面向異構網絡的多路徑數據重傳研究?

戴卓臣 陸江東

（第二軍醫大學 上海 200433）

1 引言

隨著互聯網和相關技術的快速發展，網絡終端可使用的接入技術越來越多，如3G、4G、WIFI、藍牙等［1～3］。多路徑并行傳輸（CMT）就是在這樣的環境下發展而來?，F有研究成果多集中在數據包重傳策略、數據包丟失恢復及數據包的路徑選擇上［4］?，F有重傳算法可以分為單一因素考慮重傳以及多因素考慮重傳。單一因素重傳主要包含五種經典的基本重傳算法，對丟包率、擁塞窗口大小、時延等單一因素進行判斷［5］，來選擇重傳路徑。還有相關學者綜合多種因素考慮重傳，并設計出TRX-CLS重傳算法［6］。該算法分別對 largest cwnd、largest ssthresh、lowest rate path依次判斷，選出最合適的重傳信道?，F有研究成果都是基于現有路徑網絡態進行決策，并沒有涉及異構網絡狀態［7-9］。而異構網絡狀態在重傳路徑的選擇決策上起到非常重要的作用。RTX-LR重傳策略基于最小丟包率、最小超時記錄吋間、最小重傳間隔確定重傳信道［10］。但是仍然存在不足，該算法首先對活躍路徑中的丟包率進行判斷，選擇丟包率小的路徑，但是丟包率小并不能保證數據包一定能盡快到達接收端。此外，當現有的網絡信息不足以選擇重傳路徑時，RTX-LR重傳算法會對路徑的異構信息進行判斷，選擇異構記錄良好的那條［11］。然而，作為一個異構記錄指標，最小的超時時間也并不能保證數據包最快到達接收端，只能表明曾經最優。同時，在多變的異構網絡環境下，該算法不能很好地適應路徑性能發生突變的情況，因此本文在該算法的基礎之上，做進一步的改進研究。

2 數據重傳

2.1 異構網絡環境

在異構網絡環境下進行并行傳輸，應該首先保證重傳數據包能盡快到達接收端，以減少接收端緩沖區阻塞。由于RTX_LR重傳算法在考慮重傳時采用的是異構最小超時時間［12］，但是只能表明該條鏈路曾經具有最小的超時時間，因此并不能保證數據包一定最快到達接收端［13］。假設某條路徑Pi最開始有最小的超時重傳時間，但是后來超時嚴重，因此在這種場景下，還是選擇原路徑Pi作為重傳路徑，顯然是不合理的。

具體如圖1所示，假設發端和接收端有3條可用路徑，調度模塊按照調度策略將數據塊按序依次分發到這3條路徑上。圖中灰色標識的數據包表示在傳輸過程中發生了丟包，并需要對該數據包進行重傳，重傳時間在圖中已經被標識。按照RTX_LR重傳算法，當丟包率相同時，該算法會選擇異構最小的重傳時延的路徑B進行重傳，圖中可知選擇路徑B進行重傳是不合理的。因此本文提出了面向異構網絡的多路徑數據重傳算法。該算法將對最小重傳時延、min｛max｛路徑重傳超時時間｝｝、最小丟包率依次進行判斷，最終確定要選擇的重傳路徑。

圖1 RTX_LR重傳算法不足示意圖

2.2 重傳模型建立

根據異構網絡環境下多路徑并行傳輸中重傳算法的設計原則，即保證重傳的數據包快速準確地到達接收端，避免接收端緩存阻塞，以提高重傳效率［14］。本文提出的MDRA算法，首先對丟包類型進行判斷，若是快重傳，則在源路徑上進行重傳即可。若為超時重傳，則需要選擇其他路徑進行重傳。首先掃描除源路徑之外的活躍路徑，若無，則從源路徑上重傳［15］，若存在，則先計算各活躍路徑的重傳時延期望值，然后選擇最具有最小期望值的路徑作為重傳路徑，如果當前路徑不唯一，則判斷這些路徑的max｛路徑重傳時間｝，選擇最小的作為重傳路徑。若仍然無法判斷，則選擇路徑丟包率小的作為重傳路徑。如果仍然不唯一，則在其中隨機選擇一條作為重傳路徑，算法結束。

數據包超時重傳時間的計算與丟包率 p、端到端時延RTTs/2、超時計時器設定的超時重傳時間t，其值為RTO以及重傳次數有關。為了便于分析，假設數據包在重傳期間沒有發生擁塞。那么，數據包經過一次重傳后，能成功到達接收端的概率為1-p［16］。設Ti為經過i次超時重傳到達接收端并確認的時間。那么，第一次超時重傳到達接收端的時間滿足：

同理可知，經過兩次超時重傳和三次超時重傳到達接收端所需要的時間為

假設最大超時重傳次數為3，超過3次就不再對該數據包進行重傳。因此，數據包成功到達接收端的期望值為

其中，pi為第i次超時重傳后，數據包成功到達接收端的概率，可以得到：

將式（5）代入式（4），可以得出每條路徑傳輸該數據包的重傳時延期望值。然后進行比較，選出期望值最小的路徑作為重傳路徑。同時，MDRA算法將會為每條路徑做一個記錄，這個記錄存儲著該路徑從建立開始到現在，數據塊的最大超時重傳時間tmax。若多條路徑具有最小重傳期望，則從中選擇具有最小的tmax作為重傳路徑，若仍然無法判斷，則對丟包率進行判斷，仍然無法判斷的則從其中隨機選擇一條。

2.3 算法流程及偽代碼

算法步驟具體如下：

Step1：發端發現數據包丟失，首先判斷重傳類別，若是快重傳，則在源路徑上重傳，進入Step6，否則，進入Step2；

Step2：掃描路徑，計算各路徑的超時重傳期望值，選擇期望值最小的路徑作為重傳路徑；

Step3：若具有最小超時重傳期望值的路徑不唯一，則從中選擇具有min{tmax}的路徑作為重傳路徑；

Step4：若選擇出的min{tmax}路徑仍然不唯一，則從中選擇具有最小丟包率的路徑進行重傳；

Step5：若所選的路徑最小丟包率仍然無法判斷，則在其中隨機選擇一條路徑作為重傳路徑；

Step6：算法結束。

MDRA重傳算法具體設計如圖2所示。

圖2 MDRA重傳算法

MDRA重傳算法偽代碼如下：

3 實驗仿真

3.1 實驗環境

仿真試驗的具體網絡拓撲如圖3所示，發送端和接收端均有兩個接口，分別接入兩個網絡中進行并行傳輸，這兩條鏈路的具體參數如表1所示。

圖3 MDRA重傳算法仿真拓撲結構

表1 鏈路參數設置

這樣設置的目的是，對于重傳算法而言，丟包率占有非常重要的作用，為了分析丟包率對重傳算法的影響，故仿真中一條路徑的丟包率為固定值1%，而另一條路徑丟包率從1%～10%逐步增加，遞增間隔設置為0.01。通過這種仿真場景，就可以分析出丟包率差異對重傳算法的影響。R1、R2、R3和R4為四個路由器。瓶頸鏈路的隊列長度設定為100個數據包，鏈路的排隊模型為DropTail。應用層協議使用FTP協議，為了評估協議在較長的一段時間內的有效吞吐量性能，仿真中使用FTP協議傳輸一個足夠大的文件來模擬數據傳輸的過程，仿真時長設定為100s。

3.2 結果分析

根據上述的拓撲結構，本文得出如下的仿真結果，如圖4～6所示，分別展示了不同接收緩存RB（Receive Buffer）下，三種重傳算法的性能趨勢。其中，MDRA算法是指本文所提出的基于記錄的綜合參數算法設計；RTX_LR是基于最小丟包率、最小超時重傳時間、最小重傳間隔來確定重傳路徑；RTX_LOSSRATE是基于最小丟包率的經典重傳算法，其思想是選擇丟包率最小的路徑作為重傳路徑。RB=128KB下的仿真結果如圖4所示。

圖4 當RB=128KB時吞吐量對比圖

圖4中，可以看出本文提出的算法明顯優于其他兩種重傳算法，大概高出5.5%左右。并且還可以得出，隨著路徑2丟包率的提高，兩條鏈路的差異性也隨之變大，網絡整體吞吐量性能趨勢不斷下降，但利用本文提出的MDRA算法比其他兩種重傳算法可以獲得更好的吞吐量。RB=64KB下的仿真結果如圖5所示。

圖5 當RB=64KB時吞吐量對比圖

從圖5可以看出，接收端緩存減小對吞吐量性能非常明顯。因為差異化的路徑在并行傳輸時，會造成接收端數據的亂序，已接收的亂序數據會暫存在接收端緩存當中，等待亂序數據包的到達，因此在緩存受限的情況下，若超時重傳的數據包遲遲不能到達接收端，勢必會導致接收端緩存阻塞，嚴重影響路徑的傳輸性能。同時從圖5中看出，當RB減小時，三種算法的吞吐量均有所減少，但本文提出的算法相較于其他兩種算法，吞吐量性能提高了7.5%左右。RB=64KB下的仿真結果如圖6所示。

圖6 RB=32KB時吞吐量對比圖

類似地，圖6中吞吐量的仿真結果，可知，本文提出的算法明顯高于其他兩種算法，性能提高9%左右。由此可知，當RB越小，則MDRA算法所帶來的性能提升越明顯。

為了更加清楚地論證本文所提算法的優越性，本文將對三種重傳算法在三種不同的RB下的平均吞吐量進行比較。平均吞吐量是指在一定丟包率范圍內的平均吞吐量?；谝陨系姆抡娼Y果，本文丟包率的取值范圍為1%～10%。具體統計結果如表2所示。

從表2可以看出，在不同的接收端緩存下，MDRA算法的平均吞吐量性能均優于其他兩種算法，并且可以得出當RB=128KB時，MDRA算法的平均吞吐量比RTX_LR高了大概2.5%；當RB=64KB時，提高了約8%；當RB=32KB時，提高了約為12%。因此，可以得知，RB越小，則MDRA算法表現越優秀。

表2 三種重傳算法平均吞吐量

為了找到吞吐量性能提高的原因，本文對接收端亂序數據包的個數做了統計。依然利用圖3仿真拓撲結果，RB設置為64KB，仿真時間為30s，應用層依然采用FTP文本。鏈路1、2的丟包率采保留原來的設置。得到仿真結果如圖7所示。

圖7 三種重傳算法亂序包個數比較

從圖7中可知，接收端亂序數據包個數隨著丟包率增大而增大。但本文MDRA算法相較于其他兩種算法，亂序包個數有明顯的減少。由此可知，MDRA算法可以有效減少接收端亂序數據包的個數，最終提升網絡的吞吐量性能。

4 結語

針對本文以吞吐量性能為目標，對差異化網絡環境下數據重傳策略進行了分析研究，并提出了基于記錄的綜合參數數據重傳算法，該算法分別對最小超時重傳時延、min｛max｛路徑重傳時間｝｝、最小丟包率依次進行判斷，最終確定要選擇的重傳路徑。保證了重傳數據包最快地到達接收端，降低接收端緩存阻塞，提高多路徑傳輸系統整體吞吐性能。通過NS-2仿真實驗證明，在異構網絡環境下，相較于默認的重傳算法，本文所提出的基于綜合參數重傳算法可以有效提高重傳效率，減少接收端緩存阻塞，一定程度上提高了網絡的吞吐性能。