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        基于多尺度分層改進(jìn)FAST TCP公平性算法研究

        2019-08-01 03:59:47曾凌靜
        關(guān)鍵詞:多尺度公平分層

        曾凌靜

        摘? 要: FAST TCP傳輸延時(shí)的估計(jì)是一個(gè)有待解決的問題。針對(duì)該關(guān)鍵問題,提出一種多尺度分層改進(jìn)算法。在第一層,以較小的時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)記錄當(dāng)前類FAST TCP流的啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間和往返延時(shí)等狀態(tài)信息;在第二層,以較大的尺度計(jì)算平均排隊(duì)延時(shí)。當(dāng)新的FAST TCP流到達(dá)時(shí),根據(jù)當(dāng)前往返延時(shí)和第二層算法提供的平均排隊(duì)延時(shí)估計(jì)本時(shí)間周期傳播延時(shí),在沒有外部測量設(shè)備參與和網(wǎng)絡(luò)支持的情況下,實(shí)現(xiàn)高精度的傳播延時(shí)估計(jì)。NS-2仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。

        關(guān)鍵詞: FAST TCP; 傳播延時(shí); 公平; 分層; 多尺度

        中圖分類號(hào): TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? ? ? ? ? 文章編號(hào): 1671-2153(2019)03-0105-04

        0? 引言

        FAST TCP[1-3]是針對(duì)高速長延時(shí)網(wǎng)絡(luò)提出的一種新型傳輸控制協(xié)議,它采用排隊(duì)延時(shí)來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài),使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加穩(wěn)定、高效、公平。與丟包概率相比,排隊(duì)延時(shí)提供了更好的擁塞估計(jì),并能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行擴(kuò)展。利用排隊(duì)時(shí)延,確定窗口調(diào)整策略,使FAST TCP在高速長延時(shí)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高吞吐量。但眾所周知,它們的均衡傳輸速率對(duì)估測的往返傳播延時(shí)的精度和估計(jì)的排隊(duì)延時(shí)都非常敏感[4-7]。FAST TCP的源端發(fā)送窗口更新操作依賴于傳播延時(shí)BaseRTT參數(shù),而該BaseRTT參數(shù)可描述為目前觀察到的最小往返傳輸延時(shí)(RTT)。由于瓶頸鏈路隊(duì)列永遠(yuǎn)不會(huì)清空,因此FAST TCP 可能無法準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際的傳輸延時(shí),從而導(dǎo)致不公平性。然而,目前對(duì)FAST TCP的公平性的研究還沒有深入展開,它仍然是一個(gè)急待解決的問題。

        文獻(xiàn)[4-5]解釋了這種不準(zhǔn)確估測導(dǎo)致FAST的不公平性,并表明:通過在每個(gè)流優(yōu)先級(jí)中給出第一個(gè)包來改進(jìn)這種估測,可以提高公平性并減少排隊(duì)變化。文獻(xiàn)[6]指出,只有在每個(gè)流對(duì)其真正的傳播延時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)時(shí),F(xiàn)AST才能實(shí)現(xiàn)公平性,除非有網(wǎng)絡(luò)支持,比如允許探測包繞過隊(duì)列,但獲得真正傳播延時(shí)的唯一方法是讓隊(duì)列清空。因此,Tony Cui建議對(duì)每個(gè)新啟動(dòng)的流進(jìn)行簡單的節(jié)流以清空隊(duì)列,從而獲得傳播延時(shí)的可靠估計(jì)。文獻(xiàn)[7]提出的方法無法保證隊(duì)列會(huì)被清空,所以無法獲得精確的傳播延時(shí)。文獻(xiàn)[8]提出了一種新的解決方案,它不依賴于直接測量傳播延時(shí);相反,通過調(diào)整傳輸速率,源端能夠計(jì)算出估計(jì)往返傳輸延時(shí)的誤差,從而與其他FAST TCP流均勻地共享鏈路。但文獻(xiàn)[7]表明,這種方法只有在新的FAST到達(dá)時(shí)才有效,因?yàn)镕AST對(duì)往返傳播延時(shí)的估計(jì)不準(zhǔn)確,當(dāng)多個(gè)FAST到達(dá)一個(gè)瓶頸鏈路時(shí),會(huì)出現(xiàn)不公平現(xiàn)象。雖然FAST不能直接通信,但該改進(jìn)算法充分利用源端信息,獲得同步回退時(shí)鐘和最小回退因子,然后通過該算法使新舊流同時(shí)降低發(fā)送速率,最后,鏈路緩沖區(qū)隊(duì)列快速變?yōu)榭贞?duì)列,從而快速估計(jì)真實(shí)的傳播延時(shí)。通過這種改進(jìn)后的方法,能夠獲得較高的傳播延時(shí)估計(jì)精度和較好的新老流之間的公平性,但是這種方法需要犧牲FAST系統(tǒng)的一些穩(wěn)定性。

        綜上所述,對(duì)于FAST的公平性問題,目前還沒有很好的解決方案。因此,我們希望通過FAST TCP商業(yè)應(yīng)用找到解決這一公平性問題的方法。

        FASTSoft公司成立于2006年,獲美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)和思科公司資助,在加州理工學(xué)院(Caltech)開發(fā)了名為FAST TCPTM的一種突破性的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)。FASTSoft的產(chǎn)品提高了網(wǎng)站和web應(yīng)用程序的性能,并在不需要客戶端軟件或?yàn)g覽器插件的情況下,加快了視頻和其他數(shù)字內(nèi)容在互聯(lián)網(wǎng)上的分發(fā)速度。FASTSoft的E系列軟件安裝在現(xiàn)成的Dell服務(wù)器上,在沒有客戶端軟件或?yàn)g覽器插件的情況下,提供了最高級(jí)別的Internet性能和TCP加速;從發(fā)送器到任意多個(gè)接收器的加速度是單向的;它因?yàn)椴恍枰薷姆?wù)器或重寫代碼,使網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序透明地運(yùn)行,并且安裝迅速。

        針對(duì)FAST單向加速的特點(diǎn),本文提出了一種新的多尺度分層算法。在第一層,以較小的時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)記錄當(dāng)前類FAST TCP流的啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間和往返延時(shí)等狀態(tài)信息。在第二層,以較大的尺度計(jì)算本尺度周期的平均排隊(duì)延時(shí)。當(dāng)新的FAST TCP流到達(dá)時(shí),根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的RTT和這個(gè)大尺度的平均排隊(duì)延時(shí)估計(jì)傳播延時(shí),在沒有外部測量設(shè)備參與和網(wǎng)絡(luò)支持的情況下,實(shí)現(xiàn)了高精度的傳播延時(shí)估計(jì)。

        1? FAST TCP單向加速系統(tǒng)描述

        根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型,我們可以構(gòu)建如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。圖1中,假設(shè)S1為信源主機(jī)節(jié)點(diǎn),D1、D2、…DM為信宿主機(jī)節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)L1,L2構(gòu)成瓶頸環(huán)節(jié)。信源主機(jī)、若干個(gè)相連接的鏈路和信宿主機(jī)組成一條路由。例如,S1-L1-L2-D1是一條路由。

        對(duì)于FAST TCP連接i,有:發(fā)送端發(fā)送擁塞窗口(包)Wi(t);FAST TCP流傳播時(shí)延baseRTT di;瓶頸鏈路L1-L2隊(duì)列排隊(duì)延時(shí)qi(t);FAST TCP流往返延時(shí)RTT Di(t),其中Di=di+qi(s);FAST TCP流速率xi(t)(數(shù)據(jù)包/秒),xi(t)=wi(t)/Di(t);FAST TCP流協(xié)議參數(shù)(數(shù)據(jù)包)αi;比例增益協(xié)議參數(shù)gi;瓶頸鏈路L1-L2鏈路容量(數(shù)據(jù)包/秒)c;FAST TCP流窗口更新周期T(秒)。

        FAST TCP流根據(jù)傳播延時(shí)baseRTT和往返延時(shí)定期更新?lián)砣翱诘膫未a是:

        2? 不公平性仿真驗(yàn)證

        考慮到FIFO(first in first out)調(diào)度下的FAST TCP 流發(fā)送,在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖线\(yùn)行NS-2仿真,鏈路容量和傳播時(shí)延見圖1。如圖2所示,使用一個(gè)FAST TCP 發(fā)送器和三對(duì)接收器(S1-D1,S1-D2,S1-D3),每對(duì)創(chuàng)建10個(gè)具有不同活動(dòng)周期的FAST流。在0到1000的時(shí)間段在S1-D1的鏈路上創(chuàng)建10個(gè)FAST TCP流。在150-600 s在S1-D2鏈路上創(chuàng)建10個(gè)FAST TCP 流,在400 s到1000 s之間在S1-D3鏈路上創(chuàng)建10個(gè)FAST TCP流。

        把每個(gè)FAST TCP流的協(xié)議參數(shù)設(shè)置為αi=50,增益參數(shù)gi=0.5,假設(shè)每個(gè)包大小設(shè)置為1K字節(jié)。

        假設(shè)路由器的緩沖區(qū)足夠大,可以避免數(shù)據(jù)包丟失,并且FAST TCP源端總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送。仿真結(jié)果如圖3所示。

        從圖3可見,在0到150 s,S1-D1先創(chuàng)建的10條FAST TCP流能夠準(zhǔn)確地估計(jì)瓶頸鏈路L1-L2的傳播延時(shí),因此可以公平地分配帶寬。在150 s到400 s之間,S1-D2中創(chuàng)建的10條FAST TCP流,在隊(duì)列無法清空的情況下,無法獲得準(zhǔn)確的傳播延時(shí)。從圖3看見,后面10條創(chuàng)建的FAST TCP 流估計(jì)的傳播延時(shí)比S1-D1鏈路的10條連接要大,估計(jì)排隊(duì)延時(shí)就小,因此比S1-D1鏈路的FAST TCP流獲得了更多的帶寬,從而使得各FAST TCP 流失去了公平性。同理,400 s到600 s之間,S1-D3又產(chǎn)生10條FAST TCP流,參與競爭帶寬,同理,后面產(chǎn)生的FAST TCP 流 比前400 s的FAST TCP流獲得了更多的帶寬。到600 s后,由于S1-D2的FAST TCP流結(jié)束了發(fā)送包,隊(duì)列瞬間出現(xiàn)的清空現(xiàn)象,S1-D1和S1-D3的活躍的FAST TCP流有機(jī)會(huì)估計(jì)了準(zhǔn)確的傳播延時(shí),從而600 s后,活躍的FAST TCP流能夠公平的競爭帶寬,仿真驗(yàn)證了上述分析的準(zhǔn)確性。

        3? 改進(jìn)后FAST算法描述

        為了快速準(zhǔn)確地估計(jì)傳播延時(shí),根據(jù)NS-2仿真結(jié)果,對(duì)改進(jìn)后的算法進(jìn)行分析。

        如圖1所示,單向FAST TCP 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有一個(gè)信源主機(jī)節(jié)點(diǎn)S1,所有活動(dòng)的FAST TCP 流都可以相互通信,活躍的FAST TCP流可以充分利用歷史流信息,快速準(zhǔn)確地估測傳播延時(shí)。

        在第一層算法,F(xiàn)AST TCP 流增加了啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)FAST TCP到達(dá)時(shí),小時(shí)間尺度記錄每個(gè)FAST TCP流啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、往返延時(shí)RTT和傳播延時(shí)baseRTT。第二層算法,大時(shí)間尺度統(tǒng)計(jì)這個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)平均排隊(duì)延時(shí),即平均排隊(duì)延時(shí)等于往返延時(shí)減去傳播延時(shí)。當(dāng)有新的FAST到達(dá)時(shí),第二層算法可以為當(dāng)前FAST TCP流提供本時(shí)間尺度平均的排隊(duì)延時(shí)。在計(jì)算傳播延時(shí)時(shí),根據(jù)當(dāng)前的往返延時(shí)減去第二層算法提供的平均排隊(duì)延時(shí)來估計(jì)準(zhǔn)確的傳播延時(shí)。

        算法1:

        在原有FAST基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn):

        第一層算法,對(duì)于每個(gè)活動(dòng)的FAST TCP 流i,每小時(shí)間尺度,記錄當(dāng)前排隊(duì)時(shí)延qi,now;FAST TCP 流i的建立開始時(shí)間ti,start和運(yùn)行時(shí)間ti,time。

        根據(jù)ti,start判斷確定本小時(shí)間尺度時(shí)間內(nèi)最早建立的FAST TCP排隊(duì)延時(shí)qi,now作為本小時(shí)間尺度瓶頸鏈路排隊(duì)延時(shí)。

        第二層算法,大時(shí)間尺度統(tǒng)計(jì)瓶頸鏈路平均排隊(duì)延時(shí)qi,now,平均排隊(duì)延時(shí)等于各個(gè)小時(shí)間尺度(根據(jù)ti,start和ti,time)內(nèi)統(tǒng)計(jì)的各個(gè)排隊(duì)延時(shí)的平均值。

        當(dāng)新的FAST TCP流j建立時(shí),按公式(2)計(jì)算傳播延時(shí)。

        定理1:在如圖1所是的單向加速網(wǎng)絡(luò)模型,多尺度分層改進(jìn)的FAST TCP算法1能夠使得每個(gè)活躍FAST TCP流計(jì)算出精確的傳播延時(shí)。

        證明:用數(shù)學(xué)歸納法證明。

        當(dāng)i=1時(shí),瓶頸鏈路路由器的隊(duì)列為空,因此第一個(gè)FAST可以獲得準(zhǔn)確的傳播延時(shí)。

        當(dāng)i=2,第一個(gè)FAST獲得準(zhǔn)確的傳播延時(shí), 第2層算法可以準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前的瓶頸環(huán)節(jié)排隊(duì)延時(shí)。第二個(gè)FAST可以根據(jù)根據(jù)當(dāng)前的往返延時(shí)減去排隊(duì)延時(shí),從而計(jì)算準(zhǔn)確的傳播延時(shí)。

        假設(shè)這個(gè)結(jié)論對(duì)于i-1是正確的,現(xiàn)有的i-1個(gè)FAST TCP流已經(jīng)建立了精確的傳播延時(shí)。

        當(dāng)新的FAST到達(dá)時(shí),第2層算法可提供本時(shí)間尺度內(nèi)平均的排隊(duì)延時(shí)。因?yàn)橹暗膫鞑パ訒r(shí)都準(zhǔn)確,所以排隊(duì)延時(shí)也是準(zhǔn)確的?,F(xiàn)有的i-1個(gè)FAST已經(jīng)建立了精確的傳播延時(shí)qnow,上層算法就可以提供準(zhǔn)確的隊(duì)列延時(shí),因此第i個(gè)FAST可以利用算法1計(jì)算出精確的傳播延時(shí)。

        4? 模擬仿真

        以下給出了一組NS-2仿真結(jié)果,驗(yàn)證了改進(jìn)的公平性算法1的有效性。對(duì)“不公平性仿真驗(yàn)證”中考慮的相同環(huán)境進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖4所示。

        將圖3與圖4進(jìn)行比較,在150 s和400 s中,延時(shí)連接的FAST TCP流用算法1估計(jì)精確的傳播延時(shí),可以得到瓶頸鏈路帶寬的相等份額;在600 s中,當(dāng)FAST離開路由2時(shí),隊(duì)列占用率下降,因此現(xiàn)有的FAST TCP流都得到真正的傳播延時(shí),并獲得瓶頸鏈路帶寬的相等份額。

        5? 結(jié)論

        根據(jù)FAST的單向應(yīng)用中各FAST TCP具有共享一些信息特點(diǎn),提出了一種新的多尺度分層算法。在第一層,以較小的時(shí)間尺度收集活動(dòng)的FAST TCP流的歷史信息,如啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、排隊(duì)延時(shí)等。在第二層算法大尺度計(jì)算平均排隊(duì)延時(shí)。這樣,當(dāng)有新的FAST到達(dá)時(shí),可以根據(jù)第二層算法提供的準(zhǔn)確排隊(duì)延時(shí)計(jì)算傳播延時(shí),從而是以當(dāng)前估測的往返延時(shí)與計(jì)算的傳播延時(shí)之差作為瓶頸鏈路的排隊(duì)延時(shí)。仿真結(jié)果表明,在沒有外部測量設(shè)備參與和網(wǎng)絡(luò)支持的情況下,該算法可以提高TCP系統(tǒng)的公平性。

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