梁劍

【摘 要】 隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡的帶寬越來越大，并且無線設備應用越來越廣，傳統(tǒng)的擁塞控制算法無法很好地適應這一變化。BBR是由谷歌公司提出的新的擁塞控制算法，它使用往返時延和帶寬控制擁塞窗口。本文通過研究其原理及在Linux中的實現(xiàn)，以及相關(guān)實驗，評估了BBR算法的性能，包括吞吐量、往返時間、公平性，并提出了進一步研究的方向。

【關(guān)鍵詞】 擁塞控制;BBR;Linux

【中圖分類號】 TP393 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0097-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1前言

TCP（Transmission Control Protocol）是因特網(wǎng)協(xié)議中最重要的協(xié)議之一。作為傳輸層的主要協(xié)議，TCP實現(xiàn)了可靠傳輸、流量控制、擁塞控制等功能。由于網(wǎng)絡層的IP協(xié)議是盡最大努力交付的非連接協(xié)議，因此其不能有效地分配網(wǎng)絡資源，這使得IP網(wǎng)絡中的擁塞控制變得非常難。TCP作為IP網(wǎng)絡的上一層，承擔者擁塞控制的任務，確保因特網(wǎng)不會因擁塞而癱瘓。

TCP基本的擁塞控制算法有四種，分別是慢 開始、擁塞避免、快重傳、快恢復。無論什么樣的擁 塞控制算法，都可以歸結(jié)為設置擁塞控制窗口。傳統(tǒng)的擁塞控制算法通過丟包來感知擁塞的，事實上這已經(jīng)比擁塞的發(fā)生晚了許多。及早將路由器緩存的情況報告給發(fā)送者，是減少丟包的好方法。方法一是使用ECN（顯式擁塞通告），當路由器發(fā)生擁塞時，把減速的信號發(fā)給數(shù)據(jù)發(fā)送者。這種方法的問題是需要對現(xiàn)有的路由器做出較大的改造，并且會加重路由器的負擔。另一種方法是測量RTT（數(shù)據(jù)包往返時延）值，當RTT值增大時，就減小發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中的代表是Vegas算法，但它的問題在于當路由器緩存被占據(jù)時，Vegas會主動減速，這時會把帶寬讓給其他TCP數(shù)據(jù)發(fā)送者。

2 BBR算法的工作原理

BBR是一種TCP新的擁塞控制算法，它不再把 丟包作為擁塞產(chǎn)生的信號，而是和Vegas一樣基于RTT來檢測擁塞。相比于丟包，檢測RTT能更早地發(fā)現(xiàn)擁塞，進而采取減速的措施。在BBR算法中通過周期性地檢測RTT和帶寬來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的擁塞情況。如圖1所示：

在第一個豎線之前，路由器有充足的帶寬，因 為不會出現(xiàn)排隊，RTT的值是個恒定的值，實際傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)就是注入的數(shù)據(jù)量。當?shù)竭_第一個豎線點時，實際帶寬將不再增加，注入更多的數(shù)據(jù)只會增加RTT。在這點，發(fā)送方就不能再增加注入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量了。當?shù)竭_第二個豎線時，路由器的緩存就會被填滿，丟包就會出現(xiàn)。

在理想情況下，擁塞窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)等于已注入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。這個值就是時延帶寬積，記作BDP（Bandwidth-Delay Product），時延記作RTT，帶寬記作BtlBw，于是就有：

BDP=BtlBw*RTT

BBR擁塞控制算法的核心在于控制注入網(wǎng)絡 的數(shù)據(jù)量，即控制擁塞窗口，擁塞窗口記作Cwnd， 引入?yún)?shù)增益值gain，于是擁塞窗口就有：

Cwnd=BtlBw*RTT*gain

通過控制增益值gain的大小，就能控制實際數(shù) 據(jù)包的發(fā)送速度。

BBR擁塞控制算法有四個階段分別是STARTUP、DRAIN、PROBE_BW、PROBE_RTT。相比其他的擁塞控制算法，BBR沒有傳統(tǒng)意義的慢開始階段，STARTUP可以看作是等效于慢開始。

在STARTUP階段，gain會取一個比較大的值，默認是2/ln2，大約是2.885，在這個階段注入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量會從一個較小的值開始快速增加，一直到帶寬不再增長，則退出STARTUP階段，進入DRAIN階段。

在DRAIN階段，將設置一個較小的gain值，默認是ln2/2，大約是0.3466，在這個階段先前注入的到網(wǎng)絡中過多數(shù)據(jù)包被排空后，將會進入PROBE_BW階段。

正常情況下，BBR的多數(shù)時間將處于PROBE_BW階段，在這個階段發(fā)送方會試探性地向網(wǎng)絡中多注入一些數(shù)據(jù)包，以檢測是否有多余的帶寬。具體方法是在第一個RTT時間內(nèi)將gain增加到1.25，探測是否有多余帶寬，在第二個RTT，將gain減少到0.75排空多余的數(shù)據(jù)包，接著6個RTT時間內(nèi)，將gain設置為1，持續(xù)外送數(shù)據(jù)。這樣每8個RTT作為一個周期，探測帶寬。

一般情況下，在沒有數(shù)據(jù)排隊的情況下，測得 的RTT值最小，BBR會在每10秒的傳輸中消耗200ms探測最小RTT值，這就是PROBE_RTT階段。在此階段，將窗口縮小為4個MSS，可以檢測出最小的RTT，這同時也是帶寬禮讓的過程，讓其他的TCP連接有機會占用帶寬。

3 BBR算法的仿真

3.1 BBR行為仿真

文獻使用Netem實現(xiàn)了BBR仿真，但是數(shù)據(jù)量取得不夠多。本實驗使用MiniNet仿真。只有一個TCP連接，使用BBR算法，帶寬設置是10Mbit/s，鏈路延時為250ms，前20秒的數(shù)據(jù)發(fā)送量如圖2所示。

由圖2可以看出初始階段數(shù)據(jù)發(fā)送量增長很快，在第6秒進入穩(wěn)定狀態(tài)，并且多次探測有更大窗口的可能，在第11.5秒，發(fā)送量快速減少進入RTT探測階段。

圖3顯示的是實際完成的吞吐量，由于中間路由器系統(tǒng)的限制，超過8Mb/s的部分就被截掉了。

圖4中數(shù)據(jù)說明，當注入網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量大時，則RTT就變大，當數(shù)據(jù)量小時，RTT變小，但不會小于鏈路的延時。

3.2 BBR與CUBIC的對比

設置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡延時是250ms，CUBIC實際RTT如圖5所示。

從圖5中可以看到CUBIC更傾向于占用緩存，從而導致RTT的值偏大。

圖6是設置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡延時是250ms，一個BBR連接，一個CUBIC連接的情況。

從圖6中看出，BBR的帶寬搶占能力非常強，其原因是BBR不區(qū)分擁塞丟包和誤碼丟包，丟包時對發(fā)送速率影響小，而CUBIC會在丟包時大幅度減速。

3.3 BBR協(xié)議的公平性

正如前面所述，BBR與CUBIC之間不具備公平性。圖7是設置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡延時是250ms，兩個BBR連接的情況。

圖7中在20秒時，第二個BBR連接開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從圖中分析可知，當多個BBR流同時傳送時，后發(fā)的BBR流是可以獲得帶寬的，關(guān)鍵在于BBR的RTT探測階段會釋放所占用的帶寬，這種退避機制保證了其他的TCP流能獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，但這個過程比較長。

4結(jié)論

BBR作為一個新的擁塞控制算法主要體現(xiàn)在 對TCP傳輸中基于延時來調(diào)整發(fā)送速率，由于 BBR對丟包不敏感，因此在一些誤碼率較高的網(wǎng)絡上有積極意義。比如說在衛(wèi)星網(wǎng)絡中，延時和丟包率都比較高，在這樣的網(wǎng)絡中部署B(yǎng)BR具有較高的效果。

BBR擁塞控制算法在網(wǎng)絡延時上有一定的減 小，但當整個網(wǎng)絡中出現(xiàn)因擁塞而導致丟包時，BBR算法不會快速降低發(fā)送速度，使得部署B(yǎng)BR的計算機能搶得更多的帶寬，這使得其在公平性上存在嚴 重問題，這將是下一步的研究方向。

【參考文獻】

[1]Xu LS，Rhee I.CUBIC：A new TCP-friendly high-speedTCP variant[J].ACM SIGOPS Operating System Review，2005，42（5）：64-74.

[2]BrakmoL，O’Malley S.TCP vegas：New techniques forcongestion detection and avoidance[J].Conference onCommunications Architectures，1994，24（4）： 24-35.

[3]Cardwell N，Cheng YC.BBR：Congestion-based congestioncontrol[J]. ACM Queue，2016，14（5）：20-53.

[4]李振濤，任勇毛，周旭，等.BBR-TCP協(xié)議實驗性能評價[J].計算機系統(tǒng)應用，2018，27（9）：229-235.