CN102882803A - 一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，综合考虑网络丢包和时延信息，对拥塞窗口进行混合模式控制。其中，快速模式中，拥塞窗口调整是基于Fast拥塞控制的改进；慢速模式中，每间隔RTT，根据网络状态计算当前网络稳态窗口值，然后进行基于CUBIC改进的拥塞控制策略。本发明充分利用了基于时延和丢包的拥塞控制优势，采用混合式策略进行拥塞控制，两种相结合的拥塞窗口调整模式保证了拥塞窗口快速达到并持续维持网络稳态值；改进后的拥塞控制算法能够在高带宽下，快速有效调整传输层拥塞控制窗口，提高网络流的传输吞吐率，同时保证网络稳定。

Description

一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法

技术领域

本发明属于计算机网络可靠传输方法，特别是一种适用于高带宽长时延网络的基于丢包和时延的混合拥塞控制方法。

背景技术

1986年Jacobson提出的拥塞控制方法，有效解决了网络拥塞控制问题。但随着新一代互联网在向着高速、无线方向发展的同时网络应用如卫星、航空、天文观测、高能物理等海量科研数据传输需求的出现，传统TCP(transmission control protocol)已不能满足日益增长的传输需求。为适应高速长时延网络中数据的传输性能，研究者提出了多种拥塞控制机制，主要包括基于丢包的拥塞控制方法和基于时延的拥塞控制方法。

基于丢包的拥塞控制方法主要针对传统TCP拥塞避免AIMD(AdditiveIncrease Multiplicative Decrease)方法改进。传统TCP在拥塞避免阶段每个RTT(Round Trip Time)窗口增1；当检测到丢包信号(接收到三个重复ACK)时，窗口减半。针对传统TCP拥塞窗口AIMD这一过激调整方式，国内外学者提出了High Speed TCP(HSTCP)、ScalableTCP(STCP)、BIC、CUBIC等拥塞控制方法，在一定程度上满足了高速网络的需求：每经历一次丢包事件时，发送端拥塞窗口能够很快再次达到网络稳态窗口值，提高了网络吞吐率。但基于丢包的拥塞控制方法只是简单修正拥塞避免阶段窗口调整参数；在拥塞检测上主要依据接收端ACK反馈以及源端RTO定时器来估计网络拥塞及严重程度，没有从根本上解决如何提高网络拥塞检测准确率问题：如传输性能良好的CUBIC拥塞控制协议，虽在吞吐率、RTT公平性各方面性能优越，但其网络稳态窗口值在两次丢包期间保持不变，不能及时反应网络内部拥塞现状。

基于时延的拥塞控制方法，主要依据RTT来估计当前网络状态、调整拥塞控制窗口，从根本上摒弃了基于丢包拥塞控制检测的单维信息方式：Vegas拥塞控制方法主要通过测量RTT，计算期望吞吐率与实际吞吐率，根据两者差值与设定阀值之间的大小关系调节拥塞控制窗口。Fast TCP根据网络参数估计网络稳态窗口值，进而更新拥塞窗口。但在实际环境中RTT估计会受到诸多噪音影响，造成误差增大影响当前网络状态的判断，因此完全依赖RTT进行拥塞窗口调整带来了系列问题：Fast TCP依据RTT进行拥塞窗口调整，存在上述误差问题。

基于上述缺陷，本发明提出了一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，为了描述方便，将本发明简述为QFast(Quick Fast),即一种基于Fast TCP拥塞控制算法思想计算网络稳态窗口值(稳态窗口值：网络流在接近网络拥塞时所达到并保持的最大窗口值)；然后依据时延和丢包等多维信息进行混合模式(快速模式和慢速模式)拥塞窗口调整；最终实现拥塞窗口大小最快最稳达到网络稳态窗口值，从而充分利用带宽、提高网络吞吐量的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，为高速长时延网络传输性能的提高提供一个有效方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，包括以下步骤：

1.1）TCP连接源端每收到来自接收端的一个新的ACK时，更新私有状态变量；更新私有状态变量：指当前RTT结束标志序列号seq_end_rtt、稳态窗口更新开关on_first_rtt、上个RTT收到的ACK数acks_last_rtt；根据当前网络流参数，计算并判断拥塞窗口增长模式(快速模式、慢速模式)；

1.2）进入快速模式，表明网络空闲，依快速模式方法对TCP源端拥塞窗口进行调整，以充分利用可用带宽；

1.3）进入慢速模式，表明网络繁忙，依慢速模式方式对TCP源端拥塞窗口进行调整，以探测网络稳态窗口值；

1.4）如果网络发生拥塞事件，重新计算模式转换阈值τ(模式转换阀值τ：发生丢包时，估算的网络中排队数据包的个数)，调整窗口慢启动阀值及拥塞窗口值。

所述计算并判断拥塞窗口增长模式方法如下：

2.1）根据当前统计的网络流参数avgRTT、baseRTT，计算模式转换变量diff（模式转换变量diff：当前网络中排队的数据包个数的估计，是标识网络状态的参考变量，用来决定与当前网络状态相适应的拥塞控制模式）；

所述diff计算公式为：

diff=(avgRTT-baseRTT)*snd_cwnd/avgRTT

其中，avgRTT为平滑RTT，baseRTT为TCP连接最小RTT，snd_cwnd为当前拥塞窗口值；

2.2）TCP连接源端每收到来自接收端的一个新的ACK时，判断模式转换变量diff与模式转换阀值τ(模式转换阀值τ：发生丢包时，估算的网络中排队数据包的个数)关系，进而进入不同的控制模式；

所述快速模式中，窗口调整方式如下：

3.1）根据当前网络流参数avgRTT、baseRTT，计算翻倍增长变量_iff(翻倍增长变量_iff：判断窗口增长方式的参考变量，表示网络中数据包的平均排队时延)，具体计算公式为；

_iff=avgRTT-baseRTT；

3.2）如果_iff小于翻倍增长阀值(系统实现为1ms)，则表明网络中排队时延较小，网络带宽空闲较大，拥塞窗口增长一倍：snd_cwnd+=snd_cwnd；否则窗口增1：snd_cwnd+=1。

所述慢速模式中，窗口调整方式如下：

4.1）snd_cwnd小于慢启动阀值ssthresh时，snd_cwnd+=1；否则，每间隔RTT，计算网络稳态窗口值_[1]，具体计算公式为：

W_tar=min{2*snd_cwnd,(1-γ)*snd_cwnd+γ(baseRTT*snd_cwnd/avgRTT+α)}

其中，γ∈(0,1]，baseRTT是目前观察到的最小RTT，snd_cwnd表示当前拥塞窗口值，α实现中为常量，表示连接中路由器缓存数据包容量；

4.2）采用一个以实际时间为参数的三次函数作为窗口增长函数_[2]，计算当前RTT内可以达到的最大窗口值，依此调整拥塞窗口；W_tar为4.1）步骤计算出的实时网络稳态窗口值；W_{last_reduce}为上一次发生丢包事件时拥塞窗口减小值(根据丢包时控制模式不同，W_{last_reduce}计算方式不同；该拥塞窗口增长函数，能够快速有效的达到W_tar并维持在此稳态窗口值附近，保证协议的高吞吐率，并且窗口增长以实际时间为参数，独立于RTT)；上述窗口具体计算公式为：

$W\left(t\right)=C{(t-K)}^3+W_{\mathrm{tar}},K=\sqrt[3]{W_{\mathrm{last}\_\mathrm{reduce}}/C}$

其中t为从上一次丢包到当前的时间间隔，C为常量，K是计算出的从上次丢包至恢复窗口稳态值所需的时间。

所述丢包、超时等网络拥塞出现时，具体参数调整方式如下：

5.1）根据当前网络参数，动态调整模式转换阀值τ(根据当前网络参数，对τ进行一次平滑处理)，具体计算方法如下：

τ=7/8*τ+1/8*0.8*diff

其中，diff表示当前计算的模式转换变量，τ为模式转换阀值，据经验预设初值为30。

5.2）发生丢包、超时等拥塞事件时，当前拥塞窗口调整方式如下：

当本发明应用于高带宽长时延网络进行TCP传输时，传统TCP拥塞避免阶段丢包后恢复时间长，无法充分利用网络带宽；而基于丢包的各拥塞控制改进方法虽能提高网络利用率，但采用一维丢包检测方式无法从根本上解决拥塞检测问题；基于时延的拥塞控制策略，虽然取得了较好的传输优势，但由于这类方法以RTT为基准进行拥塞控制，无法避免RTT测量误差、RTT公平性等方面问题。

本发明的有益效果主要表现以下几点：

1、本发明提供的技术方案对于高带宽、长时延网络传输性能有显著的提高。

2、具有较好的普遍适用性，而不局限于某一特定网络环境，只要网络带宽达到几十兆bps以上，都能够应用本发明的方案提高网络吞吐率。

3、采用RTT等网络多维信息，能够及时、准确、有效检测网络状态，调整拥塞控制策略。

4、采用CUBIC拥塞控制窗口调整的三次函数调整方式：快速达到网络稳态值并维持这一稳态窗口，同时采用Fast稳态窗口估算方法，实时调整CUBIC的稳态窗口值，从而实时、有效保证网络窗口的调整。

附图说明

图1是本发明所述QFast拥塞控制方法流程图。

图2是本发明所述网络稳态窗口计算方法流程图。

图3是本发明所述三次函数窗口更新方法流程图。

图4是本发明所述网络拥塞时模式转换阀值流程图。

图5及图5a是本发明测试环境及各地测试配置图。

图6a、图6b、图6c、图6d分别是本发明与其它拥塞控制对比测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程对本发明进行进一步说明。

首先参照图5即本发明测试环境配置图，建立运行环境：两台配置FTP客户端并分别配置本发明QFast和其他拥塞控制协议(Illinois、Veno、Fast)的操作系统(本发明测试环境为UBUNTU系统)，配置远程FTP服务器，两台FTP客户端，同时向FTP服务器上传文件

参照图1即本发明所述QFast拥塞控制方法流程图，在TCP建立连接后，拥塞控制方法步骤如下：

步骤一：TCP连接源端每收到来自接收端的一个新的ACK时，更新QFast私有状态变量：指当前RTT结束标志序列号seq_end_rtt、稳态窗口更新开关on_first_rtt、上个RTT收到的ACK数acks_last_rtt；根据当前网络流参数，计算并判断拥塞窗口增长模式(快速模式、慢速模式),具体方法如下：

1）根据当前统计的网络流参数avgRTT、baseRTT、snd_cwnd，如公式(1)，计算模式转换变量diff：

Diff=(avgRTT-baseRTT)*snd_cwnd/avgRTT(1)

2）如模式转换变量diff小于模式转换阀值τ，拥塞窗口控制采用快速模式如下述步骤二；否则为慢速模式如下述步骤三；

步骤二：快速模式中，根据当前网络流参数avgRTT、baseRTT，计算翻倍增长变量_iff，依此调整拥塞窗口，具体方法如下：

1）根据当前网络流参数avgRTT、baseRTT，计算翻倍增长变量_iff(翻倍增长变量_iff:判断窗口增长方式的参考变量，表示网络中数据包的平均排队时延)，如公式(2)；

_iff=avgRTT-baseRTT(2)

2）如_iff小于翻倍增长阀值(据经验值，该阀值系统实现为1ms)，则表明网络中排队时延较小，网络带宽空闲较大，拥塞窗口增长一倍：snd_cwnd+=snd_cwnd；否则窗口增1：snd_cwnd+=1；

步骤三：慢速模式中，根据当前拥塞窗口大小进入不同的拥塞控制阶段：如果拥塞窗口小于慢启动阀值(snd_cwnd<ssthresh)，进入慢启动阶段：每收到一个ACK拥塞窗口增1；否则进入拥塞避免阶段，如步骤四；

步骤四：在拥塞避免阶段，每间隔RTT更新QFast私有状态变量：seq_end_rtt(当前RTT结束的序列号标识)、on_first_rtt(是否处于第一个RTT)、acks_last_rtt(上一个RTT内收到的ACK数)；根据测量数据，计算稳态窗口，采用三次函数方式调整拥塞窗口，具体方法如下：

1)如公式(3)，计算每间隔RTT计算实时的网络稳态窗口值_[1]，具体内核实现如图2即本发明所述网络稳态窗口计算方法流程图(其中，γ∈(0,1)，baseRTT是目前观到的最小RTT，snd_cwnd为当前窗口值，α实现中为常量，表示连接中路由器缓存数据包容量)；

W_tar=min{2*snd_cwnd,(1-γ)*snd_cwnd+γ(baseRTT*snd_cwnd/argRTT+α)} (3)

2）采用以实际时间为参数的三次函数调整方式，如公式(4)，计算W(t)(当前RTT内拥塞窗口目标值)_[2]，具体内核实现如图3即本发明所述三次函数窗口更新方法流程图；每收到一个ACK后依W(t)大小调整拥塞窗口值(其中t为从上一次丢包到当前的时间间隔，K是计算出的从上次丢包至恢复窗口稳态值所需的时间，W_{last_reduce}为上一次发生丢包事件时拥塞窗口减小值，W_tar为1）计算出的实时网络稳态窗口值，（其中，t为从上一次丢包到当前的时间间隔，C为常量，K为计算出的从上次丢包至恢复窗口稳态值所需的时间)：

$W\left(t\right)=C{(t-K)}^3+W_{\mathrm{tar}},K=\sqrt[3]{W_{\mathrm{last}\_\mathrm{reduce}}/C}---\left(4\right)$

步骤五：数据传输中，如果产生丢包、超时等拥塞事件，重新计算拥塞窗口、模式转换阀值τ，具体内核实现如图3即本发明网络拥塞时模式转换阀值等流程图，具体如下：

1）根据当前网络参数，重新计算模式转换阀值τ(根据当前网络参数，对τ进行一次平滑处理)，具体计算方法如下：

τ=7/8*τ+1/8*0.8*diff

其中，diff表示当前计算的模式转换变量，如步骤一所述diff计算方法，τ为模式转换阀值，经验预设初值为30；

2）发生丢包、超时等拥塞事件时，当前拥塞窗口调整方式如下：

步骤六：针对每一组要测试的拥塞控制协议，如上配置依次执行步骤一至步骤五，直至完成所需四组拥塞控制测试结果。

本发明经OPNET仿真后，在UBUNTU内核实现，通过实际网络环境下多个时间段反复测试，与各协议相比，本发明拥塞控制下吞吐率具有明显的提高。其中图5、图5a是测试环境及配置图，图5是测试地区分布；图5a是各地测试配置。

图6a、图6b、图6c、图6d分别是本发明在图5、图5a所示配置下本发明QFast与其他拥塞控制协议实验对比结果图；图6a是QFast与Cubic测试结果实验、图6b是QFast与Fast测试结果、图6c是QFast与Veno测试结果、图6d是QFast与Illinois测试结果。其中，源端位于韩国建国大学，目的端为北京宽带网络。如表1所示分别为图6a、图6c、图6d中QFast与Cubic(a)、Veno(c)、Illinois(d)对应吞吐率及吞吐率比值，表1可见，QFast在韩国建国大学与北京宽带间吞吐率显著提升，提高10倍左右。

表1 韩国建国大学校园网－北京宽带测试

[1] Jin, C., D. X. Wei, et al. FAST TCP: motivation, architecture, algorithms, performance, in:Proceedingsof IEEE Infocom, vol. 4, 2004.

[2] Ha, S., I. Rhee, et al. CUBIC: A new TCP-friendly high-speed TCP variant.ACM SIGOPS Operating Systems Review 42(5) (2008): 64-74.

Claims (5)

1.一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1）TCP连接源端每收到来自接收端的一个新的ACK时，更新私有状态变量；更新私有状态变量：指当前RTT结束标志序列号seq_end_rtt、稳态窗口更新开关on_first_rtt、上个RTT收到的ACK数acks_last_rtt；根据当前网络流参数，计算并判断拥塞窗口增长模式(快速模式、慢速模式)；

1.2）进入快速模式，表明网络空闲，依快速模式方法对TCP源端拥塞窗口进行调整，以充分利用可用带宽；

1.3）进入慢速模式，表明网络繁忙，依慢速模式方式对TCP源端拥塞窗口进行调整，以探测网络稳态窗口值；

1.4）如果网络发生拥塞事件，重新计算模式转换阀值τ(模式转换阀值τ：发生丢包时，估算的网络中排队数据包的个数)，调整窗口慢启动阀值及拥塞窗口值。

2.根据权利要求1所述的一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，其特征在于，所述计算并判断拥塞窗口增长模式方法如下：

2.1）根据当前统计的网络流参数avgRTT、baseRTT，计算模式转换变量diff（模式转换变量diff：当前网络中排队的数据包个数的估计，是标识网络状态的参考变量，用来决定当前网络状态相适应的拥塞控制模式）；

所述diff计算公式为：diff=(avgRTT-baseRTT)*snd_cwnd/avgRTT；

其中，avgRTT为平滑RTT；baseRTT为TCP连接最小RTT；snd_cwnd为当前拥塞窗口值；

2.2）TCP连接源端每收到来自接收端的一个新的ACK时，判断模式转换变量diff与模式转换阀值τ(模式转换阀值τ：发生丢包时，估算的网络中排队数据包的个数)关系，进而进入不同的控制模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，其特征在于，所述快速模式中，窗口调整方式如下： 

3.1）根据当前网络流参数，计算翻倍增长变量_iff (翻倍增长变量_iff：判断窗口增长方式的参考变量，表示网络中数据包的平均排队时延)，具体计算公式为：_iff=avgRTT-baseRTT；

3.2）如_iff小于翻倍增长阀值(系统实现为1ms)，则表明网络中排队时延较小，网络带宽空闲较大，拥塞窗口增长一倍：snd_cwnd+=snd_cwnd；否则窗口增1：snd_cwnd+=1。

4.根据权利要求1所述的一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，其特征在于，所述慢速模式中，窗口调整方式如下：

4.1）snd_cwnd小于慢启动阀值ssthresh时，snd_cwnd+=1；否则，每间隔RTT，计算网络稳态窗口值_[1]，具体计算公式为：

W_tar=min{2*snd_cwnd,(1-γ)*snd_cwnd+γ(baseRTT*snd_cwnd/avgRTT+α)}

其中，γ∈(0,1]，baseRTT是目前观察到的最小RTT，snd_cwnd表示当前拥塞窗口值，α实现中为常量，表示连接中路由器缓存数据包容量；

4.2）采用一个以实际时间为参数的三次函数作为窗口增长函数_[2]，计算当前RTT内可以达到的最大窗口值，依此调整拥塞窗口；W_tar为4.1）步骤计算出的实时网络稳态窗口值；W_{last_reduce}为上一次发生丢包事件时拥塞窗口减小值(根据丢包时控制模式不同，W_{last_reduce}计算方式不同；该拥塞窗口增长函数，能够快速有效的达到W_tar并维持在此稳态窗口值附近，保证协议的高吞吐率，并且窗口增长以实际时间为参数，独立于RTT；上述窗口具体计算公式为：

；

其中，t为从上一次丢包到当前的时间间隔，C为常量，K是计算出的从上次丢包至恢复窗口稳态值所需的时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于丢包和时延的混合拥塞控制方法，其特征在于，所述丢包、超时等网络拥塞出现时，具体参数调整方式如下：

5.1）动态调整模式转换阀值τ，模式转换阀值τ计算方法如下：

τ=7/8*τ+1/8*0.8*diff 

其中，diff表示当前计算的模式转换变量；τ为模式转换阀值，初值为30；

5.2）发生丢包、超时等拥塞事件时，当前拥塞窗口调整方式如下：

。

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