随楠楠，王 聪，张冬梅，周 欣，徐友云，3

1.解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007

2.中国人民解放军 63612部队

3.南京邮电大学 通信与网络技术国家工程研究中心，南京 210003

1 引言

近年来，M2M通信（Machine to Machine Communications）和移动多媒体业务发展迅猛，海量M2M终端和智能设备对无线宽带传输的需求日益增长，异构网络环境下基于并发多路传输（Concurrent Multipath Transfer，CMT）的资源提供方式是满足未来业务发展需求的重要技术手段[1-2]。CMT是基于流控制传输协议（Stream Control Transmission Protocol，SCTP）的改进型传输层协议[3]，它使得多模终端可以同时在多个网络接口上传输数据，且基于SCTP的动态地址重配置协议，CMT关联在进行路径切换时不会发生中断。

异构无线网络传输路径的不对称会造成数据包乱序到达的问题，这需要通过高效的数据分发和拥塞窗口控制策略进行解决[4-5]，丢包类型识别则是异构无线环境下CMT传输面临的另一个重要问题[6]。在用户移动过程中，无线链路可能因衰落、阴影、多径和噪声等因素的影响而发生短时间的恶化，造成数据包的丢失，称之为无线丢包。不同于拥塞丢包，无线丢包多是随机偶发的，无线链路在丢包后可能又迅即得到改善，因而多路并发传输应当对无线丢包采取与拥塞丢包不同的处理机制。而当前CMT协议并不具备丢包类型识别能力，CMT接收端每收到一个新的数据包就会向发送端反馈一个SACK包，CMT接收端根据SACK包判断是否存在丢包的可能，若收到4个SACK重复确认某个数据包未按序到达，CMT发送端便将其判定为拥塞丢包，接着对丢包进行快重传，并减小拥塞窗口以执行拥塞避免过程。CMT现有拥塞控制机制不仅不能减少无线丢包，反而会造成传输速率的下降。

针对CMT/SCTP无线传输中的丢包类型识别问题，TCP中类似于Biaz、Spike以及ZigZag的丢包类型识别算法是一种借鉴[7]。文献[8-9]采用了基于ZigZag的丢包类型识别机制，如文献[8]利用数据包的往返时间（Round Trip Time，RTT）来估算路径的单程时延，再结合丢包个数来比较丢包后的单程时延和路径的平均单程时延，从而做出丢包类型的判定。对链路质量和利用情况进行估计，进而判别丢包类型是一种重要的研究思路[10-11]。文献[12]提出在所有路径上发送背靠背的链路带宽探测包，当业务传输速率高于路径带宽时判定丢包原因为拥塞。文献[13]通过路径估计容量与实际传输速率之差来计算路径剩余容量，若丢包发生时的路径剩余容量为正值则将其判定无线丢包，为负值则将其判定为拥塞丢包。文献[14]首先估计链路的数据传输质量Q，Q由传输单位字节所需的时间来衡量，当rtticwnd＜Qi时，判定路径i上的丢包是拥塞造成的。文献[15-16]提出由路由器利用SCTP协议的ECN扩展位来标记可能的拥塞丢包。

ECN机制需要中间路由器的辅助，如何设定拥塞门限也需要研究。类似于ZigZag的机制则需要接收端辅助测量单程时延，而在往返路径不对称的异构无线网络中，利用RTT估计单程时延存在较大误差。路径拥塞会导致RTT的增长，高RTT时仍可能发生无线丢包，而拥塞丢包通常发生在RTT增长的最高峰。由于无线链路的恶化是短时随机的，因此只对单个丢包原因进行识别，连续丢包则认为是拥塞造成的。基于上述分析，提出了称为CMT-SC的丢包类型识别机制，依据丢包时测量得到的RTT对平稳特征参数（S参数，Steady Parameters）和拥塞特征参数（C参数，Congestion Parameters）进行更新，衡量丢包时的路径拥塞状态，进而识别丢包原因。两组参数的估计只需在发送端进行，不需要接收端和中间路由器的辅助。基于CMT模块开发了CMT-SC模块，通过NS-2.35[17]验证了CMT-SC机制的性能优势。

2 系统模型

图1所示的异构无线网络环境中，大量M2M终端通过M2M网关与服务器进行数据传输，M2M网关利用CMT协议同时接入蜂窝网络和WLAN（Wireless Local Area Network）。M2M服务器与基站和WLAN接入点之间通过有线宽带进行连接，具有较好的QoS（Quality of Service）保证和很高的数据传输速率，路径1和路径2的瓶颈主要在无线链路部分。蜂窝网络和WLAN链路上均存在其他用户的背景流量，占用了部分无线链路带宽，对M2M网关的数据传输速率产生影响。由于蜂窝网络与WLAN链路传输速率不对称，M2M网关可能会缓存阻塞，由此影响整个CMT关联的传输速率。在M2M网关通信过程中，无线链路可能因衰落和干扰而短时间的恶化，从而造成数据包随机偶发的丢失。为了充分利用各条路径上的带宽，CMT需要有效的区分拥塞丢包和无线丢包。

图1 M2M通信中的异构无线传输环境

3 路径状态的度量

路径的往返时间反映了路径的拥塞程度，因此本文提出了平稳特征参数和拥塞特征参数来评估路径状态，两组参数只需要发送端利用路径RTT便可计算。本文假定每一个CMT数据包只含有一个chunk，TSNi表示TSN号为i的数据包。对于路径d，“d.X”表示路径d上缓存的变量X，“d.TSNi.X”表示路径d上缓存的关于TSNi的变量X。

3.1 平稳特征参数的更新机制

路径d的RTT达到极大值d.RttSteadyHigh后的d.RttSteadyDuraTh时间内没有因拥塞而丢包，便认为路径d处于平稳状态。此时路径d的RTT特征由平稳特征参数来表征，其中d.RttSteady表示平稳状态下的RTT均值，d.RttSteadyVar表示RTT的偏差。为了及时反映路径d的RTT动态变化，设定接收端每收到一个TSN就向发送端回送一个SACK。

发送端每收到一个SACK，检查能否从其中得到关于路径d的最新RTT即d.dNewRtt。若d.dNewRtt＞d.RttSteadyHigh，则路径状态可能发生了改变，需要重新对路径的平稳状态进行更新，如式（1）：

其中λs∈(0,1)是常量，用于控制平稳特征参数的更新时间，d.RttSteadyStartTime是平稳特征参数的起始更新时间，dCurrTime是系统仿真时间。

在d.dNewRtt≤d.RttSteadyHigh时，若路径平稳状态的持续时间已经超过d.RttSteadyDuraTh，认为已经获得了有效的平稳特征参数，不再需要更新了，否则需对平稳特征参数进行更新，如式（2）：

其中αSC和βSC是用于控制平稳特征参数更新速率的常量。

3.2 拥塞特征参数的更新机制

路径的拥塞特征参数是对拥塞丢包发生时的RTT进行度量，其中d.RttCongestionAve是路径拥塞时的RTT均值，d.RttCongestionVar是路径拥塞时的RTT偏差。若CMT-SC机制判定TSNi为拥塞丢包，将启动拥塞特征参数更新过程，如式（3）：

其中d.TSNi.RttMissing为TSNi被丢弃时的往返时间，由发送端根据第一个对TSNi的间隔确认（Gap Acknowledgement）所确定。θSC∈(0,1)和γSC∈(0,1)是常量，用于控制拥塞特征参数的更新速率。

4CMT-SC丢包类型识别机制

图2为CMT-SC机制运行流程图。发送端每收到一个新的SACK，轮询每一条路径（以路径d为例），依据得到的新的RTT样本值d.dNewRtt对路径d的平稳特征参数进行更新。若SACK中有对d.TSNi的Gap ACK，则d.TSNi可能丢失，用变量d.TSNi.RttAfterMissing表示此时的路径RTT估计值，并使d.TSNi的丢包计数器d.TSNi.MissingReprot加1。但是该状态无法确认d.TSNi是否丢失以及丢失原因，所以含有Gap ACK的SACK仍被用于平稳特征参数的更新。

图2 CMT-SC无线丢包类型识别机制

若d.TSNi.MissingReprot≥4，则判定d.TSNi丢失并重传d.TSNi。若一次丢多个包或当前丢包时间距离上次丢包时间d.PreDropTime不超过d.DropGapTimeTh时，CMT-SC则将丢包判定为拥塞丢包。其中λc∈(0,1)是常量，d.dSrtt是CMT原始协议中估计出的路径平滑RTT。

对于单个丢包，若路径d上已经获得了有效的平稳特征参数，首先根据平稳特征参数对无线丢包类型进行识别，再根据拥塞特征参数对无线丢包类型进行识别，只有两组参数均判定为拥塞丢包，发送端才执行拥塞避免过程。图3为根据平稳特征参数和拥塞特征参数对丢包类型进行识别的示意图。d.TSNi.RttAfterMissing≤d.RttSteady+d.RttSteadyVar时，认为丢包发生时路径d处于平稳状态，则判定d.TSNi为无线丢包，只重传d.TSNi而不对路径d的拥塞窗口控制参数进行调整。若不能依据平稳特征参数判定d.TSNi为无线丢包，再用拥塞特征参数对其识别，当d.RttCongestionAved.RttCongestionVar＜d.TSNi.RttAfterMissing时，认为丢包时路径d处于拥塞状态，因此判定d.TSNi为拥塞丢包，否则将其判定为无线丢包。对于拥塞丢包，重传该数据包并减小拥塞窗口和慢启动阈值，更新拥塞特征参数。路径如果拥塞，说明路径状态发生了较大的变动，原有的平稳特征参数就会失效，因此将平稳特征参数重置为0。

图3 无线丢包识别示意图

CMT-SC机制在路径超时情况下认为路径状态发生了非常重大的变动，原有的平稳特征参数和拥塞特征参数都将失效，因此会将两组参数重置为0，超时情况下的拥塞窗口处理与CMT相同。

5 仿真分析

图4为在NS-2.35上搭建的异构无线网络仿真拓扑，Ri,j代表接入路由器，R1,1和R1,2之间的路径1表示蜂窝链路，带宽为384 Kb/s，单向传输时延50 ms。R2,1和R2,2之间的路径2表示WLAN链路，带宽为11 Mb/s，单向时延为100 ms。其他链路均为有线链路，带宽为100 Mb/s，单向时延为5 ms。

图4 NS-2.35中网络仿真拓扑

仿真模拟服务器一侧到M2M网关的数据传输，业务类型为FTP，并假设蜂窝链路和WLAN链路具有相同的丢包率和负载程度。为了模拟真实的网络环境，R1,1和R2,1各与两个背景流量产生器相连，R1,2和R2,2分别与蜂窝用户和WLAN用户相连。仿真中分别考虑了固定比特速率（Constant Bit Rate，CBR）和指数分布（Exponential，EXP）两类背景业务，模拟网络环境较为稳定和网络环境动态变化的场景。背景流量的传输层协议为UDP，数据包的大小分别为100 Byte和500 Byte，分别表示小数据传输和大数据传输，仿真中的负载程度指的是背景业务发送速率占路径可用带宽的比值。仿真中的主要参数设置如表1所示。

表1 CMT-SC算法仿真参数配置

如图5所示，无论在CBR还是在EXP背景流量下，CMT-SC算法在吞吐量上明显优于CMT原始协议。例如，在CBR背景流量条件下，丢包率为3%时CMT-SC相较于CMT在吞吐量上提升了约11.56%，而在丢包率为8%时吞吐量性能提升了约22.33%。值得注意的是，当丢包率为0时，CMT-SC在吞吐量上稍低于CMT，这是因为CMT-SC算法误把拥塞丢包判定为无线丢包导致的。

图5 CMT-SC算法与CMT的吞吐量性能对比

图6所示为在CBR背景流量、丢包率为3%的条件下，CMT-SC算法与CMT在拥塞窗口控制性能上的对比。运用CMT-SC丢包类型识别机制以后，总体上两条路径的拥塞窗口都高于CMT，其中蜂窝链路相较于WLAN链路更为明显。这是因为CMT-SC能有效地识别无线丢包，避免了不必要的拥塞窗口减半，从而优化了拥塞窗口的控制性能。由于蜂窝链路时延小于WLAN链路，所以蜂窝链路能够更快更准确地感知到路径状态，蜂窝链路的拥塞窗口更为平稳。

图6 CMT-SC算法与CMT拥塞窗口控制性能对比

图7所示为在CBR背景流量条件下，CMT-SC算法与CMT在不同接收窗口大小下的吞吐量性能对比。从图中可以看出，CMT-SC算法和CMT在接收窗口为128 KB条件下的吞吐量均高于接收窗口为64 KB时的吞吐量，这是因为接收窗口越大，接收方可以缓存的乱序到达的数据包越多，也就允许发送方以更高的速率发送数据，从而带来吞吐量性能上的提升，但是也可以看出这种性能的提升随着丢包率的增大而下降。例如对于CMT-SC算法来说，在轻负载条件下，丢包率为3%时，接收窗口的增长使得吞吐量性能提升了约37.1%，而当丢包率为8%时，吞吐量性能的提升只有约18%。另外从图7中可以看出，在丢包率较低时，CMT在128 KB接收窗口条件下的吞吐量高于CMT-SC算法在64 KB接收窗口条件下的吞吐量，但是随着丢包率增加到一定程度后，CMT-SC算法在64 KB接收窗口条件下的吞吐量与CMT在128 KB接收窗口条件下的吞吐量相差不多甚至略高，这可以说明应用CMT-SC算法可以在一定程度上减少接收方对缓存的需求。

图7 接收窗口对吞吐量性能影响（CBR背景流量）

图8 给出了在背景流量为CBR业务的条件下，不同接收窗口大小对CMT-SC 算法的丢包类型识别准确率的影响。从图中可以看出，无论负载高低，接收窗口为128 KB 时的无线丢包识别准确率要低于接收窗口为64 KB时的准确率，拥塞丢包识别准确率则基本相同。从图中还可以看出，随着丢包率的增加，拥塞丢包识别准确率基本不受影响，但无线丢包识别率下降，这是因为丢包率的增加导致丢包时间间隔越来越小，无线路径状态更加不稳定，CMT-SC 算法无法获取有效的平稳特征参数对丢包类型进行识别。

图8 CMT-SC丢包类型识别准确率（CBR背景流量）

6 结束语

本文基于对无线路径RTT特征的度量设计了平稳特征参数和拥塞特征参数的度量和更新算法，提出了丢包类型识别机制CMT-SC，通过比较两组参数和丢包发生时的无线路径RTT参数对丢包类型进行判别。在NS-2.35上的网络仿真结果表明CMT-SC算法在吞吐量方面相对于CMT有明显的提升，可以在一定程度上减轻接收方对接收缓存的需求。在不显著影响拥塞丢包识别准确率的情况下，CMT-SC算法的无线丢包识别准确率较好，但随着丢包率的增长而下降。

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