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PEPesc：Performance Enhancing Proxy enhanced by streaming coding

PEPesc是一种新型TCP性能增强代理（PEP）。基于带宽估计进行拥塞控制，并基于一种称为流编码（Streaming Coding，SC）的分组前向纠错编码（FEC）实现无重传、可靠UDP传输。PEPesc支持双向数据传输，并支持拦截双向连接请求。PEPesc属于分布式PEP，需部署两个PEPesc实体分别于瓶颈链路两端。

下面以如图所示4节点网络拓扑为例，部署PEPesc于B和C节点。请根据你的网络实际情况，调整下文中的IP地址等设置。

4节点网络拓扑

网络环境设置与验证

首先验证网络中路由已设置正确，可通过节点A和D分别使用Linux工具traceroute进行。节点A执行：

traceroute 172.20.35.38

应显示类似以下结果：

traceroute to 172.20.35.38 (172.20.35.38), 30 hops max, 60 byte packets

1 172.20.35.34 (172.20.35.34) 5.947 ms 5.913 ms 5.898 ms

2 172.20.35.92 (172.20.35.92) 601.088 ms 601.192 ms 601.170 ms

3 172.20.35.38 (172.20.35.38) 602.153 ms 602.170 ms *

节点D执行：

traceroute 172.20.35.37

应显示类似以下结果：

traceroute to 172.20.35.37 (172.20.35.37), 30 hops max, 60 byte packets

1 172.20.35.35 (172.20.35.35) 0.894 ms 0.631 ms 0.830 ms

2 172.20.35.91 (172.20.35.91) 601.507 ms 601.582 ms 601.568 ms

3 172.20.35.37 (172.20.35.37) 602.188 ms 602.174 ms 602.161 ms

iptables流量拦截代理

PEPesc依靠iptables提供的代理工具TPROXY拦截TCP连接请求，将符合条件的TCP包拦截转发至指定的代理地址。以下假设PEPesc的TCP监听端口为9999。

配置流量拦截

节点B以root权限执行以下命令，拦截来自节点A的TCP流量，导向PEPesc所侦听的9999端口：

sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
iptables -t mangle -A PREROUTING -p tcp --source 172.20.35.37 --destination 172.20.35.38 -j TPROXY --on-port 9999 --tproxy-mark 1
ip rule add fwmark 1 lookup 101
ip route add local 0.0.0.0/0 dev lo table 101

节点C以root权限执行以下命令，拦截来自节点D的TCP流量，导向PEPesc所侦听的9999端口：：

sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
iptables -t mangle -A PREROUTING -p tcp --source 172.20.35.38 --destination 172.20.35.37 -j TPROXY --on-port 9999 --tproxy-mark 1
ip rule add fwmark 1 lookup 101
ip route add local 0.0.0.0/0 dev lo table 101

回退配置

若需回退配置，则将上述命令ip rule和ip route的命令中 add 修改为 del 。iptables中 -A 修改为 -D 按条删除即可，也可执行 iptables -t mangle -F ，删除表mangle所配置的规则。

部署PEPesc

编译和链接动态库

PEPesc基于流编码实现可靠UDP传输，运行前需要先编译和允许链接流编码动态库,执行

git clone https://github.com/yeliqseu/streamc
cd streamc/
make clean
make libstreamc.so
mv libstreamc.so ../

回到pep.py所在目录下，以root权限执行以下命令，使得libstreamc.so可以被动态链接到：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:./

运行PEPesc

执行 python3 pep.py -h 查看命令行参数说明：

usage: pep.py [-h] --selfIp SELFIP --selfPort SELFPORT --peerIp PEERIP --peerPort PEERPORT [-d]

optional arguments:

-h, --help show this help message and exit

--selfIp SELFIP IP for local PEPesc to bind

--selfPort SELFPORT Port for local PEPesc to bind

--peerIp PEERIP Peer PEPesc's ip

--peerPort PEERPORT Peer PEPesc's port

-d, --detail Displays the details

--selfIp 和 --selfPort 设置本地PEPesc地址和端口，--peerIp 和 --peerPort 向本地PEPesc告知对端PEPesc的地址和端口，这四个参数为必需参数。--detail 指定打印PEPesc详细日志，默认不显示。

PEPesc应以root权限执行。在上述4节点网络拓扑中，节点B网卡eth1为172.20.35.91， 节点C网卡eth1为172.20.35.92。假设PEPesc分别绑定各节点的eth1网卡，端口号为9999，并打开详细日志。则运行命令如下。

节点B ：

python3 pep.py --selfIp 172.20.35.91 --selfPort 9999 --peerIp 172.20.35.92 --peerPort 9999 --detail

节点C：

python3 pep.py --selfIp 172.20.35.92 --selfPort 9999 --peerIp 172.20.35.91 --peerPort 9999 --detail

注意两端PEPesc的地址端口需要对应，即本端的 selfIp 和 selfPort 为对端的 peerIp 和 peerPort。

iperf测试

可在节点A和D分别运行iperf客户端和服务端，测试PEPesc。节点D运行：

iperf -s -p 10000 -i 1

节点A运行：

iperf -c 172.20.35.38 -p 10000 -i 1 -t 120

替代方案：使用Mininet模拟网络拓扑测试PEPesc

如果没有现成网络环境，我们提供了一个Mininet脚本，创建类似前面4节点线形网络拓扑，使用户能能够快速部署和试用PEPesc。

首先, 为root用户添加脚本可执行权限：

cd Mininet-scripts
chmod u+x *.sh

接着，以root权限运行Mininet网络模拟脚本：

sudo python3 4_nodes_topo.py

然后，打开四个节点主机终端：

xterm nodeA nodeB nodeC nodeD

节点B运行bash脚本：

sh deploy-proxy-on-node-b.sh

节点C运行bash脚本：

sh deploy-proxy-on-node-c.sh

最后，依据前文所示部署运行PEPesc。其中PEPesc使用的IP需要更改为10.0.1.2和10.0.1.3。

注：该脚本模拟卫星链路的默认条件为：带宽20Mbps，单向时延300ms，随机丢包率1%。若需要自定义，请更改脚本第52行。

论文引用

PEPesc的详细设计和测试结果，请参阅和引用如下论文：

Ye Li, Liang Chen, Li Su, Kanglian Zhao, Jue Wang, Yongjie Yang, Ning Ge, "PEPesc: A TCP Performance Enhancing Proxy for Non-Terrestrial Networks", IEEE Transactions on Mobile Computing, 2023. (Early Access: https://ieeexplore.ieee.org/document/10107444)