準差SN、先前的平均時間間隔、當前的時間樣本xN＋1和先前的樣本數量N。

當計算一個成功傳播的變異系數 （標準差／平均值）后，我們就可以適用這個估計區間。在從式 （3）和式 （5）中獲得平均值和標準差后，就可以用中心極限定理來計算置信區間

式中：N——樣本數量，1－α——置信標準。S是所有樣本的標準差。——所有樣本的平均值。

假設沒有丟包傳輸的概率設置為98%，即α ＝0.02。如表1 所示，我們就可以用查表的方法得到Z1－α2 ＝2.326。因此，我們就可以獲得置信區間u，并作為進一步評估的參考去更新路徑質量和預測其趨勢。

置信區間的值也被用來作為一個參考，幫助選擇路徑。如果它小于RTO，包丟失就可能發生在很短的時間內，這就意味著這條路經的通信狀態不是很良好，我們無法檢測它直至一段相對較長的時間后。如果我們用它來并行傳輸數據塊，我們就需要等待這條路徑重傳丟失的數據塊，因此，傳輸效率就會下降。所以，我們需要用一個不活躍的狀態去標注成功傳輸間隔小于RTO 的路徑。我們選擇高質量路徑的子集進行傳輸，保證數據包能有序的接受，并且重傳率遠遠小于傳統的方式。

表1 置信標準及相應的α和Z值

2 仿真驗證

本文分別對經過PQEM 的并行多路傳輸 （下面以CMT－PQEM 表示）和傳統的CMT 以及具有潛在失效狀態的CMT （下面以CMT－PF 表示）在NS2 仿真軟件下進行了性能評測與比較。

在異構無線網絡環境下，本文分別對3種傳輸方式在不同丟包率的情況下進行了平均吞吐量和平均重傳進行了比較，圖2 （a）為仿真環境下異構無線網絡拓撲，仿真結果如圖2 （b）、圖2 （c）所示。

圖2 仿真結果

從圖2 （b）可以看出，不管是CMT，CMT－PF，還是CMT－PQEM，隨著丟包率的增加，它們的平均吞吐量都會隨之下降，但是在同一丟包率的情況下，CMT－PQEM 的平均吞吐量都優于其它兩個。從圖2 （c）可以看出，隨著丟包率的逐步增加，CMT、CMT－PF和CMT－PQEM 的平均重傳都相應增加，但是在丟包率相同時，CMT 的平均重傳是最高的，而CMT－PQEM 的平均重傳是三者中最低的。綜合圖2可得：CMT－PQEM 的性能優于CMT及CMT－PF。

3 結束語

鑒于以往CMT 的局限性，本文提出一種路徑質量評估模型，該模型能實時計算和評估網絡當中每條路徑的質量，充分考慮了不同路徑之間數據傳輸能力的差異，并根據之前以及當前的數據來預測之后的路徑狀態，從而實現對網絡資源的優化分配，實現了負載均衡，適用于無線異構網絡數據并行傳輸。通過仿真驗證，本系統可以提高系統的平均吞吐量，降低平均重傳，實現對網絡資源的合理分配。

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