多径TCP 传输性能模型与分析
刘垠，徐恪
(清华大学计算机科学与技术系，北京 100084)
摘要：多径TCP 协议(MPTCP)是一种利用多条路径并发传输的传输层协议，可以提高端到端
的吞吐率，增加网络利用率。针对多径TCP 协议的性能模型，分析了影响其性能的主要因素，
通过对流量分配的改进优化了多径TCP 协议总体的性能，得到了多径TCP 的性能模型，准确
预测出多径TCP 的吞吐率。设计了动态预留算法，并对多径TCP 的流量分配进行了改进，消
除了适应性问题。通过ns 仿真对算法和结论进行了验证。
关键词: 多径TCP; 性能模型; 适应性问题; 动态预留算法
 0 引言
多径TCP 协议是一种基于多接口技术，为了充分利用网络的空闲资源，使多条路径协
同工作的传输层协议，它可以提高端到端传输吞吐率，增加网络资源利用率。随着科学技术
的发展，多接口设备越来越普及，如手机终端等均可以连接2 种以上的网络。而且，随着网
络规模的不断扩大，传统TCP 协议不能充分利用网络带宽，造成很多网络带宽资源的浪费。
多径TCP 协议的提出，可以通过多径的使用，增大网络资源的利用率，并能通过合理调度
实现负载均衡，同时，提高了端到端的速度，增强了网络传输的鲁棒性。
多径TCP 协议的思想最早是在1995 年由Christian Huitema 在一篇IETF 的draft[1]中提
出。目前，多径TCP 传输已成为网络TCP 协议研究的热点之一。多径TCP 协议的研究主要
由IETF 的MPTCP 工作组推动，涉及协议架构设计、详细设计、API 设计、拥塞控制设计
和安全性等方面。尽管这些研究覆盖了多径TCP 协议的主要方面，但是，在多径TCP 协议
性能方面并没有详细的研究，因此，本文对其性能进行了深入研究。
工作中主要的创新点包括3 个方面：1)针对多径TCP 协议，建立了抽象模型，并提出
了适应性问题；2)对多径TCP 协议在网络中的性能进行了建模，提出了性能模型；3)分析了
影响多径TCP 协议性能的主要因素，对多径TCP 协议的流量调度提出了一种改进方案。
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)(2008AA01A323，2009AA01A334)
作者简介：刘垠，(1986- )，男，硕士研究生，主要研究方向：无线网络技术
通信联系人：徐恪，教授，主要研究方向：计算机网络体系结构，计算机系统性能评价，E-mail：
 1 相关工作
目前，已经有很多关于多径TCP 协议的研究。mTCP 协议[5]是第1 个在真实环境中实现
的多径TCP 协议，它是通过对多径的利用来增加传输可用的带宽。但是它只在每个子流中
设计了独立的拥塞控制算法，并未设计多径TCP 总体拥塞控制算法，而且它不适应大范围
的部署。Kelly 和Thomas Voice[6]提出了一种整合多径路由和速率控制的端到端算法。文献[7]
是一篇研究拥塞控制和路由模型的文章，文中提出了一种利用路由多样性和路由中的最小化
拥塞反馈信号在源节点实现了稳定的最优化的分配流量的算法，然而它的算法非常复杂。
IETF 的MPTCP 工作组是在UCL 大学的推动下成立的工作组，它的主要目标是将多径
TCP 协议进行标准化推广。工作组提出了很多草案 [8]-[11]，主要涉及协议设计、路由方式、
拥塞控制算法、API 设计和安全性等。本文研究的多径TCP 协议就是基于MPTCP 工作组设
计的协议。文献[10]中，提出了一种基于公平性的拥塞控制算法，作者采用了一种隐性的处
理方式，避免了对瓶颈链路的探测，实现了对公平性的支持。
有很多关于性能模型的研究[2]-[4]，其中，文献[2]提出了一种很经典的性能模型，通过分
析快速重传、超时重传和接收窗口限制对TCP 协议的性能建立了模型。Nadim Parvez 等[3]
对New Reno 协议进行了分析，建立了性能模型，并发现Reno 的模型对New Reno 建模会
造成严重误差。笔者基于文献[2]对多径TCP 协议进行了分析，并提出了它的性能模型。
2 多径TCP 的适应性问题
定义1 多径TCP 协议的适应性问题，即在多径TCP 协议中各路径性能的差异引起整体
吞吐率下降，不能达到各路径最佳性能的问题。
目前，UCL 大学已经设计实现了多径TCP 协议的初步代码，基于linux 系统，通过对
内核的修改，将多径TCP 协议添加到linux 网络协议栈中。通过将代码部署在真实网络环境
中进行实验后发现，实验中只采用2 条路径，而且限定2 条路径的速度时，2 条路径的性能
差异会对多径TCP 的整体性能产生严重影响。例如，相同环境中（即丢包率相同），限定2
条路径的速度同为50KB/s 时，多径TCP 协议的整体传输速率为93kbit/s,接近2 条路径传输
速率之和。而在相同环境下，限定1 条路径传输速率为50kbit/s，另一条路径的传输速率为
25kbit/s 时，可发现，多径TCP 协议的整体传输速率为55 kbit /s，快速链路的传输速度受到
很大影响。所以，能否合理利用多条路径，在路径性能存在差异的情况下，提高路径的整体
性能，是关系多径TCP 协议能否得到广泛应用的一个重要问题。本文将对此问题进行深入
研究，将此问题定义为多径TCP 协议的适应性问题，如定义1。
3 性能模型与影响因素分析
针对多径TCP协议存在的适应性问题进行了深入分析后发现，问题的根源在于多径TCP
协议的流控机制。与TCP 协议相同，多径TCP 的流控机制即当接收端的接收窗口小于发送
端的拥塞窗口时，发送端发送数据的速率受接收窗口大小的影响。当接收窗口大小为0 时，
发送端将停止发送数据。
由于多径TCP 协议在传输中需要使用多条路径，当路径之间的性能存在差异时，性能
差的链路会使数据包不能及时到达接收窗口，从而出现乱序包。为了等待序列号靠前的数据
包，接收端无法向上层应用传输缓存中的数据，接收窗口不断减少。此时，接收窗口的缓存
空间不足，造成高性能链路的数据传输速率降低，甚至停止，这就引起了多径TCP 的适应
性问题。要解决此问题，首先需要对影响目前多径TCP 协议性能的关键因素进行分析，所
 以，本文提出了一种新的多径TCP 协议性能模型。该模型的目标是求多径TCP 传输中2 条
路径相互影响的概率。分析多径TCP 协议适应性问题产生的根本原因可知，影响多径TCP
协议性能的关键因素是流控的发生，即当一条路径因另一条路径传输数据的延迟，使其流控
窗口的大小减少而影响数据发送速率。本文中将此关键因素定义为流控影响概率，如定义2。
除流控影响概率外，可能会有其它一些造成链路间相互影响的因素，如瓶颈链路等因素，在
此不予考虑。
定义2 流控影响概率即多径TCP 协议中，任意2 条路径由于流控机制而相互影响的概
率。
针对流控影响概率的计算，本模型主要从乱序包的角度入手。当1 条路径流控窗口的大
小为0 时，必存在至少1 个乱序的数据包，其到达总接收窗口的时间至少晚于位于其序号后
面的W +Wi ( i = 1 或2)个数据包。流控影响概率问题转化为求这种乱序包发生的概率。由此
可得具有n 条路径多径TCP 协议的性能模型。
假设各路径间RTT 的关系为
1 2 3 1 2 3 : : : : : : : : n n RTT RTT RTT KRTT =m m m Km 。 (1)
令P (k ,g ) 表示路径g Path 对路径k Path 影响的概率，其计算公式为
( 1)
2 1 2
1,
1
r r W
i n
j j gm
j
m
k
rW W −
Σ = ≠
+ ≥ + 。 (2)
令g
k
m
m
m
= ，则
( ) ( ) 1
1,
, 1 r k
km g
k km r
P k g P
∞
−
= >
= Σ − 。 (3)
P (k ,*) 表示所有路径对k Path 的影响概率，其计算公式为
( ) ( ) ( ( ))
1,
,* , 1 ,*
n
j i
i i k
P k P k i P i ≠
= ≠
= Σ ≤ Π − 。 (4)
多径TCP 协议总吞吐率为
( ( ))
1
1 ,*
n
i i
i
B αB P i
−
=Σ − 。 (5)
由总吞吐率公式可知，多径TCP 协议的性能模型与路径相关系数、丢包率、延迟和接
收窗口大小相关，下面将分析影响多径TCP 协议性能的各种因素。
首先，通过对多径TCP 协议的研究分析认为，影响多径TCP 协议整体性能的关键因素
是路径的往返时延（RTT）。RTT 是路径传输速度的重要体现，也是路径性能的一个重要参
数。在多径TCP 协议中，路径的差异性主要体现在速度的差异。当2 条路径的速度相差比
较大时，就很容易引起适应性问题的发生。快链路会由于等待经慢链路传输的数据而不得不
经常减慢传输速度，甚至停止。所以，路径往返时延的差异是造成适应性问题最关键的因素。
其次，造成适应性问题的另一个因素是路径丢包率。路径丢包率对多径TCP 协议整体
性能的影响分为2 种情况：1) 当链路由于丢包而引起快速重传时，可能会使另一条路径降
低速度，等待丢失包的到达；2) 链路丢包引起超时，另一条链路需要为丢失包的接收而等
 待。在第1 种情况下，需要考虑路径RTT 的差异性。当路径RTT 差异大时，慢路径的快速
重传可能会影响快速路径的传输速度，而在RTT 差异不明显的情况下，快速重传并不会影
响另一条路径的传输。第2 种情况是丢包率对多径TCP 协议整体性能产生影响的最主要情
况。由于超时造成的等待时间比较长，所以很容易引起适应性问题。本模型中，考虑到丢包
率的影响，主要从快速重传和超时的角度进行了分析，但是，丢包率是造成适应性问题的一
个次要因素，它的影响只有在路径状况很差，丢包特别严重的情况下（丢包率超过0.2）才
会显现。
最后，需要指出的是，接收窗口大小也是造成适应性问题的因素。接收窗口包括2 种，
分别为多径TCP 协议总接收窗口和单路径TCP 接收窗口。多径TCP 协议总接收窗口大小会
影响其整体性能，它是所有接收数据包最终的缓存。当发生适应性问题时，主要是由于总接
收窗口的缓存空间被占满。单路径TCP 接收窗口的大小则会影响此路径的性能。当总接收
窗口被占满后，路径中发送的数据会被缓存在单路径的接收窗口中，从而可把单路径TCP
接收窗口看作总接收窗口在特定路径上缓存的扩展，所以，单路径TCP 接收窗口的大小也
会影响多径TCP 的整体性能。前文已指出，造成多径TCP 协议适应性问题的根源在于接收
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