基于轮盘赌轮选择的多路径TCP路径选择优化.pdf
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1、第40卷 第4期2 0 2 3 年 8 月沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Shenyang Aerospace UniversityVol.40 No.4Aug.2 0 2 3基于轮盘赌轮选择的多路径TCP路径选择优化杨华,周侗,吴杰宏(沈阳航空航天大学 计算机学院,沈阳 110136)摘要:多路径传输控制协议(multipath TCP,MPTCP)利用设备的多个网络接口传输数据,通过聚合带宽来提高传输效率。在进行路径选择时MPTCP通常使用不相交路径选择算法,由于优先选择负载小的路径,这种贪心策略容易造成网络拥塞和带宽利用率不足。轮盘赌轮选择通过概率的方式,在路
2、径选择时加入随机性和动态性,能够克服该贪心策略造成的问题。为此,设计了一种基于轮盘赌轮选择的 MPTCP路径选择算法,称作基于轮盘赌轮的MPTCP路径选择(roulette wheel based MPTCP path selection,RWSMPS)。RWSMPS通过软件定义网络(software defined network,SDN)控制器监控和分析网络状态信息,基于轮盘赌轮方式进行子流路径选择,用分组检查将子流分配到路径上,充分利用所有可用路径,并保证路径间的负载平衡。在 Mininet 平台上的实验证明,相比于广泛使用的等价多路径路由(equal cost multi path,E
3、CMP)算法和链路不相交算法,RWSMPS的吞吐量分别提高了43.9%和41.8%,抖动分别减少了41.6%和40.7%。关键词:多路径传输控制协议;轮盘赌轮选择;路径选择;软件定义网络;负载平衡中图分类号:TP393 文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.2095-1248.2023.04.005Multipath TCP path selection optimization based on roulette wheel selection YANG Hua,ZHOU Tong,WU Jiehong(College of Computer Science,Shenyang
4、Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:Multipath TCP(MPTCP)uses multiple network interfaces of the device to transmit data,and improves transmission efficiency by aggregating bandwidth.When performing path selection,MPTCP usually uses a disjoint path selection algorithm.Since the path w
5、ith a small load is preferred,this short-sighted greedy strategy is likely to cause network congestion and insufficient bandwidth utilization.Roulette wheel selection can overcome the problems caused by this greedy strategy by adding randomness and dynamics to path selection through probability.For
6、this reason,a MPTCP path selection algorithm based on roulette wheel selection was designed,which called RWSMPS.RWSMPS monitors and analyzes network status information through the SDN controller,selected sub-flows paths based on the roulette wheel method,used packet inspection to distribute sub-flow
7、s to paths,made full use of all available paths,and ensured load balance between paths.Experiments on the Mininet plat收稿日期:2023-02-21基金项目:国防科工局基础研究项目(项目编号:JH2021010);辽宁省教育厅项目(项目编号:L201626)作者简介:杨华(1974-),男,辽宁沈阳人,副教授,博士,主要研究方向:流媒体、人机智能交互,E-mail:。文章编号:2095-1248(2023)04-0032-08杨华,等:基于轮盘赌轮选择的多路径TCP路径选择优化
8、第 4 期form prove that compared with the widely used ECMP algorithm and link disjoint algorithm,RWSMPS improves throughput by 43.9%and 41.8%,respectively,and reduces jitter by 41.6%and 40.7%.Key words:MPTCP;roulette wheel selection;path selection;SDN;load balancing随着互联网技术的发展,高质量视频对带宽的要求越来越高。多路径传输技术能够使
9、用终端的多个网络接口来聚合带宽1,提高传输性能。互联网工程任务组提出并制定但MPTCP协议的标准,通过使用多个子流在路径上 并 行 传 输2来 提 高 吞 吐 量 和 稳 定 性。MPTCP作为传输层协议,不能感知底层网络状态。软件定义网络作为一种控制与转发分离的新型网络架构,通过SDN控制器收集网络状态信息,提供全局状态视图,可以在MPTCP传输时感知网络信息,为优化多路径传输效率提供帮助3。MPTCP路径选择优化的主要方案有两种:第一种是为不同的子流选择链路不相交的路径4来避免传输过程中不同子流共用同一路径的问题;第二种是在进行路径选择时考虑链路负载5,选择负载较小的路径来分配子流。Bar
10、akabitze等6结合分段路由提出了一种不相交的路径选择方式,通过满足特定服务的QoE需求为子流选择不相交的路径,但该方法需要进行子流路径到分段路由路径的映射。Gao等7提出了一种 QoS驱动和 SDN 扩展的路径选择方案,利用网络监测模块收集和分析网络信息,但该方法只考虑了网络中存在 MPTCP流,没有考虑存在其他流的情况。Zou等8提出一种虚拟现实视频多路径传输方法,但是只考虑延迟信息,导致当前的最优路径可能在下一时段会发生拥塞。Bagaa等9提出了一种支持QoS配置的多路径转发方法,通过减少过度QoS来提高多路径传输的性能,但需要大量的交换机参与转发。Cao等10提出了一种以接收方为中
11、心的方案,接收方通过获得的信息估计路径负载并选择路径,但此方法需要对接收方进行改进。Nguyen等11利用贪婪算法为子流进行路径选择,通过在路径集中选择K条最短路径来提高性能,但只适用于可选路径数较少的情况。上述方案在优化 MPTCP 的路径选择时,通常优先选择负载或者延迟最小的路径,而没有考虑路径间的流量平衡。这种短视的贪心策略导致这一时段的最优路径可能是下一时段的拥塞路径12,造成带宽利用率不足。为了平衡路径间的流量负载,避免出现瓶颈路径的同时提高多路径传输效率,本文设计了一种在软件定义网络中基于轮盘赌轮选择的MPTCP路径选择方案,简称RWSMPS(Roulette Wheel Base
12、d MPTCP Path Selection)。RWSMPS利用轮盘赌轮选择的方式将子流确定地分配到路径上,平衡所有路径上的流量,避免在传输期间出现拥塞路径。通过优化MPTCP的路径选择,提高传输的吞吐量和稳定性。1问题描述与分析MPTCP通过使用多个子流来转发数据,提高吞吐量。通常MPTCP与等成本多路径路由(ECMP)13结合使用,ECMP 通过随机散列的方式,将子流随机转发到最短路径中。如果多条子流使用相同的网络链路会出现共享瓶颈。共享中的瓶颈链路会出现带宽利用率过高,造成网络拥塞的问题。不相交路径选择算法主要考虑路径负载来分配子流,通过为子流分配明确的路径,保证使用网络中的不同路径进行
13、数据传输。这种不相交路径选择方式可以提高瓶颈处的吞吐量。现有的不相交路径选择算法在进行子流的路径选择时,总是选择负载最小的路径作为最佳路径。这个过程分为两个阶段:在第一阶33沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报第 40 卷段,首先通过最短路径算法寻找源到目的主机之间的一组候选路径;在第二阶段,通过使用贪心策略从候选路径集中选择负载最小的路径。将SDN网络看作一个加权图G=(VE),其中,V是顶点的集合,E是相互连接的顶点的边的集合。对于每一条边(uv)E,Rl(uv)表示边的负载情况。假设存在一条从源到目的节点的路径,该路径的最大负载由路径上负载最大的链路决定。通过最短路径算法获得一组候选路
14、径,然后利用贪心策略从候选路径中选择出负载最小的路径,即MIN(Rl(uv),其中,(uv)E。由于贪心策略追求局部最优的特点,将导致所有子流都在负载最小的路径上进行数据传输,该路径往往成为下一个周期中的瓶颈路径,如图1所示。由于子流路径调整的滞后,即使该路径下一时刻成为瓶颈,子流依然会在该路径上进行传输。盲目选择最优路径会导致原本负载最小的路径出现瓶颈,容易造成网络拥塞和带宽利用率不足等问题。经过分析,轮盘赌轮选择使用概率的方式,根据累积概率来动态进行选择,这种方式的特点是动态性与随机性。动态性体现为链路带宽利用率和路径选择概率的动态变化。随机性体现为负载较低的路径不一定被选择,而是赋予其较
15、大的被选概率。轮盘赌轮方式可以显著减少使用贪心策略导致的局部最优风险。在多路径选择中,通过路径的负载来确定路径被选择的概率。每个路径被选中的概率和其适应度相关,适应度与路径负载成反比,负载越小的路径被选择的概率越大。假设某一路径p的负载为Rl(p),适应度f(p),通过式(1)可得f(p)=1Rl(p)(1)该条路径被选择的概率P(p)由式(2)可得。其中,累积概率表示每条路径之前所有路径的选择概率之和,路径p的累积概率通过式(3)计算P(p)=f(p)j=1Nfj(2)q(p)=j=1iP(pj)(3)使用轮盘赌轮方式动态调整路径,可以充分利用所有可用路径,提高带宽利用率。通过保证路径间的负
16、载平衡,避免瓶颈路径出现。2基于轮盘赌轮的路径选择方案2.1RWSMPS控制器实现架构本文提出的RWSMPS路径选择方案主要由运行在Floodlight控制器14上的拓扑管理模块、交换机信息收集模块和RWSMPS路径计算模块组成。目前 SDN 应用最广泛的协议是OpenFlow协议15,负责控制平面和数据平面之间的交互。RWSMPS的框架如图2所示。控制器通过 OpenFlow 协议下发流表,动态控制管理网络16。其中链路发现模块作为控制器中的基础模块,定期收集网络链路和节点信息来生成网络拓扑。拓扑管理模块根据拓扑信息计算出多路径传输的源到目的节点的所有可达路径信息。交换机信息收集模块图1考虑
17、路径负载的不相交路径选择图2RWSMPS框架34杨华,等:基于轮盘赌轮选择的多路径TCP路径选择优化第 4 期定期发送请求获取交换机端口流量信息。在RWSMPS路径选择模块中实现轮盘赌轮路径选择算法,根据可达路径信息和路径负载信息来计算最佳路径。控制器通过流表的方式把信息安装到所有交换机中。2.1.1拓扑管理模块拓扑管理模块该模块主要用来获取源到目的节点之间的可达路径信息。控制器中的链路发现模块使用链路层发现协议(link layer discovery protocol,LLDP)17在控制器和交换机之间通信,从网络中收集链路和节点信息,通过对获得的信息进行整理来生成全局的网络拓扑。根据获得
18、的拓扑信息,拓扑管理模块使用深度优先遍历算法计算可达路径,获得多路径传输的源到目的地址之间的路径集。控制器中保存计算的路径集信息,供路径选择模块使用。2.1.2交换机信息收集模块交换机信息收集模块为获取链路的负载情况,需要对交换机端口流量信息进行监控。交换机信息收集模块通过链路发现模块得到全局网络拓扑,从交换机获取端口流量信息。为保证端口信息的实时性和可靠性,该模块每10 s向所有交换机端口发送请求来获取数据。为了确定端口的带宽利用率,交换机的端口速率R用式(4)计算R=Trb-TraTab(4)式中:Trb为b时刻交换机端口传输和接收的数据量;Tra为端口a时刻传输和接收的数据量;Tab为a
19、时刻到b时刻的时间。本文采用指数加权移动平均法(exponential weighted moving average,EWMA)18来预测链路的负载。根据前一时刻的端口速率和负载预测值,来计算当前时刻端口的负载预测值。对于所有交换机,t时刻的负载预测值E(t)通过式(5)得出E(t)=(1-)E(t-Dt)+RDt(5)式中:Dt为估计周期;R为Dt的端口速率;为预测值的加权系数,取值为(0,1)。2.1.3RWSMPSRWSMPS路径计算模块路径计算模块作为整个方案的关键模块,RWSMPS路径计算模块根据拓扑管理模块提供的路径集信息和路径集中所有路径的负载预测值,为子流进行路径选择。该模块
20、实现本文提出的轮盘赌轮路径选择算法,选择路径时不一定选择负载最小的路径,而是赋予负载较小的路径较大的选择概率。通过平衡路径间的流量负载来避免出现拥塞,提高 MPTCP传输时的网络利用率。在得到合适的路径后,通过 OpenFlow协议以流表的方式安装到选择路径的交换机中。2.2轮盘赌轮路径选择算法本文提出一种基于轮盘赌轮的路径选择算法,应用轮盘赌轮的方式来进行 MPTCP子流的路径选择。轮盘赌轮路径选择算法流程如图3所示。首先获取源到目的节点的路径集,对于每条路径,根据路径上交换机端口的负载预测值,用最小的端口负载预测值来代表路径的负载预测值。整条路径的负载归一化L(t)通过式?i?0?i?0?
21、S?S?i?M?i?M?S?S?i?()R iL?i?()R iL?i?M?i?M?i?i?i?i?i?i?i?i?图3轮盘赌轮路径选择算法流程图35沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报第 40 卷(6)得到L(t)=E(t)C(6)式中:E(t)为t时刻路径的负载预测值;C为交换机的端口容量。L(t)的值在每个端口定期更新,反映路径的当前负载情况。首先,计算出路径集中每条路径的权重,其中路径的权重负载来确定。用1L(t)来表示路径被选择的权重,负载越小的路径权重越大。当L(t)等于0时,假设路径权重为一个足够大的值M,本文假设M=10 000,累加所有路径的权重。每条路径的权重占权重之和的
22、比例就是这条路径被选择的概率。然后随机选择一个在0到1之间的实数S,遍历所有路径并累加当前路径的概率,直到累加概率大于S。累加概率大于S时的当前路径就是要选择的路径。MPTCP传输中多条子流的路径选择都通过轮盘赌轮的方式,使负载较小的路径传输更多流量。MPTCP在建立连接时,使用 RWSMPS路径选择方案进行路径选择。建立第一条子流和添加额外子流的数据包交互过程如图 4 所示。当交换机收到一个MPTCP客户端发来的数据包时,如果没有指定的流表去处理转发,就会通过OpenFlow协议将该数据包发送到控制器处理。控制器提取数据包的包头信息,检查是否存在表示MPTCP连接的选项MP_CAPABLE
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