MPTCP中一种减缓缓存阻塞的重传策略

胡 敏，刘 鹏，邹 然

(重庆邮电大学软件技术中心，重庆400065)

随着互联网中各种新应用的兴起，用户对网络资源(主要是带宽)的需求越来越大。同时，宽带接入技术逐渐多样化，很多设备同时具有如ADSL、WiFi、3G等接入方式，即越来越多的设备具有多个网络接口，并且可以配备多个网络地址。MPTCP［1-3］是对TCP的扩展，支持多宿主，可以同时使用多条路径并行传输数据。MPTCP的一大目标是兼容现有应用及中间件，并且向后兼容TCP。因此，研究MPTCP具有非常重要的实际应用价值。

但是，多路同时传输时接收端有限的缓存容易导致缓存阻塞［4-7］，使整体性能受到严重影响，MPTCP也是如此。目前减缓并行传输时接收端缓存阻塞的方法主要有两种:1)保证数据按序到达接收端;2)尽快将丢失数据重传到接收端。本文考虑第二个方法，提出一种新的基于综合参数的重传策略，使未及时到达的数据尽可能快地被重传到接收端，从而减缓接收端缓存阻塞，提高MPTCP吞吐量。

1 相关研究

Janardhan R.Iyengar［4-8］等人对CMT-SCTP(基于流传输控制协议的多路同时传输)进行了大量研究。研究表明通过合适的重传策略可以在一定程度上减缓缓存阻塞，提高端到端连接的吞吐量。他们提出了5种重传策略［8］，分别是:1)RTX-SAME，重传数据块被发送到原关联上;2)RTX-ASAP，重传数据块被发送到拥有可用窗口空间的关联(SCTP中表示连接的术语)上，如果有多条关联满足条件，则随机选择一条;3)RTX-CWND，重传数据块被发送到拥有最大拥塞控制窗口的关联上，如果多条关联满足条件，则随机选择一条;4)RTX-SSTHRESH，重传数据块被发送到拥有最大慢启动门限的关联上，如果多条关联满足条件，则随机选择一条;5)RTX-LOSSRATE，重传数据块被发送到拥有最低报文丢失率的关联上，如果多条关联满足条件，则随机选择一条。

在MPTCP中，一条子流即相当于CMT中的一条关联。重传时，可以选择原先相同的子流，可以选择拥有窗口空间的子流，可以选择拥有最大拥塞控制窗口的子流，可以选择拥有最大慢启动门限的子流，可以选择拥有最低丢包率的子流。但是无论基于哪一种策略，都只考虑单一因素，这在网络性能参数多变的现实环境中并不能达到理想结果。因此本文研究一种基于综合参数考虑的重传策略。

2 基于综合参数的RTX-DLCS

根据RFC6182，MPTCP中快速重传应该选择相同子流传输，超时重传应该选择不同子流传输。因此，MPTCP中超时重传技术可分为如下几种:1)随机选择一条拥有可用窗口空间的子流;2)选择拥有最大拥塞控制窗口的子流;3)选择拥有最大慢启动门限的子流;4)选择丢包率最小的子流。

MPTCP中:第一种策略相当于一种随机选择策略，几乎不考虑底层子流的性能差异，不能达到较好的重传性能;最后一种方法选择使用报文丢包率低的子流，其目的是为了减少报文丢失，从而减少重传次数;中间两种方法根据CWND和SSTHRESH值反映路径状况的优劣，同样倾向于选择丢包率低的子流。

考虑到实际环境中各子流状态不断变化，本文综合考虑子流传输时延和丢包率，提出基于综合参数的MPTCP重传策略RTX-DLCS。RTX-DLCS重传策略的核心思想是:快速重传时选择原先的子流;超时重传时，计算不同子流报文段传输成功的平均时间，选择拥有最小时间的子流;如果有相同最小时间，则选择拥有最大拥塞控制窗口(CWND)的子流;如果CWND值也相同，则继续选择拥有最大慢启动门限的子流。

设子流Si的丢包率为li，延迟为di，超时时间为RTO，假设包之间丢包事件相互独立。则一个数据包一次就成功到达接收端的时间R0为

数据包经历一次重传才成功到达接收端的时间R1为

数据包经历两次重传才成功到达接收端的时间R2为

以此类推，经历m次重传后成功到达接收端的时间Rm为

因此，一个数据包成功到达接收端的平均时间Ti为

带入以上各式，化简得

在实际网络环境中，利用MPTCP协议出现连续3次超时重传的概率基本为零，因此式(6)中m为3，带入得

RTX-DLCS中采用式(7)计算不同子流的时间Ti，RTX-DLCS重传策略为:

if data outstanding on subflows that have timed out

Tmin=∞ //存放最小平均时间

CWND=0 //存放最大拥塞窗口

SSTHR=0 //存放最大慢启动门限

RTXSUB=NULL //存放备选路径

for each subflow Si

if Ti＜Tmin

RTXSUB=Si

TminTi

else if T=Tmin

if CWND＜Si-＞cwnd

RTXSUB=Si

CWND=Si-＞cwnd

else if CWND=Si-＞cwnd

if SSTHRE＜Si-＞ssthre

RTXSUB=Si

SSTHRE=Si-＞ssthre

Choose Sito sent a retransmission

return

else

Choose the same subflow to sent a retransmission

3 仿真及结果分析

3.1 仿真拓扑

本文以NS-3为仿真平台，采用一个较简单的模拟拓扑结构，如图1所示。忽略网络瓶颈链路、最后一跳等因素的影响，重点关注在不同丢包率、不同延迟、不同接收端缓存下RTX-DLCS重传策略的性能表现。

图1模拟拓扑结构

图1 中节点A表示源端，节点B表示目的端。源端和目的端都配备两个IP地址，端到端传输速率都为5 Mbit/s，参考时延为40 ms，80 ms和160 ms。子流1的丢包率固定为1%，子流2的丢包率在1%～10%之间变化。链路前向和后向丢包率相同，数据包丢包事件相互独立。

为了评估不同缓存大小下各策略的性能表现，设置接收缓存大小分别为32 kbyte，64 kbyte和128 kbyte。

3.2 性能分析

根据RFC6182建议，仿真过程中快速重传一律选择相同子流，超时重传时选择各种不同重传策略。因为RTX-SAME最简单，且性能较低，因此超时重传中只使用除RTX-SAME外的4种策略。

3.2.1 不同延迟下性能评估

现在大多数终端都配备了2 Gbyte的内存，64 kbyte接收缓存区很合理，因此本文在64 kbyte缓存下评估不同往返时延时RTX-DLCS的性能表现。图2展示了5种重传策略在不同丢包率、不同延迟情况下的性能对比曲线。

图2 5种重传策略在不同丢包率、不同延迟情况下的性能对比曲线

图2 a中，子流1和子流2的延迟都为40 ms，MPTCP采用5种不同重传策略重传数据。由于两条子流延迟相同，所以RTX-DLCS策略重传选路实质上首先根据丢包率，然后再考虑拥塞窗口和慢启动门限。从图2中可以看出，RTX-ASAP性能相对来说较差;RTX-LOSSRATE，RTX-CWND和RTX-SSTHRESH性能互相有好有坏，整体上性能相当;RTX-DLCS与此3种策略相比并无明显优势，性能只是略好。其原因是，子流1和子流2延迟相同，RTX-DLCS策略根据式(7)计算Ti时，Ti仅受丢包率影响，即实际上是先考虑丢包率对重传选路的影响，而RTXLOSSRATE选择数据丢失率最低的路径作为重传路径，减少了重传数据的丢失，RTX-SSTHRESH选择最大慢启动门限的路径，RTX-CWND选择拥有最大窗口值的路径，它们二者都考虑了路径状况，本质上也减少了重传数据的丢失。因此这4种策略实质上都以丢包作为参考因素，所以性能差别不大。如果两条子流丢包率相同，RTX-DLCS还会再综合考虑拥塞控制窗口和慢启动门限，而其他策略只考虑单一因素，因此这种情况出现时RTX-DLCS性能就要优于其他策略。图2b、2c中，子流1的延迟分别为80 ms和160 ms，子流2的延迟固定为40 ms。图2b中MPTCP连接整体性能下降是受子流延迟影响，延迟增加，缓存区阻塞更严重，即影响MPTCP吞吐量。这种影响随着延迟增加不断恶化，如图2c所示。将图2b，图2c分别与图2a对比，发现RTX-DLCS性能优势更加明显。这是因为子流1的延迟发生变化，RTX-DLCS策略根据延迟和丢包综合考虑选择正确的重传子流。

3.2.2 不同接收缓存下性能评估

为了深入分析不同缓存大小下RTX-DLCS重传策略性能表现，又分别设置接收缓存为32 kbyte和128 kbyte。

图3展示了接收缓存为32 kbyte时各重传策略的性能表现，由于缓存区阻塞，整体吞吐量受到较严重的影响。图4展示了接收缓存为128 kbyte时各重传策略的性能表现，由于接收缓存的增加，缓存区阻塞有所减小，MPTCP整体吞吐量受重传策略的影响减小。在图3、图4中，RTXDLCS性能整体上优于其他重传策略，且优势随着缓存大小不同而不同，这也证明上述分析的正确性。

图3 接收缓存为32 kbyte，延迟为40 ms

对比图2、图3和图4中可以发现，RTX-DLCS性能整体上优于其他4种重传策略。因为考虑了丢包率的重传策略能在一定程度上避免重复的超时重传，但是仅考虑单一的影响因素并不能达到最好的效果。综合考虑延迟和丢包率等因素的重传策略能进一步减少超时重传，从而减缓缓存阻塞，提高MPTCP吞吐量。

图4 接收缓存为128 kbyte，延迟为40 ms

4 小结

深入研究了多路同时传输中的重传策略和MPTCP协议，重点研究了MPTCP中超时重传时选路策略，提出了一种基于综合参数考虑的重传策略RTX-DLCS，减缓了缓存阻塞，提高了MPTCP吞吐量。仿真表明，RTX-DLCS整体性能较优。在延迟和丢包率均不同的情况下，RTX-DLCS表现最好。

本文主要对比了缓存为64 kbyte时子流1丢包率不变、子流2延迟不变的情况和不同缓存大小时RTX-DLCS的性能表现。为了进一步验证RTX-DLCS性能的优越性，下一步工作中将设置更加复杂的仿真环境、更全面的对比，综合评估RTX-DLCS性能表现。

［1］RFC 6182，Architectural guidelines for multipath TCP development［S］.2011.

［2］RFC 6356，Coupled congestion control for multipath transport protocols［S］.2011.

［3］FORD A，RAICIU C，HANDLEY M.TCP extensions for multipath operation with multiple addresses，draft-ietf-mptcp-multiaddressed-09［EB/OL］.［2012-10-10］.http://tools.ietf.org/pdf/draft-ietf-mptcp-multiaddressed-12.pdf.

［4］IYENGAR J，AMER P，STEWART R.Concurrent multipath transfer using CTP multihoming over independent end-to-end paths［J］.IEEE/ACM Transactions on Networking，2006，14(5):951-964.

［5］IYENGAR JR，AMER PD，STEWART R.Receive buffer blocking in concurrent multipath transfer［C］//Proc.IEEE Global Telecommunications Conference.Louis，USA:IEEE Press，2005:1-7.

［6］IYENGAR JR，AMER PD，STEWART R.Performace implications of a bounded receive buffer in concurrent multipath transfer［J］.Computer Communication，2007，30(4):818-829.

［7］LIU Jiemin，ZOU Hongxing，DOU Jingxin.Reducing receive buffer blocking in concurrent multipath transfer［C］//Proc.Circuits and Systems for Communications.Shanghai:IEEE Press，2008:367-371.

［8］IYENGAR J，AMER P，STEWART R.Retransmission policies for concurrent multipath transfer using SCTP multihoming［C］//Proc.12th IEEE International Conference.Singapore:IEEE Press，2004:713-719.