EHSTCP改进高速TCP算法.docVIP

EHSTCP:改进的高速TCP算法 龙承念杨会龙李欣关新平 1)（燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004）200240) 摘要： TCP在高带宽时延积网络中不能获得良好的性能，主要表现为低的吞吐量和大的窗口震荡。HSTCP算法解决了传统TCP算法在高带宽时延积网络下的性能瓶颈，但HSTCP在拥塞点时会产生大量的数据包丢失，同时当队列管理为去尾算法时，存在着严重的RTT不公平性问题。针对HSTCP算法的性能缺陷，本文提出一种在拥塞避免阶段进行拥塞避免模式切换的改进算法，称为EHSTCP。基于窗口历史值的端到端可用带宽预测方法，利用窗口历史信息来判断拥塞避免切换点。同时引入RTT公平因子，消除了HSTCP的RTT不公平性问题。NS2仿真实验验证了算法的有效性。 关键词：HSTCP，拥塞控制，TCP，包丢失，RTT不公平性 1 引言随着因特网的迅猛发展，网络规模、用户和应用急剧增加，随之而来的是日益突出的网络拥塞问题。拥塞控制是确保因特网鲁棒性的关键因素，也是各种管理控制机制和应用的基础，因此成为当前国内外计算机网络和控制理论交叉领域的一个热点课题[1]。下一代因特网具有高带宽时延积特性，给现有的研究提出了新的挑战。该问题主要体现在如下两个方面：第一，现有的TCP/AQM协议框架在包层次上的算法性能降低。主要原因在于高的带宽时延积会带来非常大的TCP拥塞窗口（数量级为）。但传统的TCP拥塞控制机制主要采用加式递增乘式递减（AIMD）形式的拥塞避免机制[2-5]，在AIMD调整过程中，如此大的拥塞窗口必然会导致“过缓”或“过激”的效应。如加式提升，每一往返时延（RTT）仅增加一个包，这使得用户达到稳态吞吐量的时间过长。若可用带宽为1Gbps，一个包长为1500字节，RTT为200ms的TCP链接需要27分钟才能从包丢失的状态重新获得可用带宽。当发生包丢失和ECN标记时，将当前拥塞窗口（cwnd）减半，这种行为又显得过激，带来大的拥塞窗口振荡，导致低的网络吞吐量。第二，在流量层次上现有算法的鲁棒性和稳定性难以保证。保持大的平衡窗口需要极小的包丢失率（数量级为），它们的关系如式(1)所示。 (1) 其中为用户的平衡窗口大小，为端到端的包丢失概率的平衡值，为比例因子。很显然随着带宽时延积的增加，在实际网络中该平衡状态将难以保证。 当前国际上对于高带宽时延积网络拥塞控制算法的研究主要分为三类，一类基于包丢失机制，主要算法包括HSTCP[6]、STCP[7]、BIC[8]和L-TCP[9]；第二类基于端到端队列时延变化，如FAST TCP[10]；第三类基于多比特的全信息反馈控制机制，主要算法有XCP[11]。还有一些其它的高速TCP算法，如H-TCP[12]、SQRT[13] 、CUBIC[14]和AntiECN[15]。HSTCP算法在高带宽网络环境中解决了标准TCP算法的主要性能缺陷，并且实现简单，便于在实际网络中推广，该方案已经被IETF所采用。 由于HSTCP在拥塞避免阶段采用非线性的增长模式，当产生突发流时，在拥塞点会造成大量的数据包丢失[6]。文[16]提出采用Block-pacing机制来减轻这一问题，Block机制将窗口的增长部分划分为两个阶段：快速增长阶段和线性增长阶段，即当HSTCP流没有获得可用带宽时采用快速的增长方式，当接近可用带宽时转换为标准TCP的增长方式，这样可以避免过多的包丢失。文[18]同样采用了双模态的窗口增长方式，该文献指出采用两种模态相互转换的增长方式可以降低包丢失事件的发生频率，从而降低包丢失率。该机制运用于与传统TCP共同存在的混合网络中能提高传统TCP的吞吐量，改善HSTCP的TCP友好性，类似的工作还有文[19]。但上述方法均是根据队列时延的变化来预测网络拥塞的，Biaz在文[20]指出运用往返时延的测量信息不能充分地反映路由器队列长度的变化，不能被用来作为拥塞发生的指示，因此运用队列时延难以准确地判断窗口增长模式的切换点，类似的工作还有[21]等。在高速网络环境下较小的缓冲区更加适合市场的需求，因此要求路由器缓冲区要小于带宽时延积，这使得运用队列时延变化进行可用带宽估计更难以实现。为解决这一难题，本文提出了一种新的切换点判断方法。该方法基于窗口历史动态来预测网络的可用带宽。根据估计的端到端可用带宽，我们可以设定一个适当的切换阈值。当网络的瓶颈链路利用率超过切换阈值时，拥塞避免阶段从高速的增长模式切换为TCP的低速增长模式。在去尾算法下，HSTCP存在严重的RTT不公平性，即长时延的HSTCP流与短时延的HSTCP流相互竞争时带宽分配极其不公平[8]。文[16]通过选取RTT公平因子，使