黃 輝 許長橋 朱軍龍

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點實驗室 北京 100876)

帶寬節(jié)省的多路徑傳輸協(xié)議動態(tài)分包算法

黃 輝 許長橋 朱軍龍

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點實驗室 北京 100876)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和多接口技術(shù)的發(fā)展，并行多路徑傳輸已成為當(dāng)前的研究熱點，然而現(xiàn)有的機(jī)制存在帶寬資源浪費問題。首先通過實驗分析的方法，發(fā)現(xiàn)傳輸過程中的分包大小對帶寬資源利用率存在較大的影響。在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)分包傳輸過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析獲得期望最高的帶寬資源利用率時應(yīng)該滿足的條件。在所建模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種動態(tài)分包算法，能夠根據(jù)鏈路的丟包情況，動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包大小。實驗結(jié)果表明，與采用固定大小的分包策略相比，所提算法能夠有效減少多路徑傳輸中帶寬資源的浪費。

動態(tài)分包 協(xié)議優(yōu)化 MPTCP CMT

0 引 言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量高帶寬傳輸需求的業(yè)務(wù)，比如以流媒體、在線視頻等為代表的業(yè)務(wù)。雖然移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了無線接入技術(shù)的不斷變革和并行多路傳輸技術(shù)的發(fā)展，但是無線鏈路的動態(tài)性和不穩(wěn)定性導(dǎo)致的大量數(shù)據(jù)包重傳造成了比較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)資源浪費。針對此類問題，現(xiàn)有一些解決方案通過引入網(wǎng)絡(luò)編碼的思想來弱化丟包的影響，從而提高資源的使用效率[1-3]。文獻(xiàn)[1]提出了NC-MPTCP，通過將網(wǎng)絡(luò)編碼的思想應(yīng)用到多路徑傳輸協(xié)議(MPTCP[4])子流的子集中，減緩因丟包造成的接收端阻塞。文獻(xiàn)[2]將網(wǎng)絡(luò)編碼的思想應(yīng)用到MPTCP的所有子流中，以應(yīng)對無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鏈路的隨機(jī)丟包。課題組將網(wǎng)絡(luò)編碼的思想同CMT-SCTP[5]結(jié)合，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸過程，提高了傳輸效率[3]。雖然采用網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，可以打破傳輸序列號同數(shù)據(jù)包之間的嚴(yán)格綁定關(guān)系，在一定程度上弱化了丟包帶來的影響，但是現(xiàn)有基于網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸協(xié)議中采用的還是固定大小的分包方式，難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，造成帶寬資源的浪費。此外，在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的方案中，發(fā)送端和接收端都需要進(jìn)行協(xié)議的修改。

除了以上解決方案，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于TCP的自適應(yīng)壓縮傳輸方案，通過將應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮傳輸，在接收端解壓縮的方式，降低對帶寬資源需求的同時提高了傳輸效率。然而，采用壓縮方案，只能用于傳輸那些還可以被壓縮的應(yīng)用數(shù)據(jù)，而對于圖片和音視頻等主流媒體類型的數(shù)據(jù)已經(jīng)很難再壓縮，此時帶寬資源節(jié)省的效果有限。文獻(xiàn)[7]通過對MAC層的通信過程構(gòu)建分析模型，分析了802.11b的數(shù)據(jù)分包效率，并提出了一種最優(yōu)分包策略，可以減少與藍(lán)牙設(shè)備間的干擾。然而，傳輸協(xié)議固定的分包方式將對MAC層的優(yōu)化造成干擾。

因此，本文提出一種帶寬節(jié)省的傳輸協(xié)議動態(tài)分包算法，可以應(yīng)用于以數(shù)據(jù)包為傳輸單元的多路傳輸方案中，比如MPTCP、SCTP等，能夠減少帶寬資源的浪費，進(jìn)一步提高這些傳輸方案的性能。所提算法只需在協(xié)議的發(fā)送端部分進(jìn)行修改，降低了實現(xiàn)和部署的難度。

1 問題發(fā)現(xiàn)

本節(jié)基于仿真軟件NS-2[8]設(shè)計一個實驗，結(jié)合當(dāng)前最流行的多路徑傳輸協(xié)議MPTCP，對傳輸過程中數(shù)據(jù)包大小以及丟包率對帶寬資源的使用情況進(jìn)行分析，使用的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 實驗環(huán)境使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖1場景描述的是使用智能手機(jī)與服務(wù)器通信的過程。智能手機(jī)同時通過Wi-Fi接口和LTE接口接入網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)端和服務(wù)器端使用的傳輸協(xié)議是MPTCP。具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實驗拓?fù)洵h(huán)境參數(shù)

本實驗通過分別變化子流中數(shù)據(jù)包大小和丟包率，檢查在傳輸10 MB數(shù)據(jù)時，消耗多少的帶寬資源。數(shù)據(jù)包凈荷大小的變化范圍為100字節(jié)到1400字節(jié)，步長為100字節(jié)。

圖2描述了路徑1的傳輸情況，誤碼率為2×10e-5。從圖中可以看出在數(shù)據(jù)包大小過小或者過大的時候，都存在比較嚴(yán)重的帶寬浪費現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)包過大的時候，一個錯誤的比特影響到的數(shù)據(jù)量更多，使得重傳的冗余數(shù)據(jù)增加，浪費過多的帶寬資源；在數(shù)據(jù)包過小時，由于每個數(shù)據(jù)包都需要攜帶一個固定大小的包頭，造成過多的帶寬資源都浪費在頭部的傳輸開銷中，使得傳輸?shù)男氏陆怠?/p>

圖2 數(shù)據(jù)傳輸量隨著數(shù)據(jù)包大小的變化

在另一組實驗中，無線鏈路的誤碼率在1.0×10e-5到2.3×10e-5內(nèi)變化，在固定數(shù)據(jù)包大小時，考查實際的數(shù)據(jù)傳輸量隨著誤碼率的變化情況。數(shù)據(jù)包凈荷的大小分別為1000和500字節(jié)。實驗結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，隨著誤碼率的增大，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量呈現(xiàn)一個近似線性的增長趨勢。在相同的誤碼率時，兩種數(shù)據(jù)包大小在實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量之間的差異進(jìn)一步說明了數(shù)據(jù)包分包大小對帶寬資源的使用率會造成影響。

圖3 固定包大小時實際傳輸量隨誤碼率的變化

2 問題建模

通過上一節(jié)的實驗分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)包的大小對網(wǎng)絡(luò)資源的使用率有較大的影響。本節(jié)通過數(shù)學(xué)分析的方法探索使網(wǎng)絡(luò)資源得到最高效利用的數(shù)據(jù)包大小。建模過程中的變量及其具體的含義如表2所示。

表2 模型中變量及其含義

在已知BER的情況下，成功傳輸一個數(shù)據(jù)包的概率為[9]：

ps=(1-BER)8(x+h)

(1)

其中，x+h表示一個完整的數(shù)據(jù)包的大小，單位為字節(jié)。因此，一個數(shù)據(jù)包期望的傳輸次數(shù)為：

(2)

為了分析期望傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量與數(shù)據(jù)包凈荷大小的關(guān)系，定義期望傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為：

(3)

(4)

為了分析是否存在最優(yōu)解使得f(x)取得最小值，可以通過證明f(x)是一個凸函數(shù)，并求解極小值。f(x)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)為：

(5)

(6)

由式(6)可知，f″(x)>0，所以f(x)是一個凸函數(shù)，極值點存在且唯一[10]。令f′(x)=0，即：

(7)

因為x>0，h>0，又x2(1-BER)8(x+h)≠0，則式(7)可寫為：

h+8x(x+h)ln(1-BER)=0

(8)

從而得到最優(yōu)解(過濾負(fù)值)：

(9)

通過以上分析，在已知誤碼率時，可以得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)包大小。圖4是通過式(4)獲得的曲線，其中，頭部大小為40字節(jié)，誤碼率為BER=10-5，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為10 000字節(jié)，數(shù)據(jù)包的凈荷從90字節(jié)到1 440字節(jié)變化，步長為10字節(jié)。在數(shù)據(jù)包凈荷大小取值480字節(jié)的時候(圖中虛線處)，f(x)取得最小值11 773字節(jié)。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸量隨著數(shù)據(jù)包大小的變化

從圖4可以看出，在數(shù)據(jù)凈荷過小或者過大的時候，都無法獲得最好的傳輸效果，與實驗的結(jié)果相吻合。

3 算法設(shè)計

在前面實驗和數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出一個動態(tài)分包算法，能夠減少帶寬資源的浪費，算法的設(shè)計將以MPTCP作為載體。該算法也可以應(yīng)用到其他以數(shù)據(jù)包為傳輸單元的傳輸協(xié)議中。

首先，需要能夠獲得對底層鏈路誤碼率一個比較準(zhǔn)確的估計，但在傳輸層要完成這項任務(wù)還需要一些輔助技術(shù)。因此，根據(jù)相關(guān)工作[9]，誤碼率為：

(10)

其中，pe為丟包率。

如果傳輸方案在沒有辦法獲取誤碼率時，可以按照式(10)所示的方法，基于丟包率進(jìn)行估算，雖然會使準(zhǔn)確率降低，但是采用這種估計后還是可以減少帶寬資源的浪費。

下面說明如何采用統(tǒng)計抽樣的方法計算丟包率，抽樣的周期確定為每一條子流發(fā)送一個窗口數(shù)據(jù)的時間。在每個周期可以收集一個樣本psample，然后和歷史值進(jìn)行加權(quán)平滑?？紤]到在一個動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，太久的歷史數(shù)據(jù)并沒有多大的意義。因此，丟包率的抖動因子定義為：

(11)

其中，vpe為pe的標(biāo)準(zhǔn)差。加權(quán)因子為：

(12)

其中，?v」符號表示小于等于v的最大整數(shù)值。丟包率更新為：

pe=(1-β)·pe+β·psample

(13)

其中，psample為采集的一個丟包率樣本。Pjitter用來衡量當(dāng)前丟包率的抖動情況，在抖動較大時，歷史信息將占更小的權(quán)重(1-β)，使得最新的樣本能夠盡快地反映到最新的估計值中。

在確定了誤碼率后，按照式(9)計算當(dāng)前最合適的數(shù)據(jù)包大小。這里需要考慮以下幾個問題：

(1) 數(shù)據(jù)包過小問題。比如比頭部的大小還小的時候，通過設(shè)定一個數(shù)據(jù)包大小的下界，保證最后的數(shù)據(jù)包大小不會小于該值。之所以這樣處理，一方面數(shù)據(jù)包太小，引入的頭部開銷導(dǎo)致的資源浪費比較嚴(yán)重，另一方面會使傳輸進(jìn)程處理的開銷增大，需要在帶寬資源和處理資源之間進(jìn)行權(quán)衡。本文下界值設(shè)置為400字節(jié)，可根據(jù)不同協(xié)議調(diào)整。

(2) 數(shù)據(jù)包過大問題。當(dāng)數(shù)據(jù)包大小超過了底層鏈路的最大傳輸單元(MTU)時，通過設(shè)定一個數(shù)據(jù)包大小的上界，保證最后的數(shù)據(jù)包大小不會大于該值。一般上界值設(shè)置為最大傳輸單元減去頭部開銷后的值(1 440)，可根據(jù)不同協(xié)議調(diào)整。

(3) 對齊問題。在計算出了最合適的數(shù)據(jù)包大小之后，還需要考慮到數(shù)據(jù)包對齊問題，在保證不觸發(fā)以上兩個問題的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)是4的整數(shù)倍。

完整的算法描述：

for 每一條路徑ido

if當(dāng)前發(fā)送窗口的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完then

if能成功獲取MAC層的BERthen獲取BER；

else

根據(jù)發(fā)送和丟失的數(shù)據(jù)包計算psample；

按照式(11)-式(13)更新pe；

endif

else

if不能獲取MAC層的BERthen

記錄當(dāng)前周期內(nèi)發(fā)送和丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量；

endif

endif

if丟包率估計值或者獲取的BER有變化then

按照式(9)更新路徑i的數(shù)據(jù)包分包大小Size；

Size=(Size%4<=1 ? 4*?Size/4」 : 4*「Size/4?)；

ifSize<400thenSize=400

elseifSize>1440thenSize=1440

endif

endif

if有新的數(shù)據(jù)需要發(fā)送then

根據(jù)最新Size確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的大??；

endif

endfor

4 仿真評估

仿真采用如圖5所示的拓?fù)?，終端設(shè)備通過三條路徑和服務(wù)器通信。其中，路徑1和路徑2經(jīng)過的鏈路存在共享的瓶頸。路徑3形成一條獨立的路徑。具體的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 仿真拓?fù)鋮?shù)設(shè)置

為了使得仿真拓?fù)涓咏咏F(xiàn)實的場景，添加如圖5所示的背景流量。背景流量采用VBR流量生成器生成，包含TCP和UDP兩種類型的流量，具體的流量比例分配參考文獻(xiàn)[3]。比較對象為傳統(tǒng)的MPTCP。在傳統(tǒng)的MPTCP中，數(shù)據(jù)包凈荷大小設(shè)置為1 440字節(jié)。主要的評估指標(biāo)包括傳輸量隨丟包率的變化、期望數(shù)據(jù)包大小的分布圖。主要考察的是路徑1的傳輸情況。無線鏈路的誤碼率在0.1×10e-5到3.0×10e-5內(nèi)變化。

圖5 仿真拓?fù)?/p>

4.1 傳輸數(shù)據(jù)量隨丟包率的變化

如圖6所示，描述的是實際數(shù)據(jù)傳輸量隨著誤碼率的增大的變化曲線。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為10 MB。隨著誤碼率的增大，實際傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)也在增加。在誤碼率大于0.7×10e-5的時候，實際傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)隨著誤碼率的變化趨勢開始變緩。同時，通過同靜態(tài)分包的方式(固定數(shù)據(jù)包凈荷大小為1440字節(jié))相比較，發(fā)現(xiàn)在誤碼率比較低時，實際傳輸量很接近，因為在低丟包率時，動態(tài)分包傾向于分配比較大的數(shù)據(jù)包大小。但是，隨著誤碼率的增大，動態(tài)分包方式和靜態(tài)分包方式之間的差距也越來越大，在3×10e-5的誤碼率時，動態(tài)分包方式實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為13 454 KB，而靜態(tài)分包方式為15 826 KB，可以節(jié)省17%左右的帶寬資源。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸量隨著誤碼率的變化

4.2 頻率最高的數(shù)據(jù)包大小隨著誤碼率的變化

圖7描述了在不同的誤碼率情況下，實際傳輸過程中數(shù)據(jù)包大小分布的最大值曲線圖，從圖中可以看出，隨著丟包率的上升，數(shù)據(jù)包的大小趨向于變小，和理論分析的結(jié)果一樣。同時，這種變小的趨勢隨著丟包率的繼續(xù)上升也變得平緩，因此，當(dāng)數(shù)據(jù)包的大小在小于算法設(shè)定的下邊界值而被截取時，對算法的效果影響不大。在誤碼率很低或者很高的時候，數(shù)據(jù)包的大小受到算法所規(guī)定的上下邊界限制。

圖7 頻率最高的數(shù)據(jù)包大小隨著誤碼率的變化

5 結(jié) 語

本文首先通過實驗的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包大小和丟包率對實際數(shù)據(jù)傳輸量存在一定影響。然后，建立了一個數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，證明了使得資源浪費最少的最優(yōu)解的存在，并導(dǎo)出了最優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上，提出了一個動態(tài)分包算法，可以應(yīng)用于以數(shù)據(jù)包為傳輸單元的傳輸協(xié)議中，對帶寬資源的使用進(jìn)行優(yōu)化配置，減少帶寬資源的浪費?；贛PTCP的仿真結(jié)果顯示，提出的算法能夠有效地減少帶寬資源的浪費，相比于沒有優(yōu)化的解決方案，最好時可以節(jié)約17%左右的帶寬資源。

[1] Li M,Lukyanenko A,Cui Y.Network coding based multipath TCP[C]//Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS),2012 IEEE Conference on.IEEE,2012:25-30.

[2] Cloud J,Calmon F D P,Zeng W,et al.Multi-path TCP with network coding for mobile devices in heterogeneous networks[C]//2013 IEEE 78th Vehicular Technology Conference (VTC Fall).IEEE,2013:1-5.

[3] Xu C,Li Z,Zhong L,et al.CMT-NC:improving the concurrent multipath transfer performance using network coding in wireless networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,65(3):1735-1751.

[4] Bagnulo M.Threat analysis for TCP extensions for multipath operation with multiple addresses[DB].RFC 6181,2011.

[5] Iyengar J R,Amer P D,Stewart R.Concurrent multipath transfer using SCTP multihoming over independent end-to-end paths[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2006,14(5):951-964.

[6] 牟璇,王俊峰,王敏,等.TCP自適應(yīng)壓縮傳輸方案研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(11):279-282.

[7] Howitt I,Awad F.Optimizing IEEE 802.11b packet fragmentation in collocated bluetooth interference[J].IEEE Transactions on Communications,2005,53(6):936-938.

[8] NS-2 Documentation and Software Version 2.35[OL].http://www.isi.edu/nsnam/ns.

[9] Mirani F H,Zhang X,Boukhatem N,et al.Cross-layer FPS:a SCTP-based cross-layer data scheduling approach[C]//2011 IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC).IEEE,2011:192-197.

[10] Boyd S,Vandenberghe L.Convex optimization[M].Cambridge,UK:Cambridge university press,2004.

DYNAMICALLY BANDWIDTH-SAVING PACKETIZATION ALGORITHM FOR MULTIPATH TRANSMISSION PROTOCOLS

Huang Hui Xu Changqiao Zhu Junlong

(StateKeyLaboratoryofNetworkingandSwitchingTechnology,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

With the rapid development of the Mobile Internet and Multi-interface technology, Concurrent Multipath Transmission (CMT) has been a research hotspot. However, the waste of bandwidth resources is still a challenging problem in CMT. Firstly, it is found that the packet size has a great impact on the utilization of bandwidth resources through experiments. Based on the results of the experiments, a mathematical model about the data transmission process is proposed and the solution to the maximum resource utilization is derived. Based on the derived solution, a dynamic packetization algorithm is designed to achieve flexible scheduling of packet size according to the packet loss rate and bit error rate of the link. Simulation results demonstrate that the designed algorithm outperforms the fixed-size packetization strategy in terms of bandwidth resources utilization.

Dynamically fragmentation Protocol optimization MPTCP CMT

2016-01-19。國家自然科學(xué)基金面上項目(61372112)；北京市自然科學(xué)基金項目(4142037)。黃輝，碩士生，主研領(lǐng)域：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。許長橋，教授。朱軍龍，博士生。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.02.027