一種主動ＴＣＰ擁塞控制方案
2009-01-01 00:00:00何利鮮永菊
計算機應(yīng)用研究 2009年2期
（重慶郵電大學 計算機科學與技術(shù)學院， 重慶 400065）
摘 要：
基于廣泛使用的TCP版本TCP Reno，提出了一種主動TCP擁塞控制方案，命名Active-TCP。在沿用傳統(tǒng)的被動擁塞控制方式的同時，Active-TCP添加了主動擁塞控制方式，即在滿足給定條件下，Active-TCP可主動降低擁塞窗口，而此時網(wǎng)絡(luò)并未真正發(fā)生擁塞。仿真分析了Active-TCP性能，結(jié)果表明，與TCP Reno相比，使用Active-TCP可改善吞吐量，降低報文重傳率；Active-TCP也能與TCP Reno友好共存，公平競爭網(wǎng)絡(luò)資源。另外，Active-TCP可由TCP Reno發(fā)送方作較小修改得到，因此Active-TCP容易實現(xiàn)，所增加的額外開銷較少。
關(guān)鍵詞：傳輸控制協(xié)議； 擁塞控制； 傳輸控制協(xié)議性能； 主動傳輸控制協(xié)議
中圖分類號：TP393.03 文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)02-686-04
Active-TCP congestion control approach
HE Li， XIAN Yong-ju
(College of Computer Science Technology， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China)
Abstract:Based on TCP Reno， a widely used TCP version， proposed an active TCPcongestion control approachnamed Active-TCP. Besides the traditional passive congestion control manners， Active-TCP added an active congestion control manner， i.e.， the congestion window may be decreased actively when some given conditions were satisfied before the congestion really occurs. Investigated Active-TCP performances through simulations. Comparing with TCP Reno， the throughput may be improved and the retransmit probabilitymay be decreased. Active-TCP can coexist with TCP Reno very friendly， and they can compete network resources fairly. In addition， Active-TCP may be obtained through a little modification fromTCP Reno at the sender side， so Active-TCP can be easily developed and the addition overheads are very low.
Key words：transmission control protocol(TCP); congestion control; TCP performance; Active-TCP
0 引言
Internet協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是基于使用IP協(xié)議的無連接端到端分組服務(wù)，具有實效性、靈活性以及健壯性等優(yōu)點。然而，正是這種基于無連接的設(shè)計模式，使得重負載情況下難以提供良好的服務(wù)。毫無疑問，對分組轉(zhuǎn)發(fā)的動態(tài)性缺乏了解會導致服務(wù)質(zhì)量的嚴重下降甚至于“Internet瓦解”。在20世紀80年代中期，Internet應(yīng)用得以迅速增長的初級階段，人們就對這種現(xiàn)象引起了關(guān)注，并稱這種現(xiàn)象為擁塞崩潰。對這一問題的最初解決應(yīng)歸功于Van Jacobson，他于1986初提出了迄今在TCP實現(xiàn)中所普遍采用的一種擁塞避免機制。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的過程中，主機通過采用這種擁塞避免機制使注入TCP連接的分組減少，達到減輕網(wǎng)絡(luò)負荷，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。當前流行的TCP版本為TCPReno。
TCPReno擁塞控制主要涉及慢啟動、擁塞避免、快速恢復和快速重傳。采用一種反應(yīng)式的被動擁塞控制模式，即只有在檢測出網(wǎng)絡(luò)擁塞時（如收到三個重復應(yīng)答或超時）才啟動擁塞控制機制[1~5]。由于采用被動方式進行擁塞控制，使網(wǎng)絡(luò)擁塞次數(shù)較多，數(shù)據(jù)重傳難以有效抑制。
關(guān)于主動擁塞控制方面的研究目前主要集中在路由器的隊列管理，典型的研究成果為隨機早期檢測（random early detection， RED）技術(shù)[6，7]。RED以給定概率丟棄到來的分組，此概率會隨著所估計的平均隊列長度的增加而增大。在RED中，隊列緩沖較少出現(xiàn)長期溢出，有效避免了數(shù)據(jù)的突發(fā)丟失。RED對相關(guān)參數(shù)較為敏感[8~11]，算法實現(xiàn)較復雜。
基于TCP Reno，本文提出了一種主動TCP擁塞控制機制，命名為Active-TCP。在沿用傳統(tǒng)的被動擁塞控制方式的同時，Active-TCP還采用了主動擁塞控制方式，即在擁塞到來時可提前主動降低擁塞窗口，而不用等網(wǎng)絡(luò)擁塞后才被動降低擁塞窗口，從而避免了不必要的擁塞，改善了吞吐量，降低了報文重傳率。
1 Active-TCP擁塞控制
TCPReno主要根據(jù)重復應(yīng)答和超時來推斷網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低擁塞窗口。Active-TCP除了沿用這兩種方式外，還添加了一種方式，即主動降低擁塞窗口方式，盡管此時網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞。采用主動擁塞控制模式下，當給定條件滿足時，可主動降低擁塞窗口，之后進入被動擁塞控制模式。若此模式下主動降低擁塞窗口條件未滿足時網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞，則按TCP Reno方式降低擁塞窗口，進入被動擁塞控制模式。Active-TCP算法如下：
a）發(fā)送方記錄最近一次收到三個重復應(yīng)答時的擁塞窗口值。為便于表述，把此值記為latest-cwnd。
b）發(fā)送方收到重復應(yīng)答后，將此時的擁塞窗口值與latest-cwnd進行比較。若這兩個值的相對誤差絕對值小于給定門限，則緊接著的擁塞避免階段采用主動擁塞控制方式（詳見c））；反之如TCP Reno在緊接著的擁塞避免階段仍采用被動式的擁塞控制，即在此階段擁塞窗口降低的條件為收到三個重復應(yīng)答或超時。
c）在主動擁塞避免階段，引起擁塞窗口降低的條件
除了收到三個重復應(yīng)答或超時外，添加了主動擁塞窗口降低機制，即在未收到三個重復應(yīng)答或超時時，若當前擁塞窗口值達到latest-cwnd的給定門限時，主動降低擁塞窗口，并將擁塞窗口值降為latest-cwnd的一半。
為了清晰地呈現(xiàn)Active-TCP，給出了Active-TCP的SDL（specification and description language）描述，如圖1所示。Active-TCP的其他方面與TCP Reno相同。
圖1中相關(guān)變量說明如下：
flg——主動擁塞控制模式標志。flg=1時進入主動擁塞控制模式。此模式下，可主動降低擁塞窗口，而此時網(wǎng)絡(luò)并未擁塞。
cwnd——擁塞窗口。
lc——最近一次被動擁塞控制模式下收到三個重復應(yīng)答時的擁塞窗口。
vc——被動擁塞控制模式下相鄰兩次收到三個重復應(yīng)答時擁塞窗口的相對誤差。
th_vc——門限值。當vc的絕對值小于此門限值時，采用主動擁塞控制模式，即令flg=1。
th_cw——門限值。在主動擁塞控制模式下，若cwnd/lc大于此門限值，則主動降低擁塞窗口。
由上可知，在Active-TCP中引入了兩個門限值：th_vc和th_cw。為公平起見，要求在所有的Active-TCP中使用一致的th_vc和th_cw。
2 性能分析
本文選用有名的單瓶頸（啞鈴）拓撲用于性能評估，如圖2所示。其中：S1~S10為發(fā)送方；R1~R10為接收方。N1處的隊列管理為Drop-Tail，緩沖大小為40個報文。仿真工具采用NS-2.26。Active-TCP中兩個門限值分別設(shè)為th_vc=0.15，th_cw=0.93。
仿真實驗中考察的性能指標主要包括吞吐量、報文重傳率和公平指數(shù)。其中瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率分別用符號thrput、avgthrput和rexrate表示。部分性能指標說明如下：
a)累計平均吞吐量。多個連接平均吞吐量之和。譬如10個連接的累計平均吞吐量，為10個連接平均吞吐量之和，用aggr_avgthrput表示。
b)累計報文重傳率。多個連接累計的報文重傳率。譬如10個連接的累計報文重傳率，近似為10個連接至給定時刻重傳的報文總數(shù)除以10個連接已傳輸?shù)膱笪目倲?shù)，用aggr_rexrate表示。
c)吞吐量公平指數(shù)fi。根據(jù)吞吐量計算的公平指數(shù)。譬如10個連接吞吐量公平指數(shù)計算公式為(∑Ti)2/(10∑Ti２)。其中：Ti為第i個連接的吞吐量。此指標可用于評價協(xié)議內(nèi)公平性，也可用于評價協(xié)議間公平性。
d)吞吐量公平指數(shù)F。用于兩協(xié)議間吞吐量的公平性評價，定義為min (TI/TII， TII/TI)。其中：TI為所有使用協(xié)議I的吞吐量的平均值；TII為所有使用協(xié)議II的吞吐量的平均值。譬如，在同一環(huán)境中有5個連接使用TCP Reno，它們的吞吐量分別為TI1，TI2，…，TI5，有5個連接使用Active-TCP，它們的吞吐量分別為TII1，TII2，…，TII5，則TI=(TI1+TI2+(+TI5)/5，TII=(TII1+TII2+…+TII5)/5，F(xiàn)=min(TI/TII， TII/TI)。
2. 1 TCP Reno性能
為便于比較分析，仿真分析了TCP Reno性能。
情形1 10個TCP Reno連接均從0時刻開始，仿真時間1 000 s。
如圖3~5分別為情形1時TCP Reno瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率隨時間的變化曲線。至1 000 s時10個TCP Reno連接的平均吞吐量(Mbps)分別為0.792 05、0.790 21、0.813 82、0.785 18、0.806 5、0.803 9、0.802 9、0.791 03、0.827 46、0.808 54，公平指數(shù)fi=0.999 768，累計平均吞吐量為8.021 8 Mbps，因此可以認為鏈路利用率近似為80.22%；至1 000 s時10個TCP Reno連接的報文重傳率分別為0.003 03、0.002 96、0.002 88、0.002 98、0.002 93、0.002 99、0.003 07、0.003 08、0.002 87、0.002 85，累計報文重傳率為0.002 96。
情形2 10個TCP Reno連接均從0時刻開始，7~10連接在400 s時終止，仿真時間1 000 s。
如圖6~8分別為情形2時TCPReno瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率隨時間的變化曲線。
在400 s時，由于連接7~10終止，其余連接快速地競爭多出的可用網(wǎng)絡(luò)資源，相應(yīng)它們的瞬時吞吐量和平均吞吐量增大，報文重傳率下降；400 s后連接7~10的瞬時吞吐量為0，平均吞吐量隨著時間的推移逐漸下降，報文重傳率維持不變，仍為400 s時的值。
2. 2 Active-TCP性能
情形3 10個Active-TCP連接均從0時刻開始，仿真時間1 000 s。
如圖9~11分別為情形3時Active-TCP瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率隨時間的變化曲線。至1 000 s時10個Active-TCP連接的平均吞吐量（Mbps）分別為0.809 04、0.896 05、0.844 48、0.831 7、0.818 98、0.892 86、0.800 39、0.803 25、0.844 96、0.850 05，公平指數(shù)fi=0.998 516，累計平均吞吐量為8.391 74 Mbps，因此可以認為鏈路利用率近似為83.92%；至1 000 s時10個Active-TCP連接報文重傳率分別為0.002 53、0.002 16、0.002 49、0.002 25、0.002 46、0.002 28、0.002 74、0.002 58、0.002 56、0.002 31，累計報文重傳率為0.002 43。
情形4 10個Active-TCP連接均從0時刻開始，7~10連接在400 s時終止，仿真時間1 000 s。
如圖12~14分別為情形4時Active-TCP瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率隨時間的變化曲線。在400 s時，由于連接7~10終止，其余連接快速地競爭多出的可用網(wǎng)絡(luò)資源，相應(yīng)它們的瞬時吞吐量和平均吞吐量增大，報文重傳率下降；400 s后連接7~10的瞬時吞吐量為0，平均吞吐量隨著時間的推移逐漸下降，報文重傳率維持不變，仍為400 s時的值。
為便于比較，把情形1~4的累計平均吞吐量、累計報文重傳率及公平指數(shù)fi分別畫于圖15~17中。由圖15，16可知，Active-TCP累計平均吞吐量較TCP有所提高，Active-TCP累計報文重傳率較TCP大幅度下降。譬如，就情形1、3而言，至1 000 s，TCPReno和Active-TCP的累計平均吞吐量(Mbps)分別為8.021 8、8.391 74，報文重傳率分別為0.002 96、0.002 43。因此，相對于TCP Reno，至1 000 s時，Active-TCP的累計平均吞吐量提高了4.611 7%，累計報文重傳率下降了17.905%。由圖17可知，Active-TCP協(xié)議內(nèi)吞吐量公平性較好。
2. 3 Active-TCP與TCP Reno共存環(huán)境下的性能
情形5 所在連接均從0時刻開始，其中連接1~6為Active-TCP，連接7~10為TCP Reno，仿真時間1 000 s。
圖18~20分別為情形5時Active-TCP與TCPReno共存環(huán)境下瞬時吞吐量、平均吞吐量和報文重傳率隨時間的變化曲線。
至1 000 s時，6個Active-TCP連接的平均吞吐量（Mbps）為0.792 79、0.811 31、0.785 97、0.839 71、0.814 36、0.816 86，4個TCP Reno連接的平均吞吐量(Mbps)分別為0.863 25、0.836 6、0.848 12、0.875 21，吞吐量公平指數(shù)fi=0.998 882，累計平均吞吐量為8.284 18Mbps。6個Active-TCP連接的報文重傳率為0.002 72、0.002 61、0.002 78、0.002 36、0.002 57、0.002 56，4個TCPReno連接的報文重傳率分別為0.002 7、0.002 78、0.002 75、0.002 47，累計報文重傳率為0.002 63。
改變Active-TCP連接與TCP Reno連接的比例，重復此仿真實驗。表1歸納了仿真結(jié)果。為便于比較，也給出了10個TCP Reno連接和10個Active-TCP連接的性能。
表1 Active-TCP與TCP Reno共存環(huán)境下的性能
Active-TCP/TCP Reno累計平均吞吐量/Mbps累計報文重傳率/×10-3平均吞吐量公平系數(shù)Active-TCP/TCP Reno累計平均吞吐量/Mbps累計報文重傳
表1結(jié)果表明，Active-TCP可與TCP Reno友好地共存，公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源；在TCPReno環(huán)境中使用Active-TCP，也能改善累計平均吞吐量，降低累計報文重傳率。總的趨勢是，隨著Active-TCP連接與TCP Reno連接比例的增大，累計平均吞吐量增大，累計報文重傳率下降。
3 Active-TCP中的參數(shù)
Active-TCP中有兩個參數(shù)，即th_vc、th_cw。為便于考察它們對Active-TCP性能的影響，改變th_vc和th_cw，重復情形3的仿真。圖21~26分別為累計平均吞吐量、累計報文重傳率和公平指數(shù)fi隨th_vc和th_cw的變化曲線。
圖21~26所示結(jié)果表明，th_vc和th_cw在一定范圍內(nèi)時：a）th_vc和th_cw的增加均可改善累計平均吞吐量；b）th_vc的增加可降低累計報文重傳率，th_cw取0.87左右可獲得相對較小的報文重傳率；c）th_vc和th_cw的增加會使協(xié)議內(nèi)吞吐量公平性略變差，不過仍能維持很好的公平性。
如果要考慮Active-TCP與TCPReno的共存問題，則應(yīng)考察不同th_vc和th_cw取值對協(xié)議間公平性的影響。改變th_vc和th_cw的取值，重復情形5的仿真，其中連接1~5為Active-TCP，連接6~10為TCP Reno。圖27、28分別為吞吐量公平指數(shù)F隨th_vc和th_cw的變化曲線。結(jié)果表明，th_cw對F影響較小；th_vc對F的影響較大，即隨著th_vc的增加，F(xiàn)會下降。這主要是因為，在共存環(huán)境下，較大的th_vc會使Active-TCP競爭網(wǎng)絡(luò)資源不充分，受到TCP Reno的抑制。
綜合考慮圖21~28的結(jié)果，建議th_vc在0.15左右取值；th_cw在0.93左右取值。
4 結(jié)束語
Active-TCP在TCPReno基礎(chǔ)上引入了主動擁塞控制方式，即主動降低擁塞窗口，而此時網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞。分析結(jié)果表明，th_vc宜在0.15左右取值，th_cw宜在0.93左右取值。
本文的主要貢獻是提出了在TCP中添加主動擁塞控制的思想，建議了一種主動TCP擁塞控制方案，即Active-TCP，并對此方案作了性能仿真評估。在以后的研究工作中，將結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進一步考察其性能。
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