CN108924869B - 一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法，用于评价多路径系统的结构鲁棒性和性能鲁棒性，包括步骤1，对MPTCP多路径传输拓扑结构模型进行抽象，将MPTCP多路径传输系统抽象成n个节点和m条边的无权网络；步骤2，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性评价指标进行分；步骤3，删除入样概率大的节点并对MPTCP多路径传输系统鲁棒性进行测度。本发明以自然连通度、效率函数E(G)分别作为结构性鲁棒性、性能鲁棒性的评价指标，可以科学评价多路径的鲁棒性，能够精确刻画复杂网络的鲁棒性，较好地反应在数据传输过程中，多路径传输系统对网络链路随机失效和网络攻击等行为导致连通性下降的抵抗能力。

Description

一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法
技术领域
本发明设计通讯数据传输技术领域，具体涉及一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法。
背景技术
随着多种无线接入技术(如Bluetooth、Wi-Fi、GPRS、4G等)的大规模应用，越来越多的终端设备将配置多种不同标准的网络接口(即多宿主)且具备接入多个网络的能力。如何有机地融合多种无线接入技术，合理地利用异构无线网络资源，从而提高应用数据的传输服务质量，成为当前国内外学术界研究的热点。近年来，国际互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)先后提出了支持多宿主连接的流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol，SCTP)和多径TCP协议(Multipath TCP,MPTCP)，其目的在于使得多宿终端能够同时接入多个网络，拟合多条链路带宽实现多路径数据传输，以此提高数据传输速率和最大化网络资源利用率。为使得多路径传输技术在未来互联网中得到大规模应用和部署，IETF还制定了一系列支持多宿主连接的网络地址动态分配和映射、网络选择优化等异构网络配置标准。可以预测，多路径传输协议将成为未来互联网的核心传输协议。
多路径传输协议的部署为流媒体等实时性、交互性和个性化互联网应用的发展提供了机遇，同时也带来了新的挑战。一方面，采用多路径传输技术进行数据通信，能够拟合异构网络带宽资源，极大地满足流媒体等实时性网络应用的高带宽需求；另一方面，受限于传统数据传输控制协议的原创模式，现有多路径传输机制存在一些缺陷与不足：1)受限于传统数据传输“静态”和“固化”的原创模式；2)缺乏对网络行为智能学习和动态适配的能力；3)路径管理机制简单，难以满足未来互联网对数据传输结构鲁棒性和性能鲁棒性的需求。
随着人们对内容丰富、实时性强的互联网内容服务(如流媒体服务)需求的不断增长，网络用户对数据传输服务的智能性、可靠性以及传输质量提出了更高要求。上述缺陷与不足大大限制了多路径传输技术的发展，并可能成为制约未来基于多路径传输的网络应用大规模部署的瓶颈。
有多路径传输技术难以满足未来互联网数据传输稳定可靠需要；
多路径传输技术能够将应用层的业务数据流分发到多条路径并行传输，从而实现异构网络带宽聚合和链路负载均衡。然而，现有多路径传输技术的带宽拟合算法和路径管理机制过于简单。标准多路径传输协议只是简单地拟合一切可用网络带宽资源进行数据多路传输。这种基于简单带宽拟合算法的多路径传输技术难以满足未来互联网数据传输安全稳定需要，原因在于：1)在异构互联网环境中，各链路的传输质量存在差异性，拟合一切可用路径(包括具有高动态和不可靠传输等特性的路径)的带宽资源进行数据多路径并行传输，可能会导致数据失序、传输不稳定等问题；2)随着物联网、云计算等新兴信息技术的大规模部署和应用，各类网络攻击也呈现明显增长的态势。这些网络攻击可能导致多路径传输鲁棒性下降等问题，影响流媒体等实时网络应用的传输质量，因此，研究能够满足未来互联网数据传输稳定可靠需要的多路径传输机制具有紧迫性和挑战性。
一代多路径传输协议研究对未来互联网的应用发展具有重大意义；
由于具有带宽拟合和多路径并发传输等特性，多路径传输技术受到了国内外学术界和工业界的极大关注，相应标准草案和应用规范也不断地被提出。然而，由于缺乏对当前互联网设备后向兼容等原因，一些支持多路径的技术方案未获得行业标准化，典型的如基于SCTP协议扩展的多路并行传输(ConcurrentMultipathTransferforSCTP,CMT-SCTP)目前仍处于讨论阶段。最近，IETF研究和制定了新一代支持多路径传输的MPTCP协议标准，其目的是为用户提供多路径数据并发传输的同时，保持与现有互联网设备以及TCPAPI的后向兼容性。计算机网络与通信领域的国际顶级期刊IEEE/ACMTransactionsonNetworking以及顶级会议ACMSIGCOMM、ACMMobiCom、IEEEINFOCOM近年来连续刊发了该研究方向多篇研究论文。MPTCP协议也被认为将在未来互联网数据传输服务方面发挥巨大作用。
因此，研究以MPTCP为协议基础的多路径传输理论和算法，对未来互联网的应用发展具有重大意义。
发明内容
本发明针对异构无线网络环境中MPTCP多路径传输过程中呈现出的明显的复杂特性，融合复杂网络鲁棒性分析理论和方法，建立多路径传输系统鲁棒性分析模型，包括对链路失效率分析、鲁棒性建模以及鲁棒性性能度量指标等，用以对MPTCP多路径传输进行测评。
在异构无线网络环境中，网络链路随机失效和网络攻击等网络行为都可能造成MPTCP多路径传输系统鲁棒性下降问题，从而影响流媒体等实时网络应用数据传输性能，降低用户对流媒体服务的体验质量(QualityofExperienceQoE)；图1给出了一个因终端移动导致的传输信号随机断连和网络攻击行为导致路径失效的多路径数据传输场景。流媒体服务器和用户终端之间使用MPTCP传输协议进行通信，并利用m条路径传输数据；假设在数据并发传输过程中，路径遭受网络攻击或因终端移动引发信号随机断连，将可能导致路径传输失效以及多路径传输系统整体连通性下降问题(即结构鲁棒性下降)。与此同时，路径上传输的MPTCP数据流将可能发生丢包。而当某个丢失数据包(红色标注部分)未能及时到达接收端，由于需要向上有序递交，MPTCP接收端不会将其它已被接收的数据(蓝色标注部分)交付给上层应用，因而导致这些已被接收的流媒体数据在其播放时间内无法交付到上层应用，影响应用层吞吐量性能和流媒体服务质量(即性能鲁棒性下降)。
从以上分析可以看出，MPTCP多路径传输过程呈现出了明显的复杂网络行为特性：①多样性和异构性，多路径传输系统由终端设备、中间节点(路由器等)、多个传输链路等主体性质不同的网络元素组成(即多样性)，且多路径传输系统的接入网络可能由不同无线网络(如Wi-Fi、4G等)组成(即异构性)；②整体性和非线性，一方面，多路径传输系统可以被认为是一个端到端通信系统整体(即整体性)；另一方面，虽然多路径传输系统中每条传输路径能够根据自身网络条件独立执行数据传输任务，然而，一旦某一条传输路径遭遇随机故障或外部网络攻击，该路径传输性能的下降或失效将影响其他传输路径的传输性能(即非线性)；③不稳定性和动态演化性，网络链路随机失效和网络攻击等网络行为都可能导致多路径数据传输的不稳定(即不稳定性)，另外，网络环境的高时变性使得多路径数据传输过程一直处于不断变化中(即动态演化性)，除此之外，MPTCP多路径传输过程还具有不确定性、不稳定性等复杂特征。
现对本发明做进一步的阐述。
一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法，用于评价多路径系统的结构鲁棒性和性能鲁棒性，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，对MPTCP多路径传输拓扑结构模型进行抽象，将MPTCP多路径传输系统抽象成n个节点和m条边的无权网络；
步骤2，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性评价指标进行分析，以自然连通度为基础指标对传输系统的结构鲁棒性进行分析，以效率函数E(G)为基础指标对传输系统的性能鲁棒性进行分析；
步骤3，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性进行测度，将无权网络中的各节点的重要性进行排序并计算所有节点的入样概率Pk，删除入样概率大的节点得到MPTCP多路径传输系统模拟遭受选择性攻击(蓄意网络攻击)情况下的无权网络，重复步骤1、2对系统鲁棒性进行分析。
进一步的，所述步骤3包括如下步骤：
步骤31，根据节点重要度将节点进行升序排列，得到节点的次序δ_k；
步骤32，计算MPTCP多路径传输系统中所有节点的入样概率P_k；
步骤33，根据节点的入样概率P_k删除相应节点，以此模拟对网络的选择性攻击行为，然后在根据步骤1、2分别计算结构鲁棒性评价指标λ和性能鲁棒性评价指标E(G)的变化情况。
有益效果：与现有技术相比，在本发明对于结构性鲁棒性的评价指标以自然连通度为基础指标进行研究，建立适合MPTCP多路径传输系统的结构鲁棒性评价指标，通过对自然连通度的数学计算，能够精确刻画复杂网络的鲁棒性，较好地反应在数据传输过程中，多路径传输系统对网络链路随机失效和网络攻击等行为导致连通性下降的抵抗能力；对于性能鲁棒性的评价指标，本项目将以效率函数E(G)为基础指标，建立适合流媒体多路径传输性能鲁棒性的评价指标，较好地反应在数据传输过程中，多路径传输系统对网络链路失效和网络攻击等行为导致传输效率下降的抵抗能力。
附图说明
图1:终端随机移动断连和网络攻击引发的多路径传输数据失序示意图；
图2:MPTCP多路径传输系统鲁棒性测度研究框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步地阐释。
一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法，包括如下步骤：
步骤1，对MPTCP多路径传输拓扑结构模型进行抽象，将MPTCP多路径传输系统抽象成n个节点和m条边的无权网络；
步骤2，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性评价指标进行分析，以自然连通度为基础指标对传输系统的结构鲁棒性进行分析，以效率函数E(G)为基础指标对传输系统的性能鲁棒性进行分析；
步骤3，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性进行测度，将无权网络中的各节点的重要性进行排序并计算所有节点的入样概率Pk，删除入样概率大的节点得到MPTCP多路径传输系统模拟遭受选择性攻击(蓄意网络攻击)情况下的无权网络，重复步骤1、2对系统鲁棒性进行分析。
其中，步骤1中对MPTCP多路径传输拓扑结构模型进行抽象，可在两台配置了支持MPTCP协议的多宿终端之间进行多路径数据并发传输，由于MPTCP多路径传输过程中接收端和发送端的通信具有双向性，因此，MPTCP多路径传输系统可以用含有n个节点和m条边的无权网络进行抽象模拟，如图1抽象表示。
其中，V＝{v1,v2,…,vn}为多路径传输系统的节点集合(节点数量为n＝|V|)；E＝{(vi,vj)}为多路径传输系统中的边集(边的数量为m＝|E|)。边集E表示多路径传输系统中所有连接关系的集合，可用邻接矩阵Z表示如下:
Figure BDA0001745024800000051
若多路径传输系统中节点vi和vj之间存在通信链路，则认为这两个节点有边相连，否则无边，可用以下表达式表示:
Figure BDA0001745024800000052
多路径传输系统的鲁棒性一般可以分为两个方面：结构鲁棒性和性能鲁棒性。其中，结构鲁棒性一般可以认为是在数据传输过程中，多路径传输系统对网络链路随机失效和网络攻击等行为导致连通性下降的抵抗能力；而性能鲁棒性一般是指在数据传输过程中，多路径传输系统对网络链路失效和网络攻击等行为导致传输效率下降的抵抗能力。
对于步骤2，对于结构鲁棒性的评价指标，本发明将以自然连通度为基础指标进行研究，建立适合MPTCP多路径传输系统的结构鲁棒性评价指标。自然连通度具有明确的物理意义、简洁的数学形式(从网络邻接矩阵的特征谱出发计算一个特殊形式的平均特征)的优点，且能够精确刻画复杂网络的鲁棒性，其数学形式可以表示为，
Figure BDA0001745024800000053
其中，λi表示图1邻接矩阵An×n的特征根。
自然连通度λ值越大，MPTCP多路径传输系统的结构鲁棒性越好。
对于MPTCP多路径传输系统性能鲁棒性指标，本项目将以效率函数E(G)为基础指标，建立适合流媒体多路径传输性能鲁棒性的评价指标。效率函数E(G)可以表示为,
Figure BDA0001745024800000054
式中，RTTij表示MPTCP多路径传输系统中任意两个节点间的往返时延(Round-TripTime)。
从效率函数E(G)可以看出，MPTCP多路径传输系统中任意两个节点间的往返时延越大，效率函数E(G)的值越小，也即MPTCP多路径传输系统的性能鲁棒性越差。
MPTCP多路径传输过程中可能发生的链路随机失效和遭受网络蓄意攻击的情况，可以分别抽象为复杂网络鲁棒性理论中的随机失效和选择性攻击。
其中，随机失效可能是链路断连、路由失败或无线信号衰弱等因素造成的；选择性攻击则可能是遭受网络蓄意攻击等因素造成的。
针对选择性攻击(蓄意网络攻击)情况下MPTCP多路径传输系统鲁棒性的测度和分析，则可以按照以下步骤展开：
步骤31，根据节点重要度将节点进行升序排列，得到节点的次序δk；
步骤32，计算MPTCP多路径传输系统中所有节点的入样概率Pk；
步骤33，根据节点的入样概率Pk删除相应节点，以此模拟对网络的选择性攻击行为，然后在根据步骤1、2分别计算结构鲁棒性评价指标λ和性能鲁棒性评价指标E(G)的变化情况。
在其他的实施例中，可根据节点重要度将节点进行降序排列，得到节点的次序δk。
根据计算可知，结构鲁棒性评价指标λ的值将会下降，性能鲁棒性评价指标E(G)也会下降。当结构鲁棒性评价指标λ或性能鲁棒性评价指标E(G)的值低于预设的安全值时，MPTCP多路径传输系统的鲁棒性将得不到保障，也即当MPTCP多路径传输系统的某些重要节点在传输过程中发生的链路随机失效或遭受网络蓄意攻击时，严重降低MPTCP多路径传输系统的鲁棒性，这些节点极易影响MPTCP多路径传输系统的鲁棒性，也即MPTCP多路径传输系统对网络链路失效和网络攻击等行为差导致的传输效率下降的抵抗能力差。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多路径的鲁棒性传输测评方法，用于评价多路径系统的结构鲁棒性和性能鲁棒性，
其特征在于包括如下步骤：
步骤1，对MPTCP多路径传输拓扑结构模型进行抽象，将MPTCP多路径传输系统抽象成n个节点和m条边的无权网络；
步骤2，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性评价指标进行分析，以自然连通度为基础指标对传输系统的结构鲁棒性进行分析，以效率函数E(G)为基础指标对传输系统的性能鲁棒性进行分析；
步骤3，对MPTCP多路径传输系统鲁棒性进行测度，将无权网络中的各节点的重要性进行排序并计算所有节点的入样概率Pk，删除入样概率大的节点得到MPTCP多路径传输系统模拟遭受选择性攻击，蓄意网络攻击情况下的无权网络，重复步骤1、2对系统鲁棒性进行分析，
所述步骤2中自然连通度的数学形式表示为：
Figure FDA0003991837430000011
其中，λi表示邻接矩阵An×n的特征根，
所述步骤2中的效率函数E(G)数学形式表示为：
Figure FDA0003991837430000012
其中，RTTij表示MPTCP多路径传输系统中任意两个节点间的往返时延。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中用含有n个节点和m条边的无权网络进行抽象模拟，V＝{v1，v2，…，vn}为多路径传输系统的节点集合，节点数量为n＝|V|；E＝{(vi，vj)}为多路径传输系统中的边集，边的数量为m＝|E|，边集E表示多路径传输系统中所有连接关系的集合，用邻接矩阵Z表示如下：
Figure FDA0003991837430000013
若多路径传输系统中节点vi和vj之间存在通信链路，则认为这两个节点有边相连，否则无边，用以下表达式表示：
Figure FDA0003991837430000014
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤3包括如下步骤：步骤31，根据节点重要度将节点进行升序排列，得到节点的次序δk；步骤32，计算MPTCP多路径传输系统中所有节点的入样概率Pk；
步骤33，根据节点的入样概率P_k删除相应节点，以此模拟对网络的选择性攻击行为，
然后在根据步骤1、2分别计算结构鲁棒性评价指标λ和性能鲁棒性评价指标E(G)的变化情况。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤31根据节点重要度将节点进行降序排列，得到节点的次序δk。
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