衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的TCP擁塞控制算法性能分析

李連強(qiáng),朱 杰,楊宇濤,胡 珍

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109)

衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的TCP擁塞控制算法性能分析

李連強(qiáng)1,朱 杰1,楊宇濤2,胡 珍2

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240; 2.上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109)

對(duì)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議(TCP)改進(jìn)版本的TCP-Vegas，TCP-Hybla，TCP-Westwood三種擁塞控制算法網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真研究。在兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中用網(wǎng)絡(luò)仿真器和MATLAB軟件分析了三種算法的吞吐量、擁塞窗口和公平性等性能。其中：第一組兩個(gè)數(shù)據(jù)流的TCP擁塞控制算法相同，考驗(yàn)各種算法在衛(wèi)星鏈路中單獨(dú)存在時(shí)的性能；第二組以傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)使用的TCP-Reno為對(duì)照數(shù)據(jù)流，考察各算法與Reno競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三種算法的吞吐量均較Reno有所增大，Westwood提升最多，Hybla次之，Vegas最少；Vegas的擁塞窗口較小，Hybla，Westwood的擁塞窗口則較大；Hybla，Westwood的公平性良好，Vegas的公平性較差，甚至劣于Reno。分析為新?lián)砣刂扑惴ㄑ芯刻峁┝死碚摐?zhǔn)備和仿真基礎(chǔ)，并提出了融合各改進(jìn)版本TCP優(yōu)點(diǎn)的研究方向。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)； 傳輸控制協(xié)議； 擁塞控制算法； TCP-Vegas； TCP-Hybla； TCP-Westwood； 網(wǎng)絡(luò)仿真器； 吞吐量； 擁塞窗口； 公平性

0 引言

隨著天地網(wǎng)絡(luò)一體化的發(fā)展，衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)衛(wèi)星通信已不能滿足需求。未來(lái)的天基衛(wèi)星通信將是基于IP的網(wǎng)絡(luò)式架構(gòu)。傳統(tǒng)TCP是為實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)的可靠通信而開發(fā)的，如直接用于端對(duì)端的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸會(huì)因衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)固有的長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼等因素而表現(xiàn)很不理想[1-3]。長(zhǎng)時(shí)延的存在導(dǎo)致發(fā)送端擁塞窗口(cwnd)增長(zhǎng)速度緩慢，慢啟動(dòng)(SS)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而影響吞吐量和傳輸速率，嚴(yán)重降低了TCP協(xié)議的傳輸性能[4]。衛(wèi)星鏈路的高誤碼率會(huì)在兩個(gè)方面影響吞吐量：首先，出錯(cuò)的數(shù)據(jù)須重傳，這將耽誤正常數(shù)據(jù)的傳送；其次，由于地面網(wǎng)絡(luò)通信中誤碼率較低，TCP發(fā)送端默認(rèn)丟包是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的，會(huì)盲目減少其cwnd，進(jìn)而降低了吞吐量。針對(duì)衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)這些特有問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的研究者提出了一系列的改進(jìn)：如TCP-Vegas消除了傳統(tǒng)的TCP周期性擁塞發(fā)生現(xiàn)象，但相對(duì)來(lái)說(shuō)吞吐量較低；TCP-Hybla將網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延與傳輸速率獨(dú)立，減小了衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)大時(shí)延的影響，但擁塞次數(shù)會(huì)增加；TCP-Westwood實(shí)時(shí)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的帶寬，降低了衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)高誤碼的影響[5-7]。本文以地面網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣的TCP-Reno作為參照，在不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中分析了上述三種改進(jìn)版本的TCP算法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真和對(duì)比，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性研究提供參考[8]。

1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

TCP的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素。關(guān)于協(xié)議性能標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，目前尚無(wú)統(tǒng)一定論[9]。但對(duì)網(wǎng)絡(luò)自身性能來(lái)說(shuō)，cwnd和數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)公平性(Fairness Index)F是必要的，對(duì)e-Science科研應(yīng)用來(lái)說(shuō)，衡量TCP優(yōu)劣的另一個(gè)重要指標(biāo)是傳輸效率[10-11]。綜合上述因素，本文著重從協(xié)議的擁塞窗口變化、數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)的公平性和吞吐量等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 吞吐量

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是要有更大的通信容量。在民事和軍事應(yīng)用中，總希望能獲得實(shí)時(shí)的信息反饋，因此在評(píng)價(jià)TCP性能指標(biāo)中，吞吐量至關(guān)重要。常用的公式為

(1)

式中：Qthroughput為吞吐量；Btot為接收的總信息；Ttot為接收總時(shí)長(zhǎng)。

1.2 擁塞窗口

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁有非常大的時(shí)延帶寬積。以地面網(wǎng)絡(luò)cwnd上限64 kb為例，擁有100 Mb/s的GEO衛(wèi)星鏈路，5 ms就能傳送完畢。GEO衛(wèi)星鏈路的數(shù)據(jù)包傳送往返時(shí)間，即一般意義上的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延(RTT)約540 ms，則發(fā)送端僅有0.09%的時(shí)間利用率。因此，在衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中希望能獲得較大的cwnd以增大網(wǎng)絡(luò)資源利用率，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝浚琧wnd的一般性單位是最大報(bào)文長(zhǎng)度(MSS)[12]。

1.3 公平性

若衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)數(shù)據(jù)流，每條數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的TCP會(huì)爭(zhēng)搶有限的網(wǎng)絡(luò)資源，競(jìng)爭(zhēng)力較弱的數(shù)據(jù)流得到的資源較少，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的不公平分配。設(shè)評(píng)價(jià)公平性的指標(biāo)為F，則有

(2)

式中：N為數(shù)據(jù)流數(shù)量；xi為第i條數(shù)據(jù)流的吞吐量。F的大小為0～1。若F=1，則表明資源完全地公平分配，所有的數(shù)據(jù)流得到相同的網(wǎng)絡(luò)資源；若F=1/N，則公平性最差，所有的資源都被一條數(shù)據(jù)流占用[13]。

2 TCP擁塞控制算法

2.1 TCP-Reno

TCP-Reno是目前地面網(wǎng)絡(luò)中使用最廣的TCP版本之一，也是本文仿真實(shí)驗(yàn)的一個(gè)參考。其擁塞控制算法主要由四部分組成：慢啟動(dòng)(SS)、擁塞避免(CA)、快速重傳(FT)和快速恢復(fù)(FR)。Reno算法通過(guò)逐漸增大cwnd試探網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的底線，是一種被動(dòng)的擁塞控制算法，其算法核心為

(3)

在SS，CA過(guò)渡階段，有1個(gè)cwnd的門限值稱為慢啟動(dòng)閾值sstresh。

2.2 TCP-Vegas

TCP-Vegas對(duì)Reno算法進(jìn)行了改進(jìn)，其中最關(guān)鍵的是采用了新?lián)砣苊鈾C(jī)制。Vegas算法根據(jù)實(shí)際吞吐量與期望吞吐量的差值控制cwnd尺寸，目的是保持網(wǎng)絡(luò)鏈路中始終有適當(dāng)?shù)目沼?。其算法核心如下?/p>

a)計(jì)算期望吞吐量和Qexp實(shí)際吞吐量Qact，有

(4)

式中：Wsize為窗口尺寸；R，Rmin分別為RTT及檢測(cè)到的最小RTT。

b)定義新變量

D=(Qexp-Qact)·Rmin.

(5)

c)作出調(diào)整

(6)

式中：α，β為參數(shù)。

實(shí)際吞吐量與期望吞吐量的差值越大，表明鏈路漸趨擁塞，這時(shí)需減小傳輸速率，β可激發(fā)此減小。與之相反，若兩者的差值越來(lái)越小，則表明鏈路還有較大可用資源，這時(shí)可增大傳輸速率，α可激發(fā)此增大[14]。

2.3 TCP-Hybla

TCP-Hybla是基于大時(shí)延網(wǎng)絡(luò)提出的，契合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。Hybla算法將傳輸速率獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延之外。當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)流的RTT值小于既定的參考RTT(R0)時(shí)，Hybla算法將采用與地面標(biāo)準(zhǔn)TCP相同的策略，否則Hybla會(huì)增加擁塞窗口以補(bǔ)償由RTT增加帶來(lái)的吞吐量降低的問(wèn)題[15]。算法核心為

Wcwnd(i+1)=

(7)

式中：ρ=R/R0。當(dāng)ρ接近1時(shí)，表明網(wǎng)絡(luò)擁塞的能性最低，無(wú)需補(bǔ)償傳輸速率。

2.4 TCP-Westwood

TCP-Westwood針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高誤碼特點(diǎn)，其性能良好。其方法要點(diǎn)是發(fā)送端通過(guò)TCP連接上返回確認(rèn)的平均速率對(duì)端到端可用帶寬作出估計(jì)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，發(fā)送方使用帶寬估值。可較傳統(tǒng)TCP盲目將cwnd減半，這種恢復(fù)機(jī)制可將cwnd設(shè)置得更準(zhǔn)確，特別是在高誤碼環(huán)境中能取得較高的鏈路利用率[16]。算法核心為

(8)

(9)

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

本文用NS2仿真平臺(tái)考察各種版本的擁塞控制算法在衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中的性能表現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫褂秒p數(shù)據(jù)流模式，如圖1所示。設(shè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為星地鏈路帶寬10 Mb/s，延遲1 ms，無(wú)誤碼；星間鏈路帶寬1 Mb/s，延遲20 ms，誤碼率1%。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中共有兩組數(shù)據(jù)流，共享一個(gè)衛(wèi)星鏈路，均采用FTP應(yīng)用，每個(gè)數(shù)據(jù)流持續(xù)連接時(shí)間10 s。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Simulation topology

仿真使用節(jié)點(diǎn)和鏈路在腳本中設(shè)置如下：

#建立結(jié)點(diǎn)

set s1 [$ns node]

set s2 [$ns node]

set sat1 [$ns node]

set sat2 [$ns node]

set r1 [$ns node]

set r2 [$ns node]

#建立鏈路

$ns duplex-link $s1 $sat1 10Mb 1ms DropTail

$ns duplex-link $s2 $sat1 10Mb 1ms DropTail

$ns duplex-link $sat2 $r1 10Mb 1ms DropTail

$ns duplex-link $sat2 $r2 10Mb 1ms DropTail

$ns duplex-link $sat1 $sat2 1Mb 20ms DropTail

本文共完成兩組仿真實(shí)驗(yàn)。第一組試驗(yàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)流的TCP擁塞控制算法相同，考驗(yàn)各擁塞控制算法在衛(wèi)星鏈路中單獨(dú)存在時(shí)的表現(xiàn)。第二組實(shí)驗(yàn)以Reno作為一條對(duì)照數(shù)據(jù)流，另一條數(shù)據(jù)流分別是Vegas，Hybla，Westwood，考察不同改進(jìn)版的TCP算法在與Reno競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的表現(xiàn)能力。

兩組實(shí)驗(yàn)獲得的Reno擁塞控制算法吞吐量如圖2所示。

圖2 Reno平均吞吐量Fig.2 Average throughput of Reno

由圖2可知：在第一組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)數(shù)據(jù)流均為Reno時(shí)吞吐量425 kb/s；在第二組實(shí)驗(yàn)中，Reno與Vegas共存時(shí)吞吐量516 kb/s，Reno與Hybla共存時(shí)吞吐量217 kb/s，Reno與Westwood共存時(shí)吞吐量161 kb/s。

兩組實(shí)驗(yàn)獲得的Vegas，Hybla，Westwood三個(gè)改進(jìn)版本的擁塞控制算法的吞吐量如圖3所示。

圖3 改進(jìn)版本TCP的平均吞吐量Fig.3 Average throughput of enhanced TCPs

由圖3可知：Vegas在兩組實(shí)驗(yàn)中的吞吐量分別為443，416 kb/s；Hybl的吞吐量分別為460，611 kb/s；Westwood吞吐量分別為470，612 kb/s。

根據(jù)圖2、3，第一組實(shí)驗(yàn)中Reno的吞吐量最低，這是由其固有的為地面網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的局限性導(dǎo)致的，而改進(jìn)后的Vegas，Hybla，Westwood較Reno吞吐量都有增大，其中Vegas提升最少，Hybla居中，Westwood最多。這是因?yàn)閂egas采取的是主動(dòng)的擁塞控制算法，根據(jù)吞吐量的差值提前避免擁塞的發(fā)生，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的利用率低于另外兩種改進(jìn)版本，Westwood一直利用ACK信息計(jì)算衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)帶寬，故其利用率最高。

根據(jù)圖3觀察前后兩組實(shí)驗(yàn)中各改進(jìn)版本TCP吞吐量的變化?？砂l(fā)現(xiàn)Hybla，Westwood的吞吐量均有上升，Westwood的吞吐量依舊最大，說(shuō)明這兩個(gè)版本的TCP競(jìng)爭(zhēng)公平性良好，可在有限的衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中搶占更多的網(wǎng)絡(luò)資源，而Vegas的吞吐量不增反減，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源甚至被Reno搶走部分，競(jìng)爭(zhēng)公平性最差。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，參照標(biāo)準(zhǔn)流均為Reno擁塞控制算法，為直觀體現(xiàn)各改進(jìn)版本的TCP擁塞窗口變化，在同一張圖中進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：在與Reno競(jìng)爭(zhēng)衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，Vegas的擁塞窗口始終較小，而Hybla，Westwood的擁塞窗口則較大，這也間接反映了Vegas擁塞控制算法吞吐量低和競(jìng)爭(zhēng)公平性較差的性質(zhì)，同時(shí)也從擁塞窗口的角度解釋了Hybla，Westwood的吞吐量較大的原因。

兩組實(shí)驗(yàn)中Vegas，Hybla，Westwood擁塞控制算法的擁塞窗口的變化分別如圖5～7所示。

圖5 Vegas擁塞窗口變化Fig.5 Vegas-cwnd dynamics

圖6 Hybla擁塞窗口變化Fig.6 Hybla-cwnd dynamics

圖7 Westwood擁塞窗口變化Fig.7 Westwood-cwnd dynamics

由圖5～7可知：Vegas的擁塞窗口在兩組實(shí)驗(yàn)中始終保持較平穩(wěn)，說(shuō)明其對(duì)衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)的預(yù)判起到了一定的作用，擁塞發(fā)生的次數(shù)最少；Hybla，Westwood在與Reno競(jìng)爭(zhēng)衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)擁塞窗口均有所增大，這也對(duì)應(yīng)了它們?cè)诘诙M實(shí)驗(yàn)中吞吐量增大及自身競(jìng)爭(zhēng)公平性更強(qiáng)的特點(diǎn)，其中Hybla的擁塞窗口的峰值雖然最大，但其振蕩也最明顯。究其原因是它將傳輸速率獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延外，傳輸性能受時(shí)延的約束較小，在衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中可有較高的性能表現(xiàn)，但又不像Vegas，Westwood一樣提前獲知一定的衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，故擁塞發(fā)生次數(shù)較多，擁塞窗口振蕩劇烈且頻繁。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著天地網(wǎng)絡(luò)一體化的發(fā)展，衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)通信在未來(lái)將會(huì)起到很大的作用。TCP協(xié)議作為一種端到端的可靠協(xié)議解決方案在地面網(wǎng)絡(luò)中取得了很大的成功，但在往返時(shí)延大、誤碼率高的衛(wèi)星通信環(huán)境中表現(xiàn)并不理想。因此，為獲得更好的傳輸效果，對(duì)TCP進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷氖潜匾摹１疚耐ㄟ^(guò)仿真驗(yàn)證了三種改進(jìn)版本的TCP。分析了吞吐量、擁塞窗口和競(jìng)爭(zhēng)的公平性以觀察其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信中的性能。值得注意的是，Vegas算法雖然在競(jìng)爭(zhēng)的公平性中表現(xiàn)較差，但其利用RTT的變化預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞趨勢(shì)時(shí)，就采取主動(dòng)擁塞避免的機(jī)制，減少了傳統(tǒng)的TCP周期性的擁塞發(fā)生。Hybla將傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)時(shí)延獨(dú)立，利用增大擁塞窗口的方式補(bǔ)償由于RTT增加產(chǎn)生的吞吐量降低的問(wèn)題，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信中也有很大的優(yōu)勢(shì)。Westwood相較于傳統(tǒng)TCP算法簡(jiǎn)單地將丟包作為網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的依據(jù)，并未考慮網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的帶寬狀態(tài)，利用帶寬估計(jì)的算法合理調(diào)整擁塞窗口，從而可提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅埽诟哒`碼的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有很大的作用。后續(xù)將圍繞以上三種算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)的綜合性擁塞控制算法。

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Evaluation of TCP Congestion Control Algorithms on Satellite IP Networks

LI Lian-qiang1, ZHU Jie1, YANG Yu-tao2, HU Zhen2

(1. School of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

The network performances of three enhanced transmission control protocol (TCP) for satellite were analyzed through simulation in this paper, which were TCP-Vegas, TCP-Hybla and TCP-Westwood. The throughput, congestion window and fairness index of the three algorithms in two scenarios were studied using Network Simulator 2 (NS2) and MATLAB software. The one scenario was that the two data flux had the same congestion algorithm, which was used for studying performance of each congestion algorithm existing alone in satellite IP link. And the other scenario was that one data flux was one of the three congestion algorithms and the other was TCP-Reno which was served as reference, which was used for studying the performance of the three congestion algorithms while comparing with TCP-Reno. It found that the throughputs of the three congestion algorithms were larger than that of TCP-Reno. TCP-Westwood was the biggest, TCP-Hybla was the second and TCP-Vegas was the least. Congestion window of TCP Vegas was small and congestion windows of TCP-Hybla and TCP-Westwood were large. Fairness index of TCP-Hybla and TCP-Westwood were good and fairness index of TCP-Vegas was not good even worse than that of TCP-Reno. The paper has provided a theoretical base and simulation base for developing new congestion algorithm. The research suggestion has been given for integration of various enhanced version of TCP.

Satellite networks; Transmission control protocol (TCP); Congestion control algorithms; TCP-Vegas; TCP-Hybla; TCP-Westwood; Network Simulator 2 (NS2); Throughput; Congestion window; Fairness index

1006-1630(2016)06-0109-06

2016-07-07；

2016-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(61271349，61371147，11433002)；上海航天科技創(chuàng)新基金資助(SAST2015039)

李連強(qiáng)(1994—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

TN927

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.016