改進BBR算法在衛星網TCP加速網關中的應用研究

王云飛 黃 勇 朱 珊 孟祥宇 高二東 王占偉 郝曉強

(航天恒星科技有限公司 北京 100095)

0 引 言

隨著通信技術的快速發展，4G網絡已普遍應用，5G網絡也在加快建設。相比4G網絡，5G網絡有著高速度、低功耗和低時延的特點[1]。網絡速度提升，用戶體驗與感受會有較大提高，對于5G基站峰值要求不低于20 Gbit/s，這樣一個速度，意味著用戶可以每秒鐘下載一部高清電影，也能支持VR視頻。但在大延時和高丟包的衛星通信系統中，網絡傳輸速度很低[2]，用戶體驗不好，在時延550 ms、時延抖動比較小的情況下，TCP連接不做加速時傳輸速率為空口帶寬(衛星口最大傳輸能力)的30%～40%。例：10 Mbit/s的帶寬最大只能利用3 Mbit/s～4 Mbit/s，其余資源被浪費。為解決上述問題，需要采用TCP加速方式，TCP加速一般采用透明代理的方式[3]。透明代理分別與TCP連接的兩端進行交互，這樣兩端的數據包都被緩存在兩端的TCP加速器上，TCP加速器之間的數據發送由TCP加速器進行控制。這樣就把端到端的TCP連接分割成幾部分，就可以根據這幾部分的丟包、延時情況進行不同的優化，從而提高TCP的傳輸性能。而TCP加速器核心的部分就是擁塞控制算法優化，TCP擁塞控制算法主要分為以下幾種思路：1) 基于丟包的擁塞控制：將丟包視為擁塞，采取緩慢探測的方式，逐漸增大擁塞窗口，當出現丟包時，擁塞窗口減小，如Reno、CUBIC[4]等。這類算法的缺點是把丟包作為擁塞信號，但是丟包不一定擁塞，比如無線/移動/中間節點緩存小的環境中，經常性丟包，導致擁塞窗口頻繁減小，帶寬利用率很低。2) 基于時延的擁塞控制：將時延增加視為擁塞，時延增加時減小擁塞窗口，時延減小時增大擁塞窗口，如Vegas[5]等。這類擁塞算法的缺點是網絡中Vegas與其他算法共存時，基于丟包的擁塞算法會嘗試填滿網絡中的緩存區，導致Vegas計算的RTT比較大，進而降低擁塞窗口，使得傳輸速度越來越慢，因此Vegas未能在Internet上普遍采用[6]。3) 基于鏈路容量的擁塞控制：實時測量網絡帶寬和時延，認為網絡上數據包總量大于估算的鏈路帶寬和最小時延的乘積時才出現擁塞，如BBR[7]。由于BBR算法不將丟包視為擁塞，所以在丟包率較高的網絡中，BBR依然有極高的吞吐量。如圖1所示。在1%丟包率的網絡環境下，CUBIC的吞吐量已經降低90%以上，而BBR的吞吐量幾乎沒有受到影響，當丟包率大于5%時，BBR的吞吐量才出現明顯的下降，但是當丟包率小于10-5時，BBR吞吐量不如CUBIC。

圖1 BBR與CUBIC在不同丟包率情況下吞吐量

衛星鏈路比地面有線鏈路具有更高的丟包率，衛星鏈路典型的丟包率大約為10-6數量級，如果受到雨衰、射線等自然條件的影響而造成突發錯誤，使得丟包率會增加到10-4數量級[8]。本文針對衛星網絡丟包率小于10-5的場景，分析BBR速率降低的原因，研究改進BBR在衛星網TCP加速網關中的應用。

1 問題分析

大傳播延時是衛星網絡傳輸的特點之一，地球靜止軌道衛星的RTT為550 ms左右，鏈路較差是在600 ms～800 ms之間波動。圖2為所測試的衛星網絡帶加速網關示意圖。

圖2 衛星網絡帶加速網關示意圖

加速網關在小站和中心站部署，提供雙邊加速功能，通過在加速網關代理TCP連接，并且配置較大的發送緩存和接收緩存，既能實現前向加速，又能實現回傳加速。

在加速網關中引入BBR之后，當衛星鏈路丟包率小于10-5時，發現BBR吞吐量不如CUBIC，甚至還存在很大差距。圖3是小站回傳帶寬500 kbit/s、衛星鏈路丟包率小于10-5的情況下，測試回傳不同大小的文件，BBR與CUBIC的平均速率對比。

圖3 BBR與CUBIC的平均速率對比

可以看出，隨著文件的增大，平均速率都在逐漸增加，但隨著文件的繼續增大，平均速率不再增加，而是趨于固定值。BBR最大平均速率在350 kbit/s左右，只有滿帶寬的70%，而CUBIC最大平均速率在480 kbit/s左右，已達到滿帶寬的96%。

BBR是基于接收端反饋ACK和發送端調節速率的擁塞算法。發送端每收到一個ACK，都會計算即時帶寬BW和RTT，然后反饋給BBR的狀態機，在不同狀態不斷地調節增益系數，最后計算出擁塞窗口CWND和即時速率Pacing Rate，即時速率規定擁塞窗口內的數據包之間，以多大的時間間隔發送出去。BBR的狀態機如圖4所示。具體解釋如下：

圖4 BBR的狀態轉換圖

狀態機分為4種狀態：Startup、Drain、Probe_BW、Probe_RTT。Startup類似于傳統擁塞算法的慢啟動，CWND和Pacing Rate的增益系數都是2ln2，每次收到ACK都以這個系數增大發包速率，連續三次測的最大帶寬增長在25%以內，就算帶寬滿了，然后進入Drain狀態。進入Drain狀態后，CWND的增益系數不變，Pacing Rate的增益系數小于1，目的是把Startup產生多余的數據包排空，檢查Inflight如果小于BDP，說明多余的數據包已排出，進入到Probe_BW狀態，否則還在Drain狀態。Probe_BW是穩定狀態，這時已經測出來一個最大瓶頸帶寬，而且盡量不產生排隊現象，在Probe_BW狀態Pacing Rate按照[5/4,3/4,1,1,1,1,1,1]增益系數進行輪詢發送。Probe_RTT是探測最小RTT狀態，超過10 s沒有探測到最小RTT，就會進入到Probe_RTT狀態，CWND降到4個MSS，至少等200 ms才會退出這個狀態。此時，如果帶寬不滿，進入到Startup狀態，否則，進入到Probe_BW狀態。前面三種狀態，都會進入到Probe_RTT狀態，把CWND降到4個MSS，這樣會使發送速率突然下降。尤其是在衛星鏈路延遲抖動大的情況下，每隔固定時間，速率都會降很多，導致占不滿帶寬[9]。TCP加速追求的是盡量占滿帶寬，又不導致鏈路擁塞，這顯然需要在原來的基礎上進行改進。

2 設計思想及方法

考慮到Probe_RTT狀態帶來的速率損失，設計了把Probe_RTT狀態去掉，這樣能保持滿帶寬發送；為了保持速率的穩定，設計了把建立連接的RTT作為最小RTT；為了保持多連接的公平性，在加速網關中設計了公平隊列調度機制。具體設計思想如下：

(1) BBR的不足就是Probe_RTT狀態下會減小窗口，容易出現速率急速下滑。根據對BBR狀態機的分析，TCP連接在探測到最大帶寬后，進行排空，然后進入到穩定狀態，這時候RTT比較穩定，估算的帶寬就是鏈路最大帶寬，以此計算的速率進行發送，就能達到最大吞吐量，而不用每隔10 s檢測不到最小RTT，就進入到Probe_RTT狀態，這樣避免進入到Probe_RTT狀態造成的帶寬浪費。

(2) 考慮到衛星鏈路RTT抖動大的問題，以每次建立連接的RTT作為最小RTT，這樣避免了傳輸過程中RTT抖動大造成的速率劇烈波動。

(3) 考慮到把Probe_RTT狀態去掉后，造成的多連接不公平性，在TCP加速網關中設計了公平隊列調度機制，如圖5所示。TCP根據ACK反饋以及其他信息計算出Pacing Rate，并反饋到公平隊列調度器，調度器根據Pacing Rate計算出每個包發送的時間間隔，然后加入到TCP的發送隊列中。這樣做能保證每個連接的RTT相對公平，進而速率也相對均衡。

圖5 公平隊列調度機制示意圖

3 實驗分析

實驗測試環境如圖6所示。所用的衛星為地球同步軌道衛星，運行在離地比較高的軌道上，衛星鏈路往返延時RTT在600 ms以上，丟包率小于10-5，配置小站回傳帶寬為500 kbit/s，小站和中心站各部署有加速網關。PC1首先通過低延遲地面網絡連接小站，小站通過高延遲的衛星網絡連接中心站，中心站通過低延遲的地面網絡連接PC2，這樣，PC1通過衛星網絡就能訪問到PC2。測試PC1給PC2發回傳TCP業務，在加速網關中對比測試改進BBR和BBR的性能，測試改進BBR多連接的公平性。

圖6 衛星網絡拓撲結構圖

測試PC1向PC2上傳不同大小的文件，改進BBR和BBR平均速率對比如圖7所示。

圖7 改進BBR與BBR的平均速率對比

隨著文件不斷增大，平均速率也逐漸增加，當文件超過150 MB時，改進BBR平均速率達到480 kbit/s，接近回傳帶寬500 kbit/s，而BBR平均速率只有340 kbit/s。

測試PC1向PC2上傳不同大小的文件，改進BBR和BBR傳輸時間對比如圖8所示。

圖8 改進BBR與BBR的傳輸時間對比

隨著文件不斷增大，傳輸時間差距越來越大，在下載200 MB文件時，改進BBR比BBR用時縮短了171 s，這是因為改進BBR避免了探測最小RTT的開銷，文件越大，探測最小RTT所占的時間越長，改進BBR的用時越短，加速效果越明顯。

測試PC1向PC2上傳文件，并有4個并發連接，改進BBR速率隨時間變化如圖9所示。開始的時候，只有連接1上傳，進行慢啟動，直到占滿帶寬，速率穩定下來；然后連接2開始上傳，導致連接1的RTT突然變大，瞬時速率減小，給連接2讓出來帶寬，連接2的速率漲了上去，連接1的RTT逐漸減小，連接2的RTT逐漸增加，連接1和連接2的RTT維持一個相對均衡的值，2個連接平分帶寬；穩定一段時間后，連接3開始上傳，3個連接平分帶寬；穩定一段時間后，連接4開始上傳，4個連接平分帶寬，持續不斷地傳輸。

圖9 改進BBR的 4個連接速率變化

4 結 語

通過在衛星鏈路較低丟包率情況下，改進BBR和BBR傳輸速率的對比，說明改進BBR的傳輸速率有明顯的提高，而且不影響多連接的公平性，比較適合衛星鏈路的傳輸。下一步重點研究地面無線網絡環境下改進BBR的適用性以及更為高效的TCP加速方法。