基于權重的MPTCP數據調度算法設計

黃輝

摘要：并行多路傳輸技術通過聚合多條鏈路的帶寬資源可以提高傳輸吞吐量，越來越受到學術界和工業界的關注。多路徑TCP（MPTCP）是其中最具代表性的研究成果之一，因其是在TCP的基礎上拓展而來，保持了對TCP的兼容性，能夠比較容易地部署到現有網絡中。然而，MPTCP默認的數據調度機制在異構網絡環境下導致傳輸性能下降。針對此問題，本文提出一種基于權重的數據調度算法，充分考慮子流之間的差異性。仿真結果顯示所提算法優于傳統的數據調度算法，能夠較好的適應網絡環境變化。

關鍵詞：計算機網絡；并行多路傳輸；MPTCP；數據調度算法

中圖分類號：TP393.0

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.1S S11.1003-6970.2016.02.019

引言

近年來，隨著工業技術和互聯網技術的不斷進步，硬件設備的制造成本大大降低的同時，網絡設備普及范圍也越來越廣。現在越來越多的終端裝備了多個網絡接口卡（NIC），通過將這些接口資源同時利用起來并行的傳輸數據，可以大大的提高傳輸吞吐量，因此，網絡傳輸越來越受到一些學者的關注。目前，比較有代表性的研究成果包括CMT_SCTP和MPTCP其中，CMT-SCTP是在SCTP基礎上拓展而來，而MPTCP則是在TCP基礎上拓展而來。截至目前為止，TCP依然是互聯網中占據主導地位的傳輸協議，由于MPTCP對現有網絡的兼容性更好，使其具備了天然的部署優勢，而CMT-SCTP同現有網絡設施和協議的兼容性問題，阻礙了其在工業界的進一步發展。

盡管并行多路傳輸理論上可以極大的提高傳輸吞吐量，但是在異構網絡環境下，并行多路傳輸的性能卻大不如預期，有時甚至比單路徑傳輸還低。這其中的主要問題來自并行多路傳輸協議本身采用的是輪詢（Round Robin）調度算法，該算法對具備差異性的路徑等同對待，加劇了接收端的隊首阻塞（Head-Of-LineBlocking），使得質量較差的路徑影響了質量較好的路徑的傳輸性能。為了解決這個問題，董貝貝等作者提出了基于傳輸時間和發送間隔的調度算法（RSFSA），利用馬爾科夫模型預測數據包達到時間。Paasch等作者設計了一個通用的模塊化的調度器框架用于研究調度決策的不同對傳輸性能的影響。CMT-QA通過評估路徑質量，在預測數據到達接收端的時間基礎上調度，有效的提高了傳輸吞吐量。

考慮到MPTCP對現有網絡的兼容性更好，本文基于MPTCP，提出了一種基于權重的數據調度算法，提取子流質量相關的特征作為數據調度的關鍵指標。本文的第一部分，簡要的介紹一下MPTCP比較有代表性的數據調度算法和主要存在的問題，第二部分詳細的敘述基于權重的數據調度算法的設計，第三部分通過基于NS-2的仿真驗證所設計的算法的有效性，并同現有方案比較，第四部分對本文的工作進行總結。

1 MPTCP相關數據調度算法

互聯網工程任務組（IETF）于2011年和2013年在工程任務組MPTCP中提出了一系列的草案標志著MPTCP標準化的開始。影響MPTCP性能的因素有很多，其中很重要的一個就是數據調度算法的設計。數據調度的主要任務是將數據合理的分發到子路徑上使得數據盡可能的按序到達接收方以減少接收端的隊首阻塞（Head-Of-Line Blocking）。隊首阻塞主要是由于數據亂序到達接收方造成的，序列號靠前的數據比序列號靠后的數據更晚到達接收端，接收端不得不緩存這些序列號靠后的數據，直到所有的序列號比它靠前的數據都接收到，才能往上層遞交該數據，這就導致了較大的遞交時延，嚴重影響了使用戶體驗。

MPTCP默認采用的是輪洵（Round Robin）數據調度機制，該機制順序的遍歷所有的路徑，把一條路徑的可用窗口發送滿后，就選擇下一條路徑發送，如果所有的路徑都遍歷了一遍，則從第一條開始重新開始發送數據。該機制可以在路徑差異不大的場景下比較好的工作，但是現實網絡中，異構網絡環境大量廣泛存在，路徑之間的差異性往往很明顯，這就使得MPTCP的傳輸性能大大的降低，嚴重的影響了MPTCP并行多路徑傳輸的優勢。

Paasch等作者在其發表在2014 ACM SIGCOMMworkshop上的文章中，提出了基于最小雙向傳輸時延（RTT）的數據調度機制，該機制在有數據需要發送時，總是選擇RTT最小的一條路徑，直到該路徑的發送窗口滿了不能再發送更多的數據為止，然后選擇RTT次小的路徑發送，不斷地重復該過程。雖然采用最小RTT作為選擇路徑的指標，可以保證數據包盡可能快的到達接收端，但是該機制忽略了其他可能會影響傳輸的一些因素，比如鏈路的質量以及窗口的大小等。本文期望通過提取更多與傳輸相關的參數，提供一個更加全面、有效的調度策略，從而提高MPTCP在不同場景下的傳輸性能。

2 基于權重的MPTCP數據調度算法設計

MPTCP是在TCP基礎上拓展而來的，因而MPTCP繼承了很多TCP的思想。比如，MPTCP的子流就可以看作是一個普通的TCP連接，只不過所有的子流（子流層）會接受來自MPTCP核心（數據層）的調度管理，在子流層和數據層之間通過構建數據映射機制來管理和同步兩層之間的序列號。先來看一下子流層的情況，TCP連接的吞吐量理論上滿足如下公式：

其中，RTT是TCP連接的雙向傳輸時延，而D是丟包率。由此可以看出一個TCP連接的吞吐量不僅僅取決于RTT的值，同時還與丟包率有關。無線網絡環境下，這種效果更加的明顯，因為在無線網絡環境下，鏈路的丟包率往往較大。本文將RTT和丟包率結合在一起，作為數據調度機制評估指標。從公式（l）可以看出，吞吐量的大小與路徑的RTT成反比，與丟包率的開方成反比：

經過上面的分析得出，MPTCP中的子流的吞吐量也應該滿足公式（2）的成比例關系。由此，我們定義每一條子流的質量：

其中，i對應MPTCP子流的編號，我們假設這里處理的是無線網絡環境的場景，因此，丟包率不為0，并記P=√p。RTT*和pi分別表示RTT和P的歸一化值。根據RTT和P在具體網絡環境下對傳輸影響的重要程度，加權求和得到子流的質量QSi。QSi的值越小，說明子流的質量越好。加權因子a和β將根據RTT和P的抖動程度分配權重。一種衡量抖動的方法是，分別計算RTT和P的標準差，比較標準差同平均值的偏離程度的百分比，然后根據RTT和P兩個量的偏離程度占比來分配a和β權重，可以根據需要對加權因子進行偏好設置，a和β默認值為0.5，并滿足a與β和為1。歸一化值可以通過如下方式計算：

其中，max_RTT和min_RTT分別是所有子流中RTT的最大值和最小值；同樣的，max_p和min_p分別是所有子流中P的最大值和最小值。

在此基礎上提出我們的算法，具體調度流程如圖1所示：

（l）在調度開始前，更新所有的相關變量，包括每一條子流的質量QSi；

（2）然后以每一條子流的質量QSi作為子流的權重進行排序；

（3）從發送窗口還有剩余的子流中選擇QSi最好的一條子流發送數據；

（4）檢查是否所有子流都處理過了，如果沒有，跳轉到3）；

（5）一輪調度結束。

3 仿真驗證和結果分析

本文基于主流網絡仿真器NS-2進行算法的驗證和性能評估。本文的主要比較對象是傳統的MPTCP和基于最小RTT優先的數據調度算法。首先，將MPTCP的實現方案添加到NS-2中。然后，將我們的調度算法和比較對象實現到現有的MPTCP中，本文評估主要指標是吞吐量。

3.1 仿真場景配置

如圖2所示是本文采用的三路徑拓撲結構，發送方和接收方都裝備了多個網絡接口卡。路徑1的帶寬值設置為2Mbps，時延設置為80ms，隊列大小設置為50個數據包，路徑2的帶寬值設置為384kbps，時延設置為lOOms，隊列大小設置為80個數據包，路徑3的帶寬值設置為IOMbps，時延設置為50ms，隊列大小設置為50個數據包。三條路徑的鏈路丟包率都在0-l%之間動態變化。上層分別搭載的是FTP應用和CBR應用（比特率為2Mbps）。仿真時間設置為500秒，其他未給出的仿真參數采用默認值。

3.2 結果分析

如圖3所示，本文比較了傳統的MPTCP輪詢調度的策略和基于最小RTT優先的調度策略。主要的評估指標是吞吐量。分別做了兩組實驗，一組上層搭載的是FTP應用程序，而另一組搭載的CBR應用程序，比特率為2Mbps，然后分別比較其吞吐量的變化情況。

如圖3左圖所示，采用最小RTT優先和基于權重的調度策略在丟包率變化過程中，都比傳統的輪詢調度策略有了較大的提高，在丟包率較小的時候基于權重的調度策略和基于最小RTT優先的性能差距較小，但是隨著丟包率的增加，基于權重的調度策略表現了更好的性能，這主要歸功于基于權重的調度策略同時考慮了RTT和丟包率的影響。

如圖3右圖所示，在支持CBR方面，在丟包率較低的時候，這幾種機制都能夠很好的支持上層應用，但是在丟包率增大之后，傳統的MPTCP還是落后于其他的兩種方案。但是與支持FTP不同的是，基于最小RTT優先的調度策略和基于權重的調度策略的差距變大了，也就是說在對CBR應用的支持上，基于權重的調度策略發揮了更好的性能。主要原因在于基于最小RTT優先的調度策略在鏈條帶寬足夠但是可能鏈路質量較差時，依然會被選為發送路徑，造成了性能的下降，而基于權重的調度策略可以避免這種調度結果的發生。

4 結論

本文提出了一種基于權重的MPTCP數據調度算法，通過將影響調度策略的RTT和丟包率信息都納入調度決策中，增強了傳輸方案適應多變環境的能力。通過同傳統的MPTCP輪詢調度策略和基于最小RTT優先的調度策略的分析和比較，顯示了基于權重的調度策略的優勢。