基于MPTCP耦合的自適應帶寬估計算法

夏雨峰，占 敖，吳呈瑜，王 卉

(浙江理工大學 信息學院， 杭州 浙江 310018)

0 引言

媒體服務的爆炸式增長(例如，視頻會議、網絡直播、在線游戲等)給單一鏈路傳輸方式帶來較大的負擔[1]，標準的TCP協議在傳輸過程中只允許單一鏈路進行數據傳輸，無法滿足大帶寬傳輸要求。隨著網絡基礎設施的日益完善和移動設備的進步，移動端設備配備多個網絡接口的多模終端可以隨時隨地接入無線局域網(802.11)、蜂窩網絡(LTE)、WiFi等網絡，從而使得移動終端同時接入多個網絡成為可能。現有的蘋果的IOS[2]和三星的Galaxy[3]已經實現多路網絡的同時接入。多互聯網工程任務組(IETF)也提出了MPTCP[4]和基于流控制傳輸協議(Stream Control Transmission Protocol,SCTP)[5]，與SCTP相比，MPTCP是基于TCP的多路復用協議， MPTCP將TCP/IP協議模型中的傳輸層擴展為支持多路徑傳輸的MPTCP 傳輸層，將傳統的TCP鏈路拓展為多個TCP子流并行鏈路，數據通過調度算法在不同的子流上傳輸，并且與傳統的TCP協議后向兼容而易于實現[6]。

MPTCP中的擁塞控制一直是該領域的研究熱點,Uncoupled TCP算法使用TCP經典的擁塞控制算法Reno，是簡單的MPTCP擁塞控制算法[7],子流擁有獨立的擁塞控制過程，子流間存在較大的侵略性。為更加有效地利用網絡資源，文獻[8]提出基于瓶頸公平性的擁塞控制 (Shared Bottleneck Congestion Control,SB-CC)算法，根據顯式擁塞通知(Explicit Congestion Notification,ECN)機制將不同子流劃分到不同瓶頸集合，在瓶頸集合內部實現基于子流的耦合擁塞控制，彈性地調整擁塞窗口的增大和減小。文獻[9]改進的D-OLIA(Distinguish packet loss-OLIA)算法，根據時延抖動和擁塞抖動判斷丟包類型，滿足公平性并提升鏈路的吞吐量。文獻[10-13]是Westwood算法以及改進的帶寬估計算法，存在帶寬估計波動較大、估計值為樣本的算數帶寬以及過高估計等問題。為解決MPTCP協議建立多路徑子流進行數據傳輸時，子流在瓶頸處存在的公平性問題、擁塞控制算法中帶寬估計值的抖動性以及與實際鏈路帶寬值偏差較大的問題，本文提出一種基于MPTCP耦合的自適應帶寬估計算法(ABEC-MPTCP)，在滿足子流瓶頸處公平性的前提下，進一步提高帶寬估計的準確性，從而使鏈路獲得更高的吞吐量。

1 系統模型

圖1為多路徑傳輸協議的系統模型，發送端和接收端都采用MPTCP，支持多路徑并行傳輸。多路徑傳輸中各個子流的連接采用標準TCP會話來提供底層傳輸，將傳統的數據傳輸層分解成MPTCP和TCP兩部分。為了區別于總體多路徑傳輸協議，分層的TCP子流作為MPTCP擴展，實現了路徑管理、數據調度、子流接口和擁塞控制等功能。TCP子流與傳統的TCP一樣提供可靠的連接與數據傳輸，MPTCP源地址與目的地址建立類似于常規的TCP連接，在報文中添加了支持MPTCP協議(MP_CAPABLE)、添加子流(MP_JOIN)、數據序列號映射等選項。在建立子流連接時攜帶MP_CAPABLE包用來確認雙方是否支持MPTCP傳輸,在添加子流時傳輸攜帶MP_JOIN數據包增加新的子流。子類型添加數據序列映射，通過數據調度將映射數據序列分配到子流發送的緩沖區，根據接收端的反饋信息(RTT(Round-Trip Time)、鏈路丟包率等)對各個子流擁塞狀況進行控制。接收端將多路徑傳輸的數據包根據雙序列號(即子流序列號和數據序列號)進行數據聚合重組。另外，根據MPTCP擁塞控制的標準提出多路徑傳輸中擁塞控制的3個目標[14]：

① 高性能原則：多路徑傳輸流的吞吐量至少要比單路徑傳輸最優時的吞吐量大；

② 公平性原則：多路徑子流不應與其他路徑共享資源中占用比單路徑時更多的容量；

③ 負載均衡原則：在滿足前兩個目標的前提下，應盡可能地將流量移出最擁擠的路徑。

目前大多數MPTCP擁塞控制算法中每個子流的擁塞控制都是相互獨立的，當子流i處于擁塞避免階段接收到一個ACK應答包時，擁塞窗口的增量為：

Δw=1/wi。

(1)

圖1 MPTCP系統模型Fig.1 MPTCP system model

當MPTCP的n個子流于TCP連接共享瓶頸鏈路時，MPTCP連接的攻擊性將是TCP連接的n倍，此時并不能滿足MPTCP擁塞控制中公平性的要求。當子流i上出現數據包丟失時，表示當前鏈路發生擁塞，擁塞窗口減少為：

Δw=wi/2。

(2)

鏈路發生丟包時如果擁塞窗口盲目減半，會犧牲網絡的帶寬利用率或過早地使網絡進入擁塞狀態，甚至可能導致鏈路的性能差于單路徑傳輸的性能。而傳統的Westwood擁塞控制算法的帶寬估計計算公式為：

(3)

式中，α取值為19/21，Bw[k]為帶寬估計值，Bw[k-1]為上一時刻的帶寬估計值，acked為接收的數據量。采用固定極點的濾波器來處理帶寬樣本，不能提供一個有偏估計值，樣本的算數帶寬不等于平均帶寬。為滿足MPTCP擁塞設計高性能的要求，擁塞窗口的更新機制需要進行改進。為滿足公平性和高性能的要求，本文提出耦合的自適應帶寬估計算法。

2 ABEC-MPTCP設計方案

2.1 子流耦合

在設計擁塞控制方案時首先要考慮MPTCP子流的侵略性，盡可能保證在瓶頸處的公平性[15]。當鏈路處于擁塞避免狀態，非耦合鏈路的子流擁塞窗口的增量為1/wi。耦合算法設wi為子流i上的擁塞窗口，segmenti為子流i上收到字節數，MSSi為最大報文段長度，wtot為鏈路連接中所有子流擁塞窗口之和，則耦合鏈路的子流擁塞窗口增量為：

(4)

式中，α是用來控制MPTCP子流對TCP流侵略性的常量因子，定義為：

(5)

2.2 算法設計

Westwood是修改發送端擁塞窗口的算法[16-17]，通過檢測接收端返回的ACK速率，單位時間接收到的數據包數目與數據包的長度乘積與時間間隔相除的值，經過低通濾波器平滑樣本序列獲得更加精確的結果，作為對該鏈路的帶寬估計值。該算法主要是用于鏈路發生擁塞或者丟包后利用估計的帶寬值Bw設置慢啟動閾值Ssthresh和擁塞窗口Cwnd，避免在擁塞或丟包發生時盲目的減半發送速率。本文算法是在無線網絡擁塞控制算法Westeood基礎上，對帶寬估計進行改進，采用耦合子流帶寬的自適應估計。

算法的流程如圖2所示，收到ACK數據包后鏈路建立連接，當Ssthresh≥Cwnd時，則擁塞控制方案進入慢啟動階段；當Ssthresh

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart

時間間隔的自適應帶寬估計算法采用大于一個往返時間的T時間間隔，消除鏈路往返時間差異帶來的鏈路抖動。算法模型如圖3所示，設在T時間間隔內收到n個數據包(L1,L2,…,L3)，則T時刻內的平均帶寬表示為：

(6)

圖3 算法基礎模型Fig.3 Basic model of algorithm

為避免一個往返時間間隔接近于0時對帶寬估計偏差較大的影響，采用大于一個往返時間的間隔來估計平均發送時間，帶寬估計算法的偽代碼如算法1所示。

算法1 耦合的自適應帶寬估計算法

Input:Socket,Acked,n,subflow[n],U[n],rtt,β

Output:bandwidth,Ssthresh,Cwnd

1:Sk=Socket.getStatus()

2:Uk=βUk+(1-β)|Sk-Sk-1|

5:FunctionEstimateBW(rtt,Socket,α)

6:interval=rtt.getSecond()

7:packet=Socket.getLength()

8:Sk=α·Sk-1+(1-α)·packet

9:Tk=α·Tk-1+(1-α)·interval

11:FunctionSlowStart(Socket,NumAcked)

14:cwnd=Socket.getCwnd()

15:cwnd=cwnd+δ·NumAcked·cwndtot

16: returnNumAcked- 1

17:elsereturn 0

18:end if

19:FunctionCongestionAvoidance(Socket,Acked,subflow,δ)

20:i= 0,sum= 0

21:whilei

22:sum=sum+subflowi

25:cwnd=Socket.getCwnd+adder

26: returncwnd

27:FunctionIncreaseWindow(Socket,Acked,subflow,δ)

28:ssthresh=max(EstimateBW(rtt,Socket,α),2·Acked)

29:cwnd=Socket.getCwnd

30:ifcwnd≤ssthreshthen

31:Acked=SlowStart(Socket,Acked)

32:end if

33:ifcwnd>ssthreshthen

34:Acked=CongestionAvoidanceSocket(Socket,Acked,subflow,δ)

35: end if

其中，Acked是以字節為單位的段大小，interval是當前時間，Tk-1是上一次數據包傳輸的平均時間，k和k-1表示當前值和先前值。Sk和Tk分別是平均分組長度和平均時間間隔，同時也是濾波器的兩個濾波量。α(0<α<1)是低通濾波器的極點(濾波器增益)，α的取值對算法帶寬估計有很重要的影響，當α設置一個較大或者較小的定值時，帶寬估計值隨網路鏈路狀態波動而變化。在此α值的設置根據當前鏈路的網絡狀態U決定，α的表達式為：

(7)

式中，τk為過濾器參數決定濾波器的增益，隨著時間的變化而變化。子流鏈路正常工作時，τk的取值最小為一個RTT，并且根據當前網絡狀態以及時間間隔內的往返個數N決定，即：

(8)

式中，Uk是當前鏈路的網絡狀態：

Uk=βUk+(1-β)|sk-sk-1|。

(9)

由上述算法得出帶寬估計值Bw，將此值作為鏈路發生丟包或超時后的慢啟動閾值。

2.3 算法的復雜度及性能分析

相對于原始算法，增益的大小是由多路徑的n條鏈路狀態決定的，其計算的復雜度為O(n)，而對于鏈路帶寬大小估計的復雜度也為O(n)，總體而言，提出算法的復雜度為O(n)+O(n)=O(n)，即線性復雜度。基于上述的算法思想，子流鏈路耦合性的增加，必然會對傳輸性能較優的鏈路產生影響，降低該鏈路的最大帶寬利用率。但從整體來看，提升了整個系統的帶寬利用率。

3 仿真和實驗結果分析

本文基于主流的網絡仿真器NS-3.29平臺實現[18-19]，對算法進行驗證和性能評估，主要比較本文算法以及Westwood的兩種帶寬估計算法在帶寬估計值和鏈路吞吐量上的兩個性能指標。

3.1 仿真場景配置

仿真網絡的拓撲結構由兩條無線鏈路組成，接收端和發送端都支持多路徑傳輸協議。路徑帶寬值設置為5 Mbit/s，往返延時設置為20 ms,鏈路的隨機錯誤率為3%。忽略仿真初始階段建立鏈路連接前1 s的統計數據，為測試吞吐量的性能指標，隊列選擇發送2 500個數據包，其他仿真參數采用默認值。

3.2 仿真結果分析

圖4和圖5給出了ABEC-MPTCP、Westwood以及Tustin三種算法的鏈路帶寬估計值以及傳輸的平均吞吐量。

圖4 鏈路帶寬估計值Fig.4 Link bandwidth estimate

圖4為3種帶寬估計算法對實時鏈路帶寬的估計值。其中，Westwood算法是傳統固定極點濾波器的帶寬估計算法，Tustin表示為雙線性濾波帶寬估計算法。如圖4所示，Westwood算法的帶寬估計值在20 000 bit/s左右振蕩，這是鏈路振蕩的影響，不穩定的帶寬值會影響鏈路的吞吐量；Tustin算法的帶寬估計值雖然處于一個較為穩定的范圍，但相比于Westwood算法的估計值，該算法的帶寬估計較低，不能充分利用鏈路的帶寬資源，導致擁塞控制過早地進入擁塞避免階段，從而使得鏈路的吞吐量降低；ABEC-MPTCP算法的帶寬估計值保持在32 000 bit/s左右，雖然存在部分點的過高估計，但相比于Westwood算法和Tustin算法，帶寬估計值平均提高40%以上，而帶寬估計值的帶寬平均值也相對穩定。

圖5 鏈路吞吐量Fig.5 Link throughput

圖5為鏈路吞吐量的仿真結果，圖中Tustin算法的吞吐量在2～3 s發生驟降，根據圖4可知，Tustin算法的帶寬估計值在2～3 s時也出現過低的帶寬估計，使其過早地進入擁塞避免階段，導致吞吐量的突然降低。Westwood算法的吞吐量與Tustin算法的吞吐量相差較小，根據帶寬估計狀況可知，帶寬估計值振蕩也會降低實際鏈路的吞吐量。當無線網絡使用耦合自適應帶寬估計算法時，與其他兩種算法相比，ABEC-MPTCP算法的吞吐量明顯更高，增長幅度在40%以上，但該算法開始階段過高的帶寬估計，使得鏈路的吞吐量在開始階段也出現了突然的降低。

綜上所述，在本文的MPTCP仿真場景下，ABEC-MPTCP算法的吞吐量優于Westwood的擁塞控制算法，表明ABEC-MPTCP算法的估計值是更加接近鏈路的真實值，并且可知經過濾波器處理后的帶寬估計值相對更加平穩。

4 結論

在保證系統公平性和負載均衡的前提下，本文提出基于MPTCP耦合的自適應帶寬估計算法，首先在慢啟動階段保證子流鏈路瓶頸處的公平性，再在基于時間間隔的估計算法中加入自適應帶寬估計算法，有利于改善帶寬估計的精度與穩定性。相比已有的算法，本文算法提升40%左右的系統吞吐量，這是因為自適應的帶寬估計算法對鏈路的實時帶寬估計更加精確，時間間隔內的平均估計值相對穩定，更充分地利用了網絡資源。未來的工作，將進一步提高帶寬估計的精確度以及估計值的穩定性。