数据中心内的负载均衡-MPTCP

MPTCP多个子流乱序问题
当我们使用MPTCP建立多条子流传输数据时，每条子流选择的路由路径可能不同，那么路径延迟也会不同。虽然发送端按序发送数据，但接收端接收到的数据可能产生乱序。既然TCP协议可以使用TCP报文头中的序号，将数据包排序，那么MPTCP是不是同样也可以利用数据包中的序号进行排序？这样是行不通的，因为每条路径上的中间件（防火墙等）可能只有一半的数据经过，它会发现这些包的TCP序号存在间隙，中间盒可能会丢掉这些无序的数据，让TCP重传中间这些空缺的数据。

MPTCP通过增加每个子流的包序列号来解决这个问题。这个时候每个数据包有2个序列号，一个是在TCP包头中的序列号，为子流的序列号；另一个是DSN（data sequence number）为所有传输数据的序列号，用于将各个子流的数据重排。那么使用MPTCP收包，首先使用子流序列号，将各个子流接收到的数据包进行重组，然后使用DSN对各个子流报文重组。

MPTCP拥塞控制
TCP的拥塞控制机制可以根据网络链路情况动态的调整发送速率，我们不再赘述TCP拥塞控制的具体过程。那么MPTCP建立多条TCP子流传输数据，和TCP的拥塞机制有了些许差别。
（1）MPTCP的拥塞控制要保证公平性，即使用MPTCP和使用TCP占用的带宽应该是相同的。
（2）使用MPTCP的性能至少要和传统的TCP相持平，或者更好。
（3）使用MPTCP应能提供有效的负载均衡，减少数据在拥塞链路上传输。

MPTCP的每条子流的拥塞控制机制（慢启动，拥塞避免，快重传）与TCP是相同的。收到ACK时，增加拥塞窗口。发生丢包时，减少拥塞窗口的一半。不同的是子流拥塞窗口的调节方式，MPTCP中每个子流都有单独的拥塞窗口，子流可以根据各自链路状况动态的调节拥塞窗口，但要限制在整个MPTCP会话的窗口总量范围内。子流拥塞窗口的调节方式如下所示：

子流发生丢包时，减少拥塞窗口的一半。

MPTCP性能
图5为An overview of Multipath TCP文章中利用亚马逊EC2数据中心的40台机器内对使用MPTCP做负载均衡进行的测试，实验对比了使用传统TCP，2个子流的MPTCP和4个子流的MPTCP的性能。可以看出使用MPTCP确实在一定程度上提高了吞吐量。

3.总结

在之前的文章中，曾介绍过数据中心内使用ECMP算法进行负载均衡，通过对数据包五元组哈希为流选择路径，实现负载均衡。但使用ECMP存在诸多缺陷：
（1）过于简单，没有拥塞控制机制，因此在网络存在拥塞的情况下，使用ECMP可能会加剧路径的拥塞。
（2）在非对称网络架构下，ECMP的负载均衡效果并不好。
（3）ECMP这种基于流的负载均衡，不适合在数据中心这种老鼠流、大象流并存的环境中。

本文介绍了使用MPTCP协议做负载均衡，通过建立多条TCP子流的方式使用多条路径传输数据。MPTCP可以提供有效的拥塞控制机制，而且切割数据流为多个子流解决，避免大象流这种流量大的数据流在一条链路上传输。其实，我们还可以对每条子流使用ECMP算法，利用哈希随机选择路径，提高负载均衡效果。

不过MPTCP也不是一个完美的负载均衡方案，MPTCP存在以下几个缺点：
（1）无法进行全局路径感知
如图6所示的网络拓扑中，L0到L1的流，若只根据L0下一跳的链路状态进行负载均衡，那么很可能在S2-L1这段链路上发生拥塞。

（2）部署困难
要想使用MPTCP协议，需要在更改通信双方的协议栈，增加MPTCP协议，这为扩大MPTCP的使用范围带来的困难。

参考文献：
[1]. Ford A, Raiciu C, Handley M, et al. Tcp extensions for multipath operation with multiple addresses, January 2013[J]. RFC6824.
[2]. Bonaventure O, Handley M, Raiciu C. An overview of Multipath TCP[J]. ; login:, 2012, 37(5): 17.
[3]. Raiciu C, Barre S, Pluntke C, et al. Improving datacenter performance and robustness with multipath TCP[C]//ACM SIGCOMM Computer Communication Review. ACM, 2011, 41(4): 266-277.

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（编辑：核心网）

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