异构网络下多路径传输调度算法研究

摘要

随着网络和移动设备的发展，越来越多的应用技术需要更高的网络带宽和稳定的服务质量。多宿主技术使移动设备能够配备多个网络接口，设备可以同时连接多个不同网络。设备使用多路径传输控制协议(Multi-Path TCP，MPTCP)可以聚合LTE网络和WLAN网络，充分使用移动设备的多个网络，提高数据传输率，保证数据传输的鲁棒性。　　但是在基于端到端网络模型中，客户端和服务器之间的无线链路网络状态通常不可预测。许多原因导致网络条件不稳定，主要表现为包丢失、带宽抖动和高延迟变化等，最终导致在多路径传输中数据包乱序到达，影响传输效率。在异构网络下，MPTCP的调度算法至关重要，考虑链路网络状况，合理调度数据包到相应的子流，尽可能保证数据包有序到达，提高传输性能。　　本文首先阐述MPTCP的相关知识和现有调度算法，并且分析在传输过程中所存在的问题，用网络模拟器(NS-3)仿真实验分析。进而在真实的异构网络环境下，用路由器实验分析现有调度算法在三条路径下传输性能和阻塞程度。最后改进现有基于往返时延的调度算法，提出一种基于发送能力，并考虑数据包序列号的调度算法LeBo(Leap-Board Scheduler)。论文主要工作如下：　　1.本文分析现有基于往返时延的不同类型的调度算法，通过路由器接入多个无线网络环境中，针对现有调度算法是否适用于三条路径的情况开展实验讨论。实验分为实验室可控环境和日常环境，本文变化路径的带宽，下载文件以及接收端缓存大小，以观察总吞吐量，传输完成时间，接收端阻塞情况等性能。实验分析表明，在三条路径中，基于时延参考的调度算法，可以有效提高吞吐率，但是在异构网络下，阻塞程度往往最严重。闲置慢子流的方式可以有效降低阻塞，但是会降低带宽利用率。　　2.本文分析现有调度算法在异构网络环境下的不足，并提出基于发送能力和拥塞窗口，考虑数据包序号影响的数据包跳跃性发送的LeBo调度算法，使快子流可以始终顺着序列号从小到大发送数据包，而慢子流发送高位序列号的数据包，期间没有传输任务完成后的相互等待时间，可以在保证快子流带宽的情况下，有效利用慢子流带宽，减少传输时间。最后通过NS-3网络仿真平台，进行对比模拟实验，在不同往返时延和接收端缓存变化的情况下，比较LowRTT算法和本算法的性能包括重传时间，阻塞程度和吞吐量等。实验表明LeBo可以有效降低接收端阻塞的程度，减少重传次数，提高吞吐效率，尤其在接收端缓存受限制时，性能提升更加明显。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 主要研究工作

1.4 本文组织结构

第2章 MPTCP及调度策略研究现状

2.1 MPTCP协议栈

2.2 MPTCP传输机制

2.2.1 建立连接

2.2.2 新子流关联

2.2.3 数据传输

2.2.4 连接关闭

2.3 MPTCP功能模块

2.3.1 路径管理

2.3.2 数据调度

2.3.3 子流接口

2.3.4 拥塞控制

2.4 MPTCP调度机制

2.4.1 调度算法

2.5 小结

第3章 异构网络下MPTCP存在的问题

3.1 接收端缓存

3.2 重传机制

3.3 乱序到达

3.4 爆发型发送

3.5 异构网络下仿真分析

3.6 小结

第4章 MPTCP在三条路径下的测量与分析

4.1 引言

4.2 相关准备工作

4.2.1 OpenWrt系统

4.2.2 弱网测试

4.3 现有的算法分析

4.3.1 Redundant和RoundRobin

4.3.3 Blocking Estimation-Based Scheduler (BLEST)

4.3.4 Earliest Completion First (ECF)

4.3.5 算法小结

4.4 实验分析

4.4.1 实验配置

4.4.2 实验室可控场景

4.4.3 真实环境场景

4.5 小结

第5章 基于跳跃性数据包分配的LeBo算法的设计与实现

5.1 引言

5.2 相关工作

5.3 LeBo算法的设计

5.3.1 数据包调度过程

5.3.2 数据包预留

5.4 理论分析

5.4.1 所需缓冲区大小分析

5.4.2 时间分析

5.5 实验评估

5.5.1 实验配置

5.5.2 变化时延

5.5.3 接收端缓存

5.6 小结

结论

附录A 攻读学位期间完成的论文

致谢