沈 淺

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡給人們的生活帶來了新的變革，互聯(lián)網(wǎng)改變了人們的生活習慣、交流方式、行為活動。然而事物在不斷發(fā)展的過程中必然會出現(xiàn)很多的問題，面對規(guī)模與應用越來越復雜且資源有限的互聯(lián)網(wǎng)，傳統(tǒng)的 TCP Reno網(wǎng)絡擁塞控制機制已經(jīng)存在缺陷，不能適應。于是，針對于高帶寬、長延時、大容量網(wǎng)絡而言，F(xiàn)AST TCP就此應運而生了。

1 擁塞產(chǎn)生的原因與危害

網(wǎng)絡中產(chǎn)生擁塞的原因是網(wǎng)絡流量、寬帶需求大于網(wǎng)絡實際的承載能力，如果不去加以控制的話，必然會導致網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的擁塞，如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡吞吐量與負載的關系

網(wǎng)絡的吞吐量與負載的關系，由圖中可以看到：當網(wǎng)絡負載較小時，吞吐量的增長與負載成正比關系，吞吐量增長迅速，當負載繼續(xù)增大到最佳操作點之后，網(wǎng)絡吞吐量的增長速度已經(jīng)慢于負載的增長，這是因為網(wǎng)絡進入了中等擁塞狀態(tài)。此時，雖然網(wǎng)絡可以繼續(xù)應付負載，但是延時已經(jīng)增加，如圖2所示：

圖2 響應時間與負載的關系

由于實際負載不可能均勻地分布在網(wǎng)絡中[1]。因此，如果某些節(jié)點遇到中等程度的擁塞時，其他節(jié)點則可能要經(jīng)受嚴重的擁塞，這樣必然導致丟棄一些流量。另外，當負載增加時，網(wǎng)絡將試圖通過選擇穿過低擁塞區(qū)的分組路由來平衡負載。為了完成路由的選擇，更多路由分組必須在節(jié)點之間交換以避開擁塞區(qū)，這種額外開銷也降低了可用于數(shù)據(jù)分組的容量。

當然，擁塞是一個復雜現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因也很多。如果不加以控制，將會出現(xiàn)丟包率迅速增加，網(wǎng)絡資源利用率低，延時增加等情況，嚴重的話更可能導致網(wǎng)絡的擁塞崩潰。

2 FAST TCP的擁塞控制分析

2.1 FAST TCP模型與優(yōu)點

FAST TCP模型在實現(xiàn)上可以分為4個部分：RTT測量、數(shù)據(jù)管理、窗口控制和突發(fā)控制。這4部分在功能上相互獨立，有利于協(xié)議的設計和異步升級，如圖3所示：

圖3 FAST TCP結構圖

圖3給出了FAST TCP協(xié)議的結構，其中各個部分的主要功能為：

RIT測量：利用多位的排隊延遲信號或一位的丟棄/未丟棄信號來估計網(wǎng)絡擁塞狀況。

數(shù)據(jù)管理：用來控制發(fā)送哪些報文。

窗口控制：根據(jù)RTT測量模塊獲得的信息控制發(fā)送窗口的大小。

突發(fā)控制：決定何時可以發(fā)送報文。

FAST TCP[2]使用隊列延時作為判斷擁塞的主要依據(jù)，適當結合了流層和報文層的設計，能夠較好地解決傳統(tǒng)TCP Reno中存在的問題。我們使用一個通用的如公式來表示TCP協(xié)議和TCP變種流層上的模型，公式（1）

其中：ki(t)，ui(t)如公式（2）、（3）

通過對比TCP Reno與FAST TCP的ki(wi,Ti)和ui(wi,Ti)表達式，如表1所示：

表1 增益函數(shù)、利用率函數(shù)和擁塞反饋方法

從表中可以發(fā)現(xiàn)FAST TCP[1]由于采用一種基于表達式的實現(xiàn)方式，可以讓網(wǎng)絡維持在一個動態(tài)高效的狀態(tài)下。

由此，F(xiàn)AST TCP具有如下優(yōu)點：

第一，F(xiàn)AST TCP能夠明確估算出當前狀態(tài)距平衡狀態(tài)的程度，以一種公平穩(wěn)定的方式逐步逼近平衡點。當FAST TCP離平衡點較遠時，窗口變化較快，當快接近平衡點時，窗口的調(diào)整較小，避免了Reno中因網(wǎng)絡變化導致的窗口慢增長和劇烈下降的問題；

第二，通過選用多比特的擁塞衡量方式，提供更多的擁塞信息，減少了因丟包率為擁塞信號帶來的數(shù)據(jù)報層的振蕩；

第三，當鏈路隊列容量較大時，使用隊列時延作為擁塞衡量的主要方式，能夠使網(wǎng)絡更穩(wěn)定，從而減小隊列延遲。

2.2 NS2實驗仿真

為了更好地分析FAST TCP，驗證其性能，我們采用現(xiàn)今使用廣泛網(wǎng)絡仿真器的NS2[3]平臺進行實驗驗證。實驗使用的網(wǎng)絡拓撲結構圖，如圖4所示：

圖4 仿真實驗拓撲結構圖

其中R1到Rn是中間路由器節(jié)點，S1～Sn是源節(jié)點，D1～Dn是目的節(jié)點，實驗采用Drop Tail隊列管理策略。

我們把分組大小設置 1000Byte，隨機設置各流發(fā)送時間以避免相互影響和干擾，采用FTP作為通過TCP連接傳輸數(shù)據(jù)的應用，所有這些實驗時間都是500秒。

下面我們將從以下幾個方面對實驗數(shù)據(jù)進行分析：

1）效率

效率[4]主要是指帶寬的利用率，通過 NS2模擬軟件分析，隨著帶寬的增加，F(xiàn)AST TCP在帶寬的利用率上遠遠超過了傳統(tǒng)的TCP Reno。

2）穩(wěn)定性

協(xié)議的穩(wěn)定性有很多評價方法，在這里，我們利用穩(wěn)定性指數(shù)來做評價，第i個流的穩(wěn)定性指數(shù)定義為其樣本標準方差除以平均吞吐量，如公式（4）

公式中穩(wěn)定性指數(shù)越小，說明源端能感覺到的震蕩也就越小，如果有多個數(shù)據(jù)流，則只要進行疊加取平均值就可以得出。通過數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定性上，F(xiàn)AST TCP也有一定的提高。

3）RTT公平性

公平性[5]是指當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，鏈路中的各個連接能公平地競爭網(wǎng)絡資源。擁塞發(fā)生必然導致數(shù)據(jù)包丟失，當網(wǎng)絡資源減少，各個數(shù)據(jù)流必將相互爭奪而發(fā)生競爭，競爭能力弱的數(shù)據(jù)流將無法或很少獲得網(wǎng)絡資源。

通過實驗數(shù)據(jù)分析，F(xiàn)AST TCP協(xié)議在RTT公平性方面表現(xiàn)較差，遠遠低于傳統(tǒng)的TCP Reno協(xié)議。

2.3 存在的問題

在FAST TCP協(xié)議模型中，由于假設源端的發(fā)送速率不能超過最大鏈路帶寬。鏈路隊列延遲矩陣p(t)能根據(jù)窗口大小計算[6]。假設wi(t)=wi，則鏈路上的延遲pm(t)=pm≥0表示如公式（5）

當FAST TCP流達到平衡狀態(tài)時，吞吐量表示為如公式（6）

其中ai是FAST TCP在到達平衡位置時源i流在鏈路中數(shù)據(jù)包的個數(shù)。

在TCP Reno中，每個RTT時間內(nèi)擁塞窗口加1，導致具有較小 RTT的連接迅速增加窗口從而掠奪網(wǎng)絡資源。FAST TCP和TCP Reno不同[7]，它對傳播時延較大的流并不存在偏見，即使遇到這種情況，發(fā)送端為了維持鏈路中數(shù)據(jù)包的數(shù)量，也會給該流一個合適的擁塞窗口。

FAST TCP是通過估計部分計算的base RTT[8]來調(diào)整其窗口大小，傳播時延測量的準確性對FAST TCP窗口控制部分至關重要。而當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞改變路由時，會造成傳輸時延的變化，這種變化是很難捕捉到的，當網(wǎng)絡穩(wěn)定后，新的傳播時延大于重路由前的傳播時延時，連接的吞吐量會劇烈下降，從而使FAST TCP的連接無法獲得公平的帶寬分配。

根據(jù)以上的分析，F(xiàn)AST TCP在公平性方面存在一些問題：

首先，從FAST TCP窗口更新公式看出，當RTT測量結果不準確時，會使FAST TCP窗口的增長速率相對溫和，從而占用較少的帶寬，不利于FAST TCP與其它協(xié)議競爭帶寬。

第二，在 FAST TCP中，具有較短RTT的連接排隊時延更短，這可以幫助它在平衡狀態(tài)時保持較多的數(shù)據(jù)包，從而有利于去搶奪網(wǎng)絡資源。

第三，隨著流的不斷加入，網(wǎng)絡環(huán)境時刻變化，由于FAST TCP使用隊列延遲的擁塞控制方法，當對base RTT的測量失誤時，會對FAST TCP的整體性能造成不良影響，從而影響FAST TCP連接的公平性以及效率。

3 結論

通過對 FAST TCP的分析，可以看到新算法與傳統(tǒng)的TCP Reno相比，確實有了很大進步和提高。但由于每個協(xié)議設計的出發(fā)點和側重點的差異，F(xiàn)AST TCP也存在不足，在高帶寬時的 RTT公平性方面表現(xiàn)不佳。通過分析，考慮可以通過在原有算法中添加一個公平因子，消除RTT的影響，從而有效地提高算法的公平性表現(xiàn)。

[1]李衛(wèi)星,嚴暉.FAST TCP公平性改進研究[J].計算機應用與軟件,2010(11):37-39.

[2]Floyd S. High-Speed TCP for large congestion windows[S /OL]. RFC3649, 2003.

[3]David X Wei, C Jin, S H Low, et al. FAST TCP: motivation, architecture, algorithms, performance.[C]IEEE/ACM Trans. Net, 2006, 14:1246-1259.

[4]丁一,汪永琳.長距離高帶寬環(huán)境下FAST TCP的結構與性能分析[J].科技信息，2006(01):1-3.

[5]王德鎖,舒勤.TCP擁塞控制機制在高速網(wǎng)絡中的局限性[J].中國測量技術,2007(03):47-67

[6]李士寧,王猛,趙磊.長距離高帶寬環(huán)境下的 TCP[J]擁塞控制.2006(01):47-50

[7]羅萬明,林闖,閻保平.TCP/IP擁塞控制研究[J].計算機學報,2009(01)

[8]劉秋讓,倪紅波.TCP擁塞控制解決辦法分析及評價[J].計算機工程,2008(06):59-61