2. 中国电子系统设备工程公司研究所, 北京 100087;
3. 泛网无线通信教育部重点实验室 (北京邮电大学), 北京 100876
针对以吞吐量性能为目标的多径并行传输协议设计, 基于精确Padhye吞吐量模型, 分析了活跃路径选择中带宽、时延、丢包率等表征路径性能的主要属性参数差异对多路径合成吞吐量性能的影响.在此基础上, 通过对等价参数和不等价参数情况下, 路径差异对吞吐量性能影响的仿真, 获得以吞吐量性能为目标的多径并行传输协议.设计中, 确定了活跃多路径选择的路径度量基本方法, 为带宽合成的多径并行传输活跃多路径选择提供了理论参考.
2. Institute of China Electronics System Engineering Company, Beijing 100087, China;
3. Key Laboratory of Universal Wireless Communication(Beijing University of Posts and Telecommunications), Ministry of Education, Beijing 100876, China
Focusing on the active multipath selection of concurrent multipath transfer protocol, the influence of path metric disparity on the throughput performance of concurrent multipath transferring system was studied based on exalt Padhye model. With qualitative analysis, the influence caused by the path differences under equal and unequal path parameters was simulated and validated on the system throughput. Some basic conclusions on how to determine the path measurements were then presented; they can provide help to the selection of active multipath in theory.
多径并行传输就是在业务发端和接收端之间构建由多条传输路径组成的路径集合，根据路径传输特性和业务传输要求，选择多条路径作为业务数据传输的活跃路径，通过合适的业务调度方式调整各活跃路径上的业务流量分配，实现满足业务服务质量要求的有效传递.多径并行传输能有效地提高网络资源利用率，因此在异构资源并存的机动网络环境下，该技术的应用得到更多关注.
多径并行传输协议包括3部分[1-2]：路径集合构建、活跃路径选择与维护、多径业务调度.现有有关多径并行传输的研究成果中，多路径集合构建和活跃路径选择的方法比较单一[3-5]，不能从影响多径并行传输性能的众多因素及其相互联系中获得综合判断准则，这是造成难以提供有保证的端到端业务传输的重要原因.有必要对多径并行传输的机理和影响性能的敏感性因素进行分析，作为多径并行传输协议设计的理论依据.
现有多径并行传输研究文献对活跃路径选择问题研究不多，尤其是对不同活跃路径性能差异影响合成路径性能的问题认识不足.刘杰民等[6]在试验分析基础上，建立了路径吞吐量与不同丢包率和延迟的拟合关系，并提出了基于路径权值的路径选择策略，但其拟合关系及加权算法，缺乏相应理论支撑，策略普适性有待进一步论证.另外，不相交多路径选择方法以每条路径作为控制对象，而不是以业务流作为控制对象，导致路径调整后整个业务数据递交乱序问题突出，使吞吐量性能过于恶化.
本文首先分析多径并行传输中传输时延、路径带宽与路径丢包率对网络吞吐量的影响，通过仿真验证分析了各关键要素对吞吐量性能的影响.在此基础上，提出了确定以吞吐量为路径合成目标的活跃多路径选择度量的基本准则.
1 活跃多路径选择性能的影响分析在活跃路径选择中，考虑路径差异对多路径合成后业务传输性能的影响，将为合理选择和按需组合可用的异构传输能力提供理论指导.
在多径并行传输系统中，影响系统吞吐量性能的因素主要包括：路径时延(传输时延及时延抖动)、路径带宽以及丢包率.下面分析多径并行传输协议中进行活跃路径选择时，上述因素对合成路径吞吐量性能的影响.为了分析方便，将时延与时延抖动通过环回时间的均值进行表征，以简化吞吐量模型.
采用黄胜等[7]在Padhye模型基础上提出的精确Padhye模型作为传输控制协议(TCP, transmission control protocol)的吞吐量模型.在丢包率较高情况下，该模型与实际观测数据能很好地相符.
对于单路径的TCP传输而言，精确Padhye模型的吞吐量T表示为
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(1) |
其中：
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另外，t为往返时间，τ为重发超时，p为丢包率，b为累积应答因子，通常b取1或2.
对于并行多径传输而言，不妨设并行路径数为N，各条路径的往返时间分别为t1, t2, …, tN，重发超时分别为τ1, τ2, …, τN，丢包率分别为p1, p2, …, pN，累积应答因子分别为b1, b2, …, bN.对于参数等价的多径并行传输情况，各路径的相关参数均相等.下面分2种情况对多径并行传输的吞吐量进行研究.
1.1 参数等价的多径并行传输在参数等价的多径并行传输中，可以将N条路径的并行传输等价为单条路径，等价后系统的往返时间tE变为原来单径往返时间的1/N，等价重发超时τE为原来单径重发超时的1/N，等价丢包率pE=1-(1-p)N，等价累积应答因子bE与原来单径累积应答因子相同.
当各径的丢包率均为0时，并行多径传输的等价丢包率仍为0，从式(1) 的第1个等式可以看出，系统除了往返时间和重发超时参数变为原来的1/N外，其他参数都没变，因此系统吞吐量变为
当各径的丢包率不为0时，此时等价丢包率pE=1-(1-p)N > p，表示等价系统的丢包率比原来单径系统的丢包率要高.而无论是式(1) 中的第2个等式，还是式(1) 中的第3个等式，两者对p求偏导均小于0，即
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此时，并行多径传输系统等价的吞吐量表示为
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(2) |
根据前面分析可知，在丢包率不为0的参数等价的并行多径传输系统中，吞吐量比单径传输的N倍小，因此系统吞吐量性能受丢包率影响恶化明显.
1.2 参数不等价的多径并行传输从理论上定量分析参数不等价的多径并行传输吞吐量非常困难，这里只通过仿真进行定性分析.为简单起见，假设2条并行传输路径的性能差异显著，其中路径1、路径2的各参数分别为t1、τ1、p1、b1与t2、τ2、p2、b2.为了进一步简化分析，主要从2种情景进行讨论.情景1：t1=t2, τ1=τ2, b1=b2，且p1=0，p2 > 0；情景2：p1=p2 > 0, b1=b2，且t1 < t2, τ1 < τ2. 2种情景均表示路径1的性能优于路径2的性能，在情景1中，除了丢包率不同外，其他条件均相同；在情景2中，除了时延不同外，其他条件均相同.
对于情景1，系统等价的丢包率pE=1-(1-p1)(1-p2)=p2 > p1，这时可能会出现2种情况：当p2 > 0，但p2→0时，在式(1) 的第1个等式中，吞吐量随p的增大而减小，因此两径并行传输的吞吐量比路径1单独传输时的吞吐量小；当p2比0大得比较多时，此时两径并行传输的吞吐量由式(1) 中的第1个等式转换为第2个等式或第3个等式(具体视p2比0大的程度而定)，而式(1) 中下面2个等式均比第1个等式小.因此，此时两径并行传输吞吐量也比路径1吞吐量小.
对于情景2，系统等价的往返时间tE与重发超时τE均约为2条路径的对应参数和的一半，即tE=(t1+t2)/2 > t1，τE=(τ1+τ2)/2 > τ1，而从式(1) 的第2与第3个等式可以看出，在其他条件不变的情况下，系统的吞吐量随着t与τ值的增加而减小，因此，当p1=p2 > 0, b1=b2，且t1 < t2, τ1 < τ2时，两径并行传输吞吐量比路径1单独传输时吞吐量要小.
对于更多路径以及各径之间差异更大的情况，考虑到定量分析的复杂性，暂不做研究，但相应结果可以从上述讨论中受到启发，后文也给出了仿真验证的结果.
2 仿真分析下面以网络层实现多径并行传输为例，采用OMNET++仿真软件，仿真验证路径差异对活跃路径选择结果的性能影响.
2.1 性能评价方法多径并行传输对业务传输性能的提升程度主要受多径并行传输引入的接收端分组乱序的影响，可用网络吞吐量、端到端传输时延、分组成功递交率作为性能指标来描述.针对以吞吐量性能为目标的多径并行传输协议设计，主要考虑吞吐量性能指标.目的端对成功收到的业务报文进行累加，计算当前目的应用终端接收的业务数据量总和与仿真业务持续时间的比值，获得网络吞吐量.通过设置具有等价路径参数和不等价路径参数等不同网络场景，对比分析多径并行传输系统中路径差异对网络吞吐量性能的影响.
2.2 仿真场景设置通过以下2个仿真场景进行性能验证，仿真中源节点TCP传输的业务数据大小设置为10 MB，其他参数设置分别如表 1、表 2所示. 表 1所示为场景完成等价路径参数情况下不同传输路径数对吞吐量性能的影响评估. 表 2所示为场景仅考虑3条具有不同路径参数的情况下，路径差异对吞吐量的影响.
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表 1 等价路径参数对吞吐量性能影响实验场景参数 |
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表 2 不等价路径参数对吞吐量性能影响实验场景参数 |
场景1中，2条等价路径并行传输对应的6个仿真结果如图 1所示，3条等价路径并行传输对应的6个仿真结果如图 2所示.在丢包率为0的情况下，3条传输路径与2条传输路径、单条传输路径相比较，其吞吐量几乎是成倍增长的.当丢包率不为0时，吞吐量性能恶化明显.运行12个仿真后的统计数据如表 3所示.
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图 1 2条等价传输路径对吞吐量性能影响的仿真结果 |
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图 2 3条等价传输路径对吞吐量性能影响的仿真结果 |
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表 3 等价路径参数对吞吐量性能影响的实验结果 |
场景2的仿真结果如图 3所示，统计数据如表 4所示.仿真结果表明，在具有不同路径质量的多径并行传输中，由于共享接收缓存的原因(超时重传原因)，导致高质量路径的传输吞吐量受低质量路径重传的影响而恶化.因此，因连续超时导致的性能恶化，可以在业务传输控制中通过采用考虑了丢包率的重传策略予以显著改善.另外，从仿真结果中还可以看出，当路径时延和丢包率存在很大差异时，只使用一条性能更好的路径的结果将优于同时使用2条或更多条路径所获得的性能.
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图 3 3条不等价传输路径对吞吐量性能影响的仿真结果 |
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表 4 不等价路径参数对吞吐量性能影响的实验结果 |
1) 在多径并行传输情况下，路径传输时延虽然会影响网络达到饱和吞吐量的收敛时间，但对网络吞吐量影响不大；
2) 在多径并行传输情况下，路径可用带宽对网络吞吐量有着直接的影响，吞吐量随路径可用带宽的增加而近线性增长；
3) 由于TCP拥塞控制机制对分组丢失的敏感，使得多径并行传输最终能获得的网络吞吐量性能受丢包率的影响比较大；
4) 在具有不同路径质量的多径并行传输中，受共享接收缓存的影响(超时重传原因)，导致高质量路径的传输吞吐量受低质量路径重传的影响而恶化；
5) 当路径时延和丢包率存在很大差异时，只使用一条更好路径的性能将优于同时使用2条或更多条路径所获得的性能.
4 活跃多路径选择准则1) 与带宽和时延相比，吞吐量性能对丢包率更为敏感，因此，活跃多路径选择应以丢包率特性为首要判据；
2) 吞吐量性能受限于最差路径性能，在以吞吐量为目标的多径并行传输路径集合构建和活跃路径选择中，应以减少路径间性能差异为基本准则.
5 结束语以吞吐量性能为例，对影响多径并行传输系统性能的路径差异问题进行了分析，分别对带宽、时延和丢包率等路径参数差异所造成的性能恶化影响进行了研究和仿真验证.在此基础上，提出了多径并行传输协议设计中的活跃路径选择准则，为改善多径并行传输协议性能提供了设计依据.分析方法可推广用于带宽、时延和丢包率等路径参数对合成路径的时延性能、丢包率性能的影响分析.
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