TCP往返時延與擁塞控制的研究

【摘 要】時延測量和擁塞控制對于網(wǎng)絡(luò)的管理、協(xié)議開發(fā)與技術(shù)發(fā)展具有重要意義。本文列出了時延和擁塞控制的概念以及產(chǎn)生的相應(yīng)機(jī)理，并提出了應(yīng)對的算法。對于網(wǎng)絡(luò)時延測算軟件的設(shè)計，本文具有理論指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】TCP 往返時延 擁塞控制

一、概念簡介

TCP協(xié)議實現(xiàn)了流量控制和擁塞控制功能，可以保證數(shù)據(jù)的有序可靠的到達(dá)目的端。因此，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸層中多數(shù)的應(yīng)用均釆用TCP協(xié)議進(jìn)行。

往返時延（RTT）是研究TCP連接行為的重要測度，它是指從TCP發(fā)端發(fā)出報文到接收到通信對端立即返回的確認(rèn)報文所經(jīng)歷的時長。

擁塞控制（congestion control）是防止過多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)的路由或鏈路不過載。對于通信端點來說，擁塞往往表現(xiàn)為通信時延的增加。

二、TCP往返時延

（一）概述

TCP相對于UDP來說是可靠傳輸，但代價也是存在的。TCP采用一種自適應(yīng)的算法，它記錄一個報文段發(fā)出的時間，以及收到相應(yīng)確認(rèn)的時間，這兩個時間之差就是往返時延（RTT）。TCP保留了RTT的一個加權(quán)平均往返時間RTTs。時延的測量有挺多，以下給出兩種。

（二）SYN-ACK方法

SYN-ACK方法，通過監(jiān)測TCP三次握手建立連接的過程來估計RTT。用監(jiān)測到的最后一個和第一個ACK之間的時間間隔來計算RTT。使用此方法的前提： SYN-ACK和ACK的傳輸沒有被延遲；SYN-ACK在傳輸中沒有丟包，ACK在到達(dá)監(jiān)測點前沒有丟包；SYN和ACK在傳輸?shù)倪^程中時間抖動不大。SYN-ACK方法的不足之處在于：丟包可能導(dǎo)致RTT估計過長，超過3秒的RTT被認(rèn)為是不準(zhǔn)確的。有些操作系統(tǒng)會使用DelayACK方式工作，導(dǎo)致RTT估計錯誤。為了減少錯誤，，SYN-ACK方法使用HTTP請求和應(yīng)答之間的時延作為RTT估計的上界。

（三）SPECTRAL ANALYSIS方法

SPECTRAL ANALYSIS方法基本思想是：（1）使用前256個分組的到達(dá)間隔生成RTT初始估計值。（2）使用滑動窗口估計來設(shè)置RTT估計的上界。（3）使用序列號/應(yīng)答號之間的關(guān)系來尋找DATA-ACK-DATA關(guān)聯(lián)，設(shè)置RTT估計的下界。（4）使用自相關(guān)函數(shù)和Lomb-Scargle周期圖來估計RTT。

三、TCP擁塞控制

（一）概述

擁塞的直接原因主要有：（1）存儲空間不足；（2）帶寬容量不足；（3）處理能力較弱。為對傳輸層進(jìn)行擁塞控制，因特網(wǎng)建議標(biāo)準(zhǔn)定義了四種算法。

（二）擁塞控制算法

1.慢啟動

舊的TCP在啟動一個連接時會向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送許多數(shù)據(jù)包，由于一些路由器必須對數(shù)據(jù)包排隊，所以這樣就有可能耗盡存儲空間，從而導(dǎo)致TCP連接的吞吐量（throughput）急劇下降。避免這種情況發(fā)生的算法就是慢啟動。當(dāng)建立新的TCP連接時，擁塞窗口（cwnd）初始化為一個數(shù)據(jù)包大小。源端按cwnd大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每收到一個ACK確認(rèn)，cwnd 就增加一個數(shù)據(jù)包發(fā)送量. 很顯然，cwnd的增長將隨RTT呈指數(shù)級（exponential）增長：1個、2個、4個等等。 源端向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的數(shù)據(jù)量將急劇增加。

2.擁塞避免

發(fā)送端的cwnd每經(jīng)過一個往返時延RTT就增加一個最大報文段長度MSS的大小，而不是加倍，使得cwnd按線性規(guī)律緩慢增長，當(dāng)出現(xiàn)一次超時時，令慢開始門限ssthresh等于當(dāng)前cwnd的一半。可歸納如下：

當(dāng)cwnd小于ssthresh時，使用慢開始算法。

當(dāng)cwnd大于等于ssthresh時，改用擁塞避免算法。

3.快重傳和快恢復(fù)

當(dāng)數(shù)據(jù)包超時時，cwnd 要被置為1，重新進(jìn)入慢啟動，這會導(dǎo)致過大地減小發(fā)送窗口尺寸，降低TCP連接的吞吐量. 所以快速重傳和恢復(fù)就是在源端收到3 個或3 個以上重復(fù)ACK 時，就斷定數(shù)據(jù)包已經(jīng)丟失，重傳數(shù)據(jù)包，同時將ssthresh 置為當(dāng)前cwnd 的一半，而不必等到RTO 超時。

總的來說，TCP 擁塞控制算法如下：

1.初始化： win = min（ cwnd，awin）

cwnd = 1；

ssthresh = 65535bytes （缺省值）；/

2.當(dāng)新確認(rèn)包ACK 到達(dá)時：If（ cwnd < ssthresh）

/ Slow Start /

cwnd = cwnd + 1；

Eise

/ Congestion Auoidance /

cwnd = cwnd + 1 / cwnd；

3.超時： ssthresh = max（2，min（ cwnd / 2，awin））；

cwnd = 1；

四、結(jié)語

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)給我們帶來便利的同時，也存在一些問題，如網(wǎng)絡(luò)時延、擁塞、帶寬等問題。本文給出了一些問題的原因以及解決算法。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時延的測量軟件時，本文可以起到較好的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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