基于损耗感知的异构无线网络数据传输多路径方案

摘要

随着无线网络的快速发展，越来越多的移动设备开始设计多种网络接口。在数据传输方面，基于流控制传输协议(SCTP)的并发多径传输(CMT)已经被证明是一个非常有用的多家庭网络解决方案，它可能成为下一代无线通信的关键传输协议。由数据重排引起的CMT延迟已经引起了研究者的注意，但他们很少考虑到在高丢包网络中频繁发生的丢包问题。在本文中，我们提出了一种基于损失感知的多径并发传输(CMT-LA)解决方案，实现了以下目标:(1)识别所有路径上的丢包;(2)根据丢包和丢包的变化，自适应地在多个可用路径上分配数据包;(3)在提高吞吐量性能的同时，保持CMT的带宽聚合和并行传输特性。仿真结果表明，本文提出的CMT- la降低了重排序延迟和不必要的快速重传，从而证明CMT- la是一种比经典CMT更有效的数据传输方案。

1.介绍

无线网络技术的开发非常迅速，导致具有多种通信接口的移动设备量增加（例如，WiFi，4G，5G）[1］.为了支持广泛使用无线通信技术和多宿主终端的流行，配备正确的移动设备可以使用多个网络接口来传输网络数据，从而提高传输效率，最大化网络资源利用率，提高系统鲁棒性[2］.而传统的传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)由于其单路径结构，无法利用移动终端设备的多归属特性来提高数据传输速率和吞吐量性能。

多归属设备能够利用多种无线技术来改善多媒体的内容传递[3.］.此外，用户可以在随时随地访问多媒体流服务（例如，视频和语音流）方便。尽管如此，支持实时多媒体流媒体服务仍然是一个具有挑战性的任务，主要是因为这些应用需要高带宽和延迟不容忍[4］.

更重要的是，多样化媒体的实时业务性能还要求低延迟和可靠的数据传输。流控制传输协议(Stream Control transmission Protocol, SCTP)是一种支持多路径传输的解决方案。5]已经被学者们讨论过[6，7］.与TCP一样，SCTP是提供可靠数据传输的可靠协议。此外，SCTP可以满足内容丰富的实时多媒体流传输的带宽要求，但只能选择一条主路径。因此，SCTP保持了传输的可靠性，但不能在并行路径上传输数据。因此，SCTP可能无法最大限度地利用网络资源，难以满足下一代移动通信对高效数据传输的需求。

如今，CMT已被认为是提高网络资源利用率的有希望的手段。它不仅支持并行传输可用路径，而且聚合带宽。通过应用SCTP的多宿主架构，CMT可以使用异构网络接口同时传输多条路径之间的数据[8］.数字1描述了一个典型的基于cmn的多媒体内容传输异构无线场景。从图1，我们可以看到一个多宿主无线设备可以通过三条路径同时与媒体服务器通信，说明了CMT如何支持异构无线网络来传递实时多媒体内容。因此，基于cmt的关联路径可以提供诱人的好处，比如端到端吞吐量、网络资源的利用和负载平衡。

然而，对于经典的CMT仍然需要考虑一些关键问题，因为这种方法主要采用普通的循环过程，将应用层数据分发到多个可用路径。CMT很少考虑服务质量(QoS)相关参数中各路径的质量差异。因此，普通轮循分配方法不可避免地会导致接收缓冲区阻塞[9- - - - - -12］.为了减少这种阻塞，实现更可靠的传输，我们尽量保证接收端将有序的数据包发送到上层。因此，接收缓冲区必须首先存储无序的包，并等待前导包(如丢失或延迟的包)到达后再发送数据。考虑到存储容量有限的特点，过多的放置乱包必然会导致严重的缓冲区阻塞问题。一旦发生这种情况，缓冲区阻塞将影响用户体验的质量，特别是对于内容丰富的流媒体。

为了解决上述问题，我们提出了CMT结构下的原始丢包调度方案CMT- la。我们设计CMT-LA以满足三个功能目标:(1)识别路径的丢包;(2)根据丢包和丢包的变化，自适应地在多个可用路径上分配数据包;(3)在提高吞吐量性能的同时，保持CMT的带宽聚合和并行传输特性。我们的研究为该领域做出了以下贡献:(我)该模型引入了最优丢包检测算法来估计路径丢包率(PLR)。(2)该方案结合PLR估计和传输层PLR的抖动指标来反映路径的数据传输情况。(3)该模型采用基于路径的丢包感知方法，提高了数据传输效率，减少了丢包差异。

节2，读者可以对目前的研究有一个大致的了解。部分3.描述CMT-LA解决方案。节4，我们提供我们的模拟和分析的细节，并Section5提出我们的结论和未来工作的意图。

2.相关工作

对于传输层，SCTP被认为比大多数其他传输协议更可靠，它打破了tcp的限制，同时保留了用户数据报协议(UDP)的优势。然而，与TCP和UDP不同，SCTP配备了两种能力，多主机和多流，这有助于提高可用性[13］.刘等人。[9]提出了一个全面的SCTP回顾视图，然后讨论了该协议的三个方面:用集成方法管理交换，以并发方式进行多路径传输，以及层之间的交叉活动。Baharudin等人[14]提出了一种新的基于蚁群优化的路径选择方法，旨在提高SCTPs选择主路径的效率。Dreibholz等[15]概述了SCTP及其扩展，然后重点介绍了连续SCTP标准化过程。

虽然CMT被认为是提高数据传输效率的一种很有前景的手段，但研究仍在寻求进一步的改进。Iyengar等人[16]描述了CMT的三种副作用，并介绍了三种有效避免这些副作用的算法。此外，他们的论文提出并估计了5种CMT重传策略。Yang等人[17]引入了CMT的吞吐量限制:接收缓冲区大小和所有传输路径中最长的往返时间(RTT)。建立了CMTs吞吐量模型，通过模型分析了不同路径的选择，并将分析结果应用到基于可用路径的选择策略中。因此，CMT的吞吐量得到了提高。上述解决方案在数据处理能力方面各不相同。然而，所有的解决方案都继续采用循环策略在所有可用路径上传输数据。

近年来，越来越多的研究将CMT技术应用于多媒体数据传输。Xu等[18[]，通过采用多址SCTP，同时分别利用不同的单路径传输(Single Path Transfer, SPT)和CMT机制来提高实时多媒体数据分发的性能。在一定的损耗范围内，Baek等[19]提出了一种基于改进SCTP的多播协议。其主要目的是实现部分可靠性，显著降低消息开销，并容忍部分丢失。Huang et al. [20.]试图结合各种技术，包括优先流，以提供多媒体流服务。因此，PR-CMT是在CMT的基础上产生的，具有新可靠性和部分可靠性的特点。然而，现有的研究普遍没有考虑到路径多样性必然导致数据重排序，严重影响了CMT的性能。

近年来，许多研究人员试图采用跨层概念来解决CMT可能导致的一些问题[21- - - - - -25］.Cao等[21]提出了一种创新的跨层qos感知自适应CMT (CMT- cqa)，以满足三个需求:识别无线错误、缓解缓冲区阻塞问题和有效的带宽聚合。CMT-CQA能够通过考虑多个因素来聚合带宽，描述一个合适的多媒体交付策略，并采取一个加强的快速恢复方案。Xu等[23]设计了一种最优的路径质量监控和分析方案。该方法巧妙地利用了基于SCTP的跨层概念和基于CMT的公平性驱动特性，在保持竞争TCP流的公平性的同时，提高了用户对多媒体流业务的体验。

此外，许多研究者也开始关注基于cmt的数据重排序问题。Xu等[26]采用网络编码(NC)的思想提高基于sctp的CMT的性能，从而引入了一种多路径并发传输方案的增强版本，旨在避免数据重新排序，缓解缓冲区阻塞。Cao等[27]设计了一种自适应的接收机协同路径聚合模型，以减少数据重排和防止缓冲区阻塞。但是，上述工作没有考虑到实际网络中突然丢包的高丢包情况。毫无疑问，如果发生了损失而CMT不能识别它们，那么就没有良好的吞吐量性能。

在本文中，我们试图通过开发CMT-LA来填补这一空白，CMT-LA方法包括适当的丢包检测模块和新的丢失感知包调度程序，以确保SCTP包按顺序到达。

3.CMT-LA解决方案

具有多宿主通信的非对称路径可能遭受不同的不希望的特性，包括零件丢失率，延迟，往返时间和带宽。这些条件可能导致无序数据和降级数据传送。另外，分组丢失率通常是当CMT利用所有可用路径并行发送数据时所考虑的传输路径的最重要特征。为了更好地了解异构无线网络中的阻塞数据传输，图2提供由于数据包丢失而发生延迟交付的表示。

我们记录发件人发送的传输序列号作为TSN。从图中可以看出2该路径1具有TSN 1-4和9-12，路径2中的发送序列是TSN 5-8。由于路径质量损失的差异，路径2的TSN 5-8的数据包无法到达时间会被删除。而TSNs 1-4和9-12组可以提前获得 ，因此，有必要将它们放在接收器缓冲区中进行重新排序。但是，由于CMT的可靠性，乱序数据包将不会被提交。这样，丢包会导致无序数据问题，最终降低整体性能。

为了减少丢包的差异，提高数据传输的效率，我们扩展了我们的解决方案，提出CMT-LA，一种包丢失检测和包调度方案。该方法旨在识别不同路径的丢包情况，然后根据丢包情况自适应地将数据包分发到多个可用路径上。CMT- la可以与现有的CMT解决方案相关联。

通过使用马西斯模型[21，路径的好东西 ，表示为 ，可以通过 在哪里表示路径丢包率 ． 是路径的RTT，可计算为 在哪里介绍了当前价值的路径 ． 是一个时间戳，用于记录传输时间，而时间戳是接收端向发送端发送选择确认(SACK)块的时间。表示权重参数，其值设置为 默认根据[27］.表示接收方处理每个包的时间间隔。同时，我们可以估计值(1),所以可以得到如下图所示: 在哪里使用常量值 默认情况下，和在仿真中被设置为1500 mtu(最大传输单元)，即， ．

此外，Bisoy等人。[28]提出了维加斯模型来计算路径的善值 ；即值 ，引入(3.)，可通过以下方式获得: 在哪里是所有路径中的最小值降低分散费用。表示路径拥塞窗口大小 ．

到目前为止,，可使用(2）, (3.)和(4）.然而,不能反映路径的传输情况客观的。为了解决这个问题，我们可以使用 ，哪个表示的抖动指示器 ，来确定路径是否处于不可靠的传输状态。可以表示为 在哪里是当前计算的在 ，和值可以通过

假设测量值是 ，然后和可以获得如所示

如前所述,能否反映路径的传播条件 ．因此，我们决定如果是不可靠的传输条件和 (和观察到的时间，和 ）.换句话说，就是何时 ，增加表明处于不可靠的传输状态。这种丢包检测方法在算法中有详细的描述1，显示了CMT-LA方法的伪代码。最后，我们可以识别路径的丢包，并根据该算法自适应地分发数据包和价值，它也满足CMT-LA的目标。

算法1是CMT-LA方法的一部分，它的伪代码显示了我们如何估计和SCTP关联中每个路径的值。

如前所述，经典的CMT采用普通轮循方法在多归属SCTP关联内的多个传输路径上分发数据。

然而，这种方法很少考虑在异构无线网络上高度不同的路径特性。因此，使用普通轮询方法可能会导致数据包混乱并阻塞接收缓冲区。受此启发，发送数据包的数量主要与，我们设计了一个优化的CMT-LA数据分布算法，包括以下步骤。(1）使用算法1估计和SCTP关联中所有ACTIVE状态可用路径的值。（2）安排路径按照相应的升序顺序价值。（3）选择第一条路径( ）在作为候选路径( ）数据包传输。（4)如果两个或更多路径有最小的路径 ，选择最小的路径随着 ．（5）选择下一个路径随着 ，如果路径CWND已满。

CMT-LA数据分发算法大大提高了数据分发吞吐量，实现了负载均衡。在算法中详细描述了CMT-LA数据分布方法的伪代码2．

4.模拟和分析

4．1.仿真步骤

为了评估CMT-LA，所有的模拟实验都在Network Simulator version 3 (NS-3)中进行[29］.本文仿真实验的拓扑结构主要由SCTP发送端、接收端、终端和多传输路径四部分组成，如图所示3.，但仅以三个传输路径(路径1、2、3)为例，分别连接两个终端。路径1的PLR变化为0% ~ 2%，路径2的PLR变化为4% ~ 6%，路径3的PLR变化为10% ~ 15%。我们使用64KB作为默认的接收缓冲区(rbuf)。对于其他SCTP参数，我们仅使用NS-3提供的默认值。另外，我们将总模拟时间设置为120秒。

为了体现CMT-LA的优点，我们注入后台流量来模拟一个复杂的Internet环境。当我们在每个路由器上添加UDP生成器时，我们会在每个路由器上添加4个TCP生成器，因此每条路径产生的总流量中约有五分之一是UDP流量，五分之四是TCP流量。所有流量生成器(FTP/TCP和VBR/UDP)连接到路由器( 和 ）配置有100MB带宽和25毫秒的传播延迟。为了合理消耗带宽，我们将1 Mbps设置为VBR流量的传输速率，而FTP使用NS-3提供的系统值。

4．2．仿真结果

4.2.1。数据包发送和接收时间

数字4分别描述了利用经典CMT和CMT- la时多个包的发送和接收次数。时间t从0到120s的结果是为了更好的比较。我们可以看到CMT- la比经典CMT更容易发送和接收TSNs。原因是CMT在SCTP关联内传递数据时忽略了多路径间的损耗差异。这种丢失盲数据调度程序会导致路径丢失更大数量的数据块，甚至可能失败。如果无法完成数据块，可能会影响SCTP发送端新的数据传输工作。

相反，在SCTP关联中，CMT-LA可以(a)准确及时地识别每个路径的损耗情况，由其通损检测模块支持，(b)根据测量的损耗情况在路径上拆分SCTP包。因此，CMT- la的表现优于经典CMT。

4.2.2。无序的数据包

无序TSN度量能够在多连接异构网络中传递基于cmn的分组传输特性。在使用无序TSN度量之前，您必须首先获取当前和最近接收的TSN数据块。接下来，我们可以使用连续接收的两个数据块来计算差异，以得到我们想要的度量。在我们的实验中，我们应用失序TSN度量来比较经典CMT和CMT- la的优缺点。数字5给出了每种方法的失序tsn的比较结果。给出了时间t从0到120s变化的结果，以便更好地进行比较。如图5如图所示，经典CMT往往会在与CMT-LA相比时再次在越来越多的数字中进行排序。另外，还可以观察到，当采用CMT-LA方法时，在采用经典CMT时，SCTP接收器处的TSN值的峰值为约1,200，但是小于700。

4.2.3。端到端延迟

数字6表示传统CMT和CMT- la在端到端(e2e)延迟时的性能比较。仿真结果表明，当分组分配到不同路径时，CMT-LA可以降低丢包率，并改善端到端延迟。这一发现是CMT-LA配备了一个损耗感知数据调度策略的结果，该策略充分考虑了所有可用路径上的损耗差异。与经典CMT相比，CMT- la获得了更好的端到端延迟性能。此外，CMT- la和经典CMT的平均端到端延迟分别约为0.048秒和0.051秒。因此，就端到端加密延迟而言，CMT- la比经典CMT获得了5.88%的优势。

4.2.4。平均吞吐量

为了比较发送数据块过程中的平均吞吐量，我们考虑了rbuf大小在32KB、64KB和128KB之间变化。对比结果如图所示7，8,9,分别。由于它的路径丢失检测模块和丢失感知包调度程序，CMT-LA能够在低丢失率的路径上分配尽可能多的SCTP包。如图所示7，8,9，平均吞吐量随着rbuf大小的增加而增加。具体来说，当使用32KB、64KB和128KB作为rbuf大小时，CMT- la的吞吐量分别比经典CMT的吞吐量高14.0%、28.4%和13.8%。这些结果表明，CMT-LA能够在提高良率的同时降低丢包的可能性。

5.结论与未来工作

本文提出了一种新的基于损失感知的CMT分组调度方案——CMT- la。CMT-LA充分利用路径丢包和丢包变化，使数据包自适应地分布在多个可用路径上。在模拟器中的实验表明，CMT- la提供了比经典CMT更好的性能，包括提高平均吞吐量，减少端到端延迟，并降低了无序数据接收量。

CMT-LA利用基于路径的丢包感知方法，提供了一种新的数据分布模型，提高了数据传递的效率，减少了数据丢包的差异。然而，在运输网络中部署CMT-LA的复杂性促使我们进行进一步的研究。因此，我们未来的工作将集中于在现实系统中部署CMT-LA，并满足多媒体应用的高带宽要求和延迟零容忍。

数据可用性

可以根据要求从相应的作者获得研究数据。

的利益冲突

作者宣布关于本文的出版物没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. 20141201);江西省自然科学基金资助项目(no . 20171BAB212014, no . 20161BAB212046)。

参考文献

1. J. Moysen和L. Giupponi，《从4G到5G:自组织网络管理与机器学习的结合》计算机通信，第129卷，第248-268页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. J. Eklund, K. Grinnemo, and A. Brunstrom，“在SCTP中使用多路径来减少信令流量的延迟”，计算机通信，第129卷，第184-196页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 曹勇，宋飞，罗国华等，“(PU)2M2:基于mptcp的安全多路径服务的潜在性能不佳的路径使用管理机制，”并行计算，第30卷，第2期3，第1-11页，2018。视图:谷歌学术搜索
4. m . Li C.-L。叶,S.-Y。陆，“具有自适应媒体播放的视频流媒体业务实时QoE监测系统”，国际多媒体广播杂志文章编号2619438,11页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. R. Stewart， "流控制传输协议"IETF RFC 4960（拟议标准）, 2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. Y. Cao，Q..刘，Zuo，G. Luo，H. Wang和M. Huang，“接收辅助蜂窝/ WiFi切换管理，用于在异构无线网络中有效的多路径多媒体交付”，“无线通信与网络期刊， 2016年第5期。1, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 吴建军，程斌，王敏，陈建军，“异构无线网络中实时视频流的能量感知并发多径传输”，IEEE视频技术电路和系统汇刊第28卷第2期第8页，2007-2023,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 王伟，“基于TCP的多路径并发多路径传输的带宽调度”，《通信学报》2017 IEEE无线通信与网络会议论文集，WCNC 2017，第1-6页，加利福尼亚州旧金山，美国，2017年3月。视图:谷歌学术搜索
9. 刘强，曹勇，罗刚，柯飞，刘志刚，“基于Rtx+的多路径数据传输的快速恢复策略，”计算信息系统杂志，第11卷，第5期。15, pp. 5461-5467, 2015。视图:谷歌学术搜索
10. J. Liu，X. Bai和X. Wang，“并发多径传输中的传输路径选择策略”电子与信息技术学报第34卷第3期6, pp. 1521-1524, 2012。视图:谷歌学术搜索
11. J. Li，G. Wei，D. Ding，以及Y.Li，网络交换系统的量化控制，具有更一般的交换规则，“《IEEE系统、人与控制论汇刊:系统》，pp。1-9,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. L. P. Verma和M. Kumar，“并行多路径传输的自适应数据块调度”，计算机标准与接口，卷。52，pp。97-104,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 曹颖，刘强，罗刚，黄敏，“基于sctp的异构无线网络中接收端驱动的多路径数据调度策略”第26届IEEE个人、室内和移动无线电通信国际年会论文集，PIMRC 2015，PP。2015年9月1835-1839。视图:谷歌学术搜索
14. M.A.Baharudin，Q.T.Minh和E. Kamioka，“与蚁群优化概率方程实施的SCTP最优路径选择评估”IEEE第75届车辆技术会议的诉讼程序，VTC 20122012年6月，日本东京。视图:谷歌学术搜索
15. T. Dreibholz, E. P. Rathgeb, I. Rüngeler, R. Seggelmann, M. Tüxen，和R. R. Stewart，“流控制传输协议:过去、现在和未来的标准化活动，”IEEE通讯杂志，第49卷，第49期。4，页82-88,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. J. R. Iyengar, P. D. Amer，和R. R. Stewart，“在独立的端到端路径上使用SCTP多归属并发多路径传输”，IEEE/ACM网络汇刊第14卷第2期5，页951-964,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 杨伟，李海华，李芳，“基于RPS的并行多径传输路径选择方法”，《计算机科学与技术》第六届国际无线通信和移动计算会议论文集，第944-948页，法国卡昂，2010年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 徐超，张鹏，贾思生，王敏，g.m.。以内容为中心的移动网络中的视频流:挑战和解决方案IEEE无线通信杂志，第24卷，第2期5, pp. 157-165, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. J. Baek, P. S. Fisher, M. Jo, h - h。Chen，“为移动终端提供部分可靠的覆盖式视频多播服务的轻量级sctp，”IEEE多媒体汇刊，第12卷，第2期7, pp. 754-766, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 陈玉林，“基于多路径数据报拥塞控制协议的分组调度与拥塞控制方案”，电脑杂志，第58卷，第2期2, pp. 188-203, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. Y.Cao，F.歌曲，Q.刘，M.Huang，H. Wang和I. You，You，“您是一个用于移动云计算系统的LDDOS感知节能多路径方案”IEEE访问， vol. 5, pp. 21862-21872, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 张敏，“基于Lotka-Volterra模型的多住户网络CMT自适应流量分配方案”，“基于Lotka-Volterra模型的多住户网络CMT自适应流量分配方案”，中国通信第14卷第2期2, pp. 79-89, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 徐超，李振中，李建军，张华。基于异构无线网络的跨层公平驱动并发多路径视频传输IEEE视频技术电路和系统汇刊，第25卷，第2期7, pp. 1175-1189, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. S. Khan和M. A. Qadir，“同时多路径传输方案的确定性时间马尔可夫链建模”，IEEE访问， vol. 5, pp. 8536-8544, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 吴建军，“基于raptor码的异构无线网络多径视频传输研究”，IEEE多媒体汇刊，第20卷，第2期。2，页457-472,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 徐超，李振中，钟磊，张慧，郭广民。“CMT-NC:在无线网络中使用网络编码提高并发多径传输性能”，IEEE车辆技术汇刊，第65卷，第5期3, pp. 1735-1751, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 曹勇，刘强，左勇，黄敏，“异构无线网络中基于接收者驱动的多路径并行传输，”《互联网和信息系统学报》，第9卷，第5期。7, pp. 2354-2370, 2015。视图:谷歌学术搜索
28. L. S. Brakmo, S. W. O’malley，和L. L. Peterson，《TCP Vegas:拥塞检测和避免的新技术》，计算机通信评审，第24卷，第2期4，pp。24-35,1994。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. MPTCP-NS3项目，2017年7月，有效:http://code.google.com/p/mptcp-ns3．

版权

版权所有©2019刘清华等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。