CN105827537B - 一种基于quic协议的拥塞改进方法 - Google Patents

一种基于quic协议的拥塞改进方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，在拥塞算法中加入了时延的信息，并通过上一次RTT与当前RTT的比较，自适应地改变α的取值来判断当前网络的状况，然后根据当前网络状况调整当前的目标窗口值，接着基于cubic算法的三次增长曲线对拥塞窗口进行改变。这种改进方式能使得QUIC协议能够更及时准确地判断当前网络状况，并能够使拥塞窗口能够快速地改变以充分利用带宽。同时，在QUIC协议中存在最大拥塞窗口限制200，即无论拥塞窗口如何增长，都不会超过200，这种限制大大地降低了QUIC协议在高带宽长时延网络环境下的吞吐率。

Description

一种基于QUIC协议的拥塞改进方法
技术领域
本发明涉及到计算机网络基于UDP(用户数据包协议)的应用层可靠传输领域，具体涉及一种QUIC协议的拥塞改进方法。
背景技术
2013年谷歌公司提出了QUIC协议，实现了基于UDP的可靠传输。该协议在谷歌浏览器中实现，主要致力于加快页面访问速度。由于QUIC协议是基于UDP之上的应用层协议，它在处理丢包以及初始连接时有更好的效率。QUIC主要解决了传统TCP(传输控制协议)的两个问题。第一，传统TCP是有序传输，即在TCP中，若一个包发生丢失，后面的包必须等待该包重传之后才能将数据一并提交到应用层。但是UDP是支持无序传输的，一个包若发生丢失，后面的包不必等到该包重传而直接可以提交到应用层进行处理。第二，传统的HTTPS(超文本传输协议安全)协议需要1个RTT(数据包往返时延)的TCP握手连接，以及2个RTT的TLS(传输层安全)连接，但QUIC协议最快只需0个RTT的握手连接即可达到与HTTPS相同的安全性。
在测试中发现，在高带宽高时延的环境下，QUIC的传输性能较差，主要原因为：第一，QUIC协议采用的默认拥塞控制算法为cubic(三次增长曲线)，cubic是一种基于丢包的拥塞控制算法，由于cubic算法采用了三次增长曲线，在经历丢包之后能够快速到达上次丢包时的窗口值，提高了高带宽高时延积下的吞吐率，但cubic主要是基于丢包来判断网络拥塞情况，不能很准确判断当前网络状态，同时，其目标窗口值只有在丢包时才发生改变，并不能很及时地反应当前网络状态。并且，在高误码率的环境下，cubic的拥塞窗口会剧烈减少，并不能充分利用带宽。第二，在QUIC协议中，发现其对拥塞窗口存在一个最大限制为200，也就是无论带宽时延积多大，其一次最多只能传输200个包，对其传输性能有较大影响。若不对QUIC协议的拥塞窗口进行限制，那么其拥塞窗口将无限增长，然后产生剧烈丢包现象，反而使得QUIC协议的吞吐量更差。
在长时延高误码率的环境下，使用基于RTT的拥塞控制方法，如TCP-Westwood、TCP-Vegas，能够提升数据传输的性能。TCP-Westwood通过测量返回的ACK(确认)的间隔时间以及ACK确认的数据量来预估当前带宽，在丢包时将慢启动阈值修改为当前带宽值。而TCP-Vegas主要是通过最小RTT以及当前平滑估计的RTT来获得实际吞吐率与期望吞吐率，根据两者之差来预估当前队列排队情况，从而预估当前网络的状况。但是在实际环境中，由于对RTT的估计会受到很多噪声的影响，会产生较大误差，从而影响拥塞窗口的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，解决QUIC协议在高带宽高时延下效率较低的问题，同时能够提升QUIC协议在高误码率下的性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，包括以下步骤：
步骤1：每收到一个ACK帧，使用公式last_SRTT＝SRTT更新上一个SRTT的值，同时更新当前SRTT的值，SRTT＝0.875×SRTT+0.125×RTT，其中last_SRTT为上一次收到ACK时计算的平滑往返时延，SRTT为平滑的往返时延，RTT为数据包往返时延；
步骤2，判断当前拥塞窗口是否处于慢启动阶段，若处于慢启动，则按照慢启动方式进行窗口增长，若处于拥塞避免阶段，则窗口增长方式为：
步骤2.1：判断当前网络状态
若当前窗口处于拥塞避免阶段，根据当前的SRTT以及最小RTT来预估排队的包的个数diff，判断当前的网络状态；所述diff计算方式为：Expected＝cwnd/minRTT；Actual＝cwnd/SRTT；diff＝(Expected-Actual)×minRTT；其中，cwnd为当前的拥塞窗口值，minRTT为测得的最小RTT的值，SRTT为当前平滑RTT，Expected为期望吞吐量，Actual为实际吞吐量；
步骤2.2：对α的取值进行自适应地改变
α为判断当前网络状况的一个参数，设α初始值设置为1，origin_cwnd为cubic三次增长曲线的目标窗口值，SRTT为当前平滑RTT，last_SRTT为上一次收到ACK帧时的平滑RTT的值，则α的自适应改变方法是：
1)若diff＜α，并且SRTT小于last_SRTT，同时α＞1，则将origin_cwnd加1；
2)若diff＜α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1；
3)若diff＜α，并且α等于1，则将origin_cwnd加1；
4)若diff＞α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1；
5)若diff＞α，并且SRTT小于last_SRTT，则α加1；
步骤2.3：判断当前拥塞窗口是否已经到达最大拥塞窗口值
若已到达，通过diff与α的比较来判断当前网络状态是否良好，具体为：
若diff＞α，不再增加最大拥塞窗口的值；若diff＜α，增加最大拥塞窗口的值，即max_cwnd＝max_cwnd+100，同时，若此时cwnd>＝300，将epoch_start置为0，将last_max_cwnd设置为当前的最大拥塞窗口值，将α置为1，其中，max_cwnd为限制的最大拥塞窗口值，epoch_start为上次丢包发生的时刻，last_max_cwnd为上次丢包时的拥塞窗口值；
若未到达，则改变拥塞窗口的方法为：根据步骤2所计算出的origin_cwnd以及cubic的三次曲线增长，通过公式W(t)＝C(t-K)3+Worigin,对拥塞窗口进行改变，其中，W(t)为计算后的拥塞窗口值，Wmax为上一次丢包时的拥塞窗口，C为cubic的一个参数，t为上次丢包到现在的时间间隔，K为窗口增长到上次丢包时的窗口值所需要的时间，β为cubic的一个参数，Worigin为目标窗口值；根据最大拥塞窗口以及三次曲线所得到的拥塞窗口值，将当前拥塞窗口设置为max_cwnd以及W(t)中的较小值。
根据上述方案，所述慢启动方式进行窗口增长具体为：每收到一个ACK时，窗口加1。
根据上述方案，还包括步骤4：
若窗口发生丢包时，则减少当前拥塞窗口值以及最大拥塞窗口值，即cwnd＝cwnd*β,max_cwnd＝max_cwnd*β，其中，β等于0.85。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明使QUIC协议在高带宽长时延的网络环境下吞吐率明显提高，同时在误码率较高的环境下吞吐率也显著提高。
2)对最大的拥塞窗口值采用了一种自适应的方式，使QUIC协议不局限低带宽低时延的网络，在高带宽高时延得环境下，QUIC也有很好的性能。
3)QUIC采用了cubic的三次增长曲线，同时采用了RTT的判断信息，使得QUIC协议在判断网络状况时更加准确、迅速，尤其是在高误码率的环境下，QUIC协议在丢包之后能很迅速地恢复拥塞窗口以充分利用带宽。
4)QUIC协议是基于UDP的应用层协议，在修改拥塞算法时不需要修改Linux内核。
附图说明
图1为基于QUIC协议的网络架构图。
图2为本发明QUIC+的拥塞控制流程图。
图3为本发明QUIC+的最大拥塞窗口更新方法的流程图。
图4为本发明QUIC的拥塞窗口的三次增长曲线流程图。
图5为本发明QUIC+丢包后的拥塞窗口变化流程图。
图6为本发明的测试环境拓扑图。
图7为带宽为10Mbps、误码率为0时，随着RTT的改变，QUIC+协议、QUIC协议以及HTTP(超文本传输协议)的吞吐量比较。
图8为带宽为10Mbps、RTT为50ms时，随着误码率的改变，QUIC+协议、QUIC协议以及HTTP协议的吞吐量比较。
图9为RTT＝200ms、误码率为0时，随着带宽的改变，QUIC+协议、QUIC协议以及HTTP协议的吞吐量比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提出了基于排队时延的拥塞窗口增长方式，同时，最大的拥塞窗口可以自适应地改变。为了描述方便，将本发明描述为QUIC+(Quick Udp Internet Connection+)。本发明能够使得拥塞窗口能够更加快速地达到目标窗口值，最终能够使得QUIC协议在高带宽高时延以及高误码率的环境下的性能更好。
基于UDP的可靠传输协议QUIC的架构图如图1所示，从图中，可以看出QUIC协议是基于UDP的应用层协议，在应用上解决了TCP的许多缺陷，同时，QUIC在应用层实现，不需要修改Linux操作系统的内核代码，在实现上更加简便。
实现本发明采用了以下步骤：
步骤1，每收到一个ACK帧，使用公式last_SRTT＝SRTT更新上一个SRTT(平滑的往返时延)的值，同时更新当前SRTT的值，SRTT＝0.875×SRTT+0.125×RTT，其中last_SRTT为上一次收到ACK时计算的平滑往返时延。
步骤2，判断当前拥塞窗口是否处于慢启动阶段，如果处于慢启动，则按照慢启动方式进行窗口增长，可采用每收到一个ACK窗口加1；若处于拥塞避免阶段，则按照步骤3至步骤5对窗口进行增长。
步骤3，若当前窗口处于拥塞避免阶段，根据当前的SRTT以及最小RTT，即minRTT来预估的排队的包的个数diff，判断当前的网络状态。
对diff的计算方式如下：
Expected＝cwnd/minRTT；
Actual＝cwnd/SRTT；
diff＝(Expected-Actual)×minRTT；
其中，cwnd为当前的拥塞窗口值，minRTT为测得的最小RTT的值，SRTT为当前平滑RTT，Expected为期望吞吐量，Actual为实际吞吐量。
步骤4，对α的取值采用如下方式进行自适应地改变
1)若diff＜α，并且SRTT小于last_SRTT，同时α＞1，则将origin_cwnd加1。
2)若diff＜α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1。
3)若diff＜α，并且α等于1，则将origin_cwnd加1。
4)若diff＞α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1。
5)若diff＞α，并且SRTT小于last_SRTT，则α加1。
其中，将α初始值设置为1，origin_cwnd为cubic三次增长曲线的目标窗口值，SRTT为当前平滑RTT，last_SRTT为上一次收到ACK帧时的平滑RTT的值。
步骤5，判断当前拥塞窗口是否已经到达最大拥塞窗口值，若未到达，则继续进行拥塞窗口的改变，若已到达，通过diff与α的比较来判断当前网络状态是否良好；若diff＞α，说明此时网络较拥塞，不应再增加最大拥塞窗口的值，若diff＜α，说明此时网络较空闲，应增加最大拥塞窗口的值(max_cwnd)以充分利用带宽，即max_cwnd＝max_cwnd+100；同时若此时cwnd(拥塞窗口)>＝300，将epoch_start置为0，将last_max_cwnd设置为当前的最大拥塞窗口值，将α置为1，其中，max_cwnd为限制的最大拥塞窗口值，epoch_start为上次丢包发生的时刻，last_max_cwnd为上次丢包时的拥塞窗口值。
步骤6，若此时拥塞窗口值还未增长到最大，那么再采取步骤7和步骤8来对拥塞窗口进行改变。
步骤7，根据步骤4所计算出的origin_cwnd以及cubic的三次曲线增长，通过以下公式对拥塞窗口进行改变：
其中，W(t)为计算后的拥塞窗口值，C为cubic的一个参数，为常量，t为上次丢包到现在的时间间隔，K为窗口增长到上次丢包时的窗口值所需要的时间，β为cubic的一个参数，一般取值为0.85，Worigin为目标窗口值。
步骤8，根据最大拥塞窗口以及三次曲线所得到的拥塞窗口值，将当前拥塞窗口设置为max_cwnd以及W(t)中的较小值。
步骤9，若窗口发生丢包时，则减少当前拥塞窗口值以及最大拥塞窗口值，即cwnd＝cwnd*β,max_cwnd＝max_cwnd*β，其中β等于0.85。
本发明应用于高带宽长时延的网络时，传统的QUIC由于存在最大拥塞窗口限制以及在发生丢包之后恢复时间较长，故QUIC协议在高带宽长时延的网络下表现较差；若盲目地增大QUIC协议的最大拥塞窗口，会使QUIC协议的窗口值剧烈增长，产生剧烈丢包现象，从而使QUIC协议的吞吐率下降，但若不增长QUIC协议的最大拥塞窗口，会使QUIC协议无法充分利用带宽，从而影响其吞吐率。
下面通过具体实例对本发明及其有益效果作进一步详细的说明。首先按照图6所示的环境拓扑图搭建测试环境，其中，客户端为QUIC协议以及HTTP协议的客户端，QUIC协议的服务器端为quic_server，HTTP协议的服务器端为nginx服务器，两端的操作系统均为ubuntu12.04.1，QUIC协议以及HTTP协议都通过客户端的chromium浏览器进行文件下载。中间搭建的为WANem网络模拟器，通过WANem，可以设置网络的一系列参数，如带宽，时延，丢包等等，通过不同网络参数的设置，比较QUIC+、QUIC以及HTTP协议的吞吐率。
结合附图2对QUIC+协议的拥塞控制方法作进一步说明：步骤1、接收端每收到一个ACK帧，就根据当前ACK的到达时间计算RTT，然后计算上一次收到ACK计算的平滑RTT，即last_SRTT＝SRTT，接着计算SRTT＝0.875×SRTT+0.125×RTT；步骤2，根据最小RTT以及当前SRTT计算队列中排队的包的个数diff，diff＝(cwnd/minRTT-cwnd/SRTT)×minRTT；步骤3，结合附图2，通过对RTT的判断以及diff和α的大小的判断来估计当前网络状况，判定是否应增加目标窗口的值，同时对α的取值进行自适应地改变；步骤4，结合附图3所示，根据diff与α的大小来判断当前是否应该增加最大拥塞窗口的值；步骤5，结合附图4，对于上述步骤所计算出的目标窗口，利用三次曲线增长函数对QUIC+协议的拥塞窗口进行改变；步骤6，若当前计算的拥塞窗口已超过最大拥塞窗口，则将最大拥塞窗口值设置为max_cwnd；步骤7，若发生丢包，则按照附图5的流程图对当前拥塞窗口以及最大拥塞窗口进行改变。
对本发明QUIC+协议与QUIC协议、HTTP协议进行比较。测试所搭建的网络模拟器为WANem，通过WANem来模拟链路的带宽，RTT以及误码率。
如附图7所示，随着RTT的增加，由于最大拥塞窗口限制为200，原QUIC协议的性能下降得很快，而QUIC+协议的最大拥塞窗口值可以自适应地改变，同时，由于QUIC+协议对网络状况判断更为及时、准确，从而提高了QUIC的吞吐量。
如附图8所示，随着误码率的增加，由于QUIC+协议对网络状况的判断更为及时、准确，可以更快恢复丢包前的拥塞窗口，故吞吐量要明显好于原QUIC协议；同时由于QUIC协议底层是UDP，不需要按序传递，在丢包后无需等待前面的包的到达，故吞吐量也要好于HTTP协议。
如附图9所示，随着带宽的增加，由于最大拥塞窗口限制为200，原QUIC协议的性能下降得很快，而QUIC+协议的最大拥塞窗口值可以自适应地改变，同时，由于QUIC+协议对网络状况判断更为及时、准确，从而提高了QUIC的吞吐量。

Claims (3)

1.一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：每收到一个ACK帧，使用公式last_SRTT＝SRTT更新上一个SRTT的值，同时更新当前SRTT的值，SRTT＝0.875×SRTT+0.125×RTT，其中last_SRTT为上一次收到ACK时计算的平滑往返时延，SRTT为平滑的往返时延，RTT为数据包往返时延；
步骤2，判断当前拥塞窗口是否处于慢启动阶段，若处于慢启动，则按照慢启动方式进行窗口增长，若处于拥塞避免阶段，则窗口增长方式为：
步骤2.1：判断当前网络状态
若当前窗口处于拥塞避免阶段，根据当前的SRTT以及最小RTT来预估排队的包的个数diff，判断当前的网络状态；所述diff计算方式为：Expected＝cwnd/minRTT；Actual＝cwnd/SRTT；diff＝(Expected-Actual)×minRTT；其中，cwnd为当前的拥塞窗口值，minRTT为测得的最小RTT的值，SRTT为当前平滑RTT，Expected为期望吞吐量，Actual为实际吞吐量；
步骤2.2：对α的取值进行自适应地改变
α为判断当前网络状况的一个参数，设α初始值设置为1，origin_cwnd为cubic三次增长曲线的目标窗口值，SRTT为当前平滑RTT，last_SRTT为上一次收到ACK帧时的平滑RTT的值，则α的自适应改变方法是：
1)若diff＜α，并且SRTT小于last_SRTT，同时α＞1，则将origin_cwnd加1；
2)若diff＜α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1；
3)若diff＜α，并且α等于1，则将origin_cwnd加1；
4)若diff＞α，并且SRTT大于last_SRTT，同时α＞1，则α减去1；
5)若diff＞α，并且SRTT小于last_SRTT，则α加1；
步骤2.3：判断当前拥塞窗口是否已经到达最大拥塞窗口值
若已到达，通过diff与α的比较来判断当前网络状态是否良好，具体为：
若diff＞α，则不再增加最大拥塞窗口的值；若diff＜α，则增加最大拥塞窗口的值，即max_cwnd＝max_cwnd+100，同时，若此时cwnd>＝300，将epoch_start置为0，将last_max_cwnd设置为当前的最大拥塞窗口值，将α置为1，其中，max_cwnd为限制的最大拥塞窗口值，epoch_start为上次丢包发生的时刻，last_max_cwnd为上次丢包时的拥塞窗口值；
若未到达，则改变拥塞窗口的方法为：根据步骤2所计算出的origin_cwnd以及cubic的三次曲线增长，通过公式对拥塞窗口进行改变，其中，W(t)为计算后的拥塞窗口值，Wmax为上一次丢包时的拥塞窗口，C为cubic的一个参数，t为上次丢包到现在的时间间隔，K为窗口增长到上次丢包时的窗口值所需要的时间，β为cubic的一个参数，Worigin为目标窗口值；根据最大拥塞窗口以及三次曲线所得到的拥塞窗口值，将当前拥塞窗口设置为max_cwnd以及W(t)中的较小值。
2.如权利要求1所述的一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，其特征在于，所述慢启动方式进行窗口增长具体为：每收到一个ACK时，窗口加1。
3.如权利要求2所述的一种基于QUIC协议的拥塞改进方法，其特征在于，还包括步骤4：
若窗口发生丢包时，则减少当前拥塞窗口值以及最大拥塞窗口值，即cwnd＝cwnd*β,max_cwnd＝max_cwnd*β，其中，β等于0.85。
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