CN1545286A - 基于ecn且带预测验证的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

基于ECN且带预测验证的拥塞控制方法属于网络技术领域，其特征在于，先由相邻分组的差分计算当前分组的预测参数，据此递推出相应的队列预测长度，可参照节点的拥塞情况修正为各分组共同的预判阈值；再把2×第一个分组延迟作为信号传输时间把所有分组作为预判组，求出各分组的平均队列长度预测值，接收端把该值与预判阈值之差去和平均队列长度预测值的预计浮动值进行比较，便可向源端发出增加、减小或保持拥塞窗口长度的确认分组，便于源端调整分组发送速率。这种接收端驱动的方法具有降低丢失率的同时又减少分组平均延迟的优点，具有稳定的较高的网络利用率，还能探测网络即将出现的拥塞情况。

Description

基于ECN且带预测验证的拥塞控制方法

技术领域

基于ECN且带预测验证的拥塞控制方法属于互联网拥塞控制技术领域。

背景技术

本发明中的算法是一种使用在互联网中的拥塞控制和避免算法，属于基于“管子”模型的源算法。拥塞控制是目前互联网中的一个重要问题。根据算法的实现位置，可以将拥塞控制算法分为两大类：链路算法和源算法。链路算法在网络设备(如路由器和交换机)中执行，作用是检测网络拥塞的发生，产生拥塞反馈信息；源算法在主机和网络边缘设备中执行，作用是根据反馈信息调整发送速率。

使用基于测量经典的拥塞控制算法一般有以下几种：Wand and Crowcroft在论文Eliminating Periodic Packet Losses in 4.3-Tahoe BSD TCP Congestion Control Algorithm中提出DUAL算法是基于对RTT时间(信号来往传输时间)的增加进行响应；拥塞窗口和Reno算法一样增大，但每两个RTT时间后，算法要检查当前的RTT时间是否大于最大和最小RTT的平均值，如果是，则将拥塞窗口减小1/8。

R.Jain.在论文A Delay-Based Approach for Congestion Avoidance in InterconnectedHeterogeneous Computer Networks中提出的CARD(Congestion Avoidance using Round-tripDelay)方法是基于推导出最适宜的窗口大小。这种判决是基于当前RTT和窗口大小的。每两个RTT延迟要进行以下判决，(当前窗口大小-原窗口大小)×(当前RTT-原RTT)，如果结果为正，窗口减小1/8，如果结果为负或0，则增大一个最大的分组长度。

另外一种拥塞控制方法是平整发送速率。Wand and Crowcroft’s在论文A New CongestionControl Scheme：Slow Start and Search(Tri-S)中提出的Tri Scheme算法中每个RTT窗口将增大一个分组长度同时比较增大窗口前后的吞吐量。假如区别小于一个分组传输时所获得吞吐量的1/2，则将窗口减小一个分组长度。Tri-S计算吞吐量使用一个RTT时间内发送了多少字节来确定。

在论文TCP Vegas：End to End Congestion Avoidance on a Global Internet和Analysisof the Increase and Decrease Algorithms for Congestion Avoidance in Computer Networks中提出的TCP Vegas算法是一种性能较好的实现方法，这种方法和Tri-S很相似，只关心吞吐量速率或发送速率的变化。但是该算法在计算吞吐量时和Tri-S不同，它不是使用吞吐量的斜率的变化，而是比较吞吐量的一个期望值和实测值之间的区别。

Vegas使用这种方法测量和控制链路上传输的“额外”数据。额外数据是指那些链路使用的带宽等于可用带宽后，增加发送的分组。很明显，如果连接发送了太多的额外分组，将导致拥塞。Vegas拥塞控制方法是基于控制额外数据总量，而不仅仅是丢弃分组。Vegas算法的判断是在源端进行的，这样基于RTT测量的判断不能正确反映链路拥塞是在发送方向还是在应答方向中出现的，而本发明能够反映链路拥塞是在发送方向出现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使源端可以根据接收端基于预测验证的结果来控制待发送的数据分组的发送速率的基于ECN且带预测验证的拥塞控制方法。

本发明的特征在于：它是一种基于显式拥塞通告ECN且带预测验证FAV的源方法，即在接收端主机PC和网络边缘设备中执行预测验证，而源端主机PC则根据反馈信息来调整发送速率，所述的拥塞控制方法依次含有以下步骤：

(1)源端发送数据分组时在分组IP头的OPTION域登记时间戳，时间戳由4个字节组成；

(2)路径中所有支持显式拥塞通告ECN标记的节点转发它的拥塞情况，即在节点中队列长度超过管理员设定的阈值后，把服务类型TOS域中的CE位置“1”；

(3)在接收端计算各分组的传输延迟：当接收端接收到数据分组后，通过系统调用获得相应的接收到的时间，即本机系统的时间，用此值减去数据分组头中的时间戳的值，得到该分组的链路传输延迟时间；

(4)通过下述组内预判公式来推测该第n分组进入拥塞节点时队列长度的预测值，同时根据收到该第n分组是否被标记CE来调整预判阈值 X，这一步骤依次按以下顺序执行：

(4.1)使用先到的相邻分组的链路传输延迟的差分来计算预测参数K_n，它是一种用以消除源端和接收端由于时钟不同步为延迟测量带来影响的参数，

$K_n=\frac{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_n-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_n-1}{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-1}-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-2}}$

其中，Td′_n为第n分组的链路传输延迟，

      Td′_n-1为第n分组的链路传输延迟，

      Td′_n-2为第n分组的链路传输延迟，

(4.2)使用下述组内预判公式，递推获得当前的分组n进入拥塞节点时队列长度的预测值λ_n：

λ_n＝(K_n+1)×λ_n-1-K_n×λ_n-2

其中，λ_n-1为第n-1分组的队列长度预测值，

      λ_n-2为第n-2分组的队列长度预测值

(4.3)使用当前分组n队列长度预测值λ_n和该分组n的CE标记来验证预判的准确性，从而修正设定的预判阈值 X：

若 X＜λ_n且收到未标记CE的分组即为P_CE，

则 X＝λ_n+1；

若 X＞λ_n且收到未标记CE的分组即为P_CE，

则 X＝λ_n-1；

(5)通过下述组间预判方法对当前各组内的推测结果进行统计，并预判将来网络中数据流量的变化，同时根据各组内统计结果向源端发送具有相应含义的确认分组即特殊标记ACK：

(5.1)在接收端把所有数据分组按照信号链路传输延迟时间RTT作为划分预判组的条件，RTT时间按照第一个分组传输延迟的两倍计算，即在一个RTT时间内接收端向源端发送一个控制源端发送速率的确认分组ACK，通告源端，

(5.2)求解RTT时间内的平均队列预测长度：

$E{\left[\mathrm{\λ}\right]}_n=\frac{\underset{k=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}{S}$

其中，k＝1，2，3…S，为该预判组内的数据分组的下标；

S为该预判组内数据分组的数量，

(5.3)计算RTT时间内平均队列预测长度E[λ]_n和阈值 X的差Diff，

Diff＝E[λ]_n- X，

(5.4)根据不同的差值范围发送相应的确认分组ACK

若Diff＞α·E[λ]_n，α为设定的参数，

则发送ACK(P_DEC)；

若Diff＜-α·E[λ]_n)，

则发送ACK(P_NOR)；

若-α·E[λ]_n＜Diff＜α·E[λ]_n，

则发送ACK(P_HOLD)；

其中，P_NOR是无特殊标记的确认分组ACK，

      P_DEC是ACK中标记DEC位，

      P_HOLD是ACK中标记HOLD位；

DEC和HOLD标记可以设置在应答确认分组头部TOS域的某一位中。根据RFC2780的说明，TOS的第6、7位用来作为ECN协议使用，我们在ACK中将第6位置1作为P_DEC的标志位，而将第7位置1作为P_HOLD的标志位；

(5.5)当确认分组ACK到达源端PC后，源端PC用已知的发送速率算法调整发送速率，即

(5.5.1)源端接收到P_DEC后，源端的拥塞窗口减小1/8，

(5.5.2)源端接收到P_NOR后，源端的拥塞窗口增加1，

(5.5.3)源端接收到P_HOLD后，源端的拥塞窗口保持不变。实验证明：和已有方法比较，本发明方法有效降低了网络负载，在降低丢失率的同时也减小了端到端的延迟；而且，所占拥塞链路带宽的增加，能获得较高且稳定的链路利用率。

附图说明：

图1.本发明所方法实现示意图。

图2.本发明所述方法的程序流程框图。

图3.本发明实验模拟时用的拓扑结构。

图4.拥塞链路带宽为8Mbps时的模拟结果。

图5.拥塞链路带宽为16Mbps时的模拟结果。

图6.拥塞链路带宽为32Mbps时的模拟结果。

图7.参数α的分析实验结果。

图8.公平性分析实验结果。

具体实施方式

我们在图1中使用FAV算法实现有效的拥塞控制。其中，源端PC作为服务器，运行realServer 8.01提供流媒体服务，目的PC作为客户机，访问源端PC上的流媒体文件，并使用RealPlayer 8.0 Plus观察图像传输结果，从而比较拥塞控制算法对传输性能的影响。在实现中所使用的设备配置如下：

源端和目标端的PC配置：

主板 intel D845

内存 256DDR

显卡 Geforce2MX400

硬盘 西捷80G

网卡 realtek 8139

路由器：可以是支持ECN的所有型号，我们选用的是Cisco2600，网络中的路由器可以按照不同的拓扑进行互联。

本发明所述方法具体由以下步骤依次组成：

(1)源端发送数据分组时在分组IP头的OPTION域登记时间戳。时间戳由四个字节组成。

版本号Version(4bit)	报头长IHL(4bit)	服务类型Type of Service(8bit)	数据报长度Total Length(16bit)
					标识Identification(16bit)			标志Flags(3bit)	片位移Fragment Offset(13bit)
生存时间Time to Live(8bit)		传输层协议Protocol(8bit)	报头校验和Header Checksum(16bit)
					源IP地址Source Address(32bit)
目标IP地址Source Address(32bit)
					OPTION域Time-Stamp(32bit)

                            表1

(2)转发路径中所有的路由器支持显式拥塞通告ECN(Explicit Congestion Notification)标记节点中的拥塞情况。也就是当节点中队列长度超过阈值 X后，将把TOS域中的CE位置1。

TOS域：

                                   表2

(3)在接收端计算分组的传输延迟。

当接收端接收到数据分组后，通过系统调用获得本机系统时间，用此值减去数据分组头中时间戳的值可以获得该分组的传输延迟。接收端按照信号链路传输延迟时间RTT作为划分预判组的条件，RTT时间按照第一个分组传输延迟的两倍计算。

(4)通过下述组内预判算法(The Ingroup Forecast Algorithm)推测该分组进入拥塞节点队列时的队列长度，同时根据收到分组是否被标记CE来调整预判阈值 X。其中包括以下关键步骤：

(a)使用先行相邻分组的链路延迟差分来计算预测参数K_n，从而消除时钟不同步为延迟测量带来的影响。

$K_n=\frac{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_n-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-1}}{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-1}-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-2}}$

(b)使用“组内预判公式”，递推获得当前分组进入拥塞节点时队列长度的预测值，即：

λ_n＝(K_n+1)×λ_n-1-K_n×λ_n-2

(c)使用当前分组队列长度的预测值和分组的CE标记来验证预判的准确性，从而修正预判阈值 X。

If( X＜λ_n and P_CE)

X＝λ_n+1；

If(X＞λ_n and P_CE)

X＝λ_n-1；

其中，使用P_CE表示收到未标记CE的分组，而P_CE表示收到标记CE的分组。

(5)通过组间预判算法(The Intergroup Forecast Algorithm)对当前预判组内推测结果进行统计，并预判将来网络中数据流量的变化，同时根据预判组内统计结果向源端发送具有特殊标记的ACK。其中包括以下关键步骤：

(a)将所有的数据分组按照RTT划分为预判组，RTT时间可以使用2×第一个分组延迟计算。也就是说一个RTT时间内接收端向源端发送一个控制源端发送速率的ACK。

(b)求解RTT时间内的平均队列预测长度 ${E\left[\mathrm{\λ}\right]}_n=\frac{\underset{k=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}{S};$

(c)计算平均队列预测长度和阈值 X的差值Diff＝E[λ]_n- X；

(d)根据差值结果发送相应ACK。

if(Diff＞α·E[λ]_n)    α用以调整E[λ]_n的范围，

   sendACK(P_DEC)；

if(Diff＜-α·E[λ]_n)

   sendACK(P_NOR)；

if(-α·E[λ]_n＜Diff＜α·E[λ]_n)

   sendACK(P_HOLD)；

其中，ACK包括以下三种：(1)P_NOR，这是无特殊标记的ACK；(2)P_DEC，ACK中标记DEC位；(3)P_HOLD，ACK中标记HOLD位。DEC和HOLD标记可以设置在应答分组头部TOS域的某一位中。

其中，根据RFC2780的说明，TOS的第6、7位用来作为ECN协议使用，我们在ACK中将第6位置1作为P_DEC的标志位，而将第7位置1作为P_HOLD的标志位，如下图所示。

TOS域：

  0       1      2        3         4         5          6       7

DEC

HOLD

                 表3

(6)当ACK到达源端PC后，源端PC进行发送速率调整，也就是使用发送速率调整算法(The Sending Rate Adjust Algorithm)，其步骤如下：

(a)源端接收到P_DEC后，源端的拥塞窗口减小1/8；

(b)源端接收到P_NOR后，源端的拥塞窗口增加1；

(c)源端接收到P_HOLD后，源端的拥塞窗口保持不变。

基于ECN带预测验证的拥塞控制算法对硬件的要求不是很高，可以在各种网络中得到应用。这种拥塞控制方法有以下四个优势：

使用预判组的组间预判来控制数据的发送速率，有效的降低了丢包率；

降低丢失率的同时减小了分组的平均延迟；

在预测过程中使用预判组的组内预判和基于ECN的验证机制，使得算法能够适应网络中流量的变化，从而保持稳定的较高的网络利用率；

算法使用接收方驱动(receiver-drive)的方法，能够明确判定是否在发送链路上发生了拥塞。

FAV算法通过在目的端测量分组延迟来预测拥塞节点中队列的变化趋势，从而推测网络中即将出现的拥塞情况，在预测过程中使用ECN提供的CE标志来验证推测的准确性，从而较好地避免了拥塞的发生。这种预测加验证的方法是本发明的一个关键点。

模拟时采用的模型如图3所示。

其中，S1到Sn为数据的源端，而R1和Rn为数据的目的端，并建立从Si到Ri(1≤i≤n)的TCP Reno连接，这些链路共享一条是从Route1到Route2的拥塞链路。我们对FAV和经典的源拥塞控制算法TCP Reno、TCP Vegas在网关为DropTail的环境下进行了模拟和比较。

模拟时使用的参数如下：α＝1/8。在Routerl中队列长度150，所有的源在0时刻启动，而在60s后停止。

实验1，拥塞链路带宽8Mbps，测量拥塞链路的丢失率(Loss Rate)、利用率(Utilization)和延迟(Delay)，结果如图4。

由图4可见，在拥塞链路带宽为8Mbps，且流数小于60时，TCP Vegas获得最小的丢失率，但是当网络中流数继续增加时，TCP Vegas和TCP Reno算法的丢失率上升得很快，而FAV算法则依然保持了较小的丢失率，是TCP Vegas的1/2，而是TCP Reno的1/4；FAV算法由于平滑了网络中数据流量，所以网络利用率较TCP Vegas和TCP Reno稍低，但一般不超过6％；当网络中流数超过30后，FAV将获得最小的端到端延迟。统计数据如表4。

平均值	FAV	Vegas	Reno	FAV/Vegas	FAV/Reno
						丢失率(％)	3.5	6.3	14.3	55％	24％
利用率(％)	86.5	92.2	90.8	94％	95％
						延迟(ms)	68	85	114	80％	60％

                       表4 实验1统计数据

实验2，拥塞链路带宽16Mbps，测量拥塞链路的丢失率(Loss Rate)、利用率(Utilization)和延迟(Delay)，结果如图5。

由图5可见，在拥塞链路带宽为16Mbps，且流数小于60时，TCP Vegas依然获得最小的丢失率，同时当网络中流数继续增加时，FAV算法将依然保持了较小的丢失率，是TCP Vegas的1/2，而是TCP Reno的1/5；拥塞链路带宽的增大后，FAV算法保持着比较稳定的链路利用率，已接近TCP Vegas和TCP Reno的性能；同时，FAV依然具有最小的端到端延迟。统计数据如表5。

平均值	Index(Average)	FAV	Vegas	Reno	FAV/Vegas
						丢失率(％)	Loss Rate(％)	2.8	5.5	13.1	51％
利用率(％)	Utilization(％)	87.1	84.6	90.0	103％
						延迟(ms)	Delay(ms)	43	47	63	91％

                             表5 实验2统计数据

实验3，拥塞链路带宽32Mbps，测量拥塞链路的丢失率(Loss Rate)、利用率(Utilization)和延迟(Delay)，结果如图6。

由图6可见，在拥塞链路带宽为32Mbps，且流数小于80时，TCP Vegas的丢失率最低，但是网络中流数增加后，TCP Vegas和TCP Reno算法的丢失率上升得很快，而FAV算法的丢失率增长很慢，平均丢失率是TCP Vegas的3/4，TCP Reno的1/4；FAV算法的网络利用率仍然保持稳定，已较TCP Vegas和TCP Reno稍高；此时，FAV算法的端到端延迟依然最小。统计数据如表6。

平均值	Index(Average)	FAV	Vegas	Reno	FAV/Vegas
						丢失率(％)	Loss Rate(％)	2.3	3.1	10.3	74％
利用率(％)	Utilization(％)	87.0	85.2	86.4	102％
						延迟(ms)	Delay(ms)	31	32	42	97％

                             表6 实验3统计数据

由以上实验可知，和TCP Vegas、TCPReno算法比较，FAV算法的丢失率有明显的降低，减少了网络中的重传分组，从而有效降低了网络负载；降低丢失率的同时减小了端到端延迟。随着拥塞链路带宽的增加，FAV算法能够获得较高的稳定的链路利用率。

实验4，参数α分析，设α分别为1/10，1/8，1/6时，对拥塞链路为16Mbps的情况下的FAV算法进行实验，测量拥塞链路的丢失率(Loss Rate)、利用率(Utilization)和延迟(Delay)，结果如图7。

实验5，公平性分析。

使用论文Analysis of the Increase and Decrease Algorithms for Congestion Avoidance inComputer Networks中关于Fairness Index的公平性计算公式：

$F\left(x\right)=\frac{{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2}{n\left(\mathrm{\Σ}{x_i}^2\right)}$

当拥塞链路带宽分别为8Mbps，16Mbps，32Mbps时，实验结果如图8。

在三种情况下，FAV算法的公平性参数都超过了0.92，并且大部分情况下都在0.95以上，尤其是网络中流数超过80后，公平性参数到达0.99，可见FAV算法的公平性较好。

Claims (1)

1、基于ECN带预测验证的拥塞控制方法，其特征在于：它是一种基于显式拥塞通告ECN且带预测验证FAV的源方法，即在接收端主机PC和网络边缘设备中执行预测验证，而源端主机PC则根据反馈信息来调整发送速率，所述的拥塞控制方法依次含有以下步骤：

(1)源端发送数据分组时在分组IP头的OPTION域登记时间戳，时间戳由4个字节组成；

(2)路径中所有支持显式拥塞通告ECN标记的节点转发它的拥塞情况，即在节点中队列长度超过管理员设定的阈值后，把服务类型TOS域中的CE位置“1”；

(3)在接收端计算各分组的传输延迟：当接收端接收到数据分组后，通过系统调用获得相应的接收到的时间，即本机系统的时间，用此值减去数据分组头中的时间戳的值，得到该分组的链路传输延迟时间；

(4)通过下述组内预判公式来推测该第n分组进入拥塞节点时队列长度的预测值，同时根据收到该第n分组是否被标记CE来调整预判阈值 X，这一步骤依次按以下顺序执行：

(4.1)使用先到的相邻分组的链路传输延迟的差分来计算预测参数K_n，它是一种用以消除源端和接收端由于时钟不同步为延迟测量带来影响的参数，

$K_n=\frac{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_n-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_n-1}{{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-1}-{{\mathrm{Td}}^{\′}}_{n-2}}$

其中，Td′_n为第n分组的链路传输延迟，

Td′_n-1为第n分组的链路传输延迟，

Td′_n-2为第n分组的链路传输延迟，

(4.2)使用下述组内预判公式，递推获得当前的分组n进入拥塞节点时队列长度的预测值λ_n：

λ_n＝(K_n+1)×λ_n-1-K_n×λ_n-2

其中，λ_n-1为第n-1分组的队列长度预测值，

λ_n-2为第n-2分组的队列长度预测值

(4.3)使用当前分组n队列长度预测值λ_n和该分组n的CE标记来验证预判的准确性，从而修正设定的预判阈值 X：

若 X＜λ_n且收到未标记CE的分组即为P_CE ，

则 X＝λ_n+1；

若 X＞λ_n且收到未标记CE的分组即为P_CE，

则 X＝λ_n-1；

(5)通过下述组间预判方法对当前各组内的推测结果进行统计，并预判将来网络中数据流量的变化，同时根据各组内统计结果向源端发送具有相应含义的确认分组即特殊标记ACK：

(5.1)在接收端把所有数据分组按照信号链路传输延迟时间RTT作为划分预判组的条件，RTT时间按照第一个分组传输延迟的两倍计算，即在一个RTT时间内接收端向源端发送一个控制源端发送速率的确认分组ACK，通告源端，

(5.2)求解RTT时间内的平均队列预测长度：

$E{\left[\mathrm{\λ}\right]}_n=\frac{\underset{k=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}{S}$

其中，k＝1，2，3…S，为该预判组内的数据分组的下标；

S为该预判组内数据分组的数量，

(5.3)计算RTT时间内平均队列预测长度E[λ]_n和阈值 X的差Diff，

Diff＝E[λ]_n- X，

(5.4)根据不同的差值范围发送相应的确认分组ACK

若Diff＞α·E[λ]_n，α为设定的参数，

则发送ACK(P_DEC)；

若Diff＜-α·E[λ]_n)，

则发送ACK(P_NOR)；

若-α·E[λ]_n＜Diff＜α·E[λ]_n，

则发送ACK(P_HOLD)；

其中，P_NOR是无特殊标记的确认分组ACK，

P_DEC是ACK中标记DEC位，

P_HOLD是ACK中标记HOLD位；

DEC和HOLD标记可以设置在应答确认分组头部TOS域的某一位中。根据RFC2780的说明，TOS的第6、7位用来作为ECN协议使用，我们在ACK中将第6位置1作为P_DEC的标志位，而将第7位置1作为P_HOLD的标志位；

(5.5)当确认分组ACK到达源端PC后，源端PC用已知的发送速率算法调整发送速率，即

(5.5.1)源端接收到P_DEC后，源端的拥塞窗口减小1/8，

(5.5.2)源端接收到P_NOR后，源端的拥塞窗口增加1，

(5.5.3)源端接收到P_HOLD后，源端的拥塞窗口保持不变。

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