一种基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法与流程

本发明涉及一种MPTCP传输控制方法，特别涉及一种基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法

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引起TCP协议严重的吞吐量下降。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缓冲池溢出，引发ToR传输热点吞吐量坍塌。MPTCP基于多宿主技术支持冗余链路资源的多路复用，实现负载均衡，但其本身存在的吞吐量坍塌问题成为当前互联网领域解决的一个重要研究课题。

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。对此最简单的解决方案是增添服务器接口的数目，减轻瓶颈链路和ToR集群负载，但这种物理解决方案需要过高的硬件开销。因此数据中心MPTCP Incast吞吐量坍塌问题成为研究的难点。传统的数据中心网络普遍采用ECMP路由方法，静态的哈希分配可能将流量分配到同一路径，导致网络和交换机资源缓冲池中流量的不平衡。目前的研究包括基于带宽估计的链路增加算法、等价权重的拥塞控制机制和自适应多路径拥塞控制机制。不过，以上方法并没有减少丢包次数。

本发明提供了一种基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法。本发明基于队列缓存平衡因子，构建ToR集群缓存平衡队列，根据ToR集群缓存分配计算子流拥塞窗口值，减轻瓶颈链路和ToR集群负载，设计基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法。本发明提供的拥塞控制方法计算能够有效避免丢包，，避免吞吐量坍塌，提高接收端吞吐量，实现MPTCP数据传输的负载均衡。

技术实现要素：

为了解决现有的模型缺点，本发明提供了一种基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法。本发明基于队列缓存平衡因子，构建ToR集群缓存平衡队列，根据ToR集群缓存分配计算子流拥塞窗口值，减轻瓶颈链路和ToR集群负载，设计基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法。本发明提供的拥塞控制方法计算能够有效避免丢包，，避免吞吐量坍塌，提高接收端吞吐量，实现MPTCP数据传输的负载均衡。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于队列缓存平衡因子的MPTCP传输控制方法，包括以下部分：

A、提出缓存池平衡因子，构建ToR集群缓存平衡队列，建立基于队列缓存的平衡因子的ToR集群资源缓冲池系统；

B、提出基于队列缓存平衡因子的数据分组流量负载平衡模型；

C、基于队列缓存的平衡因子的MPTCP传输控制方法。

部分A中，所述的平衡队列Q为ToR缓冲池，并定义接收并暂存每条链路数据为进程P，总进程数为N^p＝n×k，每个平衡队列下有k个进程。该系统中K个MPTCP连接共享n条瓶颈链路L的带宽，设带宽都为C，流往返传输时延为Tij；

部分B中，所述的数据分组流量负载平衡模型需要将数据分组流量分配到N^p个进程使n个平衡队列负载均衡，且不产生吞吐量坍塌。根据平衡队列因子动态的调整子流拥塞窗口值，使得ToR集群不会发生吞吐量坍塌，且瓶颈链路被充分利用。该数据分组流量负载平衡模型旨在寻找一个分配方案使得以下约束优化问题成立，使得ToR集群N个进程接收并缓存的数据量等于发送端S总数据量，通过ToR集群交换机显式地分配拥塞窗口值，将Qi，ave公平的分配给经过的N^F个子流，通过ρ调节流分配的缓冲池大小，其中β∈[CTi/Qi,ave，1]，

其中

(1)

(2)Qi,ave为平衡队列i期望负载。

(3)Qi(M)为平衡队列i上实际接收缓存的数据量。

(4)任意MPTCP子流获得拥塞窗口值为

(5)约束条件为Bi(M)≤0，i∈(0,1,2…,Np-1))

部分C中，所述的传输控制方法基于窗口的拥塞控制方法，分别对发送端S、ToR集群和接收端D进行设计。

其中

(1)发送端S。

发送端在发送数据包时初始化包头中负责携带窗口值的window域，初始化为0xffff。收到ACK后，根据ACK包头中携带的窗口值更新window域的值即发送端拥塞窗口值；

(2)ToR集群。

ToR集群主要负责基于平衡队列公式维护流的数目N^F以及计算窗口值大小并赋给经过的数据包。。每个ToR交换机维护经过进入端口的流数目，收到SYN包时，将流的数目加一，收到FIN包时，将流的数目减一。对于经过的数据包，判断Bi(M)＞0，则对子流进行关闭，以不再接收数据分组，比较包头中携带的window值和计算出的拥塞窗口值将较小值赋给window域。

(3)接收端D。

接收端收到数据包后，将包头中window域携带的值与接收窗口awnd进行比较，将两者的较小值赋给ACK包头中的窗口window域，然后反馈回发送端。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明将队列缓存平衡因子和MPTCP传输控制方法相结合，充分利用缓存池平衡因子的特性，该方法使得得ToR集群N个进程接收并缓存的数据量等于发送端S总数据量，通过ToR集群交换机显式地分配拥塞窗口值，将Qi，ave公平的分配给经过的N^F个子流，有效减轻瓶颈链路和ToR集群负载。本发明所提方法能够有效避免丢包，避免吞吐量坍塌，提高接收端吞吐量，实现MPTCP数据传输的负载均衡。

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双宿主FatTree拓扑结构图。其中边缘层链路集合成为瓶颈链路，ToRs集群成为传输热点

图2为本发明的一种基于队列缓存平衡因子的ToR集群资源缓冲池系统，设K个MPTCP连接共享n条瓶颈链路L的带宽。

图3为本发明的一种基于队列缓存平衡因子的传输控制方法流程框图。采用基于窗口的拥塞控制方法，分别对发送端S、ToR集群和接收端D进行设计

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双宿主拓扑下，以选取LIA拥塞控制算法作为对比方案，分析Incast模式下基于队列缓存平衡因子传输控制方法的性能。利用不同发送者数量对应吞吐量以及每条流每秒的超时重传次数来求证方法的有效性。

通过实施实例得出，本发明提出的方法不受发送方数量的影响，吞吐量趋于稳定。由于MPTCP源端无法快速响应流量突发情况，因此会发生大量丢包。而在本发明提出的方法下注入网络的数据包不会超过网络流量，因此不会丢失数据包，从而解决了Incast问题。