對(duì)FAST TCP 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制優(yōu)缺點(diǎn)的分析

沈 淺

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)給人們的生活帶來了新的變革，互聯(lián)網(wǎng)改變了人們的生活習(xí)慣、交流方式、行為活動(dòng)。然而事物在不斷發(fā)展的過程中必然會(huì)出現(xiàn)很多的問題，面對(duì)規(guī)模與應(yīng)用越來越復(fù)雜且資源有限的互聯(lián)網(wǎng)，傳統(tǒng)的 TCP Reno網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制已經(jīng)存在缺陷，不能適應(yīng)。于是，針對(duì)于高帶寬、長延時(shí)、大容量網(wǎng)絡(luò)而言，F(xiàn)AST TCP就此應(yīng)運(yùn)而生了。

1 擁塞產(chǎn)生的原因與危害

網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生擁塞的原因是網(wǎng)絡(luò)流量、寬帶需求大于網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的承載能力，如果不去加以控制的話，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的擁塞，如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量與負(fù)載的關(guān)系

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與負(fù)載的關(guān)系，由圖中可以看到：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，吞吐量的增長與負(fù)載成正比關(guān)系，吞吐量增長迅速，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大到最佳操作點(diǎn)之后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量的增長速度已經(jīng)慢于負(fù)載的增長，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了中等擁塞狀態(tài)。此時(shí)，雖然網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)應(yīng)付負(fù)載，但是延時(shí)已經(jīng)增加，如圖2所示：

圖2 響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載的關(guān)系

由于實(shí)際負(fù)載不可能均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中[1]。因此，如果某些節(jié)點(diǎn)遇到中等程度的擁塞時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)則可能要經(jīng)受嚴(yán)重的擁塞，這樣必然導(dǎo)致丟棄一些流量。另外，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將試圖通過選擇穿過低擁塞區(qū)的分組路由來平衡負(fù)載。為了完成路由的選擇，更多路由分組必須在節(jié)點(diǎn)之間交換以避開擁塞區(qū)，這種額外開銷也降低了可用于數(shù)據(jù)分組的容量。

當(dāng)然，擁塞是一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因也很多。如果不加以控制，將會(huì)出現(xiàn)丟包率迅速增加，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，延時(shí)增加等情況，嚴(yán)重的話更可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞崩潰。

2 FAST TCP的擁塞控制分析

2.1 FAST TCP模型與優(yōu)點(diǎn)

FAST TCP模型在實(shí)現(xiàn)上可以分為4個(gè)部分：RTT測量、數(shù)據(jù)管理、窗口控制和突發(fā)控制。這4部分在功能上相互獨(dú)立，有利于協(xié)議的設(shè)計(jì)和異步升級(jí)，如圖3所示：

圖3 FAST TCP結(jié)構(gòu)圖

圖3給出了FAST TCP協(xié)議的結(jié)構(gòu)，其中各個(gè)部分的主要功能為：

RIT測量：利用多位的排隊(duì)延遲信號(hào)或一位的丟棄/未丟棄信號(hào)來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。

數(shù)據(jù)管理：用來控制發(fā)送哪些報(bào)文。

窗口控制：根據(jù)RTT測量模塊獲得的信息控制發(fā)送窗口的大小。

突發(fā)控制：決定何時(shí)可以發(fā)送報(bào)文。

FAST TCP[2]使用隊(duì)列延時(shí)作為判斷擁塞的主要依據(jù)，適當(dāng)結(jié)合了流層和報(bào)文層的設(shè)計(jì)，能夠較好地解決傳統(tǒng)TCP Reno中存在的問題。我們使用一個(gè)通用的如公式來表示TCP協(xié)議和TCP變種流層上的模型，公式（1）

其中：ki(t)，ui(t)如公式（2）、（3）

通過對(duì)比TCP Reno與FAST TCP的ki(wi,Ti)和ui(wi,Ti)表達(dá)式，如表1所示：

表1 增益函數(shù)、利用率函數(shù)和擁塞反饋方法

從表中可以發(fā)現(xiàn)FAST TCP[1]由于采用一種基于表達(dá)式的實(shí)現(xiàn)方式，可以讓網(wǎng)絡(luò)維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)高效的狀態(tài)下。

由此，F(xiàn)AST TCP具有如下優(yōu)點(diǎn)：

第一，F(xiàn)AST TCP能夠明確估算出當(dāng)前狀態(tài)距平衡狀態(tài)的程度，以一種公平穩(wěn)定的方式逐步逼近平衡點(diǎn)。當(dāng)FAST TCP離平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，窗口變化較快，當(dāng)快接近平衡點(diǎn)時(shí)，窗口的調(diào)整較小，避免了Reno中因網(wǎng)絡(luò)變化導(dǎo)致的窗口慢增長和劇烈下降的問題；

第二，通過選用多比特的擁塞衡量方式，提供更多的擁塞信息，減少了因丟包率為擁塞信號(hào)帶來的數(shù)據(jù)報(bào)層的振蕩；

第三，當(dāng)鏈路隊(duì)列容量較大時(shí)，使用隊(duì)列時(shí)延作為擁塞衡量的主要方式，能夠使網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，從而減小隊(duì)列延遲。

2.2 NS2實(shí)驗(yàn)仿真

為了更好地分析FAST TCP，驗(yàn)證其性能，我們采用現(xiàn)今使用廣泛網(wǎng)絡(luò)仿真器的NS2[3]平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖4所示：

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

其中R1到Rn是中間路由器節(jié)點(diǎn)，S1～Sn是源節(jié)點(diǎn)，D1～Dn是目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用Drop Tail隊(duì)列管理策略。

我們把分組大小設(shè)置 1000Byte，隨機(jī)設(shè)置各流發(fā)送時(shí)間以避免相互影響和干擾，采用FTP作為通過TCP連接傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用，所有這些實(shí)驗(yàn)時(shí)間都是500秒。

下面我們將從以下幾個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

1）效率

效率[4]主要是指帶寬的利用率，通過 NS2模擬軟件分析，隨著帶寬的增加，F(xiàn)AST TCP在帶寬的利用率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的TCP Reno。

2）穩(wěn)定性

協(xié)議的穩(wěn)定性有很多評(píng)價(jià)方法，在這里，我們利用穩(wěn)定性指數(shù)來做評(píng)價(jià)，第i個(gè)流的穩(wěn)定性指數(shù)定義為其樣本標(biāo)準(zhǔn)方差除以平均吞吐量，如公式（4）

公式中穩(wěn)定性指數(shù)越小，說明源端能感覺到的震蕩也就越小，如果有多個(gè)數(shù)據(jù)流，則只要進(jìn)行疊加取平均值就可以得出。通過數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定性上，F(xiàn)AST TCP也有一定的提高。

3）RTT公平性

公平性[5]是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，鏈路中的各個(gè)連接能公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源。擁塞發(fā)生必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源減少，各個(gè)數(shù)據(jù)流必將相互爭奪而發(fā)生競爭，競爭能力弱的數(shù)據(jù)流將無法或很少獲得網(wǎng)絡(luò)資源。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，F(xiàn)AST TCP協(xié)議在RTT公平性方面表現(xiàn)較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的TCP Reno協(xié)議。

2.3 存在的問題

在FAST TCP協(xié)議模型中，由于假設(shè)源端的發(fā)送速率不能超過最大鏈路帶寬。鏈路隊(duì)列延遲矩陣p(t)能根據(jù)窗口大小計(jì)算[6]。假設(shè)wi(t)=wi，則鏈路上的延遲pm(t)=pm≥0表示如公式（5）

當(dāng)FAST TCP流達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，吞吐量表示為如公式（6）

其中ai是FAST TCP在到達(dá)平衡位置時(shí)源i流在鏈路中數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。

在TCP Reno中，每個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)擁塞窗口加1，導(dǎo)致具有較小 RTT的連接迅速增加窗口從而掠奪網(wǎng)絡(luò)資源。FAST TCP和TCP Reno不同[7]，它對(duì)傳播時(shí)延較大的流并不存在偏見，即使遇到這種情況，發(fā)送端為了維持鏈路中數(shù)據(jù)包的數(shù)量，也會(huì)給該流一個(gè)合適的擁塞窗口。

FAST TCP是通過估計(jì)部分計(jì)算的base RTT[8]來調(diào)整其窗口大小，傳播時(shí)延測量的準(zhǔn)確性對(duì)FAST TCP窗口控制部分至關(guān)重要。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞改變路由時(shí)，會(huì)造成傳輸時(shí)延的變化，這種變化是很難捕捉到的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，新的傳播時(shí)延大于重路由前的傳播時(shí)延時(shí)，連接的吞吐量會(huì)劇烈下降，從而使FAST TCP的連接無法獲得公平的帶寬分配。

根據(jù)以上的分析，F(xiàn)AST TCP在公平性方面存在一些問題：

首先，從FAST TCP窗口更新公式看出，當(dāng)RTT測量結(jié)果不準(zhǔn)確時(shí)，會(huì)使FAST TCP窗口的增長速率相對(duì)溫和，從而占用較少的帶寬，不利于FAST TCP與其它協(xié)議競爭帶寬。

第二，在 FAST TCP中，具有較短RTT的連接排隊(duì)時(shí)延更短，這可以幫助它在平衡狀態(tài)時(shí)保持較多的數(shù)據(jù)包，從而有利于去搶奪網(wǎng)絡(luò)資源。

第三，隨著流的不斷加入，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)刻變化，由于FAST TCP使用隊(duì)列延遲的擁塞控制方法，當(dāng)對(duì)base RTT的測量失誤時(shí)，會(huì)對(duì)FAST TCP的整體性能造成不良影響，從而影響FAST TCP連接的公平性以及效率。

3 結(jié)論

通過對(duì) FAST TCP的分析，可以看到新算法與傳統(tǒng)的TCP Reno相比，確實(shí)有了很大進(jìn)步和提高。但由于每個(gè)協(xié)議設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)的差異，F(xiàn)AST TCP也存在不足，在高帶寬時(shí)的 RTT公平性方面表現(xiàn)不佳。通過分析，考慮可以通過在原有算法中添加一個(gè)公平因子，消除RTT的影響，從而有效地提高算法的公平性表現(xiàn)。

[1]李衛(wèi)星,嚴(yán)暉.FAST TCP公平性改進(jìn)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2010(11):37-39.

[2]Floyd S. High-Speed TCP for large congestion windows[S /OL]. RFC3649, 2003.

[3]David X Wei, C Jin, S H Low, et al. FAST TCP: motivation, architecture, algorithms, performance.[C]IEEE/ACM Trans. Net, 2006, 14:1246-1259.

[4]丁一,汪永琳.長距離高帶寬環(huán)境下FAST TCP的結(jié)構(gòu)與性能分析[J].科技信息，2006(01):1-3.

[5]王德鎖,舒勤.TCP擁塞控制機(jī)制在高速網(wǎng)絡(luò)中的局限性[J].中國測量技術(shù),2007(03):47-67

[6]李士寧,王猛,趙磊.長距離高帶寬環(huán)境下的 TCP[J]擁塞控制.2006(01):47-50

[7]羅萬明,林闖,閻保平.TCP/IP擁塞控制研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2009(01)

[8]劉秋讓,倪紅波.TCP擁塞控制解決辦法分析及評(píng)價(jià)[J].計(jì)算機(jī)工程,2008(06):59-61