基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)文件傳輸?shù)臋C(jī)制與效率

劉丹

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)文件傳輸?shù)臋C(jī)制與效率

劉丹

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

雖然TCP協(xié)議還存在問題，但是TCP加速技術(shù)更符合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆；趯W(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)的核心是信息重傳機(jī)制和擁塞處理機(jī)制，它能準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包、擁塞的規(guī)律，及時(shí)重傳信息和控制傳輸速率，避免擁塞和浪費(fèi)帶寬資源?；趯W(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)不僅能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度，而且能保證大數(shù)據(jù)文件遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男省?/p>

數(shù)據(jù)傳輸；效率；加速；準(zhǔn)確；機(jī)制

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大和用戶數(shù)量逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)延、丟包等現(xiàn)象越來(lái)越普遍，不僅降低了TCP的傳輸效率，而且也降低了帶寬資源的利用率。網(wǎng)絡(luò)狀況判斷不準(zhǔn)確、調(diào)整機(jī)制不合理是制約TCP加速的兩個(gè)重要因素?；趯W(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)借助智能學(xué)習(xí)手段，能準(zhǔn)確判斷網(wǎng)絡(luò)狀況，合理解決丟包、重傳與擁塞等問題，能提升TCP傳輸效率和帶寬利用率。

1 TCP協(xié)議存在的問題

雖然TCP作為一種可靠的傳輸協(xié)議，得到廣泛運(yùn)用，但是由于TCP是為局域網(wǎng)開發(fā)的技術(shù)，沒有充分考慮廣域網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境，導(dǎo)致TCP越來(lái)越不適應(yīng)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境[1]。具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是判斷和重傳機(jī)制不合理。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議采取機(jī)械的判斷和重傳機(jī)制，在傳輸過程中，容易造成丟包、判斷延遲、誤判等問題。判斷機(jī)制以丟包為依據(jù)，不僅容易加劇擁塞，而且擁塞恢復(fù)正常的時(shí)間較長(zhǎng)；二是控制機(jī)制不合理。控制機(jī)制不合理，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效利用率。以丟包作為判斷擁塞的依據(jù)、以及大窗口回退調(diào)整處理方式，導(dǎo)致TCP的吞吐量急速下滑，浪費(fèi)寬帶資源，降低遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸效率，甚至使網(wǎng)絡(luò)無(wú)法使用。

2 TCP 加速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)TCP協(xié)議存在的問題，已經(jīng)發(fā)展了一系列TCP數(shù)據(jù)傳輸加速技術(shù)。根據(jù)加速方式的難易程度，把TCP數(shù)據(jù)傳輸加速技術(shù)劃分為三個(gè)技術(shù)[2]：一是并行傳輸技術(shù)。通過建立多個(gè)TCP連接，以并行的方式傳輸數(shù)據(jù)，擴(kuò)大初始擁塞窗口，提升數(shù)據(jù)傳輸量。雖然這種加速技術(shù)可以減少帶寬浪費(fèi)，提高傳輸效率，但是要受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，沒有從根本上解決TCP固有的問題；二是協(xié)議替換技術(shù)。在廣域網(wǎng)傳輸信道上，采用私有協(xié)議替換TCP協(xié)議，以克服網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)私有協(xié)議傳輸?shù)挠绊憽ｋm然目前在主流加速技術(shù)中，普遍采用協(xié)議替換技術(shù)，但是該技術(shù)存在私有協(xié)議信息容易被攔截的缺陷；三是協(xié)議優(yōu)化技術(shù)。通過開啟TCP擴(kuò)展功能，調(diào)節(jié)TCP傳輸窗口，改進(jìn)擁塞控制算法，既能克服TCP協(xié)議的固有缺陷，又能不改變TCP協(xié)議的交互過程。協(xié)議優(yōu)化技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力更強(qiáng)，已經(jīng)成為TCP加速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。擁塞控制算法是TCP協(xié)議優(yōu)化的核心。協(xié)議優(yōu)化技術(shù)是依據(jù)時(shí)延變化判斷擁塞狀況，更符合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

3 基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)的信息重傳機(jī)制和擁塞處理機(jī)制

基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)，是通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)學(xué)習(xí)機(jī)制，記錄與TCP連接網(wǎng)絡(luò)的路徑特征，實(shí)時(shí)分析網(wǎng)絡(luò)變化情況，以發(fā)現(xiàn)丟包或擁塞的先兆，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以確定合理的傳輸速率[4]?；趯W(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)包含基于丟包判斷的重傳機(jī)制、以及基于擁塞判斷的處理機(jī)制。

在重復(fù)ACK+超時(shí)和判斷丟包的基礎(chǔ)上，采用TCP傳輸歷史智能學(xué)習(xí)算法，以丟包歷史信息特征作為參考，估計(jì)發(fā)出但尚未被確認(rèn)接收的數(shù)據(jù)包丟失概率。當(dāng)丟失概率值超過設(shè)定的閾值時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包信息丟失。這種方法能降低誤判TCP丟包的概率，能提高判斷丟包的準(zhǔn)確性，并在重傳機(jī)制的作用下，使數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)到正常狀態(tài)，減少帶寬資源浪費(fèi)。

把網(wǎng)絡(luò)丟包和時(shí)延變化作為判斷鏈路擁塞的依據(jù)，并通過智能傳輸歷史學(xué)習(xí)算法，對(duì)與TCP連接傳輸?shù)臍v史信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，準(zhǔn)確識(shí)別丟包的原因，是因?yàn)閾砣麃G包，還是因?yàn)榉菗砣a(chǎn)生的隨機(jī)性丟包。在發(fā)生隨機(jī)性丟包時(shí)，TCP發(fā)送窗口大小固定不變，以防止發(fā)送速率急劇下降，避免鏈路擁塞問題。在擁塞判斷的條件下，利用傳輸歷史智能學(xué)習(xí)算法，準(zhǔn)確判斷傳輸路徑的最大可用帶寬，以調(diào)整TCP的最大傳輸速率。在發(fā)生鏈路擁塞時(shí)，結(jié)合發(fā)送窗口的歷史信息，選擇合適的回退窗口值。

4 基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)文件傳輸中的應(yīng)用

目前，一方面，基于TCP協(xié)議的文件傳輸非常普遍；另一方面，跨網(wǎng)的大數(shù)據(jù)文件傳輸容易受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，傳輸效率低。因此，雖然未來(lái)仍然要使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，但必須解決數(shù)據(jù)傳輸效率問題。首先，提高文件吞吐量、帶寬利用率、文件傳輸加速比。文件傳輸吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，是衡量傳輸速率的指標(biāo)；帶寬利用率是指文件傳輸吞吐量與物理帶寬的比值，用于衡量帶寬利用程度的指標(biāo)；文件傳輸加速比是指在使用TCP加速技術(shù)前后兩個(gè)文件傳輸吞吐量的比值，用于衡量加速效果。利用基于學(xué)習(xí)的TCP加速器，能極大地提高傳輸速度，提高文件吞吐量、帶寬利用率、文件傳輸加速比等。其次，提高遠(yuǎn)距離、大數(shù)據(jù)文件的傳輸效率[3]。一般來(lái)說，遠(yuǎn)距離大數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)臅r(shí)延為21—200ms，丟包率為5‰，全程物理帶寬瓶頸為100Mbps。使用基于學(xué)習(xí)的TCP加速技術(shù)，能夠大大地提高傳輸吞吐量和帶寬利用率和傳輸加速比。例如，5GB的文件數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間能夠從50分鐘減少到5分鐘，40GB的文件數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間從7個(gè)多小時(shí)減少到45分鐘。

[1]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第五版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2]彭娜.并行TCP在廣域網(wǎng)加速系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2009.

[3]張亞生,彭華,谷聚娟.衛(wèi)星TCP加速技術(shù)研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2010(5).

[4]文宏,向德生等.Fast TCP協(xié)議研究及性能分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006(11).

責(zé)任編輯 仇大勇

TP393

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1674－5787（2016）06－0150－02

10.13887/j.cnki.jccee.2016（6）.44

2016-09-25

劉丹(1982—)，女，四川西充人，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程。