TCP/IP擁塞控制分析及案例研究

王思義+姜金亞

【摘要】 擁塞容易造成傳輸延遲和吞吐量等QoS性能指標降低，導致傳輸性能和網絡資源利用率下降，從而無法提供有效的QoS保證。為了給用戶提供高效、公平的網絡資源分配，擁塞控制是電信運營商必須要解決的問題之一。文章分析了擁塞控制的原理、TCP/IP擁塞的常用解決方案，最后對網絡擁塞給出了具體案例研究并提出了相應的對應策略。

【關鍵詞】 擁塞控制 QoS 電信運營商 TCP/IP

隨著計算機網絡的快速發展，人們對網絡資源的需求越來越高，為了提高網絡品質，提高用戶感知，改善網絡質量已成電信運營商市場突破的重要途徑之一。尤其是近年來如語音、圖像等多媒體流在網絡上的大量應用，解決網絡擁塞也成了眾多學者研究的問題之一。文章概述了網絡擁塞控制的原理、典型的TCP/IP擁塞控制解決方法等知識，重點對網絡擁塞案例進行了分析研究。

一、擁塞控制的原理

在某段時間，若對網絡中的某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網絡的性能就要變化，這種情況叫做擁塞[1]。網絡擁塞往往是由許多因素引起的，簡單的提高節點處理機的速度或者擴大結點緩存的存儲空間并不能解決擁塞問題。當某個結點緩存容量擴展到非常大，于是凡到達該結點的分組均可在結點的緩存隊列中排隊，不受任何限制。由于輸出鏈路的容量和處理機的速度并未提高，因此在這隊列中的絕大多數的分組在排隊等待時間會大大增加，結果上層機制只好把分組進行重傳。因此，擁塞往往是指整個系統的各個部分不匹配，只有各個部分平衡了，問題才會得到解決。

二、TCP/IP擁塞解決方法

因特網建議標準RFC2581定義了進行擁塞控制的四種算法，即慢開始（Slow-start），擁塞避免（Congestion Avoidance），快重傳（Fast Restrangsmit）和快回復（Fast Recovery）[2]。

在文獻【3】中，作者提到了一種基于接收閾值的容延網絡擁塞控制方法，該機制獨立于節點所運行的轉發路由算法，不影響路由算法對中繼節點的選擇，具有很好的普適性，可以有效降低節點擁塞。在文獻【4】中，通過對基于鏈路的AQM協議和顯式擁塞控制機制研究，較好的解決了網絡延時高的情況下鏈路高利用低的問題，同時提高了系統的QoS性能。文獻【5】在VCP協議的基礎上，提出了一個擴展的可變結構擁塞控制協議EVCP（Extended VCP），在平均延時情況下可以有效的提高網絡吞吐量。

擁塞現象是發生在通信網絡等復雜網絡上的一種典型的動態行為，研究路由策略的優化算法問題是眾多學者要解決的重要課題之一。

三、網絡擁塞案例分析及研究

3.1問題描述

中山某大客戶因業務發展需要，開通了廣東中山至美國舊金山的一條10M的電路，本地通過OSN500傳輸光端機接入，客戶在的使用過程中發現上行速率嚴重不達標，后期換成Metro 1000后情況有較大改善。本文接下來從此案例出發，分析研究網絡擁塞對實際網絡測速的影響及相應的對應策略。

下圖是測試環境圖：

結論：在時延較大時（大于50ms）， Metro1000上載速率會高于OSN500。

根據以上測試情況，引出兩個問題：為什么測速帶寬會隨著時延增加而降低？為什么在同樣的大時延條件下，Metro1000（EFS）單板測速會比OSN500（EFT8）高？

3.2原因分析

（1）從抓包信息得知，該測速網站是基于TCP協議進行文件傳送測速的。TCP協議定義了一個擁塞窗口，如果發送端的已發送但未收到確認報文的數據超過擁塞窗口，則需要停止發送報文，等待接收端新的確認報文。

每TCP連接吞吐量計算公式可以按照以下公式進行計算[6]：

其中，RTT指Round-trip Time，是雙向時延；cwnd指Congestion Window，是擁塞窗口大小。從公式得知，吞吐量與端到端往返時延RTT成反比，而緩存大小與RTT時間成正比。所以，隨著時延的增加，測速的吞吐量是會逐步降低的。

（2）在時延一定的情況下要提高測速吞吐量，則需增加擁塞窗口（對于網絡設備理解為設備緩存Buffer）。

為了鏈路利用率達到最大值，對網絡節點的Buffer要求為：在網絡空閑時吐出報文能夠彌補TCP擁塞時降低的吞吐量。

從業內對Buffer的要求規則可知，Buffer的大小要求與網絡時延有關：網絡的時延越大，對緩存的要求就越高。在TCP流條目數越少對Buffer的要求越高。網絡中越靠近用戶的設備，接入用戶數越多，因此對網絡中接入設備的Buffer要求高于匯聚層與核心層設備。

以上所述，正是由于Metro1000 EFS（交換板）單板緩存比OSN500 EFT8（透傳板）緩存大，所以在網絡時延大場景，單條TCP流測到的速率會較大。

3.3解決方案

（1）測速時建議使用多TCP（多進程， TCP流量充滿出口帶寬場景，實際應用中的峰值場景）連接進行測速，網絡使用過程中通常也是多用戶同時使用該管道。

（2）對于特殊單TCP流測試場景，建議選用合適的數據單板進行測試。

（3）單板緩存不是越大越好：合理最重要。

簡單說，如果一味的增大EOS（Ethernet over SDH）單板緩存，會導致MSTP網絡時延過大，同樣會影響下載速率。MSTP產品聚焦于高品質高安全數據管道，MSTP客戶對業務轉發時延要求很高，所以MSTP的緩存設計不會太大。

四、結束語

文章主要針對TCP/IP中的網絡擁塞問題進行分析和案例研究。首先對網絡擁塞的相關概念及技術特點進行了闡述，對典型的網絡擁塞解決方案進行了介紹，結合具體的測試應用案例給出了網絡擁塞的對應策略，最后希望本文的案例分析及相關研究能夠給相關網絡維護人員提供參考并帶來幫助。

參 考 文 獻

[1]江艷，李寶林；《TCP/IP擁塞控制算法研究》計算機技術與發展

[2]謝希仁；《計算機網絡》（第6版）電子工業出版社

[3]趙廣松，陳鳴；《基于接收閾值的容延網絡擁塞控制機制》 計算機網絡與信息安全

[4]毛鵬軒；《下一代網絡擁塞控制關鍵算法的研究》北京交通大學

[5] LU Guang1， WANG Yong-chao， ZHU Miao-liang1；《EVCP：a convergence time improved high-speed transport congestion control protocol》 Information Science & Engineering

[6]馮鋒；《互聯網絡擁塞控制分析與研究》. 計算機工程與科學