PO-MPTCP:面向优先级的多媒体多路径服务数据调度程序

摘要

随着无线网络接入技术的多样化和多网络接口设备的大规模设备的扩展，多家庭终端的网络传输性能受到了学术界的广泛关注。多路径传输控制协议(Multipath Transmission Control Protocol, MPTCP)作为研究路径传输性能的代表性方法之一，受到越来越多的学者的关注。但是，他们的研究忽略了动态网络环境对数据传输性能的影响，很少考虑数据传输的优先级。毫无疑问，不对数据包进行优先级排序将对异构网络中的用户体验产生巨大的影响。在本文中，我们提出了一种新的优先级感知流媒体多路径数据调度机制(PO-MPTCP)，以实现以下目标:检测所有流媒体数据的优先级;实现多属性感知路径评估与切换机制;引入路径质量优先级驱动的数据分发机制，提高流多路径传输性能。仿真实验表明，本文提出的PO-MPTCP提高了流媒体的传输性能，降低了传输时延。从仿真实验的结果不难看出，PO-MPTCP在数据传输方面比标准的MPTCP机制更有效。

1.介绍

在各种无线接入技术(WiFi、4G、蓝牙等)建立的背景下，配备多种不同标准网络接口的移动终端数量逐年增加。多归属设备可以使用多个网络接口并行传输数据，有效提高网络传输吞吐量[1］.由于实时流媒体应用(如Facebook [2,微信3.], YouTube [4]等)、传统的单路径传输控制协议(TCP) [5]不能利用终端多网络接口的特点;因此IETF (Internet Engineering Task Force)提出了多路径TCP (Multipath TCP, MPTCP)，以兼容基于传统TCP的当前应用层[6，7］.

MPTCP作为TCP的扩展，与应用程序兼容，不需要对传统TCP套接字做太多修改，就可以实现应用层透明。MPTCP的主要思想是将数据流并行分布到多个链路上，提高数据传输的性能(即提高网络吞吐量，减少传输延迟，最大限度地利用网络等)[8］.从图中1，我们可以在无线网络中看到基于MPTCP的多媒体多径传输。它简单地说明了移动设备使用三条路径（路径A, B和C)，对应基于mptcp的媒体服务器。

MPTCP采用多归属结构，被认为是一种很有前途的传输技术，它可以满足特定服务质量(QoS)的要求，平衡网络资源中实时任务的利用率[9，10］.然而，大多数MPTCP数据调度算法和拥塞控制算法只考虑传输效率和公平性[7- - - - - -9]并忽略由数据类型的复杂性引起的数据传输的优先级[11］.

正是基于上述考虑,本文提出一种启发priorities-oriented数据调度程序为多媒体多路径机制,允许应用程序区分相对优先数据,确保高优先级数据可以通过高质量传输路径,提高高优先级数据的传输性能,降低传输时延，提高实时流媒体业务的整体传输性能。仿真结果表明，该机构能有效地提高传输效率。PO-MPTCP的基本贡献如下:

它使MPTCP能够感知流媒体数据的优先级，并能够知道何时以及如何调用优先级调度服务。

设计了多属性感知机制来估计路径质量，并设计了多属性协同路径切换算法。

它介绍了一种基于路径质量的数据优先级驱动的分布策略。

本文的其余部分结构如下。节2，简要介绍了我们PO-MPTCP的相关工作。部分3.介绍了PO-MPTCP的详细内容。节4基于实验结果，对PO-MPTCP的性能进行了评价和分析。部分5对本文的工作进行了总结和展望。

2.相关工作

MPTCP被定义为TCP的开发，可以与现有的Internet设备和应用程序接口兼容，并且仍然从学术界接收很大的关注。许多学者致力于优化MPTCP的数据调度算法。Cao等[12]提出了一种基于MPTCP的接收端驱动的数据调度策略，其目的是将一些操作(如数据调度和路径选择)从发送端转移到接收端，平衡发送端和接收端的负载。Marikoshi等人[13]提出了一种改进的基于MPTCP的快速接收ACK的方法，利用ACK的可用性增加来提高吞吐量。Kim等人[14]提出了一种基于接收缓冲区大小的MPTCP (RBPM)管理方法。其主要操作是利用可用的接收缓冲区大小和多径不同特性来估计失序包;也就是说，如果发生拥塞，RBPM会立即停止错误的传输路径。由于正确地捕捉了路径的质量，Chung等人[15]描述了一种基于MPTCP（MPTCP-ML）的机器学习的新路径管理方案，该方法使用信号强度，吞吐量和干扰APS号码来估计路径质量。Kimura等。[16]讨论了三种数据调度机制：基于最高发送速率的数据调度，基于最大发送窗口的数据调度基于最低发送延迟的数据调度。

同时，基于MPTCP的流媒体数据分布优化问题也引起了学术界的广泛探索。Hayes B等人[17]采用基于MPTCP架构的超文本传输协议2.0自适应码率视频传输，利用MPTCP的三种模块化推送策略消除网络带宽并估计缓冲区状态。目标是改善视频内容在损失环境下的传输，使自适应比特率视频的传输成为可能。Xu等[18]扩展了MPTCP的部分可靠性协议，为多媒体应用在实时性和可靠性方面提供了灵活的QoS权衡。Cao等[19]介绍了MPTCP中的部分可靠性和实时约束的概念，讨论了多媒体流的实时约束和TCP的部分可靠性。

在当前的许多MPTCP研究中，我们发现学者们的研究重点已经开始从改进数据调度和拥塞控制算法转移[20.- - - - - -23]来优化实时流媒体服务。但这些优化没有考虑不同类型传输数据的实时流应用的优先级，现有的数据优先级调度文献几乎局限于网络层和无线传感器网络。如[24Markov模型用于控制传感器节点上的不同优先级的流程。因此，我们提出了一种优先考虑的流式流媒体多路径数据传输机制，用于发展未来的移动流媒体应用，并提供具有传输性能改进和高质量用户的提供有吸引力的益处。

3.PO-MPTCP详细设计

MPTCP作为TCP的扩展，对于内容丰富的实时多流媒体而言，在性能提升、带宽聚合和用户体验等方面具有许多诱人的优点。但当有限的接收缓冲区进行严格的排序时，这些性能可能会受到路径特性和数据调度策略等诸多因素的影响。每一次错误的抱怨都会导致缓冲区拥塞或严重的MPTCP性能下降。为了满足带宽密集型、实时内容丰富的流媒体业务的带宽需求和传输速率，讨论了在MPTCP数据调度中添加优先级的理论，该理论为数据调度调度、吞吐量提高和重要的数据传输质量保证提供了良好的可能性。

在本文中，我们将数据子流的优先级定义为应用程序的附加服务，并调度策略考虑了网络环境的真实需求。根据数据提交顺序和当前可用的网络带宽，调度策略可以允许应用程序确定数据优先级并按顺序传送其他数据;也就是说，应该使用最佳质量链路路径优先确定和传输重要数据。在此数据调度策略中，它仍然可以保证要为提交的优先级提供相对重要的数据，从而降低传输延迟，并在网络服务质量较差时提高整个应用的效率。

数字2给出了面向优先级的MPTCP数据传输策略的体系结构，主要包括MPTCP发送方、MPTCP接收方和多路径异构无线网络。发送方包括三个模块:数据优先级提高认识模块（DPAM），Multiattribute Detect Path Sorting Module (MDPS)基于路径质量的优先级数据调度模块。如果应用程序层发送数据,发送方的一个模块是类似于SCTP多流的缓冲区模块传输数据从应用层到传输层,和它使用DPAM检测和记录的优先级信息交付数据,利用mdp来确定每个子路径的状态基于RTT和CWND值,然后根据每条路径的质量对路径进行排序。面向优先级的多媒体多路径服务数据调度器根据数据优先级和路径质量调度数据包;它还将信息传输到网络层，最终到达接收端。这样，当接收端得到数据包后，就会对数据包进行顺序重组，将数据包转移到接收端的上层，并将SACK反馈给发送端。

3．1.数据优先级感知模块(DPAM)

在移动互联网中，数据向规模化和多样化发展，对网络带宽和数据专门化的多媒体应用需求日益增加。传统的MPTCP传输方法忽略了应用程序对消息的优先级，只将信息等同为字节流，造成了数据传输盲区。因此，我们需要建立一个模块来检测数据的优先级。

为了区分数据优先级，我们将在网络中标记不同的优先级任务。当发送方开始传输数据时，dam将通过跨层合作通信[25，检索对应于每个流的优先级值，并将它们存储在状态列表中(用 ）.的每个元素是由一个双峰(即子流的指数 ，子消息流的优先级 ）.算法1显示dam的伪代码。

3．2.多属性检测路径排序模块

理想情况下，数据流的传输效率与路径质量成正比，但当前异构网络环境非常复杂，所以我们希望所有数据都能选择质量相对较好的子路径进行传输。在本文提出的面向优先级的数据传输协议中，我们假设相对重要的数据具有较高的优先级，可以通过相对可靠的路径进行传输，这样可以降低重要包的丢包概率。此外，我们提出了一个多属性检测路径排序模块(Multiattribute Detect Path Sorting Module, MDPS)，该模块可以根据RTT和CWND值来确定每个子路径的状态，并根据路径的质量对路径进行排序。

为了传递准备好的数据，我们假设一个MPTCP中有n条可用路径，MDPS可以根据MPTCP连接质量记录每个可用路径的质量(RTT和CWND)，并在集合列表(用表示)中估计统一存储 ）.根据估算的RTT和CWND ，MDPS将优先支持最低的RTT值，并根据RTT值对路径进行升序排序(除了路径的RTT值相同外，CWND的值将按降序排列)。MDPS将按质量排序所有可用的路径，用于MPTCP数据调度程序。MDPS的伪代码见算法2．

3．3.基于路径质量的优先级数据调度模块

在DPAM和MDPS的基础上，PBPD将努力支持数据包按顺序到达。当发送窗口空闲时和将发送数据包，我们更愿意使用良好的路径质量来使用良好的路径来安排重要数据。也就是说，只要在队列中的事先存在重要数据时，它将快速从队列中删除并利用良好的优先级子路径进行传输。它确保队列中的高优先级数据可以通过最佳质量路径传输，并同时实现最低延迟。当发送窗口空闲时和将数据包发送，PDPB将实现如下步骤:

(一)根据(数据优先收集)由DPAM产生，PDPB将决定当前数据包是否需要优先调度。如果为NULL时，将使用标准化的MPTCP进行数据分发。否则，表示应用程序有优先级包，则发送PBPD。

(b)根据MDPS模块形成的排序路径，PBPD将使用的第一条路径设置为优先考虑重要数据的候选路径。

(c) PDPB将采取下一个路径作为候选路径时的路径cwnd已经满了。

(d)重复以上三个步骤，直到发送方没有可用的发送窗口为止;也就是说,数据已经发送。算法3.显示PBPD的伪代码。

4.绩效评估

4．1.模拟拓扑

在本节中，我们使用流行的网络模拟器NS-2 [26，27来验证和评估我们提出的面向优先级的数据调度算法的性能，并与经典的MPTCP进行比较。为了建立一个真实可靠的MPTCP仿真环境，我们将MPTCP补丁嵌入到NS-2中，然后将PO-MPTCP算法应用到当前的MPTCP仿真器中。

根据我们以前的工作[6]，我们可以发现，总互联网流量的TCP流量的80％-83％，占UDP的17％-20％，网络背景流量的突然性增加了在网络中部署MPTCP的难度。为了模拟更真实的网络环境，我们将在每个路由器中配置四个TCP流量生成器和一个UDP流量生成器，以获得80％的TCP流量和20％的UDP流量。详细信息如图所示3.．

在图3.，仿真拓扑构成了MPTCP的发送方和接收方，并同时将两个链路(用Paths表示)装配在一起和B)，有各自对应的网络参数，如表所示1．为了模拟网络链路层的丢帧，对每条路径使用一个随机统一模型来设定随机连接竞争或无线电干扰造成的丢包率。目前，“路径A”的带宽为11mbps，“路径B”的带宽为10mbps，“路径B”的带宽为10mbps采用标准接口WiFi/IEEE802.11b, Path使用WiMax/IEEE 802.16接口。并将各路径的网络仿真时间设置为60s，其他实验参数默认为NS-2网络仿真器的值。

4．2．仿真分析

为方便起见，我们将标准MPTCP传输机制的数据结果表示为“MPTCP”，并将我们提出的面向优先级的数据多路径流媒体传输机制定义为“PO-MPTCP”。在本节中，我们采用随机统一模型统一丢包误差，以0 -5%为各路径的丢包率，分析丢包率实验中平均吞吐量、平均时延、抖动和峰值信噪比的变化。

(1)平均吞吐量。在图4，可以看到标准MPTCP和PO-MPTCP在不同丢包率下的平均吞吐量。在有损耗的异构无线环境下，通过4个仿真结果显示了不同丢包率对多媒体流吞吐量的影响，PO-MPTCP可以实现更可靠的数据传输。在相同丢包率的情况下，PO-MPTCP的平均吞吐量比标准MPTCP提高了2.28%、8.18%、2.69%和8.04%。标准MPTCP没有考虑两个因素:特定QoS对多媒体应用的要求;在异构网络中应用数据的优先级和不同传输路径的质量。这些因素导致MPTCP接收缓冲区中较早的数据包顺序混乱。随着数据包数量的增加，会导致缓冲区拥塞，网络传输吞吐量降低。我们提出的PO-MPTCP考虑了数据优先级和路径质量，选择了最佳的传输链路;有效地提高了MPTCP的传输性能。

(2)平均延迟。平均时延作为衡量网络性能的重要参数，在研究相关网络协议时，研究者经常使用平均时延来确定路径的传输速率。为了突出PO-MPTCP的优势，如图所示5比较了PO-MPTCP和标准MPTCP在丢包率为0-5%时的平均时延。为了方便显示端到端传输延迟，我们以丢包率为例，取0.01，如图所示6，表明PO-MPTCP优于标准MPTCP。因此，PO-MPTCP可以通过感知优先级的数据调度策略和链路排序来提高传输性能，降低传输延迟。

(3)抖动。据我们所知，抖动是预测流媒体包稳定性的重要指标，通常通过测量时延的最后值和包长度的函数值来实现。我们取损失率0.02来探究60秒内抖动的变化。数字7说明了标准MPTCP比PO-MPTCP产生无序报文的频率更高。PO-MPTCP能够动态感知数据的优先级并自适应切换路径，可以更好地提高流媒体的传输性能，保证多媒体流媒体的稳定性。

（4）峰值信噪比。流媒体服务将成为未来移动互联网的核心业务。因此，我们在异构流媒体仿真中研究了多媒体的传输性能。性能由PSNR衡量[28，将网络传输吞吐量和丢失率转换为用户感知的质量，通过下面的公式。 在哪里表示多媒体子流传输速率。表示网络中预期的平均吞吐量为实际平均吞吐量。

数字8证明PO-MPTCP的PNSR比异构无线网络中的标准MPTCP高3.7％。通过对PSNR的用户质量体验分析，PO-MPTCP可以实现更好的流媒体传输质量，并且PSNR波动更稳定。因此，与现有机制相比，PO-MPTCP可以改善用户体验。

5.结论

本文提出了一种基于优先级感知的多媒体多路径业务分组调度方案PO-MPTCP。它充分利用了基于多属性感知的包优先级识别和路径估计与切换能力。此外，PO-MPTCP还提供了优先级驱动的数据分发策略，区分数据优先级，确保高优先级数据在最佳质量路径上传输。PO-MPTCP利用基于路径的优先级感知方法提高了数据传输的效率。仿真结果表明，与传统MPTCP相比，PO-MPTCP具有明显的优势，包括提高多媒体平均吞吐量、降低端到端时延、提高多媒体传输的稳定性。特别地，我们利用PSNR分析了PO-MPTCP的用户服务体验，结果表明PO-MPTCP能够更好地满足流媒体的传输质量要求。我们未来的工作将集中在实际系统中部署PO-MPTCP，使PO-MPTCP能够满足多媒体应用的高带宽要求和时延不容忍。此外，研究了基于优先级的队列管理的现实意义，为MPTCP协议在未来无线网络中的部署提供了理论依据。

数据可用性

用于支持本研究结果的研究数据被NS-2模拟。其他研究人员希望得到的数据可根据要求从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. 20141201);61562044;基金资助:江西省自然科学基金资助项目(批准号:200810227901);20171 bab212014;基金资助:江西省软科学研究计划项目(基金资助:20161 bba10010;基金资助:国家自然科学基金资助项目;YC2017-S144。

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