TPE：TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)TCP性能優(yōu)化的利器

中國移動通信集團

TPE：TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)TCP性能優(yōu)化的利器

中國移動通信集團

3G時代為人們提供了更高的無線業(yè)務(wù)承載帶寬，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展引入了更多的業(yè)務(wù)需求，如何最大限度地提高和保證端到端的服務(wù)性能，是全系統(tǒng)的問題。在E2E解決方案中，僅依賴無線資源管理等傳統(tǒng)算法的優(yōu)化已解決不了所有的問題。而傳統(tǒng)TCP協(xié)議并不適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸環(huán)境，其沒有考慮無線空口環(huán)境劇烈的變化，慢啟動機制導(dǎo)致丟包時重傳時延大，影響用戶吞吐率，從而嚴重影響用戶感知。

1 TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中TCP層數(shù)據(jù)傳輸面臨的問題

TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)中存在如下數(shù)據(jù)傳輸問題，這是一般無線資源管理算法不能夠有效解決的，必須依賴TCP層特有的增強技術(shù)來解決。

第一：當(dāng)無線傳輸環(huán)境發(fā)生比較劇烈的變化時，發(fā)現(xiàn)即使空口環(huán)境很好，數(shù)據(jù)傳輸速率一樣很低。其主要原因在于當(dāng)空口無線環(huán)境變差時，可能發(fā)生連續(xù)丟包而引起超時，這種情況下，TCP即會進入“慢啟動階段”而降低Server的發(fā)送速率，從而自適應(yīng)地“適配”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，而當(dāng)空口環(huán)境再次變好時，Server的發(fā)送速度不會很快補充上，這時可能會出現(xiàn)RNC緩存排空，空口無數(shù)據(jù)可發(fā)的情況，導(dǎo)致無線環(huán)境較好情況下的E2E傳輸速率得不到提升。

第二：現(xiàn)網(wǎng)用戶訪問部分Internet站點時，發(fā)現(xiàn)平均速率較低，當(dāng)Internet Server不在中國移動的骨干網(wǎng)上時，RNC到Server的RTT較大，TCP的 “自適應(yīng)”特性導(dǎo)致RNC緩存經(jīng)常發(fā)生排空，在空口出現(xiàn)數(shù)據(jù)不夠發(fā)的現(xiàn)象，UE側(cè)的接收窗口配置過小時通常也會導(dǎo)致吞吐量不理想。

第三：在多終端調(diào)度場景下，無線空口各UE之間數(shù)據(jù)包快速調(diào)度也會導(dǎo)致部分低優(yōu)先級UE的調(diào)度速率降低，而當(dāng)高優(yōu)先級UE數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，低優(yōu)先級UE得到更多無線資源時可能發(fā)生緩存排空現(xiàn)象。

中國移動經(jīng)過研究，借鑒其他系統(tǒng)成熟經(jīng)驗，提出了TPE（TCP performance enhance）技術(shù)，使 TCP協(xié)議與無線環(huán)境相適配，有效提升TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中的TCP數(shù)據(jù)傳輸性能，改善無線環(huán)境下TCP的處理機制上的限制。

2 TPE在TD-SCDMA系統(tǒng)中的實現(xiàn)原理

TPE是一種提升無線網(wǎng)絡(luò)中TCP數(shù)據(jù)傳輸性能的算法方案。在TD-SCDMA系統(tǒng)中由TPE功能模塊對TCP/IP包進行解析和額外的處理，提升了TCP數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐率?？梢栽赗NC實現(xiàn)TPE功能，對TCP包進行解析。TPE在GTPU和PDCP之間的實現(xiàn)，如圖1所示。

通過對TCP/IP包進行解析和處理，采用下行數(shù)據(jù)緩存排序、分裂ACK、復(fù)制DupACK以及RAN側(cè)本地重傳等TCP性能優(yōu)化技術(shù)，加速下行數(shù)據(jù)傳輸過程中服務(wù)器的慢啟動和快速重傳，快速恢復(fù)過程，避免數(shù)據(jù)傳輸過程中TCP進入慢啟動流程，從而減輕無線側(cè)時延過大和時延抖動、丟包，核心網(wǎng)丟包、亂序等因素對TCP數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。

從TPE技術(shù)返回ACK的方式來看，TPE有兩種基本的實現(xiàn)機制：非提前回ACK方式和提前回ACK方式。

兩種方式的共同點都是通過中間網(wǎng)元進行TCP機制的優(yōu)化。不同的是，提前回ACK方式，是指將原數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的TCP連接分裂成兩個連接，即Server圮TCP代理的TCP連接和TCP代理圮UE的TCP連接，Server和UE之間變成“互不相見”，各自看到的就是TCP代理；非提前回ACK方式下，中間網(wǎng)元的TPE功能并沒有將原TCP連接完全截斷，即仍維持Server圮UE的端到端TCP連接。

圖1 TPE的實現(xiàn)位置

使用提前回ACK能夠很好地實現(xiàn)對Server屏蔽無線側(cè)情況，也即Server的數(shù)據(jù)發(fā)送獨立于UE的數(shù)據(jù)接收。TCP代理能夠提前從Server獲取數(shù)據(jù)，而不管UE是否已經(jīng)應(yīng)答。在這種情況下，通常能保證RNC RLC Buffer不會出現(xiàn)排空現(xiàn)象，使得空口總是有數(shù)據(jù)發(fā)送，這就避免了之前TD-SCDMA外場測試中的RNC RLC Buffer排空問題，從而提高了空口吞吐率。但使用提前回ACK方式，當(dāng)發(fā)生越RNC的切換時，如果不開啟無損遷移功能，將出現(xiàn)可靠性問題，即Server認為數(shù)據(jù)已經(jīng)成功發(fā)送，而UE卻沒有收到該數(shù)據(jù)；而如果開啟無損遷移，則通常不存在可靠性問題，因為數(shù)據(jù)能夠搬移到目標(biāo)RNC，但是需要搬移的數(shù)據(jù)流很大，當(dāng)目標(biāo)RNC負載也較重時，目標(biāo)RNC將可能出現(xiàn)緩存不夠的問題，這仍然可能導(dǎo)致可靠性問題。

使用非提前回ACK則可避免上述由于提前回ACK而引起的RNC間切換導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸問題，因而TPE技術(shù)采用了非提前回ACK方式。

3 TPE技術(shù)數(shù)學(xué)原理分析

假定一個包從Server發(fā)出，經(jīng)過有線傳輸部分和無線傳輸部分由UE收到，數(shù)據(jù)ACK再經(jīng)過無線傳輸和有線傳輸部分回到Server，所經(jīng)歷的RTT為：

而如果在有線傳輸或者無線傳輸部分發(fā)生丟包那么RTT都會更大。

假設(shè)慢啟動門限為M個包，那么TCP啟動后第一次達到慢啟動門限所需的時間為（M-1）個RTT，這段時間傳送的包個數(shù)為：

cwnd達到慢啟動門限后，假設(shè)以概率p1發(fā)生超時事件，Server以概率p2收到DupACK包。發(fā)生超時事件，那么Server端的cwnd重新從1開始增加，收到3個DupACK包就把cwnd置為當(dāng)前慢啟動門限的一半以進行擁塞避免。

這個階段傳送包的個數(shù)為：

而使用TPE之后，假設(shè)每個ACK被分裂為3個，那么擁塞窗口的變化趨勢為：

在其他參數(shù)都一致的情況下，以上兩種計算時間的方式，只有二次方的系數(shù)相差3倍。

那么當(dāng)包大小為1024 byte，使用TPE之后傳輸完w字節(jié)的文件能夠節(jié)省的時間為：

4 TPE解決方案

TPE解決方案中包含的主要功能集有：分裂ACK、復(fù)制DupACK、本地重傳、上行數(shù)據(jù)包排序、捎帶包分離ACK等，如圖2所示，實際使用過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況靈活配置，從而達到性能的最優(yōu)化。

分裂ACK：利用TCP中根據(jù)收到的ACK數(shù)來更新?lián)砣翱诘奶攸c，通過增加ACK數(shù)來加速擁塞窗口的膨脹，使得TCP發(fā)送端的擁塞窗口能短時間內(nèi)增長到較大值。當(dāng)服務(wù)器發(fā)生慢啟動時，使用分裂 ACK，可以快速膨脹擁塞窗口；而當(dāng)服務(wù)器處于快速重傳和擁塞避免時，使用分裂ACK，同樣能夠加速擁塞窗口的增長。

圖2 TPE功能集

復(fù)制DupACK：根據(jù)TCP機制收到3個DupACK就快速重傳丟失分組的特點，代理收到UE的ACK后，如果檢測到ACK所請求包不在緩存中，那么立即復(fù)制3個DupACK給服務(wù)器，從而縮短分組重傳所花費的時間，整體上提升了TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

本地發(fā)送和重傳：服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包首先在TPE中緩存，再由TPE發(fā)送給UE，當(dāng)TPE到UE之間丟包后，UE會發(fā)DupACK，TPE會對其進行攔截，當(dāng)這些DupACK達到一定次數(shù)后，TPE向UE進行本地重傳，而不是通過Server的重傳來進行，從而縮短了重傳時間，另外也較大程度地避免了快速重傳中Server擁塞窗口的減半操作。

上行數(shù)據(jù)包排序：對上行數(shù)據(jù)包進行排序，使得上傳的數(shù)據(jù)按序向核心網(wǎng)遞交，到達Server接收端后，TCP數(shù)據(jù)包亂序的可能性就減小，從而很大程度地避免發(fā)送不必要的DupACK。

捎帶包分離ACK：對于上行捎帶包，如果確認了新的下行數(shù)據(jù)，那么從該包分離出一個純ACK，該ACK除了序號比捎帶包的序號小外，所有信息和捎帶包的頭部信息完全一致。對于下行捎帶包，同樣，如果確認了新的上行數(shù)據(jù)，那么也從該包中分離出一個ACK。

TPE雖沒有加快TCP發(fā)送窗口的滑動速度，但通過增長擁塞窗口而增加了發(fā)送窗口，從而提高了數(shù)據(jù)的發(fā)送速度；通過本地緩存和重傳，減輕和避免了空口原因造成的服務(wù)器慢啟動或窗口減半，即使發(fā)生了重傳也可以加速該過程，從而形成了接入網(wǎng)中對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能優(yōu)化方案。

TPE測試結(jié)論以及分析：

·隨著核心網(wǎng)丟包概率的增大，TPE算法的增益持續(xù)增大，并且TPE算法能夠有效保證用戶速率不會大幅下滑；

·多用戶進行FTP業(yè)務(wù)時，隨著核心網(wǎng)丟包概率的增大，TPE算法的增益持續(xù)增大，并且吞吐量不會大幅下滑；

·進行HTTP瀏覽時，隨著核心網(wǎng)時延的增大，TPE算法能夠穩(wěn)定帶來增益，但是較大的時延會惡化用戶的感受。

5 TPE應(yīng)用前景

由于WCDMA和TD-SCDMA采用完全相同的上層協(xié)議技術(shù)，WCDMA也面臨TCP協(xié)議無法完全和空口環(huán)境相適應(yīng)的問題，TPE已經(jīng)在WCDMA中得到廣泛的應(yīng)用。WCDMA的TPE技術(shù)已經(jīng)在海外各大運營商處得到推廣。中國移動也積極在TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)引入TPE技術(shù)。

2010-09-10）