李文等：基于带宽与往返时间联合预测的多路径并行传输性能优化算法 ·133 the algorithm can converge more quickly than Kalman-CMT and can improve the system total throughput in a certain extent.To time and bandwidth sensitive scene,the algorithm can greatly improve the convergence speed and total throughput than Kalman-CMT. KEY WORDS network protocols:optimization algorithm:performance optimization:data transfer:bandwidth;round trip time; Kalman filter 在过去十年中，无线通信取得了前所未有的进步. 线扩展SCTP协议，该协议利用低通滤波器对带宽进 无线通信技术所取得的成就使得网络无所不在，我们 行估计，在此基础上对拥塞丢包与链路差错丢包进行 不但能够在家里和办公室上网，而且在有线网络无法 区分，同时提出一种备选路径选择算法.Westwood 到达的偏远地区也能够享受到网络带来的便利.然 SCTP网利用平滑自回归滑动平均滤波器来估计路径 而，人们对高速率数据进行可靠传输的需求持续增加， 的Westwood带宽，在此基础上，提出了一种能够使数 迫使研究者不断寻求新的解决办法来满足这种需求 据包递交乱序的概率最小化的拥塞控制算法.Zhang 对于拥有多个网络接口的通信设备而言，多家乡特性 等网提出了一种跨层设计算法，该算法能够优化无线 由于能够充分利用未被使用的频谱资源而被认为是提 网络MAC层的误帧率性能.前向预测方案 高吞吐量性能的有效途径之一.事实上，随着电子与 (PS)1☒通过估计关联路径的到达时间，来确定每 通信技术的不断发展，越来越多的移动设备，如移动电 条路径上传输的数据包数目.这种机制能够降低可能 脑和智能手机，拥有不止一种网络接口，能够实现与多 出现乱序的数据包数量从而实现对网络性能的优化 个网络相连接.目前，越来越多的学者开始意识到多 在文献13-14]中，Z小ang等利用卡尔曼滤波算法分 家乡特性在提高网络连接的可靠性、容错性和负载均 别对SCTP-CMT中每条路径的传输时延与可用带宽 衡性等方面的重要性 进行了估计，进而提出了对应的可预测的流分配算法 流控传输协议(stream control transmission proto- 在多家乡特性中，终端通常装备有多个无线网络 col,SCTP)0由网络工程任务组(Internet engineering 接口，不同的无线传输路径之间的传输特性往往不同， 并且是动态变化的，这将严重影响接收端数据包的正 task force,ETF)首先提出，属于第一个能够支持多家 常接收从而导致网络性能下降.因此，如何在可接受 乡特性的传输层协议.在SCTP中，称两个终端之间建 的时间内更准确地估计路径的性能参数成为提高 立的端到端的联系为接口间的关联.原始SCTP协议 SCTP-CMT系统性能的重要问题.尽管前面提到的算 中每次只允许一条路径用于数据传输，而剩余的路径 法能够不同程度地改善网络性能，然而在路径性能参 均被当作备份路径.为了提高网络性能，学者对SCTP 数估计方面，要么只对单个参数进行了估计（如带宽、 协议做了不少改进的尝试.SCTP-CMTP-a通过利用 往返时间和传输时延)，要么只将两个参数单独进行 关联的所有可用路径进行并行传输，从而达到提高网 考虑，参数之间的估计是串行进行的，这样不仅忽略了 络吞吐量性能的目的.然而，并行传输的多条路径具 参数之间内在的联系，而且也没能充分利用参数间的 有不同的带宽、往返时间、丢包率等特性，路径之间差 交互信息达到加速算法收敛的目的.因此，现有算法 异性较大.这种差异性极有可能导致发送端先传出的 并不能够完全准确地反映路径性能之间的差异，对路 数据包反而晚到达接收端.另外，在传输时延长的路 径状态动态变化的趋势也不能很好地适应，网络性能 径上传输的数据包，可能被接收端错误地认为已经丢 存在进一步提升的空间. 失，从而返回错误的确认信息.对于接收端而言，需要 作为解决上述问题的尝试，我们在文献几3-14] 对收到的数据包进行重新排序后才能向上层递交，要 算法的基础上，提出了一种基于扩展矢量卡尔曼滤波 求序列号较大的数据包必须等待序列号小于它自身的 的带宽与往返时间联合预测算法，同时设计了一种综 所有数据包均到达后才能递交至上层.因此，并行传 合考虑发送端未经接收端确认数据的路径选择算法. 输的多条路径的性能差异性会导致接收端数据包乱 本文结构安排如下：第1节描述了扩展矢量卡尔曼滤 序，从而堵塞接收端的缓存空间，降低接收缓存的利用 波算法；第2节详细分析了如何利用扩展矢量卡尔曼 率，最终影响网络的性能2 滤波算法对带宽与往返时间进行联合预测：基于联合 为了提高网络性能，需要对每条路径的特性进行 预测的结果，第3节设计了一种路径选择算法：第4节 恰当地描述.Kashihara可利用Heartbeat包与Heart-- 构建了带宽敏感与时延和带宽都敏感的两种仿真场 beat一ACK包对路径的往返时间(round trip time,RTT) 景，给出了针对两种场景的仿真结果，并进行了比较分 进行测量，通过首尾相连的两个数据包，即包对（这 析：第5节对全文进行了总结 packet-pair)来测量瓶颈路径上的可用带宽，基于对 1扩展矢量卡尔曼滤波 RTT与带宽的测量提出了一种选择最好路径的算法. Fracchia等圆通过修改SCTP的发送端，设计了一种无 卡尔曼滤波器是一种离散时间线性滤波器.它是李 文等: 基于带宽与往返时间联合预测的多路径并行传输性能优化算法 the algorithm can converge more quickly than Kalman-CMT and can improve the system total throughput in a certain extent． To time and bandwidth sensitive scene，the algorithm can greatly improve the convergence speed and total throughput than Kalman-CMT． KEY WOＲDS network protocols; optimization algorithm; performance optimization; data transfer; bandwidth; round trip time; Kalman filter 在过去十年中，无线通信取得了前所未有的进步． 无线通信技术所取得的成就使得网络无所不在，我们 不但能够在家里和办公室上网，而且在有线网络无法 到达的偏远地区也能够享受到网络带来的便利． 然 而，人们对高速率数据进行可靠传输的需求持续增加， 迫使研究者不断寻求新的解决办法来满足这种需求． 对于拥有多个网络接口的通信设备而言，多家乡特性 由于能够充分利用未被使用的频谱资源而被认为是提 高吞吐量性能的有效途径之一． 事实上，随着电子与 通信技术的不断发展，越来越多的移动设备，如移动电 脑和智能手机，拥有不止一种网络接口，能够实现与多 个网络相连接． 目前，越来越多的学者开始意识到多 家乡特性在提高网络连接的可靠性、容错性和负载均 衡性等方面的重要性． 流控传输协议 ( stream control transmission proto￾col，SCTP) ［1］ 由网络工程任务组( Internet engineering task force，IETF) 首先提出，属于第一个能够支持多家 乡特性的传输层协议． 在 SCTP 中，称两个终端之间建 立的端到端的联系为接口间的关联． 原始 SCTP 协议 中每次只允许一条路径用于数据传输，而剩余的路径 均被当作备份路径． 为了提高网络性能，学者对 SCTP 协议做了不少改进的尝试． SCTP--CMT［2 － 6］通过利用 关联的所有可用路径进行并行传输，从而达到提高网 络吞吐量性能的目的． 然而，并行传输的多条路径具 有不同的带宽、往返时间、丢包率等特性，路径之间差 异性较大． 这种差异性极有可能导致发送端先传出的 数据包反而晚到达接收端． 另外，在传输时延长的路 径上传输的数据包，可能被接收端错误地认为已经丢 失，从而返回错误的确认信息． 对于接收端而言，需要 对收到的数据包进行重新排序后才能向上层递交，要 求序列号较大的数据包必须等待序列号小于它自身的 所有数据包均到达后才能递交至上层． 因此，并行传 输的多条路径的性能差异性会导致接收端数据包乱 序，从而堵塞接收端的缓存空间，降低接收缓存的利用 率，最终影响网络的性能［2，5］． 为了提高网络性能，需要对每条路径的特性进行 恰当 地 描 述． Kashihara［7］ 利用 Heartbeat 包 与 Heart￾beat--ACK 包对路径的往返时间( round trip time，ＲTT) 进行测量，通过首尾相连的两个数据包，即包对( 这 packet-pair) 来测量瓶颈路径上的可用带宽，基 于 对 ＲTT 与带宽的测量提出了一种选择最好路径的算法． Fracchia 等［8］通过修改 SCTP 的发送端，设计了一种无 线扩展 SCTP 协议，该协议利用低通滤波器对带宽进 行估计，在此基础上对拥塞丢包与链路差错丢包进行 区分，同时提出一种备选路径选择算法． Westwood SCTP［9］利用平滑自回归滑动平均滤波器来估计路径 的 Westwood 带宽，在此基础上，提出了一种能够使数 据包递交乱序的概率最小化的拥塞控制算法． Zhang 等［10］提出了一种跨层设计算法，该算法能够优化无线 网 络 MAC 层 的 误 帧 率 性 能． 前 向 预 测 方 案 ( FPS) ［11 － 12］通过估计关联路径的到达时间，来确定每 条路径上传输的数据包数目． 这种机制能够降低可能 出现乱序的数据包数量从而实现对网络性能的优化． 在文献［13 － 14］中，Zhang 等利用卡尔曼滤波算法分 别对 SCTP--CMT 中每条路径的传输时延与可用带宽 进行了估计，进而提出了对应的可预测的流分配算法． 在多家乡特性中，终端通常装备有多个无线网络 接口，不同的无线传输路径之间的传输特性往往不同， 并且是动态变化的，这将严重影响接收端数据包的正 常接收从而导致网络性能下降． 因此，如何在可接受 的时间内更准确地估计路径的性能参数成为提高 SCTP--CMT 系统性能的重要问题． 尽管前面提到的算 法能够不同程度地改善网络性能，然而在路径性能参 数估计方面，要么只对单个参数进行了估计( 如带宽、 往返时间和传输时延) ，要么只将两个参数单独进行 考虑，参数之间的估计是串行进行的，这样不仅忽略了 参数之间内在的联系，而且也没能充分利用参数间的 交互信息达到加速算法收敛的目的． 因此，现有算法 并不能够完全准确地反映路径性能之间的差异，对路 径状态动态变化的趋势也不能很好地适应，网络性能 存在进一步提升的空间． 作为解决上述问题的尝试，我们在文献［13 － 14］ 算法的基础上，提出了一种基于扩展矢量卡尔曼滤波 的带宽与往返时间联合预测算法，同时设计了一种综 合考虑发送端未经接收端确认数据的路径选择算法． 本文结构安排如下: 第 1 节描述了扩展矢量卡尔曼滤 波算法; 第 2 节详细分析了如何利用扩展矢量卡尔曼 滤波算法对带宽与往返时间进行联合预测; 基于联合 预测的结果，第 3 节设计了一种路径选择算法; 第 4 节 构建了带宽敏感与时延和带宽都敏感的两种仿真场 景，给出了针对两种场景的仿真结果，并进行了比较分 析; 第 5 节对全文进行了总结． 1 扩展矢量卡尔曼滤波 卡尔曼滤波器是一种离散时间线性滤波器． 它是 · 331 ·