一种基于排队网络的MPTCPIncast性能评价模型的制作方法

本发明涉及一种协议性能评价模型，特别涉及一种基于排队网络的mptcpincast性能评价模型。

背景技术：

mptcp是解决数据中心网络incast通信模式的重要协议，能够较好实现传输数据的负载均衡，增加聚合带宽。然而fattree拓扑结构incast通信模式下mptcp协议存在吞吐量坍塌的性能瓶颈。多对一的通信模式广泛存在数据中心网络中，如基于簇的存储系统，基于mapreduce的应用等。引起tcp协议严重的吞吐量下降。随着ipv6的到来，主机的多地址(multi-home)开始普及，即使是广泛使用的ipv4，多宿主主机也越来越多。mptcp基于多宿主技术支持冗余链路资源的多路复用[5]，实现负载均衡，成为当前互联网领域解决tcpincast的一个重要研究课题。

在incast通信模式下，所有发送端完成当前轮的并行传输后，才开始下一轮数据块的传输。在多宿主fat-tree数据中心网络拓扑中，商用以太网交换机的缓冲池较小，当多条子流向边缘层瓶颈链路注入流量，大量数据包从边缘交换机tors(top-of-rackswithches,tors)缓冲池溢出，引发tor传输热点吞吐量坍塌。由于mptcp沿袭了传统的tcp/ip协议的丢包驱动机制，有些丢包不能快速重传进行恢复，超时重传时间远远大于端到端往返传输时延，大量的超时重传引起链路空闲，造成接收端吞吐量下降。因此，有必要研究瓶颈链路及tor集群在mptcpincast模式下数据分组转发的性能瓶颈与传输时延。

现有的mptcp模型的性能分析机制如下所示，mptcp单条子流模型、基于联合拥塞控制机制的markov模型、并行多径传输的确定性时间markov模型。以上研究未对mptcpincast吞吐量坍塌问题进行形式化定义和性能建模分析。越来越多的研究表明多宿主技术将成为目前数据中心网络的核心技术，因此研究界缺乏基于离散分组模型的mptcpincast吞吐量坍塌问题的理论分析和性能评估。

技术实现要素：

为了解决现有的模型缺点，本发明提出了一种基于排队网络的mptcpincast性能评价模型，本发明利用多宿主fattree拓扑和mptcp数据调度过程的markov性，基于排队网络建立了m/m/n/m^ⅰ→m/m/l/m^ⅱ→m/m/k/m^ⅲ的多级协同mptcpincast数据传输性能评价模型，m/m/n/m^ⅰ，m/m/l/m^ⅱ和m/m/k/m^ⅲ分别刻画了边缘层瓶颈链路、传输热点tor集群、汇聚层瓶颈链路的数据流量分组到达的三级协同过程。本发明提供的模型计算得到端到端数据传输平均时延，较好地分析mptcpincast吞吐量坍塌的时延性能，为mptcpincast性能分析提供了理论依据。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于排队网络的mptcpincast性能评价模型，包括以下部分：

a、分析mptcpincast数据传输过程。建立m/m/n/m^ⅰ→m/m/l/m^ⅱ→m/m/k/m^ⅲ排队模型。，包括ⅰ级服务系统、ⅱ级服务系统和ⅲ级服务系统；

b、建立多级协同mptcpincast数据传输性能排队系统并进行求解机计算；

c、计算mptcpincast平均转发时延。

部分a中，ⅰ级服务系统、ⅱ级服务系统和ⅲ级服务系统分析瓶颈链路和传输热点tor集群中数据流量分组到达的过程，并分别刻画边缘层瓶颈链路性能、传输热点tor集群处理性能、汇聚层瓶颈链路性能。

部分b中，所述的三级服务系统是对ⅰ级服务系统、ⅱ级服务系统和ⅲ级服务系统一一进行排队模型求解。第一步，定义传输强度；第二步，建立模型的生死状态转移图；第三步，计算系统生灭过程的稳态概率和初始空闲概率；第四步，根据little公式求解系统平均处理时间。

其中

(1)各服务系统的传输强度定义为

(2)系统的平衡公式

(3)系统中的平均等待队长设为e(qd)为

(4)系统平均处理时间

部分c中，子级别服务系统的建模后，计算incast通信模式下mptcp的平均转发处理时延如下。

e(tq)＝e(tq^ⅰ)+e(tq^ⅱ)+e(tq^ⅲ)

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明将排队网络和mptcpincast性能评价系统相结合，充分利用mptcp数据调度过程的markov性，通过该模型计算得到端到端数据传输平均时延，较好地分析mptcpincast吞吐量坍塌的时延性能。本发明所提模型的估计时延接近于实际测量时延，具有准确性，为mptcpincast性能分析提供了理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明内容中所需要使用的附图作简要地介绍。

图1为本发明的一种基于多宿主fattreepod结构图，k台n-宿主主机同时通过n条子流连接到tor集群，tor集群数量为n。链路集合p成为瓶颈链路，tor成为传输热点

图2为本发明的一种基于多级串联排队理论的多级协同mptcpincast数据传输性能模型系统，由三级排队服务系统组成。

图3为本发明的一种基于多宿主fattree拓扑和mptcp数据调度过程的markov性的多级协同mptcpincast数据传输性能模型m/m/n/m^ⅰ→m/m/l/m^ⅱ→m/m/k/m^ⅲ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实施例的基础在于二层网络分析mptcpinast传输过程，随着双宿主主机的引入，增加了各层链路数量，实现不同层交换机设备之间的全连接。

为了有效量化mptcpincast数据传输性能，实验采用ns3仿真工具，模拟在数据中心多宿主fattree拓扑结构mptcp的传输过程，这里我们以双宿主fattree拓扑为例，使用tcp-newreno算法。首先模拟多台多宿主主机通过两台tor交换机向同一个接收端发送数据的过程直至耗尽tor集群消息缓存，进行6组实验，测得数据分组经过双宿主胖树拓扑的平均时延。再将tors集群中的控制器数量设置为3，进行6组实验。该模型的估计时延更接近于实际测量时延。实际测量时延整体上比m/m/n/m^ⅰ→m/m/l/m^ⅱ→m/m/k/m^ⅲ模型的估计值较大，这是因为工具测量得到的时延除了包含消息逗留时间外，还有i/o时延和传输时延等。此外，随着交换机数量的增加，模型的估计值与测量时延的偏差越来越大，这是因为批量模型将每批次消息数等同于交换机数量，使得消息估计时延成倍的增加，不能准确的估计消息实际时延。