基于SCTP-CMT的改進重傳策略

孫新杰潘水凡

（1．六盤水師范學院計算機科學與信息技術系，貴州 六盤水 553004；2．六盤水師范學院外國語言文學系，貴州 六盤水 553004）

基于SCTP-CMT的改進重傳策略

孫新杰1潘水凡2

（1．六盤水師范學院計算機科學與信息技術系，貴州 六盤水 553004；2．六盤水師范學院外國語言文學系，貴州 六盤水 553004）

傳輸層多宿的端到端并行多路徑傳輸(CMT)相比于SCTP能夠同時選擇多條路徑進行數據塊的傳輸。針對CMT的五種重傳策略只能夠選擇多條路徑中的一條進行數據塊重傳的不足，提出了一種改進的數據塊重傳策略，該策略綜合考慮了SSTHRESH、LOSSRATE和CWND對傳輸路徑性能的影響。仿真實驗表明，改進策略能進一步減輕由于接收緩沖區擁塞而造成的端到端吞吐量下降的程度。

傳輸層多宿；端到端并行多路徑傳輸；SCTP；重傳策略；傳輸路徑性能

1．引言

基于多宿(multihoming)多流(multistreaming)的傳輸層協議CMT作為替代TCP和UDP的下一代互聯網傳輸協議是近年來的研究熱點（STEWART R，2007）。為進一步提高帶寬聚合和傳輸路徑的容錯性，提高多宿端到端傳輸的吞吐量，國內外學者做了大量的研究工作并提出了多種方案，如，P．Natarajan等研究人員提出的名為LS-SCTP的多路徑并行傳輸協議（P．Natarajan，2008），將基于關聯的擁塞控制擴展為基于每條路徑的擁塞控制，并為每條路徑上傳輸的數據塊添加了序號，YE G等研究人員提出了設計思想與LS-SCTP相似的IPCC-SCTP協議（YE G，2004）以提高傳輸性能。最著名的是薛森等研究人員進一步提出的CMT(Concurrent Multipath Transfer)改進策略（薛森，2012）極大地提高多宿端到端傳輸的吞吐量，伴隨產生的接收端緩存阻塞(C．Raiciu，2011)(receive buffer blocking)問題通過RTX_SSTHRESH(Perotto F，2007)(ReTransmission-CongestionWindow)加以解決。同時考慮到CMT在長久或短期路徑失敗的情形，Natarajan P等在文獻（P．Natarajan，2008）中為接收端點的狀態引入潛在失敗(Potentially Faiied，PF)的概念并提出CMT-PF。

多宿是指一個主機擁有多個網絡接口，這些網絡接口可以連接到一個或多個網絡服務提供商，也就是主機與主機之間有一條或者多條數據鏈路進行數據的傳輸業務如圖1所示，這樣就有效地抵御了由于一條數據鏈路斷開而影響數據的傳輸并提高了傳輸的效率。基于傳輸層多宿的端到端通信使端到端的安全性得以提高，使端到端的容錯性得以實現，使端到端的傳輸性能得以加強，使端到端的QOS得以改善。傳輸層多宿的端到端通信為未來的網絡的發展注入了新的活力。

圖1 鏈路數據傳輸

由于同時多路傳輸CMT的出現使得整個數據傳輸階段的吞吐量要明顯高于SCTP，同時伴隨著出現了原有SCTP數據塊重傳算法不能適用于現有的CMT數據塊的重傳策略。基于CMT提出了五種數據塊重傳策略，其中有三種重傳策略分別基于SSTHRESH、LOSSRATE和CWND，能夠明顯減輕接收端緩沖區的擁塞(薛森，2012），但都存在著一定的缺陷。本文從路徑的特性值SSTHRESH，LOSSRATE，CWND的角度分析了原有重傳算法存在的不足，在此基礎上提出了RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE重傳策略，進一步減緩了接收端緩存阻塞問題的發生，通過仿真實驗分析，RTX_SCLCOMPOSECOMPOS在接收端傳輸序列號處理、傳輸時間和吞吐量方面要高于文獻(薛森，2010)中所提的重傳策略。

2．問題描述

基于SCTP的同時多路傳輸（CMT）定義了五種重傳策略，分別是RTX-SAME、RTX-ASAP、RTX-CWND、RTXSSTHRESH和RTX-LOSSRATE，雖然在一定程度上提高了系統的吞吐量，減少了出現接收端緩存阻塞對整體的影響，但是這五種重傳策略都是在一個方面反映路徑的好壞，而沒有聯合路徑上的其它參數整體上考慮。如RTX_SSTHRESH只考慮了路徑上的門限閾值，但是沒有從丟失率以及擁塞窗口進行綜合的分析。五種數據傳重傳策略如下(P．Natarajan，2008)：

RTX_SAME：當已經確定數據進行重傳的情況下，所重傳的數據都放在原發送數據的路徑上進行數據的重傳，沒有考慮其它的因素。

RTX_ASAP：當已經確認數據進行重傳的情況下，所重傳的數據隨機地選擇一條路徑進行傳輸，這以策略同樣沒有考慮其它的因素。

RTX_SSTHRESH：重傳數據報文被發送到擁有最大慢啟動門限值的路徑上，如果多條路徑擁有相同的ssthresh值則在其中隨機選擇一條可用路徑。

RTX_LOSSRATE：重傳數據報文被發送到擁有最低報文丟失率的路徑上，如果多條路徑擁有相同的lossrate則在其中隨機選擇一條可用路徑。

RTX_CWND：重傳數據報文被發送到擁有最大擁塞控制窗口的路徑上，如果多條路徑擁有相同的cwnd則在其中隨機選擇一條可用路徑。

其中重傳策略RTX-SAME、RTX-ASAP太簡單，同時通過實驗，得出重傳的效果并不是很理想，并且由于沒有考慮丟包率、擁塞窗口、延遲等因素，可能造成整個關聯的傳輸性能下降。而RTX_CWND、RTX-SSTHRESH和RTX-LOSSRATE這三種重傳策略在選擇重傳目的地時傾向于將重傳的數據發送到具有最低報文丟失率的路徑上，因而提高了重傳數據順利通過的機會，減少了重傳超時，進而有效減輕了接收端緩沖區阻塞問題，提高了整體關聯的傳輸性能，相對三者而言，由于RTX-SSTHRESH性能較好，是文獻（IYENGAR J，2005）中所推薦使用的CMT重傳策略。

五種數據塊重傳僅考慮了路徑的單一性能指標，而網絡路徑傳輸性能的優劣是由多種因素綜合決定的，比如帶寬、擁塞控制窗口、慢啟動門限、丟失率、延遲等，僅有一個路徑參數達到較好的狀況時，并不一定能確定此路徑為當前性能最好的路徑。由于RTX_SSTHRESH重傳策略要優于其它4種重傳策略，所以下面的實驗我們將其它策略與RTX_SSTHRESH在性能上作對比，RTX-SSTHRESH算法的偽代碼如圖2所示。

圖2RTX-SSTHRESH偽代碼

通過上面的RTX_SSTHRESH數據塊重傳算法的描述，我們可以看出，RTX_SSTHRESH存在一定程度的缺陷，即只考慮了門限閾值能夠減少接收端緩沖區擁塞的因素，而沒有考慮其它對減少接收端緩沖區擁塞因素的考慮。RTX_CWND，RTX_LOSSRATE在算法邏輯上是和RTX_SSTHRESH一致的。RTX_CWND僅考慮了擁塞窗口，而RTX_LOSSRATE只考慮了傳輸路徑的丟失率。總之，RTX_SSTHRESH，RTX_CWND，RTX_LOSSRATE雖然在一定程度上減少了接收端緩沖的擁塞，然而由于他們各自只考慮一種因素對接收端緩沖區擁塞的影響，不能綜合各種影響因素而導致他們的存在缺陷。

3．問題的解決

RTX_SSTHRESH一?定程度上可以選到傳輸性能較好的重傳路徑(劉杰民，2012)，但是，僅僅有一個路徑參數達到較好的狀況時，并不一定能確定此路徑為當前性能最好的，如果能綜合利用多個性能指標來決策重傳路徑會得到更好的傳輸性能。

3．1 方案的提出

表1 三種重傳策略實驗參數變化情況

圖3RTX_SSTHRESH、RTX_LOSSRATE、RTX_CWND重傳策略不同條件下吞吐量比較

三種比較優秀的傳輸重傳策略RTX_SSTHRESH、RTX_LOSSRATE、RTX_CWND，各自有各自的優勢，圖3所示為這三種重傳策略在不同的傳輸環境下表現出來的吞吐量性能比較。其中表1為圖3所做實驗在不同時間段內的參數變化，0到40s仿真時間之間，門限閾值，丟包率，擁塞窗口的大小分別為10KB，5%，10KB，從圖3可以發現RTX_SSTHRESH在吞吐量上面的表現是最好的；在40s到80s仿真時間之內，把路徑的丟失率降到1%，其它條件不變的情況下，丟包率此刻對整個傳輸性能的影響最大，這樣就導致RTX_LOSSRATE的重傳算法表現最優；而在80s-120s的仿真時間之內，把擁塞窗口調為原來的10倍，其它條件不變，就可以發現RTX_CWND在這個時間段表現最為優異。綜上所述，可以發現，雖然RTX_SSTHRESH在大部分情況下表現出了優異的數據塊重傳能力，但是由于網絡條件變化快，不同的環境下，也會出現其它傳輸策略優于RTX_SSTHRESH的情況，所以單一的考慮某個參數對網速數據塊傳輸的影響顯得不夠靈活。

這里研究重點是對RTX_SSTHRESH、RTX_LOSSRATE、RTX_CWND的重傳策略進行改進，在原有只分別對門限閾值，丟失率，擁塞窗口進行判斷的基礎上，增加了對這三種因素的綜合判斷，分析了它在接收端緩沖區受限條件下的性能表現。提出了RTX_SCLCOMPOSE算法，該算法在綜合考慮這三個因素的基礎上，又根據各個因素對減少接收端緩沖區擁塞影響大小，綜合考慮了選擇路徑進行重傳時的優先考慮因素。我們提出改進的數據塊重傳策略，該策略在首先判斷是否使用用于進行路徑潛在失效的PF算法，然后從第一條路徑一直遍歷到最后一條路徑來尋找最適合我們提出的數據塊重傳策略的路徑。

3．2 方案的實現

在RTX_SCLCOMPOSE算法中，uiHighestCwnd為路徑最大的擁塞窗口，fLowestLossrate為路徑最小的丟失率，ui-HighestSsthresh為路徑最大的門限閾值，PF為存在路徑失效情況下的一種路徑選擇策略，current path為當前正遍歷到的路徑，retransmission path是要進行數據塊重傳的路徑。RTX_SCLCOMPOSE偽代碼如圖4所示：

4．仿真實驗

圖4RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE偽代碼

通過RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE的偽代碼可以看出，我們先是把路徑的門限閾值作為選擇數據塊重傳路徑的第一選擇，只有當所有路徑的門限閾值都相當的情況下，再考慮路徑擁有最大擁塞窗口作為重傳路徑的選擇，最后當所有路徑不但擁有相同的門限閾值而且擁有相同的擁塞窗口的時候，才選擇擁有最低丟失率的路徑作為重傳數據的路徑。這主要是因為已經證明過丟失率在數據塊的實際傳輸過程中很難得以有效地計算和跟蹤，而路徑的門限閾值和擁塞窗口卻可以通過RTT和路徑實際對數據塊的確認情況得以正確有效地控制。

4．1 仿真拓撲結構

本節的模擬實驗使用特拉華大學的SCTP協議模塊作為NS模擬器，這個協議模塊經過修改納入了多路同時傳輸功能并支持不同的重傳策略。

圖5 模擬拓撲結構

圖5給出了模擬拓撲結構，邊緣鏈路代表網絡最后一跳，核心鏈路代表端到端的網絡條件。所有路徑的端到端延遲設為45ms，這個值代表了網絡中大部分數據流所經歷的端到端延遲，路徑1的丟失率維持在1%，路徑2的丟失率設置為一個變量從1%-10%。丟失率為1%表示向前路徑丟失率為1%并且反向路徑丟失率也為1%。此外，每個數據包的丟失事件是相互獨立的，接收端B的緩沖區為256Kb，模擬時間為60s。

4．2 結果分析

本部分評價數據塊的重傳策略RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE和RTX_SSTHRESH的吞吐量性能。

圖6 丟失率不同情況下吞吐量的對比

圖7 丟失率，帶寬，延遲都不同的情況下中吞吐量對比

在圖6中橫坐標為path2的丟失率分別從1%-10%，縱坐標為兩條路徑在各種丟失率下的總的吞吐量（為了畫圖的方便我們統一把所有吞吐量縮小了10萬倍）。通過圖6我們可以看出RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE重傳算法不比RTX_SSTHRESH差，在大部分的情形下兩種數據塊重傳策略相當，但是在路徑2的丟失率為5%和9%時，RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE要比原來的RTX_SSTHRESH略好。

另外我們模擬了兩條路徑在相同帶寬，不同延遲，不同丟失率的情況下整個數據傳輸過程中的吞吐量變化情況的對比。其中path1的參數分別為：帶寬10Mbps，丟失率1%，路徑延遲45ms；path2的參數分別為：帶寬10Mbps，丟失率5%，路徑延遲90ms。如圖7所示。

在圖7中，橫坐標為模擬時間，縱坐標整個數據傳輸階段的吞吐量。通過上圖我們可以看出RTX_SCLCOMPOSE數據塊重傳策略在整個傳輸階段比RTX_SSTHRESH性能要好。

通過圖6和圖7我們可以得出RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE數據塊重傳策略在一般的情形下是比RTXSSTRESH要好得多，至少不比RTX_SSTHRESH重傳策略差。RTX_SSTHRESH，RTX_CWND，RTX_LOSSRATE只采用路徑的單一因素判斷，而RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE采用了路徑的Sstrresh、Lossrate和Cwnd三種因素進行綜合判斷，而且還充分考慮了三種因素在重傳數據塊時的對接收端緩沖區擁塞的影響大小。

5．總結

本文對只進行單一因素進行判斷的RTX_SSTHRESH數據塊重傳策略進行了深入分析，由于RTX_SSTHRESH缺乏對參數的綜合考慮，未能很好地處理“接收緩存擁塞”的問題，所以，在RTX_SSTHRESH的基礎上提出了一種新的重傳策略RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE，RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE增加了對路徑的CWND、LOSSRATE和SSTHRESH的判斷，并使用仿真實驗比較了RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE和RTX_SSTHRESH的吞吐量，模擬結果表明：RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE采用了路徑的CWND，LOSSRATE和SSTHRESH三種因素進行綜合判斷，在整個數據塊傳輸過程中，性能不次于RTX_SSTHRESH，從而優于其它四種重傳策略。

6．進一步的研究

本文提出的RTX_SCLCOMPOSECOMPOSE數據塊重傳策略，僅從CWND，LOSSRATE和SSTHRESH三個方面進行了考慮，但在實際傳輸中，帶寬的變動在一定程度上也會影響該路徑的吞吐量。特別是在公共網絡的一段，主干鏈路的帶寬比較大，在很多用戶使用的情形下，每個用戶所獲得的帶寬非常有限。因此，在今后的研究中，需針對多路徑帶寬不同的情形，研究多路徑傳輸性能的改進方法。

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An Improved Retransmission Policy Based on SCTP-CMP

Sun Xinjie1Pan Shuifan2
(1.Department of Computer Science and Information Technology,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,Guizhou; 2.Department of Foreign Language Literature,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,Guizhou)

Compared to SCTP,the multihoming end-to-end Concurrent Multipath Transfer(CMT)in transport layer can choose multiple paths at the same time to transfer data blocks.However,the five data block retransmission protocol of CMT only is able to select one path to retransmission.An improving retransmission protocol based on original algorithm is proposed in this paper.It comprehensively takes into account the performance of SSTHRESH,LOSS RATE and CWND transmission paths and can further alleviate the decrease of end-to-end throughput due to receiver buffer congestion relative to the five data block retransmission protocol.

multihoming in transport layer;end-to-end concurrent multipath transfer;SCTP(stream control transfer protocol); retransmission protocol;performance of transmission paths

孫新杰，男，河南駐馬店人，碩士，助教。研究方向：下一代互聯網中的“傳輸層同時多路傳輸的基礎理論研究”。