張 健

(國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心 黑龍江分中心， 哈爾濱 150001)

引言

一個(gè)好的端到端擁塞控制協(xié)議必須能達(dá)到公平的高吞吐、低延遲傳輸。雖然過(guò)去了三十多年，但現(xiàn)有協(xié)議依然在朝著這個(gè)方向演進(jìn)。其中的一個(gè)原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著時(shí)代不斷發(fā)展。自從十年前TCP cubic提出來(lái)改善TCP reno在高帶寬延遲及鏈路性能開(kāi)始，鏈路的速率得到了明顯的改善，并且無(wú)線鏈路也變得更加普遍，并且互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)變得更加全球化并且高RTT現(xiàn)象得到有效改善。更快的鏈路速率意味著許多數(shù)據(jù)流開(kāi)始和停止更快，與這些鏈路共同存在的是那些視頻流、大塊文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。在這樣一個(gè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)流、短數(shù)據(jù)流共存的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求并不相同(高吞吐vs低延遲)。大的帶寬延遲積鏈激化了bufferbloat問(wèn)題。一個(gè)更加廣闊的互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)致了不同傳輸延遲的數(shù)據(jù)流共享共同的瓶頸。

同時(shí)，用戶(hù)和應(yīng)用對(duì)延遲的敏感程度也在進(jìn)化。體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)被用來(lái)作為網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的度量。許多公司投入大量的財(cái)力物力改進(jìn)其服務(wù)的QoE。在這樣的背景下，作為傳輸層核心協(xié)議的TCP，其擁塞性能的改進(jìn)對(duì)于用戶(hù)和應(yīng)用的QoE改進(jìn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

對(duì)于擁塞的研究，自從Reno開(kāi)始，分為幾個(gè)脈絡(luò)。第一個(gè)從Reno開(kāi)始，擴(kuò)展到Cubic和Compound，依賴(lài)于丟包(或者ECN)作為基本的擁塞信號(hào)。這些方法通過(guò)犧牲了延遲表現(xiàn)來(lái)達(dá)到更高的吞吐性能。這也使得這些在低延遲數(shù)據(jù)流混合高吞吐長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)流的時(shí)候性能堪憂(yōu)。為了解決這一問(wèn)題，一些協(xié)議，如Vegas、Fast使用延遲而不是丟包作為擁塞信號(hào)。不幸的是，這些模式更加傾向于高估延遲，次高延遲是因?yàn)锳CK壓縮、網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)以及鏈路低利用率。并且這些模式與基于丟包的算法同時(shí)運(yùn)行的時(shí)，其性能無(wú)法保障，因?yàn)榛趤G包的算法往往會(huì)將網(wǎng)絡(luò)緩存統(tǒng)統(tǒng)填滿(mǎn)。第三個(gè)脈絡(luò)是從十年前開(kāi)始，主要集中在特殊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和負(fù)載情況，而不是針對(duì)廣義網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)。過(guò)去幾年初見(jiàn)端倪的擁塞控制算法被用在數(shù)據(jù)中心、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Web應(yīng)用、視頻流、車(chē)載WiFi等。這些特定情況下的擁塞控制往往優(yōu)于一般的廣義TCP擁塞控制協(xié)議。第四種脈絡(luò)是開(kāi)始于最近，為端到端擁塞控制，這種研究認(rèn)為擁塞控制的信號(hào)和動(dòng)作空間對(duì)于人類(lèi)工程來(lái)說(shuō)太過(guò)于復(fù)雜，并且算法相比人類(lèi)能夠做出更好的決策。這些方法定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)引導(dǎo)控制動(dòng)作收斂到目標(biāo)函數(shù)上。

在許多情況下這些基于目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化算法性能優(yōu)于廣義的窗口更新的算法。這一類(lèi)算法的缺點(diǎn)在于，其在線的規(guī)則通常難于被人們所理解(比如一個(gè)簡(jiǎn)單的Remy控制器具有200條規(guī)則)。在線優(yōu)化測(cè)量相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)作為優(yōu)化算法的輸入。那么，有沒(méi)有一種控制算法，即能達(dá)到高吞吐、低延遲、保證公平的速率分配、易于被理解、能應(yīng)用在廣義的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和負(fù)載下，并且至少與已有的特殊情況下的算法一樣好。

本文提出一種端到端的TCP擁塞控制，這種控制算法根據(jù)RTT估算TCP遭遇的隊(duì)列延遲。將網(wǎng)絡(luò)中的效用建模為優(yōu)化問(wèn)題，帶入延遲求出最優(yōu)吞吐。根據(jù)該吞吐調(diào)整擁塞窗口，直到實(shí)際吞吐收斂于最優(yōu)吞吐。

1 系統(tǒng)建模及算法

在網(wǎng)絡(luò)中，通常需要數(shù)據(jù)傳輸具有高吞吐、低延遲特點(diǎn)。一個(gè)好的擁塞控制算法能夠在高吞吐的情況下有效避免隊(duì)列的bufferboat問(wèn)題，隊(duì)列有效增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐，但是同樣會(huì)引入丟包、延遲等問(wèn)題。如何控制網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的隊(duì)列長(zhǎng)度問(wèn)題，受到了研究者的關(guān)注。在本文中，網(wǎng)絡(luò)的效用問(wèn)題定義為max (logλ+εlogd)，其中，隊(duì)列延遲d可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量得出，ε為吞吐和延遲之間的權(quán)重因子。通過(guò)調(diào)整ε來(lái)調(diào)整吞吐和延遲的重要性。

1.1 算法

首先測(cè)量隊(duì)列排隊(duì)延遲d，然后根據(jù)該延遲計(jì)算出最優(yōu)的吞吐λ。如果速率大于當(dāng)前擁塞窗口支持的速率，降低擁塞窗口，并觀察延遲，直到速率降低到λ為止；如果小于當(dāng)前擁塞窗口支持速率，增加擁塞窗口，規(guī)模為1，并觀測(cè)延遲，直到速率增加到λ為止。

1.2 延遲測(cè)量

TCP通信過(guò)程中，3個(gè)窗口決定速率：發(fā)送窗口、擁塞窗口、接收窗口。發(fā)送窗口即發(fā)送端的可用發(fā)送緩存大小；接收窗口為接收端的可用接收緩存大小；擁塞窗口為網(wǎng)絡(luò)中最多可注入的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。對(duì)于每個(gè)ACK，發(fā)送者估計(jì)當(dāng)前速率為β=cwnd/RTTs,其中，RTTs是在上一個(gè)時(shí)間窗τ觀測(cè)到的最小RTT大小。τ=srtt/2，srtt(smoothedRTT)通過(guò)公式SRTT=(β*SRTT) + ((1-β)*RTT)進(jìn)行計(jì)算。用dq=RTTs-RTTmin來(lái)估計(jì)隊(duì)列延遲。

2 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

實(shí)驗(yàn)評(píng)估在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行。在當(dāng)前版本的Linux中默認(rèn)擁塞控制函數(shù)為Cubic。通過(guò)tcp_cong.c中api接口進(jìn)行調(diào)度。在本文中同樣通過(guò)API的方式調(diào)度設(shè)計(jì)的調(diào)度算法，通過(guò)sys_ctl命令設(shè)置啟用。為了理解流到達(dá)和離開(kāi)的行為，本文設(shè)置鏈路參數(shù)為：100Mbit/s，20ms RTT和1 BDP緩存，隊(duì)列機(jī)制用fq_codel (一種默認(rèn)的基于隊(duì)列延遲的隊(duì)列調(diào)度算法)。編寫(xiě)的TCP發(fā)生函數(shù)用來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)參數(shù)的TCP數(shù)據(jù)流，對(duì)應(yīng)的TCP接收程序接收發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)吞吐以及延遲。每個(gè)數(shù)據(jù)流在前10 s每秒都到達(dá)，下個(gè)十秒數(shù)據(jù)流離開(kāi)。統(tǒng)計(jì)10個(gè)數(shù)據(jù)流的流量情況，其均值和方差如圖2所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中對(duì)比對(duì)象為T(mén)CP Cubic算法，其中Tim是本文中設(shè)計(jì)的算法。

圖1 Linux內(nèi)核中TCP擁塞控制

圖2 10個(gè)鏈路吞吐的平均值與偏差

從圖2中可以看出Tim的吞吐優(yōu)于Cubic，特別是方差相對(duì)cubic更加穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于隊(duì)列延遲的端對(duì)端TCP擁塞控制算法，該算法以最大化網(wǎng)絡(luò)效用為目標(biāo)，通過(guò)擁塞窗口調(diào)整TCP數(shù)據(jù)流的速率向優(yōu)化速率方向調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的算法在均值和方差方面具有一定的改善。