江 卓,吳 茜,李賀武,吳建平

1(清華大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)空間研究院,北京 100084)

2(北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心(清華大學(xué)),北京 100084)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展,用戶(hù)需要更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬以及更低的端到端傳輸時(shí)延,而使用單一的接入技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)更高的要求.與此同時(shí),一個(gè)終端具備多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入能力的現(xiàn)象已經(jīng)越來(lái)越普遍.智能終端目前已經(jīng)既能通過(guò) WiFi接口,也能通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口接入互聯(lián)網(wǎng).未來(lái)隨著衛(wèi)星以及臨近空間組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,一臺(tái)普通終端還將能夠通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng).此外,終端還可以通過(guò)藍(lán)牙和NFC等近場(chǎng)通信技術(shù)直接建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信鏈路進(jìn)行通信.面對(duì)一個(gè)終端上多樣化的接入能力以及用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)更高的要求,多路徑傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.多路徑傳輸技術(shù)旨在同時(shí)利用終端上多種接入能力進(jìn)行數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸,從而提高總的傳輸帶寬和數(shù)據(jù)傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的適應(yīng)能力.

目前,主流的多路徑傳輸協(xié)議是MPTCP(multipath TCP)協(xié)議[1].從網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看,MPTCP協(xié)議位于傳輸層.在傳輸層進(jìn)行多路徑傳輸有如下兩個(gè)方面的好處:1)傳輸層是面向端到端的,容易獲得端到端的帶寬、時(shí)延、丟包率的信息,為 MPTCP多路徑傳輸?shù)母黜?xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ);2)傳輸層位于應(yīng)用層之下,在傳輸層支持多路徑傳輸能夠避免相同的多路徑傳輸功能在應(yīng)用層上的重復(fù)實(shí)現(xiàn).

MPTCP協(xié)議在協(xié)議格式上以傳輸層TCP協(xié)議為基礎(chǔ)[2],通過(guò)新增的TCP選項(xiàng)在收發(fā)雙方交互多接口的地址信息,對(duì)上與基于TCP協(xié)議的應(yīng)用相兼容,對(duì)下采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議作為子流進(jìn)行傳輸.MPTCP和TCP良好的兼容性使得包括蘋(píng)果公司在內(nèi)的各大廠(chǎng)商[3]選擇通過(guò)支持MPTCP來(lái)進(jìn)行多路徑傳輸.

與僅使用1條路徑進(jìn)行傳輸相比,采用多路徑進(jìn)行端到端傳輸能夠帶來(lái)如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì).

1)具有更高的傳輸帶寬.同一個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)包被分配到不同的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳輸,多路徑傳輸聚合了同一個(gè)終端不同網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬.

2)具有更多樣的接入選擇.終端能夠根據(jù)需要選擇合適的若干網(wǎng)絡(luò)接口同時(shí)進(jìn)行傳輸,或者僅僅選擇其中一個(gè)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以適應(yīng)接口特性的動(dòng)態(tài)變化.

3)能夠提供更好的移動(dòng)性支持.無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)往往通過(guò)在邊緣重疊覆蓋的方式來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶(hù)移動(dòng)性的支持,通過(guò)在用戶(hù)位于重疊覆蓋區(qū)域同時(shí)建立多條連接的方式,能夠做到傳輸層的先連后斷[4],從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換.同時(shí),通過(guò)多路徑傳輸?shù)臉?biāo)識(shí)管理,能夠做到在IP地址發(fā)生改變時(shí),傳輸層連接不中斷.

4)能夠更加高效地分配資源.從全網(wǎng)的角度來(lái)看,終端同時(shí)使用多個(gè)接口能夠?qū)⒅翱赡芎敛幌嚓P(guān)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起,形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)資源池[5,6].然后,在終端側(cè)通過(guò)聯(lián)合擁塞控制等方式進(jìn)行協(xié)同資源分配,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更加均勻的分配.

端到端多路徑傳輸?shù)难芯恐攸c(diǎn)在于多條路徑之間的智能協(xié)同,而協(xié)同的基礎(chǔ)在于相關(guān)信息的準(zhǔn)確獲取.以多路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配為例,高效的數(shù)據(jù)分配離不開(kāi)準(zhǔn)確的端到端帶寬、往返時(shí)延以及丟包率參數(shù)的估計(jì),同時(shí)還需要根據(jù)數(shù)據(jù)包的截止時(shí)間及其對(duì)于應(yīng)用的重要程度等進(jìn)行不同的優(yōu)先級(jí)處理.因此,僅僅依靠傳統(tǒng)的傳輸層參數(shù)獲取機(jī)制無(wú)法有效發(fā)揮多路徑傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì),還需要對(duì)其他層次的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效獲取和利用.

在綜述相關(guān)研究進(jìn)展的過(guò)程中,主要方法是以MPTCP、multipath transmission、cross layer optimization、video transmission等為關(guān)鍵詞對(duì)多路徑傳輸相關(guān)論文進(jìn)行檢索,根據(jù)論文發(fā)表質(zhì)量,從中選出重點(diǎn)的有代表性的論文;同時(shí),通過(guò) Google scholar查看引用相關(guān)論文的文獻(xiàn)并進(jìn)行篩選,進(jìn)而得到論文中的相關(guān)參考文獻(xiàn).圖1給出了本文所引用的論文在發(fā)表篇數(shù)以及論文發(fā)表時(shí)間的分布結(jié)果,從中可以看出,在最近 5年,均有較為穩(wěn)定的在多路徑傳輸跨層優(yōu)化方向的論文成果,利用物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層的相關(guān)信息,通過(guò)跨層優(yōu)化的方式提升端到端多路徑傳輸?shù)男阅苁墙陙?lái)的主要研究趨勢(shì).其中在節(jié)能方面,2016年和2017年的論文數(shù)量與前3年相比有明顯增加.新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如SDN)的產(chǎn)生,使得在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行優(yōu)化方面,2015年～2017年的相關(guān)論文數(shù)量與前兩年相比有明顯的增加.

Fig.1 Distribution for the number of published papers and paper publication year圖1 論文發(fā)表篇數(shù)及論文發(fā)表時(shí)間分布

雖然已經(jīng)有部分針對(duì)多路徑傳輸?shù)难芯烤C述,但是仍然缺少?gòu)捏w系結(jié)構(gòu)各層全面地綜述多路徑傳輸跨層優(yōu)化的綜述論文.例如,文獻(xiàn)[7-10]重點(diǎn)從傳輸層綜述了相關(guān)多路徑傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展,對(duì)于其他層的研究?jī)?nèi)容相對(duì)涉及較少;文獻(xiàn)[11,12]重點(diǎn)綜述了如何利用各層現(xiàn)有協(xié)議更好地實(shí)現(xiàn)帶寬聚合的相關(guān)研究進(jìn)展,對(duì)于各層之間的協(xié)同方式以及節(jié)能相關(guān)的研究進(jìn)展則較少涉及.因此,本文的主要貢獻(xiàn)在于:從各層的功能特點(diǎn)及其與多路徑傳輸?shù)年P(guān)系著手,系統(tǒng)地整理和比較了近年來(lái)利用跨層信息進(jìn)行多路徑傳輸優(yōu)化的相關(guān)論文,對(duì)其解決的主要問(wèn)題和采用的主要研究方法進(jìn)行了比較和分析,并且對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望.

本文首先介紹多路徑傳輸?shù)闹饕魬?zhàn)和進(jìn)行跨層優(yōu)化的重要性.然后,分別從物理及鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層以及節(jié)能等方面介紹多路徑傳輸跨層優(yōu)化的主要研究進(jìn)展并進(jìn)行綜合比較.最后,對(duì)研究趨勢(shì)進(jìn)行展望.

1 基本功能組成及主要挑戰(zhàn)

1.1 基本功能組成

根據(jù)MPTCP協(xié)議的主要功能[13,14],多路徑傳輸?shù)幕竟δ芙M成主要包括如下幾個(gè)部分.

· 連接管理和子流選擇

多路徑傳輸協(xié)議的連接管理主要負(fù)責(zé)連接的建立和斷開(kāi),子流選擇主要負(fù)責(zé)管理需要建立子流的數(shù)目.MPTCP在TCP協(xié)議基礎(chǔ)上增加了新的MP_CAPABLE、MP_ADDR、MP_JOIN選項(xiàng).MPTCP首先進(jìn)行第1條子流的建立,建立過(guò)程中,在 TCP三次握手建立連接的數(shù)據(jù)包選項(xiàng)中增加MP_CAPABLE,用以標(biāo)識(shí)通信雙方都支持MPTCP,并且在建立連接過(guò)程中生成標(biāo)識(shí)連接的token信息.第1條連接建立完之后,MPTCP根據(jù)子流選擇策略的配置進(jìn)行后續(xù)連接建立,后續(xù)子流在建連過(guò)程中通過(guò) MP_JOIN選項(xiàng)加入已有的多路徑傳輸連接.同時(shí),當(dāng)接收方有多個(gè) IP地址時(shí),接收方通過(guò)有 MP_ADDR選項(xiàng)的數(shù)據(jù)包告知發(fā)送方.對(duì)于子流選擇策略而言,目前MPTCP中常用的有fullmesh、ndiffport等.其中,fullmesh策略是在發(fā)送方的n個(gè)IP地址和接收方的m個(gè)IP地址之間建立n×m條連接;而ndiffport則支持在同一對(duì)源IP地址和目的IP地址之間建立多條子流,具體建立的子流的數(shù)目可以通過(guò)配置系統(tǒng)文件進(jìn)行設(shè)置.這方面的難點(diǎn)主要在于,不同子流能夠給多路徑傳輸帶來(lái)的收益不同,并且所需要的子流管理開(kāi)銷(xiāo)、能量開(kāi)銷(xiāo)也不同,需要根據(jù)各條子流的特點(diǎn)進(jìn)行子流選擇.

· 緩存管理

在發(fā)送方,緩存管理需要保存已發(fā)送但是還沒(méi)有確認(rèn)的數(shù)據(jù)包;在接收方,緩存管理則需要將亂序的數(shù)據(jù)包或者應(yīng)用程序無(wú)法及時(shí)讀取的數(shù)據(jù)包保存下來(lái),等到數(shù)據(jù)包順序到達(dá)或者應(yīng)用程序讀取了數(shù)據(jù)之后,繼續(xù)向應(yīng)用層遞交.多路徑傳輸時(shí),緩存管理的難點(diǎn)主要在于各條子流傳輸參數(shù)的差異容易帶來(lái)更多的亂序數(shù)據(jù)包,需要結(jié)合子流的傳輸參數(shù)對(duì)接收緩存進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以避免因接收緩存不足造成發(fā)送方無(wú)法有效聚合帶寬.MPTCP接收方常用的緩存管理方式是采用兩級(jí)緩存[13]:第1級(jí)子流緩存用來(lái)緩存每條子流的亂序數(shù)據(jù)包,第2級(jí)連接層緩存用來(lái)緩存連接層亂序或者還沒(méi)有被接收方讀取的數(shù)據(jù)包.在進(jìn)行接收緩存大小設(shè)置方面,MPTCP通常的方式是在系統(tǒng)設(shè)置允許時(shí),動(dòng)態(tài)地將連接層接收緩存大小設(shè)置為為所有子流往返時(shí)延中的最大值,為各條子流帶寬的求和[13].

· 數(shù)據(jù)分配

數(shù)據(jù)分配的主要工作在發(fā)送方,以決定每個(gè)數(shù)據(jù)包應(yīng)該通過(guò)哪條子流進(jìn)行發(fā)送以及什么時(shí)候進(jìn)行發(fā)送.數(shù)據(jù)分配的難點(diǎn)主要在于各條子流的數(shù)據(jù)包是有關(guān)聯(lián)的,需根據(jù)每條子流的傳輸路徑參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合分配,以達(dá)到整體傳輸?shù)男阅軆?yōu)化.MPTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)目前主要的數(shù)據(jù)分配算法包括default[15]、roundrobin[15]和redundant[16].其中,roundrobin在子流發(fā)送窗口允許的情況下,輪流地向各條子流分配數(shù)據(jù);default在多條子流發(fā)送窗口都允許數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)優(yōu)先選取往返時(shí)延較小的子流;redundant則是將數(shù)據(jù)包冗余地在各條子流上發(fā)送.

· 聯(lián)合擁塞控制

多路徑聯(lián)合擁塞控制[17]的目標(biāo)一方面是能夠公平地分配資源,另一方面是能夠有效地平衡多條子流的負(fù)載.它通過(guò)聯(lián)合地調(diào)整各條子流的窗口變化來(lái)達(dá)到聯(lián)合擁塞控制的目標(biāo).聯(lián)合擁塞控制的難點(diǎn)主要在于各條子流的傳輸參數(shù)有差異并且會(huì)動(dòng)態(tài)變化,需要根據(jù)每條子流的傳輸參數(shù)及時(shí)且合理地對(duì)子流擁塞窗口進(jìn)行聯(lián)合地調(diào)整,以達(dá)到資源的高效和公平分配.目前,MPTCP協(xié)議的聯(lián)合擁塞控制算法主要有兩類(lèi):一類(lèi)是基于時(shí)延的聯(lián)合擁塞控制算法,如wvegas[6];另一類(lèi)是基于丟包的聯(lián)合擁塞控制算法,包括lia[17]、balia[18]、olia[19]等.

1.2 主要挑戰(zhàn)

1)鏈路特性差異度大,鏈路動(dòng)態(tài)變化性強(qiáng)

端到端多路徑傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)通常包括 WiFi、蜂窩鏈路、衛(wèi)星鏈路、以太鏈路以及光纖等,它們的物理層和鏈路層傳輸特性存在巨大差異.鏈路特性差異度大,容易造成不同子流間數(shù)據(jù)包的亂序問(wèn)題.亂序到達(dá)的數(shù)據(jù)包一方面通過(guò)對(duì)接收緩存的占用抑制發(fā)送方的發(fā)送速率;另一方面造成數(shù)據(jù)包無(wú)法及時(shí)向應(yīng)用層遞交,進(jìn)而影響用戶(hù)體驗(yàn).鏈路特性差異度大體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面.

· 在資源分配方式上,蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用資源集中分配、用戶(hù)獨(dú)享資源的方式,在時(shí)延、帶寬等鏈路參數(shù)上相對(duì)穩(wěn)定.而WiFi則是通過(guò)CSMA/CA分布式地競(jìng)爭(zhēng)資源,隨著關(guān)聯(lián)同一個(gè)AP的用戶(hù)數(shù)目的增加,每個(gè)用戶(hù)競(jìng)爭(zhēng)到的帶寬會(huì)相應(yīng)地減少,同時(shí)時(shí)延的抖動(dòng)也會(huì)增加.

· 在傳輸和覆蓋范圍上,衛(wèi)星傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn),地面的 WiFi、蜂窩等鏈路則相對(duì)較近.傳輸距離的差異使得物理傳輸時(shí)延差異較大.例如,地面 WiFi網(wǎng)絡(luò)的端到端往返時(shí)延通常為幾十 ms[20]的量級(jí),而經(jīng)過(guò)高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)后數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r(shí)延能夠達(dá)到幾百ms[21].

· 在鏈路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化上,傳輸帶寬、往返時(shí)延、丟包率隨著時(shí)間的不同會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化.以帶寬為例,造成帶寬動(dòng)態(tài)變化的原因主要有兩個(gè)方面:其一是隨著用戶(hù)的動(dòng)態(tài)接入和離開(kāi),競(jìng)爭(zhēng)瓶頸帶寬用戶(hù)數(shù)目的動(dòng)態(tài)變化使得用戶(hù)可用帶寬相應(yīng)地發(fā)生變化;另一方面,則是由無(wú)線(xiàn)信道的動(dòng)態(tài)變化造成接收信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)的變化.而 WiFi和蜂窩鏈路在鏈路層均采用了自適應(yīng)調(diào)制編碼(adaptive modulation coding,簡(jiǎn)稱(chēng) AMC)機(jī)制,隨著信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)的變化,物理層采用的調(diào)制和編碼機(jī)制也會(huì)相應(yīng)地改變,使得接入帶寬相應(yīng)地發(fā)生變化.

· 在移動(dòng)性方面,WiFi、蜂窩鏈路、衛(wèi)星鏈路都會(huì)出現(xiàn)隨著用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),鏈路動(dòng)態(tài)地連通和斷開(kāi).而隨著鏈路的連通和斷開(kāi),現(xiàn)有的通過(guò)多路徑傳輸對(duì)鏈路通斷狀態(tài)的感知滯后,使得多路徑傳輸效率不高.在鏈路斷開(kāi)后聯(lián)通的發(fā)現(xiàn)方面,MPTCP在超時(shí)鏈路上會(huì)繼續(xù)采用TCP指數(shù)退避的方式調(diào)整超時(shí)時(shí)間并重傳數(shù)據(jù)包,收到確認(rèn)后則認(rèn)為鏈路重新連通.然而,超時(shí)時(shí)間的指數(shù)退避的方式使得無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)鏈路的連通并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[22].

2)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由選擇時(shí)并未考慮終端的多路徑傳輸特性

在相同的源和目的節(jié)點(diǎn)之間,網(wǎng)絡(luò)中往往有多條可達(dá)路徑,路由設(shè)備常常會(huì)采用多路徑路由算法來(lái)平衡各條路徑之間的負(fù)載,以提高網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率.其中,ECMP(equal cost multipath routing)是工程上常用的負(fù)載均衡多路徑路由機(jī)制.ECMP根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出來(lái)的代價(jià)相等的多條路徑,根據(jù)流IP地址和端口號(hào)信息進(jìn)行hash之后,將流隨機(jī)地分配到不同路徑上.

然而,由于ECMP無(wú)法獲得各條子流是否屬于同一個(gè)MPTCP流,在進(jìn)行hash時(shí)將可能出現(xiàn)多條子流分配到同一段路徑進(jìn)行傳輸?shù)那闆r.如果這些子流共用了瓶頸路徑,則難以發(fā)揮 MPTCP的優(yōu)勢(shì).同時(shí),ECMP在進(jìn)行流的分配時(shí)僅僅做到了將不同路徑的流按照數(shù)量盡可能地平均,并未考慮流的持續(xù)時(shí)間等問(wèn)題,因此仍然會(huì)有負(fù)載不均衡問(wèn)題.此外,ECMP僅支持在多條代價(jià)相等(通常是代價(jià)相等且均為最優(yōu))的路徑間進(jìn)行負(fù)載均衡,通常并不對(duì)代價(jià)次優(yōu)的路徑進(jìn)行選擇.

3)上層應(yīng)用中,不同數(shù)據(jù)的重要性有差異

端到端多路徑傳輸需要為上層各種類(lèi)型的應(yīng)用提供服務(wù),不同應(yīng)用對(duì)多路徑傳輸有不同的需求.對(duì)于大文件傳輸而言,多路徑傳輸只需要確保在文件傳輸過(guò)程中提供較高的平均帶寬即可;而對(duì)于網(wǎng)頁(yè)這種小文件傳輸來(lái)說(shuō),常見(jiàn)的評(píng)估指標(biāo)是頁(yè)面加載時(shí)間,該時(shí)間越短越好;對(duì)于視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù),服務(wù)器端已經(jīng)存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)文件,客戶(hù)端只需通過(guò)一段時(shí)間的預(yù)加載之后就開(kāi)始邊下載邊看,為了避免客戶(hù)端卡頓,多路徑傳輸需要提供較為平滑的聚合帶寬;實(shí)時(shí)流媒體則是要求預(yù)加載時(shí)間更短,而且視頻源數(shù)據(jù)是以一定比特速率產(chǎn)生的,因此對(duì)傳輸過(guò)程中每個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延抖動(dòng)容忍度更小.網(wǎng)頁(yè)類(lèi)小文件、按需流媒體和實(shí)時(shí)流媒體的業(yè)務(wù)特點(diǎn)給多路徑傳輸?shù)穆窂竭x擇、數(shù)據(jù)分配等方面都提出了更高的要求.

同時(shí),應(yīng)用層的數(shù)據(jù)在重要性方面往往也存在較大的差異,如果在進(jìn)行多路徑傳輸時(shí),將不同重要性的數(shù)據(jù)包封裝成相同的傳輸層數(shù)據(jù)段而不加區(qū)分地進(jìn)行傳輸,則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸效率的問(wèn)題.以 H.264視頻編碼文件傳輸為例,為了壓縮視頻源文件大小,H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻文件進(jìn)行了相關(guān)性編碼.I幀和P幀是兩種常見(jiàn)的編碼后幀類(lèi)型,其中,I幀是那些能夠獨(dú)立進(jìn)行解碼的幀,而P幀通常需要依賴(lài)于I幀才能進(jìn)行解碼,一個(gè)I幀之后往往會(huì)有若干數(shù)量的P幀.I幀一旦丟失,就意味著后續(xù)一系列P幀無(wú)法解碼,因此在H.264編碼的視頻文件中,I幀的重要性要高于P幀,在進(jìn)行多路徑傳輸時(shí),需要當(dāng)對(duì)二者進(jìn)行區(qū)別對(duì)待.

4)不同網(wǎng)絡(luò)接口具備不同的能耗特點(diǎn),而且能耗和接口帶寬之間存在非線(xiàn)性關(guān)系

對(duì) WiFi接口和蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口而言,二者具有完全不同的能耗特點(diǎn).其中,蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口具有尾能耗特性[23].對(duì)于開(kāi)啟的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口而言,在進(jìn)行傳輸時(shí),接口處于高能耗狀態(tài),而傳輸結(jié)束后的一段時(shí)間,接口仍然會(huì)有一段較長(zhǎng)時(shí)間處于高能耗狀態(tài),之后才切換為空閑狀態(tài).對(duì)于 WiFi接口而言,則不會(huì)在傳輸?shù)慕Y(jié)束后仍然帶來(lái)較高的能量消耗.因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分配時(shí),需要結(jié)合接口能量特點(diǎn),將蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口的尾能耗特性考慮進(jìn)來(lái).

在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下,根據(jù)文獻(xiàn)[24,25]對(duì)多路徑傳輸能耗測(cè)量的結(jié)果,往返時(shí)延大的子流耗能更高;同時(shí),在多條子流共用瓶頸路徑時(shí),也會(huì)帶來(lái)更多不必要的能量消耗.因此在進(jìn)行擁塞控制、數(shù)據(jù)分配時(shí),應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮往返時(shí)延小的子流,并且避免共用瓶頸路徑.

從理論分析角度來(lái)看,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,用戶(hù)的信道容量和接收方信噪比的對(duì)數(shù)成正比,使得在進(jìn)行接口資源分配時(shí),能耗和用戶(hù)性能兩個(gè)目標(biāo)互相沖突,需要定義新的目標(biāo)函數(shù)對(duì)二者進(jìn)行權(quán)衡,并在新的目標(biāo)函數(shù)的指導(dǎo)下進(jìn)行多路徑傳輸?shù)馁Y源分配、子流選擇等方面的優(yōu)化.

1.3 主要研究分類(lèi)

端到端多路徑傳輸跨層優(yōu)化研究分類(lèi)如圖2所示.后文將按照?qǐng)D2所示的結(jié)構(gòu)逐一展開(kāi)介紹.按照研究目標(biāo),端到端多路徑傳輸跨層優(yōu)化研究首先可以分為兩類(lèi):第1類(lèi)是以提高帶寬,降低傳輸時(shí)延為目標(biāo);第2類(lèi)是在提升系統(tǒng)性能的同時(shí),降低系統(tǒng)能耗.

· 圍繞第1類(lèi)目標(biāo),相關(guān)研究分別結(jié)合了物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層信息進(jìn)行了多路徑傳輸?shù)膬?yōu)化.在利用物理及鏈路層信息方面,主要包括 3個(gè)方面:鏈路通斷狀態(tài)的感知、鏈路參數(shù)的估計(jì)與預(yù)測(cè)和與資源分配的協(xié)同;在利用網(wǎng)絡(luò)層信息方面,主要是利用網(wǎng)絡(luò)層信息進(jìn)行子流的路由選擇;在利用應(yīng)用層信息方面,主要包括3個(gè)方面:截止時(shí)間和重要性感知、失幀率感知和結(jié)合應(yīng)用層文件大小.

· 圍繞第2類(lèi)目標(biāo),相關(guān)研究主要結(jié)合了物理層、應(yīng)用層進(jìn)行多路徑傳輸?shù)膬?yōu)化:在利用物理層信息方面,

主要利用了物理接口的能耗特點(diǎn);在利用應(yīng)用層信息方面,主要結(jié)合了應(yīng)用的失真率需求和帶寬需求.

Fig.2 Classification for end-to-end multipath transmission research with cross-layer optimization圖2 端到端多路徑傳輸跨層優(yōu)化研究分類(lèi)

2 結(jié)合物理及鏈路層的跨層優(yōu)化

在進(jìn)行多路徑傳輸時(shí),需要準(zhǔn)確感知鏈路狀態(tài)信息以及鏈路的無(wú)線(xiàn)資源分配方式的特點(diǎn),以更好地提升多路徑傳輸性能.利用物理及鏈路層信息進(jìn)行鏈路狀態(tài)信息感知主要包括兩個(gè)方面:其一是鏈路通斷狀態(tài)的感知,其二是鏈路參數(shù)的估計(jì)與預(yù)測(cè).在與無(wú)線(xiàn)資源分配方式進(jìn)行協(xié)同時(shí),主要結(jié)合鏈路的無(wú)線(xiàn)資源分配方式的特點(diǎn)對(duì)子流選擇、擁塞控制等方面進(jìn)行調(diào)整,從而達(dá)到單個(gè)終端或者全網(wǎng)性能的提升.

2.1 鏈路通斷狀態(tài)的感知

端到端多路徑傳輸通過(guò)獲得鏈路通斷狀態(tài)的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)子流連接管理的優(yōu)化.底層鏈路通斷狀態(tài)信息可以通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層或物理層獲得.

對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層,主要是利用鏈路層的重傳信息進(jìn)行鏈路通斷狀態(tài)的感知.為了獲得鏈路層的重傳信息,一種方式是直接修改數(shù)據(jù)鏈路層,每重傳 1個(gè)包就記錄下來(lái)供上層讀取;另一種方式則是直接讀取數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)參數(shù),例如對(duì)于802.11系列協(xié)議,可以直接讀取其MIB庫(kù)中[26]的dot11FailedCount和dot11retrycount,前者記錄了發(fā)送后沒(méi)有傳輸成功的幀的數(shù)目,后者記錄了經(jīng)過(guò) 1次或者對(duì)此重傳之后發(fā)送成功的幀的數(shù)目,二者求和能夠得到所有重傳幀的數(shù)目的計(jì)數(shù).

利用鏈路層的重傳信息進(jìn)行鏈路通斷狀態(tài)的感知的相關(guān)研究主要有文獻(xiàn)[22,27].文獻(xiàn)[22]對(duì)實(shí)際的安卓終端進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)雖然用于終端切換發(fā)現(xiàn)的信號(hào)強(qiáng)度變化較大,但是數(shù)據(jù)鏈路層的重傳率和鏈路通斷關(guān)系有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.所以在進(jìn)行鏈路通斷狀態(tài)感知時(shí),文獻(xiàn)[22]在判斷當(dāng)前發(fā)送速率為終端最低發(fā)送速率之后,首先統(tǒng)計(jì)鏈路重傳率,在重傳率超過(guò)一定閾值之后記錄信號(hào)強(qiáng)度,并依據(jù)記錄的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行鏈路狀態(tài)判斷鏈路的通斷狀態(tài).文獻(xiàn)[27]考慮到切換過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的高丟包的情況,在切換過(guò)程中采用在多條子流傳輸相同數(shù)據(jù)的方式提高可靠性.為了避免在網(wǎng)絡(luò)中傳輸過(guò)多的冗余數(shù)據(jù),文獻(xiàn)[27]在不發(fā)生切換的過(guò)程中,采用單條子流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.在采用多條子流和采用單條子流兩種模式進(jìn)行切換時(shí),以鏈路層重傳率作為判斷指標(biāo):當(dāng)鏈路層重傳率高于一定閾值之后,采用多條子流同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?當(dāng)鏈路重傳率低于一定閾值并且并且穩(wěn)定之后,則采用單條子流單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?

在物理層,主要是利用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行鏈路通斷狀態(tài)的感知.該方面的相關(guān)研究主要有文獻(xiàn)[28-31].其中,文獻(xiàn)[28]利用當(dāng)Wifi信號(hào)強(qiáng)度連續(xù)小于一定閾值達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)之后,開(kāi)始進(jìn)行切換;文獻(xiàn)[29]利用采用切換前后信號(hào)強(qiáng)度是否相差超過(guò)一定閾值來(lái)進(jìn)行切換判決,并且根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)鏈路可用帶寬并相應(yīng)地對(duì)傳輸層擁塞窗口進(jìn)行設(shè)置以提升傳輸性能;文獻(xiàn)[30]對(duì)信號(hào)強(qiáng)度、可用帶寬進(jìn)行歸一化,基于歸一化之后的值進(jìn)行切換判決和選擇;文獻(xiàn)[31]將機(jī)器學(xué)習(xí)引入到MPTCP的子流選擇當(dāng)中,基于信號(hào)強(qiáng)度、往返時(shí)延、吞吐率、同一個(gè)區(qū)域干擾AP的數(shù)目構(gòu)造隨機(jī)決策森林,根據(jù)決策森林的輸出結(jié)果對(duì)子流進(jìn)行選擇.文獻(xiàn)[28,29]在進(jìn)行切換時(shí)僅僅考慮了鏈路的信號(hào)強(qiáng)度,其優(yōu)勢(shì)在于算法較為簡(jiǎn)單;然而由于考慮的參數(shù)較少,難以有效地提升切換性能.文獻(xiàn)[30]在進(jìn)行切換時(shí)將多個(gè)參數(shù)考慮進(jìn)來(lái),文獻(xiàn)[31]在進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)同時(shí)考慮了歷史信息.文獻(xiàn)[30,31]在切換算法的復(fù)雜度上相對(duì)較高,帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是切換性能的提升更加明顯.

2.2 鏈路參數(shù)的估計(jì)與預(yù)測(cè)

不同子流所經(jīng)過(guò)的鏈路在帶寬、時(shí)延等方面差異度大且動(dòng)態(tài)變化,使得不同子流的數(shù)據(jù)包亂序地到達(dá)接收方,在接收緩存受限的情況下,亂序程度越高對(duì)發(fā)送聚合帶寬影響越大,并且發(fā)送速率慢的子流還會(huì)抑制發(fā)送速率快的子流.有效的數(shù)據(jù)分配和選擇路徑狀態(tài)好的子流是確保高聚合帶寬的兩種主要方法.二者都需要以每條子流的端到端路徑參數(shù)(包括帶寬、往返時(shí)延、丟包率)作為優(yōu)化依據(jù),因此需要對(duì)鏈路參數(shù)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的估計(jì)和預(yù)測(cè).

為了應(yīng)對(duì)端到端傳輸往返時(shí)延動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化,文獻(xiàn)[32-34]對(duì)時(shí)延估計(jì)方法及多路徑傳輸數(shù)據(jù)分配進(jìn)行了修改.其中,文獻(xiàn)[32]基于鏈路誤幀率計(jì)算出鏈路層的平均時(shí)延以及對(duì)應(yīng)的端到端往返時(shí)延,并基于改進(jìn)后的往返時(shí)延進(jìn)行數(shù)據(jù)分配.文獻(xiàn)[32]適用于鏈路誤幀率較高、對(duì)端到端延時(shí)影響比較明顯的場(chǎng)景.文獻(xiàn)[33]將卡爾曼濾波器引入對(duì)端到端傳輸時(shí)延的預(yù)測(cè)中,相應(yīng)地也基于預(yù)測(cè)后的時(shí)延進(jìn)行數(shù)據(jù)分配.文獻(xiàn)[34]在文獻(xiàn)[33]的基礎(chǔ)上同時(shí)以往返時(shí)延和帶寬進(jìn)行聯(lián)合的卡爾曼濾波預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)出來(lái)的帶寬和往返時(shí)延同時(shí)作為數(shù)據(jù)分配算法的輸入.和文獻(xiàn)[33]相比,文獻(xiàn)[34]的預(yù)測(cè)輸入?yún)?shù)更多,從而提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度.文獻(xiàn)[33,34]采用卡爾曼濾波對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),比文獻(xiàn)[32]適用范圍更廣.

為了應(yīng)對(duì)端到端傳輸帶寬的動(dòng)態(tài)變化,文獻(xiàn)[35-38]對(duì)帶寬估計(jì)方法及多路徑傳輸子流選擇或者數(shù)據(jù)分配進(jìn)行了修改.文獻(xiàn)[35-37]基于鏈路層的誤幀率以及端到端往返時(shí)延,利用經(jīng)典TCP吞吐率理論計(jì)算公式估計(jì)可用傳輸帶寬,并將可用傳輸帶寬作為鏈路質(zhì)量的評(píng)估指標(biāo),在感知到接收方緩存發(fā)生阻塞時(shí),及時(shí)在發(fā)送方刪除鏈路質(zhì)量差的路徑,從而降低質(zhì)量差路徑對(duì)接收方亂序情況的影響.文獻(xiàn)[35-37]都需要以準(zhǔn)確的誤幀率和往返延時(shí)為基礎(chǔ),同時(shí),在TCP版本上僅僅適用于標(biāo)準(zhǔn)TCP.隨著TCP版本的變化,需要相應(yīng)地對(duì)吞吐率模型加以調(diào)整.文獻(xiàn)[38]利用 LTE,HSPDA+網(wǎng)絡(luò)在物理層的特點(diǎn),即基站根據(jù)終端返回的信號(hào)強(qiáng)度 CQI信息調(diào)整傳輸塊大小,在基站側(cè)利用傳輸塊信息計(jì)算用戶(hù)下行帶寬并據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)分配.文獻(xiàn)[39]根據(jù)WiFi和WIMAX鏈路層的傳輸時(shí)長(zhǎng)估計(jì)不同路徑傳輸帶寬,并根據(jù)傳輸帶寬比例在各條路徑分配數(shù)據(jù).和文獻(xiàn)[35-37]相比,文獻(xiàn)[38,39]則需要更多的物理層信息,在參數(shù)獲取的復(fù)雜度方面要更高.

2.3 與無(wú)線(xiàn)資源分配的協(xié)同

無(wú)線(xiàn)資源分配主要是指無(wú)線(xiàn)傳輸中對(duì)頻率、時(shí)隙等資源的分配.現(xiàn)有的移動(dòng)通信或者WiFi網(wǎng)絡(luò)通常具有鏈路多速率的特點(diǎn),如果將過(guò)多地時(shí)間片分配給低速率終端,則會(huì)使系統(tǒng)整體吞吐率降低,因此在多路徑傳輸需要合理地對(duì)并發(fā)傳輸?shù)淖恿鬟M(jìn)行選擇,從而在確保終端傳輸性能的同時(shí)保持較高的系統(tǒng)整體吞吐率.文獻(xiàn)[40,41]設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的比例公平效用函數(shù),并通過(guò)集中求解得到了每個(gè)終端應(yīng)當(dāng)和哪些基站建立連接,從而達(dá)到系統(tǒng)整體最優(yōu).和文獻(xiàn)[40,41]不同,文獻(xiàn)[42,43]則是以單用戶(hù)總體性能為目標(biāo).其中,文獻(xiàn)[42]在其不同子流所經(jīng)過(guò)的AP的鏈路速率并不相同而且會(huì)產(chǎn)生相互干擾時(shí),通過(guò)調(diào)整不同子流的流量分配將更多的流量分配到鏈路速率高的AP上.文獻(xiàn)[43]針對(duì)同時(shí)使用移動(dòng)通信和WiFi網(wǎng)絡(luò)的MPTCP和僅使用WiFi網(wǎng)絡(luò)的TCP的下行流在競(jìng)爭(zhēng)帶寬時(shí)TCP流搶得更多帶寬的問(wèn)題,通過(guò)調(diào)整AP側(cè)針對(duì)MPTCP流和TCP流的丟包率,使兩種類(lèi)型的流的丟包率大致相等,來(lái)實(shí)現(xiàn)MPTCP下行流和TCP下行流競(jìng)爭(zhēng)帶寬時(shí)的公平性.

在 WiFi系統(tǒng)中,上下行的流量需要共同競(jìng)爭(zhēng)可用傳輸時(shí)間,二者相互之間會(huì)產(chǎn)生影響.這一特點(diǎn)對(duì)于需要傳輸ACK報(bào)文的TCP來(lái)說(shuō)表現(xiàn)更為明顯,TCK ACK和TCP DATA同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線(xiàn)時(shí)間片,使得用戶(hù)發(fā)送TCP DATA的時(shí)間片降低,用戶(hù)的吞吐率也相應(yīng)地降低.文獻(xiàn)[44,45]提出了在多接口終端將WiFi接口的TCP ACK信息轉(zhuǎn)移到用戶(hù)的另一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行發(fā)送,從而既利用了蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口本來(lái)已經(jīng)固定分配的無(wú)線(xiàn)資源,同時(shí)還提高了WiFi接口可用于數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間,從而整體地提高了多路徑傳輸聚合帶寬.

2.4 小 結(jié)

端到端多路徑傳輸與物理及鏈路層相結(jié)合的研究方案主要從鏈路通斷狀態(tài)感知、鏈路參數(shù)估計(jì)與預(yù)測(cè)、與無(wú)線(xiàn)資源分配的協(xié)同這 3個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化.各研究方案的對(duì)比見(jiàn)表1.從表中可以看出,鏈路通斷狀態(tài)感知主要用于優(yōu)化多路徑傳輸?shù)倪B接管理模塊,鏈路參數(shù)估計(jì)與預(yù)測(cè)主要用于優(yōu)化多路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配和子流選擇模塊,而與無(wú)線(xiàn)資源分配的協(xié)同主要用于優(yōu)化多路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配、子流選擇以及擁塞控制模塊.在進(jìn)行鏈路通斷感知時(shí),采用物理層的信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)而言要比采用鏈路層的重傳率更為及時(shí),但是由于信號(hào)強(qiáng)度會(huì)不斷地發(fā)生變化,需要確保獲得的信號(hào)強(qiáng)度能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前無(wú)線(xiàn)鏈路的狀態(tài).并且目前鏈路通斷感知和鏈路參數(shù)估計(jì)與預(yù)測(cè)主要采用的是終端測(cè)量的方式,終端測(cè)量出來(lái)的鏈路相關(guān)參數(shù)通常會(huì)比較滯后,需要進(jìn)一步與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行結(jié)合,以提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

Table 1 Comparison of research schemes which combine end-to-end multipath transfer with physical and mac layer schemes表1 端到端多路徑傳輸與物理及鏈路層相結(jié)合的研究方案對(duì)比

3 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層的跨層優(yōu)化

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層的跨層優(yōu)化的主要目標(biāo)是為多路徑傳輸?shù)母鳁l子流選擇合適的路徑,并確定合適的子流數(shù)目.為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),主要包括3個(gè)模塊:首先是子流關(guān)系的識(shí)別模塊,即辨別出屬于同一條多路徑傳輸?shù)亩鄺l子流,基于此,才能為各條子流選出合適的路徑;其次是路由調(diào)整模塊,即基于什么協(xié)議在路由器執(zhí)行算法的計(jì)算結(jié)果;最后是子流的路由和子流的數(shù)目計(jì)算模塊.在完成了算法設(shè)計(jì)之后,各個(gè)研究在各自設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行了算法驗(yàn)證.

3.1 子流關(guān)系的識(shí)別

子流關(guān)系的識(shí)別主要有3類(lèi),包括:1)終端直接識(shí)別;2)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)MPTCP建連時(shí)的選項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別;3)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)MPTCP的序列號(hào)映射關(guān)系選項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別.

1)終端直接識(shí)別

這類(lèi)方案的特點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上架設(shè)代理,而終端可以獲得所有可用的代理信息,等價(jià)于終端獲得了網(wǎng)絡(luò)中的路由信息,并且可以進(jìn)一步通過(guò)代理的選擇來(lái)決定數(shù)據(jù)包的走向.此時(shí),終端在建立連接時(shí)就已經(jīng)知道子流之間的相互關(guān)系,下一步則是進(jìn)行代理的選擇.相關(guān)研究工作具體包括文獻(xiàn)[46-48].

2)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)MPTCP建連時(shí)的選項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別

MPTCP的連接建立時(shí)序圖如圖3所示.該圖對(duì)應(yīng)的是一個(gè)有2個(gè)IP地址的客戶(hù)端向一個(gè)有2個(gè)IP地址的服務(wù)器端獲取網(wǎng)頁(yè)時(shí)的連接建立過(guò)程[13].MPTCP采用fullmesh的方式進(jìn)行連接的建立,相應(yīng)地也就建立了4條子流.如圖3所示,這4條子流建立過(guò)程有先后順序:首先,通過(guò)在第1對(duì)IP地址建立連接是通過(guò)MP_CAPABLE標(biāo)識(shí)雙方均支持MPTCP并進(jìn)行第1條連接的建立;在收到第1條連接建立完成的ACK之后,客戶(hù)端通過(guò)IP 2和服務(wù)器IP 1再進(jìn)行第2條連接建立;當(dāng)客戶(hù)端收到服務(wù)器通過(guò)IP 1發(fā)來(lái)有MP_ADDR選項(xiàng)的數(shù)據(jù)包之后,進(jìn)一步分別通過(guò)客戶(hù)端的 IP 1和 IP 2與服務(wù)器的 IP 2建立連接,此時(shí)建立連接的選項(xiàng)中均有 MP_JOIN.根據(jù)MPTCP連接建立過(guò)程,網(wǎng)絡(luò)側(cè)識(shí)別出第 1次建立連接的 MPTCP_CAPABLE選項(xiàng)以及后續(xù)增加連接的MP_JOIN選項(xiàng)之后,就能判斷出各條子流是否屬于同一條流.相關(guān)研究工作具體包括文獻(xiàn)[49,50]等.

Fig.3 Sequence chart for MPTCP connection setup with two source addresses and two destination addresses[13]圖3 MPTCP在2個(gè)源地址和2個(gè)目的地址之間采用fullmesh方式建立連接的時(shí)序圖[13]

3)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)MPTCP的序列號(hào)映射關(guān)系選項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別

第 3類(lèi)的方案是根據(jù) MPTCP數(shù)據(jù)包中所包含的連接層序列號(hào)和子流層序列號(hào)之間的映射關(guān)系.因?yàn)镸PTCP建連的控制信息只在建立連接時(shí)通過(guò)少量數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸,文獻(xiàn)[51]考慮到網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行采樣時(shí)可能會(huì)沒(méi)有采樣到這些數(shù)據(jù)包,進(jìn)一步利用相同MPTCP連接不同子流在連接層序列號(hào)上一般會(huì)覆蓋相同的區(qū)間范圍但是并不相交的特點(diǎn)對(duì)子流間的關(guān)系進(jìn)行識(shí)別.

3.2 子流路由調(diào)整機(jī)制

由于需要根據(jù)終端的多路徑傳輸特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)地路由選擇,現(xiàn)有研究通?；诳伸`活修改路由器策略的協(xié)議進(jìn)行.主要基于的方案包括SDN(software defined networking)、MPLS(multiprotocol label switching)、LISP(locator/identifier separation protocol)和源路由.

文獻(xiàn)[49,50]等研究采用基于SDN的方式進(jìn)行協(xié)同,其主要思路是,利用SDN控制器和交換機(jī)之間交互的消息來(lái)輔助進(jìn)行子流關(guān)系識(shí)別,并利用SDN集中控制的特點(diǎn)進(jìn)行子流路由表的下發(fā).SDN通常的工作方式是通過(guò)集中的控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行管理,在路由器上,通過(guò)流表的方式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行匹配和轉(zhuǎn)發(fā).當(dāng)流表中沒(méi)有與當(dāng)前數(shù)據(jù)包的匹配條目時(shí),數(shù)據(jù)包被分裝成packet in報(bào)文并發(fā)送給控制器.此時(shí),控制器SDN控制器需要為數(shù)據(jù)包計(jì)算路徑并通過(guò)packet out下發(fā)給路由器.為了支持對(duì)不同子流關(guān)系的識(shí)別,在控制器收到packet in報(bào)文之后,還需要識(shí)別其中的MPTCP選項(xiàng),根據(jù)MPTCP選項(xiàng)識(shí)別出子流的關(guān)系,并相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行流表的下發(fā).由于packet in報(bào)文只有在數(shù)據(jù)包無(wú)法匹配時(shí)才會(huì)產(chǎn)生,為了避免其他流表項(xiàng)的模糊匹配造成路由器不發(fā)送packet in報(bào)文,要求控制器在下發(fā)流表時(shí)的粒度比較細(xì),最好是為每一條流或者每一對(duì)IP地址對(duì)設(shè)置相應(yīng)的流表項(xiàng).

基于MPLS的方案有文獻(xiàn)[52].MPLS基于標(biāo)簽為數(shù)據(jù)包進(jìn)行選路.在數(shù)據(jù)包進(jìn)入支持MPLS的網(wǎng)絡(luò)時(shí),邊界路由器打上相應(yīng)的標(biāo)簽,網(wǎng)絡(luò)中其他路由器根據(jù)打上的標(biāo)簽進(jìn)行選路.在數(shù)據(jù)包出MPLS網(wǎng)絡(luò)后,標(biāo)簽相應(yīng)地被刪除.和 SDN類(lèi)似,在MPLS協(xié)議基礎(chǔ)上,也需要有相應(yīng)的設(shè)備集中搜集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)信息,并根據(jù)狀態(tài)信息下發(fā)標(biāo)簽,并與終端進(jìn)行交互.由于MPLS并沒(méi)有類(lèi)似SDN的發(fā)送packet in報(bào)文的機(jī)制,需要對(duì)路由器進(jìn)行相應(yīng)的修改,以根據(jù)前述3種方案中的一種進(jìn)行多路徑子流關(guān)系的發(fā)現(xiàn).

采用LISP的方案有文獻(xiàn)[53,54].LISP本身并沒(méi)有提供修改網(wǎng)絡(luò)路由的方案,但在邊緣網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)出口的場(chǎng)景下,LISP能夠同時(shí)通過(guò)其邊界路由器進(jìn)行傳輸.

采用源路由的方案有文獻(xiàn)[55].源路由一般首先需要通過(guò)一定量的消息交互來(lái)發(fā)現(xiàn)路由,然后通過(guò)終端在IP包頭中指定每一跳所經(jīng)過(guò)的路由器進(jìn)行具體選路.與SDN、MPLS的方案相比,源路由在進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)時(shí)的代價(jià)更高,路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān).

3.3 子流的路由選擇

在進(jìn)行子流的路由選擇時(shí),主要的研究方案有兩類(lèi).

· 第 1類(lèi)是只根據(jù)路由可達(dá)性為子流進(jìn)行選路,具體包括文獻(xiàn)[49,53,55,56].這類(lèi)研究的主要目標(biāo)是為不同子流選擇鏈路不相交的路徑,以避免傳輸過(guò)程中不同子流共用瓶頸路徑的問(wèn)題.以文獻(xiàn)[49]中的算法為例,算法首先計(jì)算最短路徑,之后將最短路徑刪除后重新計(jì)算一條最短路徑.其他文獻(xiàn)中采用了類(lèi)似的選路算法,包括僅僅選出k條不相交路徑[55]、選出k條不相交路徑的同時(shí)使最小帶寬路徑最大[56].

· 第2類(lèi)是在進(jìn)行選路或者子流選擇的同時(shí)考慮鏈路負(fù)載.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中可以提供的路徑比多路徑傳輸子流數(shù)目多時(shí),文獻(xiàn)[57,58]根據(jù)每條路徑上的負(fù)載信息優(yōu)先選擇負(fù)載較輕的路徑分配給各條多路徑傳輸?shù)淖恿?文獻(xiàn)[59]選出帶寬差異較小且?guī)捿^高的子流進(jìn)行傳輸.文獻(xiàn)[60,61]在進(jìn)行路由選擇時(shí),同時(shí)考慮了上層應(yīng)用的需求.其中,文獻(xiàn)[60]從所有子流中逐步刪除可用帶寬最小的,直到上層應(yīng)用帶寬得到滿(mǎn)足;文獻(xiàn)[61]根據(jù)上層業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)比例分配可用的路徑和鏈路帶寬資源.

3.4 應(yīng)用場(chǎng)景的拓?fù)涮攸c(diǎn)

在進(jìn)行算法驗(yàn)證時(shí),上述研究采用了不同的應(yīng)用場(chǎng)景,主要包括簡(jiǎn)單拓?fù)?、隨機(jī)拓?fù)洹?shù)據(jù)中心拓?fù)?、廣域網(wǎng)拓?fù)浜托l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?其中,文獻(xiàn)[49,52]采用了較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?主要特點(diǎn)是,雖然包括路由節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)較少,但是在源和目的節(jié)點(diǎn)之間有多條可達(dá)路徑,通過(guò)在給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞M(jìn)行多路徑傳輸和只采用單條路徑的傳輸進(jìn)行對(duì)比,突出了多路徑傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì).文獻(xiàn)[56]中在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)采用了隨機(jī)拓?fù)?隨機(jī)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)相對(duì)于簡(jiǎn)單拓?fù)涠詳?shù)目更多,在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)直接的可達(dá)路徑也更多.

采用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯堪ㄎ墨I(xiàn)[57,58,62,63],其采用的拓?fù)浒?FatTree、Jellyfish、Dual-homed Jellyfish、Bcube.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中路徑冗余度高,并且源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的多條可達(dá)路徑的計(jì)算有規(guī)律可循.同時(shí),由于近年來(lái)數(shù)據(jù)中心的研究相對(duì)較多,數(shù)據(jù)中心的常見(jiàn)的流量類(lèi)型也有較多的可用選擇.文獻(xiàn)[56]采用了實(shí)際廣域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括CERNET2、Abilene、Internet 2.這類(lèi)拓?fù)浔旧矶季哂卸鄺l可達(dá)路徑,能夠?yàn)槎嗦窂絺鬏攲?shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供基礎(chǔ).采用這類(lèi)拓?fù)溥M(jìn)行算法的驗(yàn)證也能提高算法的說(shuō)服力.文獻(xiàn)[55]采用了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中銥星的拓?fù)?在銥星的拓?fù)渲?每個(gè)衛(wèi)星與周?chē)?4個(gè)相鄰衛(wèi)星相連,通過(guò)衛(wèi)星相互之間建立的鏈路形成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),從而達(dá)到對(duì)地球覆蓋的目標(biāo).采用銥星拓?fù)鋵?duì)多路徑傳輸進(jìn)行驗(yàn)證,適用于那些將多路徑傳輸應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究.

3.5 小 結(jié)

端到端多路徑傳輸與網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合的研究方案包括子流關(guān)系識(shí)別、子流路由調(diào)整機(jī)制以及子流路由選擇這3大模塊,并且基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證.各研究方案的對(duì)比見(jiàn)表2.在進(jìn)行子流路由選擇時(shí),主要有平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、多路徑用戶(hù)不共用瓶頸或聚合盡可能多帶寬、滿(mǎn)足用戶(hù)應(yīng)用的需求這3大類(lèi)目標(biāo).在子流路由計(jì)算時(shí),有集中式和分布式兩種.集中式的子流路由計(jì)算主要在統(tǒng)一的控制器中進(jìn)行,分布式的子流的路由計(jì)算主要發(fā)生在終端或者路由器上.由于集中式的計(jì)算方式能夠拿到更多的信息,在子流路由選擇的結(jié)果上更容易挑選出對(duì)于子流而言質(zhì)量更好的路徑.不過(guò),在路由計(jì)算的可擴(kuò)展性方面,分布式的計(jì)算方式要比集中式的計(jì)算方式要好.在應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)浞矫?主要包括4種:簡(jiǎn)單拓?fù)?、廣域網(wǎng)拓?fù)洹?shù)據(jù)中心拓?fù)湟约般炐峭負(fù)?其中,后3種拓?fù)湟鹊?種更加接近實(shí)際環(huán)境,并且可選擇的端到端路徑也比第1種要多,更適合用于相關(guān)研究方案的驗(yàn)證.在子流路由選擇滿(mǎn)足用戶(hù)需求方面,現(xiàn)有的研究主要針對(duì)的是具有一定帶寬需求的業(yè)務(wù),而對(duì)目前被廣泛采用的碼流動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的流媒體業(yè)務(wù)考慮較少.碼流動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的流媒體業(yè)務(wù)具有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻碼率的特點(diǎn).該特點(diǎn)有待于進(jìn)一步與網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合以提高多路徑傳輸性能.

Table 2 Comparison of research schemes which combine end-to-end multipath transfer with network layer schemes表2 端到端多路徑傳輸與網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合的研究方案對(duì)比

4 結(jié)合應(yīng)用層的跨層優(yōu)化

傳統(tǒng)的多路徑傳輸所針對(duì)的上層業(yè)務(wù)主要是大文件傳輸.在大文件傳輸過(guò)程中,每個(gè)數(shù)據(jù)包之間沒(méi)有相關(guān)性,也沒(méi)有嚴(yán)格的截止時(shí)間要求,多路徑傳輸所需實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)就是盡可能地提高多路徑傳輸平均聚合帶寬.而視頻點(diǎn)播、實(shí)時(shí)流媒體等業(yè)務(wù)在進(jìn)行多路徑傳輸時(shí),對(duì)多路徑傳輸?shù)母黜?xiàng)基本功能提出了更高的要求,需要結(jié)合應(yīng)用層的特點(diǎn)進(jìn)一步開(kāi)展多路徑傳輸?shù)膬?yōu)化.相關(guān)研究主要分為3類(lèi):第1類(lèi)是截止時(shí)間和重要性感知,第2類(lèi)是失真率感知,第3類(lèi)是結(jié)合應(yīng)用層文件大小.

4.1 截止時(shí)間和重要性感知

如果多路徑傳輸能夠感知到數(shù)據(jù)包的截止時(shí)間等信息,則可以相應(yīng)地接收端調(diào)整向上層應(yīng)用遞交數(shù)據(jù)的策略和在發(fā)送的調(diào)整數(shù)據(jù)分配方式,以提高整體傳輸效率.對(duì)于應(yīng)用層已經(jīng)超過(guò)播放時(shí)間的數(shù)據(jù)包而言,如果再耗費(fèi)時(shí)間進(jìn)行重傳或者等待該數(shù)據(jù)包的到達(dá),將導(dǎo)致已經(jīng)到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)包無(wú)法及時(shí)向上層遞交,從而引發(fā)后續(xù)數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)生超過(guò)播放時(shí)間的問(wèn)題.因此,需要在數(shù)據(jù)包截止時(shí)間之前及時(shí)向上層遞交.PR-SCTP[59]中設(shè)計(jì)了部分可靠機(jī)制,應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的生存時(shí)間被攜帶到傳輸層 SCTP的報(bào)文中,當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)包已經(jīng)超過(guò)了其生存時(shí)間后,不再對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳并且通知接收方將當(dāng)前期望接收的下一個(gè)數(shù)據(jù)包序列號(hào)指針向后移動(dòng).PR-CMT[66]將 PR-SCTP部分可靠的機(jī)制應(yīng)用于多路徑并發(fā)傳輸中,并利用已經(jīng)超過(guò)生存時(shí)間的包的確認(rèn)來(lái)調(diào)整擁塞窗口.PR-MPTCP+[67]將部分可靠性應(yīng)用于 MPTCP協(xié)議中,通過(guò)新的部分可靠選項(xiàng)進(jìn)行是否支持部分可靠功能的協(xié)商,在檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的丟包時(shí),只對(duì)沒(méi)有超過(guò)生存時(shí)間的數(shù)據(jù)包且優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳.PR-CMT和PR-CMT主要利用了應(yīng)用截止時(shí)間特性,而文獻(xiàn)[68]在利用截止時(shí)間的同時(shí)考慮了優(yōu)先級(jí)特性,在 MPTCP檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí),通過(guò)主動(dòng)丟棄低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包來(lái)保證高優(yōu)先級(jí)包的傳輸.同時(shí),在接收方為數(shù)據(jù)包設(shè)置了緩存時(shí)間閾值,當(dāng)接收方緩存時(shí)間超過(guò)緩存時(shí)間閾值之后,直接將接收方緩存的數(shù)據(jù)包向上遞交,并回復(fù)相應(yīng)的ACK.

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)在重要性方面往往也存在較大差異(如H.264視頻編碼文件中的I幀和P幀),如果多路徑傳輸能夠感知到數(shù)據(jù)包的重要性差異等信息,則可以結(jié)合各條子流的傳輸特點(diǎn)相應(yīng)地對(duì)其數(shù)據(jù)分配策略進(jìn)行調(diào)整,以提高整體傳輸效率.從編碼方式上看,在MPEG-2和H.264/AVC編碼中,主要的幀類(lèi)型有I幀、P幀、B幀.I幀能夠獨(dú)立進(jìn)行解碼,而P幀,B幀則需要依賴(lài)I幀才能夠成功解碼,所以I幀的重要性要高于P幀和B幀.H.264/SVC編碼利用視頻在時(shí)間、空間、信噪比等方面的可擴(kuò)展特性將視頻分成多層進(jìn)行編碼,接收方收到的編碼層級(jí)越高,接收方所看到的視頻質(zhì)量就越高.而高層級(jí)的碼流在進(jìn)行解碼時(shí)需要依賴(lài)于低層級(jí)的碼流,因此,低層級(jí)的碼流的重要性要高于高層級(jí)碼流.

在面向數(shù)據(jù)包重要性差異的多路徑傳輸優(yōu)化方面,文獻(xiàn)[69]以應(yīng)用層時(shí)延允許的生存時(shí)間為數(shù)據(jù)分配單位,在這個(gè)時(shí)間內(nèi),發(fā)送方首先將一系列I幀、P幀保存下來(lái),按照各條路徑的時(shí)延帶寬積比例分配數(shù)據(jù),并且將I幀優(yōu)先分配丟包率低的路徑.文獻(xiàn)[70]的數(shù)據(jù)分配單位視頻編碼基本單位,即一組數(shù)據(jù)幀GoP(group of picture),算法先將I幀、P幀以及B幀分配放入兩個(gè)隊(duì)列中,同時(shí)將路徑根據(jù)丟包率從低到高排序,首先從隊(duì)列1中讀取I幀、P幀,并通過(guò)丟包率最低且能確保數(shù)據(jù)幀按時(shí)到達(dá)接收方的路徑發(fā)送,在I幀、P幀分配完之后再分配B幀.文獻(xiàn)[71]將文獻(xiàn)[70]的算法應(yīng)用在SVC視頻幀的數(shù)據(jù)分配中.文獻(xiàn)[72]從理論上通過(guò)求解整數(shù)規(guī)劃的方式得到了改進(jìn)后的數(shù)據(jù)分配算法.該數(shù)據(jù)分配算法結(jié)合數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間、接收時(shí)間、H.264視頻編碼中I幀、P幀、B幀的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)分配.改進(jìn)的數(shù)據(jù)分配算法和MPTCP數(shù)據(jù)分配算法進(jìn)行對(duì)比后的結(jié)果表明,改進(jìn)的數(shù)據(jù)分配方式能夠明顯提升傳輸性能.

4.2 失真率感知

視頻幀具備一定的抗誤碼特性,利用這個(gè)特性能夠?yàn)槎嗦窂絺鬏斕峁└蟮膬?yōu)化空間.視頻幀的抗誤碼特性具體體現(xiàn)在少量視頻幀的丟失能夠通過(guò)前后幀的補(bǔ)償進(jìn)行恢復(fù),同時(shí),視頻幀部分區(qū)域的誤碼或者丟失從用戶(hù)的直觀(guān)感受上影響可能并不大.失真率(distortion rate)[73]用來(lái)衡量接收到的視頻幀與源視頻幀相比的視頻質(zhì)量損失.失真率隨著視頻編解碼方式的不同以及用戶(hù)在觀(guān)看完源視頻和接收到的視頻的直觀(guān)感受,往往有著不同的計(jì)算方式.在多路徑傳輸?shù)膱?chǎng)景下,相關(guān)研究將失真率引入之后作為總體優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)包分配方式、重傳策略、冗余程度等方式來(lái)最小化失真率.相關(guān)研究可以分為沒(méi)有考慮幀類(lèi)型差異和考慮了幀類(lèi)型差異兩種.

· 在沒(méi)有考慮幀類(lèi)型差異的相關(guān)研究中,進(jìn)行數(shù)據(jù)包分配、重傳策略、冗余度等方面的調(diào)整時(shí)不對(duì)不同類(lèi)型的幀加以區(qū)分.文獻(xiàn)[73]中采用的視頻失真率函數(shù)中,視頻失真率隨著視頻源碼率的增加而減少,隨著誤碼率的增加而降低.將該失真率函數(shù)引入到多路徑視頻傳輸后,將鏈路丟包和超過(guò)播放時(shí)間的丟包聯(lián)合考慮成路徑丟包,構(gòu)造了以最小化失真率函數(shù)為目標(biāo)、以視頻幀源碼率為決策變量的最優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)求解最優(yōu)化問(wèn)題得到了視頻發(fā)送的碼率.文獻(xiàn)[74]采用了和文獻(xiàn)[73]相同的失真率函數(shù),而在決策變量上,在考慮視頻源碼率的同時(shí),將 LTE和 WCDMA物理及鏈路層中的調(diào)制編碼方式(modulation coding scheme)和擴(kuò)頻因子(spreading factor)同時(shí)加入為決策變量,并設(shè)計(jì)了啟發(fā)式算法,在確保視頻幀能夠按時(shí)解碼的同時(shí),按照視頻源碼率、調(diào)制編碼方式(modulation coding scheme)和擴(kuò)頻因子(spreading factor)依次決定相應(yīng)決策變量的取值.文獻(xiàn)[75,76]也采用了和文獻(xiàn)[73]相同的失真率函數(shù),在決策變量上加入了前向糾錯(cuò)(forward error correction)冗余度的計(jì)算,通過(guò)求解以最小化失真率函數(shù)為目標(biāo)的最優(yōu)化問(wèn)題,得到了視頻源速率和冗余度的分配結(jié)果.

· 在考慮幀類(lèi)型差異的相關(guān)研究中,隨著幀的重要性不同,在進(jìn)行數(shù)據(jù)包分配、重傳策略、冗余度等方面的調(diào)整時(shí)也有所不同.文獻(xiàn)[77-81]在現(xiàn)有失真率函數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了由于幀一部分包丟失帶來(lái)的截?cái)嗍д嬉约捌剖д娴挠绊?增加了截?cái)嗍д?、漂移失真的失真率函?shù)能夠更有效地反映出幀丟失對(duì)失真率的影響.文獻(xiàn)[77]針對(duì)全網(wǎng)用戶(hù)開(kāi)展優(yōu)化,文獻(xiàn)[78-81]的優(yōu)化則針對(duì)單一用戶(hù)進(jìn)行.文獻(xiàn)[77]通過(guò)離線(xiàn)擬合的方式得到考慮截?cái)嗍д?、漂移失真的失真率函?shù)的相關(guān)系數(shù).并建立了以最小全網(wǎng)所有用戶(hù)的失真率為目標(biāo),以決定每個(gè)幀的數(shù)據(jù)包的分配路徑的整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)求解得到了每個(gè)用戶(hù)的視頻源碼率和數(shù)據(jù)包分配方式.文獻(xiàn)[78,79]均通過(guò)在線(xiàn)模擬幀丟失以及并進(jìn)行幀解碼,幀差錯(cuò)恢復(fù)后,將源視頻和解碼視頻進(jìn)行對(duì)比來(lái)估計(jì)失真率函數(shù).文獻(xiàn)[78]基于估計(jì)出的失真率分別以幀為單位對(duì)I幀進(jìn)行增加冗余和以若干個(gè)P幀為一組對(duì)P幀增加冗余.文獻(xiàn)[79]以估計(jì)出的失真率作為馬爾可夫決策過(guò)程的目標(biāo)來(lái)調(diào)整擁塞窗口的變化,同時(shí),在進(jìn)行數(shù)據(jù)分配時(shí)感知到I幀、P幀的重要性差異后,發(fā)送方帶寬不足時(shí)優(yōu)先丟棄優(yōu)先級(jí)較低的P幀.文獻(xiàn)[80]通過(guò)函數(shù)乘積的方式將漂移失真加入失真率函數(shù)中,基于相應(yīng)的失真率函數(shù),計(jì)算了采用Raptor編碼的冗余度,并且根據(jù)由往返時(shí)延、丟包率、帶寬、路徑可用性組成的路徑質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分配.文獻(xiàn)[81]在基于失真率函數(shù)計(jì)算Raptor編碼的冗余度的同時(shí),通過(guò)馬爾可夫決策過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分配,決策過(guò)程的回報(bào)效用函數(shù)同時(shí)考慮了失真率和視頻速率.在數(shù)據(jù)包重傳時(shí),將重傳包通過(guò)最短時(shí)延的路徑發(fā)送,并且對(duì)可以通過(guò)冗余編碼進(jìn)行恢復(fù)的數(shù)據(jù)包不進(jìn)行重傳.

4.3 結(jié)合應(yīng)用層文件大小

文獻(xiàn)[82]通過(guò)在實(shí)際 WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量結(jié)果表明,文件大小將直接影響到多路徑傳輸?shù)男阅?在文件較小且鏈路差異度較大的情況下,文件通過(guò)多路徑傳輸所需的時(shí)間有可能反而高于通過(guò)單路徑傳輸?shù)臅r(shí)間.

在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了基于回歸森林的多路徑傳輸子流選擇算法.算法的數(shù)據(jù)包括歷史搜集到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、對(duì)應(yīng)的文件通過(guò)各條子流進(jìn)行傳輸所需時(shí)間以及同時(shí)通過(guò)多條子流進(jìn)行傳輸所需時(shí)間.算法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)構(gòu)造回歸森林,在進(jìn)行實(shí)際傳輸時(shí),根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),通過(guò)回歸森林進(jìn)行子流選擇決策.文獻(xiàn)[83]根據(jù)固定文件大小閾值進(jìn)行區(qū)分:當(dāng)文件大小大于閾值時(shí),在多條路徑進(jìn)行并發(fā)傳輸;當(dāng)文件大小小于閾值時(shí),則將文件冗余地發(fā)送給各條路徑,并在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中進(jìn)行了驗(yàn)證.文獻(xiàn)[83]簡(jiǎn)單地根據(jù)文件大小進(jìn)行算法調(diào)整,更適用于鏈路參數(shù)差異較小的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景,難以適用于鏈路參數(shù)差異度大的場(chǎng)景.文獻(xiàn)[23]在算法設(shè)計(jì)時(shí)考慮了更多的輸入?yún)?shù),并且利用了歷史數(shù)據(jù),使得算法的適用場(chǎng)景更多,其代價(jià)是算法復(fù)雜度更高.

4.4 小 結(jié)

視頻點(diǎn)播、實(shí)時(shí)流媒體等業(yè)務(wù)給多路徑傳輸基本功能帶來(lái)了更高的要求,相關(guān)研究主要從截止時(shí)間、重要性差異、失真率、應(yīng)用層文件大小這4個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化.端到端多路徑傳輸與應(yīng)用層相結(jié)合的研究方案對(duì)比見(jiàn)表3.從表3中可以看出,截止時(shí)間主要影響的是可靠性;重要性差異主要用于優(yōu)化數(shù)據(jù)分配/子流選擇以及可靠性;失真率主要用于優(yōu)化數(shù)據(jù)分配/子流選擇、可靠性以及擁塞控制;應(yīng)用層文件大小主要用于子流選擇的優(yōu)化.現(xiàn)有的研究在進(jìn)行多路徑傳輸時(shí)對(duì)應(yīng)用層具備不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)包加以區(qū)別對(duì)待,從而提升了多路徑傳輸性能.由于要對(duì)不同的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包加以區(qū)分,面向字節(jié)流、完全可靠的多路徑傳輸?shù)木幊棠Ｐ鸵巡辉龠m用,現(xiàn)有的研究往往針對(duì)各自的應(yīng)用特點(diǎn)分別對(duì)傳輸層內(nèi)核進(jìn)行修改,而沒(méi)有設(shè)計(jì)更加通用的傳輸層編程接口,使得相關(guān)研究難以快速地大規(guī)模部署.

Table 3 Comparison of research schemes which combine end-to-end multipath transfer with application layer schemes表3 端到端多路徑傳輸與應(yīng)用層相結(jié)合的研究方案對(duì)比

5 以節(jié)能為目標(biāo)的跨層優(yōu)化

終端節(jié)能問(wèn)題一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn).終端同時(shí)開(kāi)啟多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行多路徑傳輸后,在端到端傳輸性能得到提升的同時(shí),也相應(yīng)地帶來(lái)更多的能量消耗.由于不同子流往往具有不同的能耗特點(diǎn),因此,面向節(jié)能的優(yōu)化為多路徑傳輸引入了新的研究問(wèn)題.相關(guān)研究工作主要可以分為兩類(lèi):其一是結(jié)合物理層的節(jié)能優(yōu)化,主要是結(jié)合物理層不同網(wǎng)絡(luò)接口的能耗特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分配、網(wǎng)絡(luò)接口開(kāi)關(guān)等方面的優(yōu)化;其二是結(jié)合應(yīng)用層的節(jié)能優(yōu)化,即在以節(jié)能為優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí),將應(yīng)用層失幀率或者帶寬需求作為約束條件考慮進(jìn)來(lái).

5.1 結(jié)合物理層的節(jié)能優(yōu)化

物理層接口能耗具有如下 4個(gè)方面的特點(diǎn):1)接口開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng),能耗越高;2)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口在不同狀態(tài)下能耗不同,且在傳輸完之后仍然保持一段時(shí)間高能耗狀態(tài)[23];3)往返時(shí)延大的子流耗能更高,同時(shí)在多條子流共用瓶頸路徑時(shí),也會(huì)帶來(lái)更多不必要的能量消耗[24,25];4)物理層的功率分配和用戶(hù)得到帶寬關(guān)系可以通過(guò)理論公式進(jìn)行估算.

· 針對(duì)特點(diǎn)1,文獻(xiàn)[85]通過(guò)動(dòng)態(tài)地開(kāi)關(guān)多塊WiFi網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)在確保性能的同時(shí)降低能耗,并考慮終端可以通過(guò)多塊網(wǎng)卡同時(shí)關(guān)聯(lián)多個(gè)AP的場(chǎng)景.該文獻(xiàn)利用多塊網(wǎng)卡在網(wǎng)絡(luò)性能上的相關(guān)性,利用正在工作的網(wǎng)卡的性能預(yù)測(cè)未關(guān)聯(lián)網(wǎng)卡的性能,根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果以及當(dāng)前正在工作的網(wǎng)卡利用率是否高于一定閾值來(lái)決定是否需要開(kāi)啟其他網(wǎng)卡.

· 針對(duì)特點(diǎn)2,文獻(xiàn)[23]利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)上層業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)間,在上層業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間較短時(shí),不通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口而直接采用WiFi接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

· 針對(duì)特點(diǎn)3,文獻(xiàn)[24,25]在確保多路徑傳輸TCP友好的情況下,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整多路徑聯(lián)合擁塞控制算法的相關(guān)比例因子,將多路徑傳輸更多的負(fù)載調(diào)整到往返時(shí)延小的子流上.同時(shí),文獻(xiàn)[25]利用共用瓶頸路徑子流在RTT的相關(guān)性的特點(diǎn)進(jìn)行共用瓶頸子流的發(fā)現(xiàn),并及時(shí)關(guān)閉多余子流.

· 針對(duì)特點(diǎn)4,文獻(xiàn)[86,87]為了權(quán)衡吞吐率和能耗兩個(gè)方面的目標(biāo),將全網(wǎng)傳輸每比特?cái)?shù)據(jù)所消耗的能量作為總的優(yōu)化目標(biāo).文獻(xiàn)[86]通過(guò)求解優(yōu)化目標(biāo),得到每個(gè)終端應(yīng)當(dāng)和哪個(gè)基站相關(guān)聯(lián)以及該分配多少資源給對(duì)應(yīng)的終端.文獻(xiàn)[87]進(jìn)一步考慮了信號(hào)強(qiáng)度信息 CSI的動(dòng)態(tài)變化,根據(jù)最優(yōu)化問(wèn)題的求解和CSI的信息,動(dòng)態(tài)地調(diào)整各個(gè)多路徑傳輸終端在各條子流上應(yīng)當(dāng)分配的數(shù)據(jù)量.

5.2 結(jié)合應(yīng)用層的節(jié)能優(yōu)化

視頻類(lèi)應(yīng)用對(duì)多路徑傳輸提出了更高的實(shí)時(shí)性要求,為此,需要同時(shí)量化各個(gè)接口的實(shí)時(shí)性需求和能耗需求.相關(guān)研究可以分為針對(duì)單個(gè)終端和針對(duì)全網(wǎng)用戶(hù)的多路徑視頻傳輸優(yōu)化兩類(lèi).

· 對(duì)于單個(gè)終端的多路徑視頻傳輸方案來(lái)說(shuō),定義了優(yōu)化目標(biāo)之后,往往能夠通過(guò)調(diào)整子流的選擇以及子流流量的分配來(lái)達(dá)到滿(mǎn)足視頻實(shí)時(shí)性需求和低能耗需求的兩個(gè)目標(biāo).其中,文獻(xiàn)[88]主要針對(duì)視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)開(kāi)展研究,按需視頻傳輸當(dāng)客戶(hù)端緩存文件小于一定閾值后,客戶(hù)端需要停止播放等待緩存文件達(dá)到一定大小后再繼續(xù)播放,此時(shí),相對(duì)應(yīng)地增加了播放總時(shí)間.因此,文獻(xiàn)[88]以播放總時(shí)間來(lái)量化按需視頻業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求:首先求解最小化播放總時(shí)間為目標(biāo)的最優(yōu)化問(wèn)題,在求出了最小播放總時(shí)間之后,再將最小播放總時(shí)間作為約束條件求解最小化能量消耗為目標(biāo)的最優(yōu)化問(wèn)題,進(jìn)而得到子流數(shù)據(jù)分配方案.文獻(xiàn)[89]針對(duì)實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)開(kāi)展研究,其將實(shí)時(shí)視頻傳輸類(lèi)業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)考慮為視頻傳輸?shù)氖д娑?通過(guò)建立以能量為約束條件之一,最小化視頻失真度的最優(yōu)化問(wèn)題并進(jìn)行求解得到子流的數(shù)據(jù)分配和能量分配方案.文獻(xiàn)[90]在文獻(xiàn)[89]的基礎(chǔ)上考慮到物理信道的時(shí)變特性,建立了在能量約束下最小化隨機(jī)化的視頻質(zhì)量指標(biāo)問(wèn)題,通過(guò)求解得到子流的數(shù)據(jù)分配和能量分配方案.文獻(xiàn)[91]針對(duì)自適應(yīng)碼流的視頻類(lèi)業(yè)務(wù)傳輸開(kāi)展研究,將能耗和視頻的失真率進(jìn)行比例求和后作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù);同時(shí),在接口能耗模型上考慮了蜂窩網(wǎng)接口處于不同傳輸狀態(tài)時(shí)的能耗差異,通過(guò)求解目標(biāo)函數(shù)得到了視頻主要應(yīng)當(dāng)采用的編碼速率、每條子流傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配方式.文獻(xiàn)[93-97]針對(duì)實(shí)時(shí)視頻傳輸類(lèi)業(yè)務(wù)開(kāi)展研究,將視頻實(shí)時(shí)性需求作為約束條件之一,以最小化能量消耗作為目標(biāo)函數(shù)建立最優(yōu)化問(wèn)題.其中,在將實(shí)時(shí)性需求作為約束條件方面,文獻(xiàn)[92]的約束條件為最小應(yīng)當(dāng)達(dá)到的凈吞吐率;文獻(xiàn)[93-96]的約束條件為最小應(yīng)當(dāng)達(dá)到的失真率.在求解過(guò)程中,文獻(xiàn)[92-96]均求出了每條子流應(yīng)當(dāng)分配的傳輸速率.此外,文獻(xiàn)[92]還計(jì)算出每條子流采用 FEC編碼時(shí)應(yīng)當(dāng)采用的冗余度.文獻(xiàn)[93,94]在文獻(xiàn)[92]的基礎(chǔ)上采用Raptor編碼,并且為I幀、P幀分別增加不同的冗余度.

· 對(duì)于全網(wǎng)多路徑視頻傳輸?shù)墓?jié)能問(wèn)題而言,除了每個(gè)終端在各條子流調(diào)整傳輸帶寬之外,還需要在多個(gè)用戶(hù)之間的資源分配上進(jìn)行協(xié)同,以達(dá)到系統(tǒng)性能和能耗兩方面的綜合提升.文獻(xiàn)[97]將全網(wǎng)多路徑視頻傳輸?shù)墓?jié)能問(wèn)題建模為以最大化多個(gè)用戶(hù)中的最小吞吐率和能量比為目標(biāo),將視頻傳輸所需要的帶寬作為約束條件之一.為了得到分布式的資源分配方式,首先通過(guò)引入一個(gè)參數(shù)將比值型的目標(biāo)函數(shù)調(diào)整為減法型的目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而通過(guò)求解拉格朗日對(duì)偶得到分布式的能量、帶寬分配算法.

5.3 小 結(jié)

以節(jié)能為目標(biāo)的相關(guān)研究主要通過(guò)結(jié)合物理層接口的能耗特點(diǎn)以及應(yīng)用層的業(yè)務(wù)需求兩個(gè)方面開(kāi)展多路徑傳輸?shù)墓?jié)能優(yōu)化,主要研究方案對(duì)比見(jiàn)表4.從表4中可以看出,上層業(yè)務(wù)主要可以分為文件業(yè)務(wù)、視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)這 3類(lèi).各個(gè)研究的優(yōu)化對(duì)象主要有全網(wǎng)用戶(hù)和單一用戶(hù)兩種:針對(duì)全網(wǎng)用戶(hù)的優(yōu)化主要是結(jié)合接口能耗特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)需求對(duì)多接口資源分配或者擁塞控制機(jī)制進(jìn)行修改;針對(duì)單一用戶(hù)的優(yōu)化中,結(jié)合文件類(lèi)業(yè)務(wù)特點(diǎn)優(yōu)化的主要是多路徑傳輸?shù)膿砣刂茩C(jī)制以及接口開(kāi)關(guān)策略,結(jié)合視頻點(diǎn)播和實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)特點(diǎn)優(yōu)化的主要是可靠性、數(shù)據(jù)分配以及多接口資源分配或者擁塞控制.能耗模型選取和優(yōu)化目標(biāo)的制定是以節(jié)能為目標(biāo)的跨層優(yōu)化的主要難點(diǎn).基于實(shí)際測(cè)量結(jié)果擬合出來(lái)的能耗模型更加準(zhǔn)確,已經(jīng)逐步被用于多路徑傳輸各個(gè)功能的優(yōu)化.而基于理論計(jì)算出來(lái)的能耗模型由于表達(dá)方式較為簡(jiǎn)潔,目前主要用于多路徑傳輸資源分配相關(guān)功能的優(yōu)化.

Table 4 Comparison of research schemes which use energy saving as the optimization goal表4 端到端多路徑傳輸以節(jié)能為目標(biāo)的研究方案對(duì)比

6 研究趨勢(shì)展望

在應(yīng)用場(chǎng)景上,需要研究應(yīng)用于空間互聯(lián)網(wǎng)的多路徑傳輸.目前,多路徑傳輸?shù)闹饕獞?yīng)用場(chǎng)景包括在異構(gòu)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò).近年來(lái),隨著火箭發(fā)射成本的降低,空間互聯(lián)網(wǎng)再次成為各方關(guān)注的焦點(diǎn).空間互聯(lián)網(wǎng)具備了更多的覆蓋手段,相同的物理位置能夠同時(shí)被位于不同高度的低軌、中軌、高軌衛(wèi)星重疊覆蓋,這也使得空間互聯(lián)網(wǎng)適合采用多路徑傳輸技術(shù).與此同時(shí),空間互聯(lián)網(wǎng)具有高誤碼、大時(shí)延、鏈路差異度大、切換頻繁等特點(diǎn),也給多路徑傳輸帶來(lái)了新的挑戰(zhàn).目前,關(guān)于空間互聯(lián)網(wǎng)的多路徑傳輸還相對(duì)較少,未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步圍繞多路徑傳輸關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化以及實(shí)際環(huán)境下的傳輸性能測(cè)量與分析開(kāi)展研究.

在跨層優(yōu)化方面,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步與各層新興技術(shù)進(jìn)行深入融合,具體包括如下面幾個(gè)方面.

1)與新的物理及鏈路層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行協(xié)同

802.11 協(xié)議族一直都在不斷地更新物理及鏈路層技術(shù),以達(dá)到更高地?zé)o線(xiàn)接入速率.如802.11n協(xié)議中鏈路層的信道綁定、幀聚合以及物理層的 MIMO技術(shù),802.11ac協(xié)議中的信道綁定以及 MU-MIMO技術(shù),802.11n以及 802.11ac物理及鏈路層的技術(shù)改進(jìn)也需要新的鏈路層自適應(yīng)調(diào)制編碼機(jī)制.新的物理及鏈路層技術(shù)進(jìn)展可以通過(guò)與應(yīng)用層、接口能耗特點(diǎn)相結(jié)合加以體現(xiàn).與此同時(shí),目前主要的多路徑傳輸相關(guān)研究主要還是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)兩大類(lèi)的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)開(kāi)展研究,新的底層接入技術(shù)層出不窮,如毫米波通信、電力線(xiàn)通信等,雖然已經(jīng)有少量研究將這些底層接入技術(shù)納入到多路徑傳輸當(dāng)中,如文獻(xiàn)[98,99],未來(lái)仍有待于進(jìn)一步加強(qiáng).

2)與新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入融合

為了應(yīng)對(duì)上層多種多樣的業(yè)務(wù)需求,5G網(wǎng)絡(luò)中采用基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),將物理網(wǎng)絡(luò)切分為適合不同應(yīng)用特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)切片.網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)其需要定義一系列的切片,而終端也需要根據(jù)其自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)在切片之間進(jìn)行選擇[100].與此同時(shí),具備多接口的終端還能同時(shí)感知到多個(gè)運(yùn)營(yíng)商不同的網(wǎng)絡(luò)切片,需要根據(jù)上層業(yè)務(wù)特點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)切片的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行合理的選擇和數(shù)據(jù)分配.

3)面向360°VR/AR視頻應(yīng)用的多路徑傳輸

隨著用戶(hù)觀(guān)看的角度的不同,360°VR/AR視頻應(yīng)用將不同的視頻流呈現(xiàn)給用戶(hù),從而帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗(yàn).這類(lèi)應(yīng)用的推出帶來(lái)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬和時(shí)延需求.利用多路徑傳輸進(jìn)行 360°VR/AR視頻的傳輸,能夠通過(guò)有效聚合多條鏈路的帶寬來(lái)滿(mǎn)足其對(duì)網(wǎng)絡(luò)更高的需求.同時(shí),360°VR/AR視頻應(yīng)用在視頻編碼方式[101]以及用戶(hù)體驗(yàn)方面的特點(diǎn),也給多路徑傳輸帶來(lái)了新的優(yōu)化空間.

4)多層之間優(yōu)化方案的協(xié)同

根據(jù)目前綜述的相關(guān)文獻(xiàn),相關(guān)應(yīng)用層和節(jié)能的優(yōu)化主要還是應(yīng)用層、傳輸層以及鏈路層之間的相互協(xié)同,與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)同較少,沒(méi)有有效地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn).例如,對(duì)于具有廣播特性的網(wǎng)絡(luò)(如無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò))而言,能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)進(jìn)一步提高傳輸性能和可靠性.網(wǎng)絡(luò)層多路由特性、組播/廣播等特點(diǎn),都應(yīng)當(dāng)能夠通過(guò)與其他層改進(jìn)方案的協(xié)同來(lái)進(jìn)一步提升多路徑傳輸?shù)男阅?

在多路徑傳輸性能評(píng)估方面,需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行全面的測(cè)量與分析.目前,關(guān)于多路徑傳輸測(cè)量,相關(guān)研究采用的主要是安卓和筆記本終端,并通過(guò)安裝MPTCP協(xié)議的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)量與分析,如文獻(xiàn)[82,91,102].本文中綜述的大部分論文的相關(guān)驗(yàn)證或者是在仿真環(huán)境中進(jìn)行的,或者是在人為設(shè)定鏈路參數(shù)的半實(shí)物環(huán)境中進(jìn)行的,還缺乏有真實(shí)流量的環(huán)境的驗(yàn)證.與此同時(shí),iphone從ios 11開(kāi)始搭載MPTCP協(xié)議,這也為在iphone上進(jìn)行多路徑傳輸?shù)臏y(cè)試提供了可能.

7 總 結(jié)

本文首先從端到端多路徑傳輸?shù)幕竟δ艹霭l(fā),分析了其面臨的主要挑戰(zhàn);然后,從體系結(jié)構(gòu)各層的功能特點(diǎn)及其與多路徑傳輸基本功能的關(guān)系著手,并考慮了將節(jié)能作為新的優(yōu)化要素,對(duì)近年來(lái)利用跨層信息的多路徑傳輸相關(guān)研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)和全面的比較和分析.

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn),多路徑傳輸?shù)幕竟δ艿膶?shí)現(xiàn)離不開(kāi)各層信息的獲取和協(xié)同,多路徑傳輸能夠感知到的信息越多,它能夠帶來(lái)的優(yōu)化空間也就越大.本文還結(jié)合當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)各層的研究熱點(diǎn)對(duì)未來(lái)研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望,為相關(guān)研究人員下一步研究的開(kāi)展提供了一個(gè)可供參考的思路.