D-LIA：MPTCP动态拥塞控制算法及性能改善

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）263www.elsevier.com/locate/icteD-LIA：MPTCP的动态拥塞控制算法TabassumLubna，ImtiazMahmud，You-ZeCho国立庆北大学电子工程学院，大邱，41566，韩国接收日期：2019年12月4日;接收日期：2020年3月2日;接受日期：2020年3月21日2020年5月1日网上发售摘要多路径TCP（MPTCP）的拥塞控制算法（CCA）主要描述了两个基本的挑战，以合理地利用可用带宽。首先，MPTCP应该提供单路径TCP的激励，同时在共享相同瓶颈时不损害任何现有的单路径TCP流。其次，它应该通过确保高吞吐量和低分组丢失来更好地利用路径。我们专注通过实现一种新颖的技术来根据所述CCA的减小因子来动态地控制所述CCA的减小因子，数据包丢失之间的间隔。我们在Linux内核中实现了它，并通过大量的Mininet实验发现了显着的性能改善。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：拥塞控制;动态递减机制; LIA; MPTCP1. 介绍TCP的一个重要特征是拥塞控制机制，其在网络中的负载扩展时控制网络稳定性是必要的。拥塞控制方案在实现更高的带宽利用率方面发挥着重要作用[1]。1986年，当一个终端主机向另一个终端主机传输更多数据时，互联网检测到第一次拥塞故障。不幸的是，路由器无法处理额外的流量，导致数据包丢失。为了解决这个问题，VanJacobson提出了一种称为拥塞控制（CC）的机制，其中TCP控制发送方和接收方之间路径中的数据量[2]。在这里，传输中的数据由拥塞窗口（CWND）控制，该拥塞窗口逐渐增加，直到发生分组丢失事件。当检测到数据包丢失时，CWND迅速减小以避免拥塞。这种行为被称为加法增加和乘法减少（AIMD）[3]。随着时代的高要求和技术的进步，如今，大多数现有设备都包含∗ 通讯作者。电子邮件地址：juthy. gmail.com，lubna@knu.ac.kr（T.Lubna），imtiaz. gmail.com，imtiaz@knu.ac.kr（I. Mahmud）、yzcho@ee.knu.ac.kr、yzcho@knu.ac.kr（Y.-Z. Cho）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.03.005多个通信接口。为了正确利用可用资源，IETF提出了多路径TCP（MPTCP），这是对单路径TCP的主要修改，允许通过单个TCP连接同时使用多条路径[4]。MPTCP同时利用多个有线或无线连接，要求零修改在应用层。它也被广泛采用在各种平台上，如Linux，Google Android 和Apple iOS。Olivier提到，实现MPTCP连接的基础由三个基本元素组成：路径管理器、拥塞控制算法（CCA）和调度器[5]。在CCA方面，单路径TCP有基于丢失、基于延迟和混合三种CCA，而MPTCP只有基于丢失的CCA。此外，Raiciu等人[6]定义了MPTCP CCA的三个设计目标，以确保互联网上更好的性能和公平性。目标1（提高吞吐量）：多路径流在可用的最佳路径上的这确保了部署多路径的动机。目标2（无害）：多路径流不应在其任何一条路径上占用比以下情况更多的容量：它是仅使用该路由单路径流。这保证了它不会对其他资金流造成不必要的2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。··264T. 卢布纳岛Mahmud和Y.Z. Cho/ICT Express 6（2020）263⎛⎞目标3（平衡拥塞）：在满足前两个目标的前提下，多路径流应该将尽可能多的流量从其最拥塞的路径移开。为了实现这些目标，提出了不同的耦合MPTCP CCA，例如LIA [6]，OLIA [7]，BALIA [8]。所有这些CCA基本上都基于AIMD方法。他们主要关注CWND的增加机制，而减少机制几乎与常规TCP相似[9]。在拥塞期间，它们只是遵循TCP将CWND减半。实际上，CWND和分组丢弃彼此密切相关，并且CWND在适当利用分组丢弃中起着至关重要的作用。可用带宽。CWND的大小越大，我们得到的吞吐量就然而，事实是，在最大分组丢失事件中，CWND的最佳大小位于分组丢失事件发生之前的CWND附近。每次 将 CWND 分 为 两 半 都 会 导 致 CWND 远 低 于 最 佳CWND，并且需要额外的时间才能达到最佳值。这导致网络资源的低效使用。在这项工作中，我们提出了一种基于丢失的MPTCPCCA，即动态LIA（D-LIA），而不是在每个分组丢失事件后将CWND分成两半，我们通过基于分组丢失事件之间的间隔动态确定的因子来减少CWND。这允许CWND快速达到最佳状态并适当地利用可用带宽。本文的其余部分组织如下。第2节介绍了以前一些共同国家评析的贡献及其不足之处。第3节概述了拟议的解决方案。第四节通过实验结果对解决方案进行了分析。最后，第五部分对本文进行了总结。2. MPTCP拥塞控制算法2.1. 背景高端的研究一直在进行，以提供一个有效的CCA的MPTCP。在这方面，Becke et al.提出了非耦合CCA，其中流可以决定其CWND而不考虑其他流CWND。然而，它不能将交通从高度拥挤的路径转移到不那么拥挤的路径[10]。 为 了 解决 这 个 问 题 ，Raiciu 等 人 提 出了 全 耦 合CCA，该CCA在考虑其他子流特性的同时增加子流的CWND [11]。虽然他们可以将流量从高度拥塞的路径移动到拥塞程度较低的路径，但他们遇到了一个新的问题，即流量在子流之间不断变化。后来，Raiciu等人提出了耦合和非耦合算法的修改版本，即链接增加算法（LIA），以解决flappiness和流量转移问题[6]。同时满足并表明MPTCP不是帕累托最优的[7]。 然而，OLIA在某些情况下也可能对网络条件的变化没有响应（例如，当使用的路径具有类似RTT的用户）。因此，Peng等人提出了平衡链接自适应算法（BALIA）来解决这些问题[8]。2.2. 问题分析根据上一节，所有的算法都集中在改进CWND增加机制上，但没有一个算法关注CWND减少机制，这可以进一步提高性能。以前，我们已经看到，对于常规TCP或任何其他MPTCP算法，CWND在每个分组丢失事件发生后下降到一半。从减半的CWND增加到最佳位置是相当耗时的。此外，它浪费了大量的可利用资源。2.3. 贡献在本文中，我们的目的是确保适当利用 通过在分组丢失事件期间控制用于CWND减小的减小因子来控制可用资源。我们的目标是保持CWND接近一个最佳值，可以确保更好的吞吐量和最大的带宽利用率。3. 动态LIA（D-LIA）根据TCP行为，当网络中突然发生变化时，例如新流的开始、带宽重新分配等，会发生背靠背拥塞在这种情况下快速减少，以便为改变的情况找到新的最佳方案。相反，如果在某个时间间隔之后发生拥塞，则这表明TCP由于CWND随时间几乎线性地增加，因此先前的CWND（在上一次拥塞时）可以起到至关重要的作用，以确定新的CWND（在当前拥塞时）的适当值。考虑到这些观察结果 ， 我 们 提 出 了 一 种 先 进 的 CCA ， 即 动 态 LIA （ D-LIA），它可以动态地调整CWND的递减因子，考虑到以前的CWND，即考虑分组丢失事件之间的间隔。此外，对于增加机制，遵循Linux对于子流r，我们将每个ACK的CWND（wr）增加LIA之后为：{（α）（1）}MPTCPKhalili等人发现LIA有时可能对单路径用户具有攻击性，而对多路径用户没有任何好处解决这个wr=minwr+wr哪里最大值r

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