以動(dòng)制動(dòng)

Darren Ng

采用TCP擁塞控制算法所能實(shí)現(xiàn)的理想效果是，通過算法猜測網(wǎng)絡(luò)瓶頸在哪里，在達(dá)到瓶頸值之前盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)盡可能接近瓶頸上限而又不超過，而非發(fā)生擁塞后再做出反應(yīng)。

中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）于2019年8月發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)狀況發(fā)展報(bào)告》顯示，截至2019年6月，中國網(wǎng)民規(guī)模已達(dá)到8.54億人，2019年1月到6月僅移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量就高達(dá)553.9億GB，同比增長107.3%。除了巨大的流量壓力和激增的網(wǎng)民數(shù)量，智能手機(jī)、平板電腦和筆記本等設(shè)備種類逐漸豐富;傳統(tǒng)的瀏覽器和新興的移動(dòng)應(yīng)用程序等各式瀏覽工具不斷涌現(xiàn);音頻、視頻、游戲、圖片等不同內(nèi)容形式層出不窮;移動(dòng)蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、固網(wǎng)、WiFi等“最后一公里”的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展并普及，整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得極其復(fù)雜。但無論網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如何，普通終端用戶只想快速地獲取高清且流暢的內(nèi)容。要想在這樣共享的環(huán)境中使每個(gè)終端用戶都能夠擁有一個(gè)高效率、高質(zhì)量的體驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層面的優(yōu)化必不可少。

擁塞控制，“治堵”關(guān)鍵

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好比市政交通。只有少量行人時(shí)，道路永遠(yuǎn)暢通無阻。當(dāng)越來越多的機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車涌上街頭，堵車現(xiàn)象隨之而來，于是就需要能有效應(yīng)對(duì)不同狀況的交通規(guī)則來緩解交通壓力。網(wǎng)絡(luò)亦是如此，流量太大、“路況”太復(fù)雜勢必會(huì)“堵”得水泄不通，而這個(gè)“堵”字用行話來講就是“擁塞”，用來“治堵”的網(wǎng)絡(luò)“交通規(guī)則”即是TCP（傳輸控制協(xié)議）擁塞控制算法。

目前，主流的TCP擁塞控制算法主要被劃分為兩大類：一是以Cubic、Reno為代表的基于丟包的算法，二是包括FastTCP和BBR在內(nèi)的基于RTT（往返時(shí)間）/時(shí)延的算法。盡管不同TCP擁塞控制算法的具體運(yùn)行機(jī)制有所差異，但都是通過對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量、擁塞窗口（cwnd）數(shù)值及接受窗口（rwnd）可接受的數(shù)據(jù)量三項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行衡量，以達(dá)到避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。更進(jìn)一步講，采用TCP擁塞控制算法所能實(shí)現(xiàn)的理想效果是（如圖），通過算法猜測網(wǎng)絡(luò)瓶頸在哪里，在達(dá)到瓶頸值之前盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)盡可能接近瓶頸上限而又不超過，而非發(fā)生擁塞后再做出反應(yīng)。

以一敵百 難以實(shí)現(xiàn)

面對(duì)市面上的諸多選擇，是否有一種TCP擁塞控制算法能夠適用于所有的場景呢？問題的答案自然是否定的，而且Akamai對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀況的監(jiān)測結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。Akamai在全球部署了分布最廣泛且高度分散的內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)（CDN），具備較高的對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的可見性，Akamai在自身平臺(tái)上部署了多種TCP擁塞控制算法，包括FastTCP、BBR、QDK、Cubic、Reno等。以Akamai在亞太地區(qū)某區(qū)域不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的有效發(fā)包效率為例：亞太地區(qū)某區(qū)域移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)交付內(nèi)容的大小在1M至3M之間時(shí)，平均有效發(fā)包效率最高的TCP擁塞控制算法為QDK（18240.6kbps），比最低的FastTCP快約4.4Mbps，差異比例高達(dá)驚人的33%。使用FastTCP時(shí)，超過半數(shù)情況下有效發(fā)包效率在11940.0kbps以上;而使用Reno時(shí)，半數(shù)以上的情況有效發(fā)包率可達(dá)到16048.0kbps，遠(yuǎn)高于墊底的FastTCP。而亞太地區(qū)相同區(qū)域固網(wǎng)的數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出另一番景象。BBR的平均有效發(fā)包效率僅為20229.1kbps，是效率最低的TCP擁塞控制算法，而在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不太“靈光”的FastTCP反而以22694.9kbps的平均有效發(fā)包效率，一躍成為了固網(wǎng)環(huán)境里的“優(yōu)等生”。同時(shí)，對(duì)超過一半情況有效發(fā)包效率可以達(dá)到的數(shù)值進(jìn)行比較，F(xiàn)astTCP依然以18618.4kbps保持領(lǐng)先。

不難發(fā)現(xiàn)，每一種TCP擁塞控制算法都有最適合它的特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，沒有一勞永逸的方法可以解決繁雜且龐大的網(wǎng)絡(luò)中的所有問題。

以動(dòng)制動(dòng) 應(yīng)勢而變

既然網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的擁塞狀況時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)的變化之中，試想如果能夠根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)條件，自動(dòng)選擇出最適合的TCP擁塞控制算法，及時(shí)對(duì)癥下藥，難題也就可以迎刃而解。那么，這樣動(dòng)態(tài)的優(yōu)化過程又該如何實(shí)現(xiàn)呢？

首先，依托一張能夠交付大規(guī)模流量的內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)，從中收集涵蓋數(shù)據(jù)類型、網(wǎng)絡(luò)類型、用戶地理位置、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、使用時(shí)間段等20個(gè)維度的海量數(shù)據(jù)，作為分析網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀況的原始素材。而要利用這些數(shù)據(jù)完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量和擁塞情況的分析，并識(shí)別出其中的細(xì)微差別和特點(diǎn)，依靠人工手段顯然不現(xiàn)實(shí)，因此需要機(jī)器學(xué)習(xí)來助一臂之力。

當(dāng)前，Akamai正在穩(wěn)步推進(jìn)以分析框架、機(jī)器學(xué)習(xí)、TCP擁塞控制算法工具庫為主要構(gòu)成的動(dòng)態(tài)協(xié)議優(yōu)化解決方案。憑借這套解決方案，Akamai期待不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)的優(yōu)化，更能夠營造一個(gè)相對(duì)公平的網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境。未來，Akamai仍將是互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商在網(wǎng)絡(luò)“治堵”道路上并肩同行、值得信賴的伙伴。