TCP擁塞控制研究

李 婷

(西安財(cái)經(jīng)學(xué)院統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710061)

1 網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的原因

網(wǎng)絡(luò)中的擁塞來源于網(wǎng)絡(luò)資源和流量分布的不均衡性。一旦網(wǎng)絡(luò)中存在過多的數(shù)據(jù)包，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞。擁塞會(huì)導(dǎo)致分組丟失率增加，從而增大端到端的延遲，累積到一定程度就是整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。這樣的例子在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展史上曾經(jīng)不止一次的出現(xiàn)過，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于擁塞崩潰狀態(tài)時(shí)，微小的負(fù)載增量都將使網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量急劇下降。

網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的原因說起來也很簡(jiǎn)單，就是“需求”大于“供給”。網(wǎng)絡(luò)本身無法根據(jù)現(xiàn)有資源的情況限制用戶的數(shù)量；互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)又是一個(gè)分散控制系統(tǒng)，無法控制用戶使用資源的數(shù)量，不斷增長的用戶和應(yīng)用的數(shù)量必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。

2 TCP擁塞控制

研究擁塞控制的目的不是要完全避免擁塞，而是研究怎樣的擁塞程度是合適的。TCP網(wǎng)絡(luò)是可靠數(shù)據(jù)傳輸，采用分組交換技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率，也就是說，路由器隊(duì)列緩存如果是滿的，則網(wǎng)絡(luò)利用率最高，但傳輸延遲大；隊(duì)列始終是空的或不滿，則網(wǎng)絡(luò)利用率低，傳輸延遲小。所以擁塞控制的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)利用率和傳輸延遲等綜合性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的總體性能，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)長期的穩(wěn)定性和魯棒性。

TCP的實(shí)現(xiàn)包含四個(gè)連續(xù)的基本過程，其實(shí)是四個(gè)不同的階段，分別是：慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)。

慢啟動(dòng)：當(dāng)一個(gè)新的TCP連接建立時(shí)，發(fā)送方發(fā)送一個(gè)缺省大小為 512字節(jié)的 TCP 報(bào)文段(segment)，稱為擁塞窗口(cwnd)，該 cwnd的值被初始化為一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此每經(jīng)過一個(gè)RTT，cwnd將指數(shù)增加。該算法的原理就是將能發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的新數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率對(duì)應(yīng)從接受端返回的確認(rèn)消息的速率。

擁塞避免：擁塞避免的觸發(fā)條件是當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收方的ACK確認(rèn)包超時(shí)到達(dá)或者收到了三個(gè)相同的ACK確認(rèn)包時(shí)，TCP就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞，開始執(zhí)行擁塞避免算法，這里的觸發(fā)條件是有前提條件的，那就是TCP假設(shè)由于線路傳輸引起的數(shù)據(jù)包損壞和丟失的概率非常小，Jacobson V在1988年提出的值為小于1%時(shí)條件就成立。在這一階段，慢啟動(dòng)閾值(ssthresh)設(shè)置為cwnd的一半，如果是超時(shí)，cwnd則被置1。如果此時(shí)cwnd＜=ssthresh。TCP就重新進(jìn)入慢啟動(dòng)，如果cwnd＞ssthresh，TCP進(jìn)入擁塞避免，發(fā)送方每收到一個(gè) ACK，則cwnd=cwnd+1/cwnd?？梢娐龁?dòng)階段cwnd的增加是指數(shù)的，而擁塞避免階段則是線性的。

快速重傳和快速恢復(fù)：發(fā)送方不等到數(shù)據(jù)包超時(shí)，在收到三個(gè)或三個(gè)以上的重復(fù)ACK時(shí)就判斷數(shù)據(jù)包已經(jīng)丟失，這樣不用等定時(shí)器超時(shí)后cwnd置1，就馬上重傳該數(shù)據(jù)包，同時(shí)將ssthresh的值置為當(dāng)前cwnd的一半，這種算法來保證TCP保持足夠的吞吐量?？焖倩謴?fù)的算法是：(1)當(dāng)?shù)谌齻€(gè)重復(fù)的ACK到達(dá)，設(shè)置ssthresh=cwnd/2；重傳丟失的報(bào)文；設(shè)置cwnd=ssthresh+3。加3是因?yàn)槿齻€(gè)重復(fù)的ACK表示有三個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)被接受方緩存了。(2)每次有一個(gè)更多的重復(fù)ACK到達(dá)，把cwnd加1并在可能的情況下傳輸一個(gè)報(bào)文段。(3)當(dāng)確認(rèn)新數(shù)據(jù)的下一個(gè)ACK到達(dá)時(shí)，設(shè)置cwnd=ssthresh，進(jìn)入擁塞避免。

3 TCP擁塞控制算法的改進(jìn)

3.1 慢啟動(dòng)的改進(jìn)

隨著Internet應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的占的比例逐步增大，Web數(shù)據(jù)流占了網(wǎng)絡(luò)流量的相當(dāng)部分，這些TCP連接的數(shù)據(jù)量一般都很短小，通過了解TCP擁塞控制原理，我們知道短TCP流主要工作的階段是慢啟動(dòng)階段，它不具備長TCP流的傳輸時(shí)間，無法達(dá)到擁塞避免階段，所以短TCP流的問題是，如果一個(gè)分組丟失，按照擁塞控制算法，需要等待定時(shí)器超時(shí)重傳，這在帶寬競(jìng)爭(zhēng)上就無法和長TCP流競(jìng)爭(zhēng)，從而造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞節(jié)點(diǎn)處，長TCP流會(huì)擠掉短TCP流，使貸款分配不均。針對(duì)這些問題，研究者們提出了傳統(tǒng)的慢啟動(dòng)存在的兩個(gè)問題：(1)數(shù)據(jù)發(fā)送從一個(gè)數(shù)據(jù)包開始，要經(jīng)過多個(gè)RTT才能達(dá)到較大吞吐量，這不利于流量小但是鏈路延遲又比較大的TCP流的傳輸；(2)采用指數(shù)增長的方式發(fā)送數(shù)據(jù)造成了數(shù)據(jù)突發(fā)，易引起瓶頸鏈路的擁塞。

針對(duì)第一個(gè)問題，大家提出了很多解決方法，比如采用大的初始窗口，將初始窗口從 1MSS 增加到 4MSS，(Allman M.et al,1998),這種方法雖然可以改善慢啟動(dòng)的性能，但是不能適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)帶寬。還有就是將各個(gè)TCP連接的信息共享(Padmanabhan V.et al,1998;Touch J,1997;Savage S.et al,1999),后面的連接可以使用具有相同目的地址的連接信息，從而可以減少慢啟動(dòng)的時(shí)延，但是這樣會(huì)使連接很快造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，而短TCP的長度只需要幾個(gè)RTT就可以傳輸完畢，網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)造成額外的時(shí)延。再后來提出了將初始窗口設(shè)定為4個(gè)分組，而從以快速重傳來減少重傳超時(shí)造成的傳輸時(shí)延(Mellia M.et al,2001)。

解決第二個(gè)問題可以通過使用帶寬時(shí)延的估計(jì)來設(shè)定初始慢啟動(dòng)閾值 ssthresh(Hoe J,1996)。 Smoot-start方法(Marchese M，2001)使發(fā)送方從慢啟動(dòng)階段較為平滑的過渡到擁塞避免階段，減少了數(shù)據(jù)包丟失和突發(fā)流，當(dāng)擁塞窗口到達(dá)Smsthresh后，采用比較平緩的指數(shù)方式增長擁塞窗口，逐漸達(dá)到默認(rèn)值或估算的ssthresh值。

3.2 快速重傳和快速恢復(fù)的改進(jìn)

有時(shí)發(fā)送端減少擁塞窗口值并不是因?yàn)榉纸M丟失，而是分組數(shù)據(jù)傳輸中順序錯(cuò)誤引起的重復(fù)ACK。有限傳輸機(jī)制 (Allman M，Balakrishman H.and Floyd S.2001)是一種改進(jìn)方法，當(dāng)發(fā)送端收到一個(gè)或兩個(gè)重復(fù)的ACK后，如果被允許，發(fā)送端就發(fā)送一個(gè)新的分組。這種方式對(duì)錯(cuò)序的狀況有較好的調(diào)節(jié)作用。還有D-SACK方式，是一種基于SACK的方式，通過給TCP發(fā)送端一個(gè)附加信息，來判斷是否發(fā)生了不必要的重傳，D-SACK通過接收端受用SACK選項(xiàng)來報(bào)告收到了重復(fù)的分組序列，D-SACK在容易引起錯(cuò)序的環(huán)境下提供更高的效率。

快速恢復(fù)的改進(jìn)機(jī)制有SACK (Selective Acknowledgement)，F(xiàn)ACK(Forward Acknowledgement)，TCP New-Reno 等。SACK 方式的接收端通過ACK向發(fā)送端通過所有正確的分組，發(fā)送端只需重傳真正丟失的分組。FACK是基于SACK的改進(jìn)，它們的問題都是增加了TCP的復(fù)雜性，對(duì)TCP版本的兼容性較差。TCP New-Reno不需要接收端的特殊支持，相對(duì)實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，但是數(shù)據(jù)傳輸效率相對(duì)不高。Rate-Halving(Allman M ，Dawkins S，Glover D，et al，2000)是 FACK 的一個(gè)比較新的版本。在快速恢復(fù)階段，每收到2個(gè)ACK發(fā)送一個(gè)新的分組，從而在一個(gè)RTT里將擁塞窗口減小到網(wǎng)絡(luò)能處理的分組數(shù)的一半大小，并保持了TCP的自計(jì)時(shí)特性。

目前，TCP基于窗口的擁塞控制策略被廣泛的應(yīng)用。各種改進(jìn)的TCP控制策略在不同側(cè)面解決了一定的問題，但是也有著局限性，有的實(shí)現(xiàn)起來過于復(fù)雜，有的解決了多個(gè)分組丟失的恢復(fù)問題，但對(duì)恢復(fù)過程中出現(xiàn)的分組丟失卻無法得到解決。

4 結(jié)束語

在實(shí)際的應(yīng)用中，針對(duì)不同特點(diǎn)的TCP網(wǎng)絡(luò)，有著適合的改進(jìn)策略，這些策略不用做到面面俱到，只要具有一定的針對(duì)性就可以。網(wǎng)絡(luò)擁塞的改進(jìn)是十分靈活的，方法也很非常多，其原因正式因?yàn)椴煌W(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)不同，從而選擇合適的改進(jìn)策略是關(guān)鍵。

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