FAST TCP 吞吐量的仿真研究.doc

精品論文fast tcp 吞吐量的仿真研究姜蕊 1，王林平 1，姚高偉 21 華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系，武漢（430000）2 信陽(yáng)師范學(xué)院，河南信陽(yáng)（464000）e-mail：摘要：fast tcp 是一種針對(duì)當(dāng)前高性能網(wǎng)絡(luò)的高速、長(zhǎng)延遲等特點(diǎn)的 tcp 擁塞算法。論 文首先對(duì)傳統(tǒng)的 tcp reno 進(jìn)行介紹，討論其算法與 fast tcp 的不同點(diǎn)。然后重點(diǎn)分析 fast tcp 體系結(jié)構(gòu)和算法。利用 ns2 仿真工具測(cè)試了傳統(tǒng) tcp reno 與 fast tcp 在吞吐量方面 的性能差異。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 fast tcp 較傳統(tǒng)的 tcp reno 在吞吐量方面具有很大的性能優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：擁塞控制；fast tcp；吞吐量；ns20引言隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)趨向于大規(guī)模、高速、大容量、應(yīng) 用多元化等方面發(fā)展，隨之而來的擁塞問題變得越來越嚴(yán)重。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的原因在于其面 對(duì)的負(fù)載超過了它的處理能力。管理?yè)砣牡谝粋€(gè)環(huán)節(jié)是檢測(cè)擁塞。由于檢測(cè)擁塞的方法不 同，因而產(chǎn)生了不同的擁塞控制算法。目前在internet中廣泛使用的是端到端tcp reno擁塞 控制算法。在過去，tcp reno在預(yù)防網(wǎng)絡(luò)擁塞方面一直被認(rèn)為有顯著的性能。tcp reno隨 著帶寬時(shí)延的增大顯出諸如在公平性、控制端到端延時(shí)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的反應(yīng)速度及面對(duì)高速 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的吞吐量等方面問題1。fast tcp是一種新型tcp擁塞控制協(xié)議，針對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)特 點(diǎn)而設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)擁塞控制算法相比，它具有更好的平衡性，特別當(dāng)傳播時(shí)延增加時(shí)，它不 以懲罰數(shù)據(jù)流為代價(jià)，從而達(dá)到更高的公平性。本文討論了 tcp 擁塞控制的二種算法：tcp reno 和 fast tcp。在不同的延遲環(huán)境下， 利用 ns 仿真工具對(duì)兩種算法進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在大帶寬高時(shí)延環(huán)境下，fast tcp 在吞吐量方面的性能較 tcp reno 有很大的提高。1tcp reno 和 fast tcp 的特點(diǎn)1.1 傳統(tǒng) tcp reno 的特點(diǎn)及缺陷目前的擁塞控制算法大多是建立在慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)這四個(gè)算法基 礎(chǔ)之上。reno的擁塞算法采用aimd形式，發(fā)送方維護(hù)兩個(gè)窗口：接收方窗口swnd和擁塞窗 口cwnd。當(dāng)一個(gè)連接建立起來的時(shí)候，發(fā)送方cwnd初始化為該連接上當(dāng)前使用的最大數(shù)據(jù) 段長(zhǎng)度，即minswnd, cwnd。窗口在每個(gè)rtt 中增大一個(gè)報(bào)文段的長(zhǎng)度，很顯然，每一批 被確認(rèn)的突發(fā)數(shù)據(jù)段都會(huì)使擁塞窗口加倍。擁塞窗口一直呈指數(shù)增長(zhǎng)，直至發(fā)生超時(shí)。這就 是慢啟動(dòng)階段。除了swnd和cwnd以外，reno還使用了第三個(gè)參數(shù)：閾值threshold, cwnd增長(zhǎng)到閾值時(shí)進(jìn) 入擁塞避免階段。從這個(gè)點(diǎn)開始，每一次成功的傳輸都會(huì)使cwnd呈線性增長(zhǎng)，而不再是指 數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)一次超時(shí)發(fā)生時(shí)，即cwnd threshold, threshold被置為當(dāng)前cwnd 值的一半，而cwnd 被重置為1。當(dāng) cwnd 被重新置為 1 后，又重新進(jìn)入慢啟動(dòng)階段，即源端收到 3 個(gè)或 3 個(gè)以上重復(fù) ack 時(shí)，就斷定數(shù)據(jù)包已經(jīng)丟失，重傳數(shù)據(jù)包，這就是快速重傳和恢復(fù)。reno 所采用的這 種以丟包時(shí)間作為擁塞信號(hào)，將不可避免地導(dǎo)致抖動(dòng)2。由于這種不穩(wěn)定性帶來的抖動(dòng)使得- 5 -報(bào)文丟棄概率很難估算，實(shí)踐證明 reno 算法在低速網(wǎng)絡(luò)中其性能尚可以表現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)，但隨著網(wǎng)絡(luò)趨向于高速、長(zhǎng)延遲發(fā)展，這種過大地減小發(fā)送窗口尺寸的做法，極大地降低了tcp 連接的吞吐量，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的低利用率。1.2fast tcpfast tcp的結(jié)構(gòu)建立于data control, windows control，burstiness control和estimation四 個(gè)獨(dú)立模塊。data control部分決定哪些報(bào)文需要發(fā)送，windows contro決定在一次rtt內(nèi)發(fā) 送多少個(gè)報(bào)文，burstiness control決定何時(shí)發(fā)送這些報(bào)文，estimation部分為以上三個(gè)決定提 供信息。fast tcp的體系結(jié)構(gòu)不僅面向高速網(wǎng)絡(luò)的tcp應(yīng)用，它還能用來作為設(shè)計(jì)其它的 擁塞控制機(jī)制的框架。fast tcp的這四塊主要組成部分能夠被獨(dú)立設(shè)計(jì)且異步更新。在以 上這四個(gè)模塊中，最為主要的是windows control和estimation.3tcp 擁塞控制的核心是通過改變一些重要參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這些重要參數(shù)包括：擁塞窗 口（cwnd），發(fā)送窗口（swnd），往返時(shí)延（rtt），超時(shí)重傳計(jì)數(shù)器（rto）等等。fast tcp 也是采用調(diào)整窗口的大小來進(jìn)行擁塞控制。fast tcp 與 tcp reno 最大的區(qū)別在與它們的 擁塞度量方式不一樣，tcp reno 采用報(bào)文丟失作為其擁塞信號(hào)，而 fast tcp 是采用排隊(duì) 延遲與丟包率一起作為擁塞反應(yīng)信號(hào)。隊(duì)列時(shí)延比包丟失概率更容易被精確估計(jì)，具體體現(xiàn) 在以下兩點(diǎn)：一方面在大的帶寬延遲網(wǎng)絡(luò)中，丟包事件是小概率事件；另一方面包丟失所提 供的采樣是粗粒度的信息。隊(duì)列時(shí)延卻可以提供多位的信息，且實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)性較好，對(duì)鏈路 容量的變化及時(shí)做出反應(yīng)，有助于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。2算法分析擁塞控制算法通常從流層和報(bào)文層兩個(gè)方面設(shè)計(jì)，流層設(shè)計(jì)旨在達(dá)到高利用率、低排隊(duì) 延遲、低丟包率及良好的公平性和穩(wěn)定性，而報(bào)文層通過端到端控制來執(zhí)行流程目標(biāo)，對(duì)于 tcp reno，報(bào)文層首先被引入，至于流層所涉及的性能，諸如公平性、穩(wěn)定性、平衡窗口 和丟包性能之間的關(guān)系是隨之以后考慮的問題，而fast tcp的報(bào)文層是基于流層目標(biāo)被明 確設(shè)計(jì)。tcp reno擁塞算法采用aimd形式，源端窗口在每個(gè)rtt中增大一個(gè)報(bào)文段的長(zhǎng)度， 而每檢測(cè)到一個(gè)包丟失擁塞窗口減小一半。tcp reno的擁塞窗口算法如下：iw (t ) =1 2 x (t )q (t )w (t )（1）iiiti (t ) 3其中w ( t ) 是 t 時(shí)刻擁塞窗口大小，t (t ) 是源 i 報(bào)文段的回路響應(yīng)時(shí)間，q (t) 是 t 時(shí)刻端i ii到端包丟失率， w (t) 是平均窗口大小，設(shè)置式（1）中w (t) =0，得出 tcp reno 著名的1 q 等ii式。該等式在平衡點(diǎn)將包丟失率和窗口大小建立如下關(guān)系：iq * =3i2w *2（2）（1）和（2）描述了tcp reno流層的動(dòng)態(tài)和平衡特征。對(duì)于tcp reno來說流層的平衡 問題主要突出在算法（2），因?yàn)樵诖蟮陌l(fā)送窗口下，端到端的包丟失概率極其小，這使得在實(shí)際狀況下平衡很難維持，當(dāng)帶寬延遲增加時(shí)從（2）中 q * w * = 1.5w * ，即在每個(gè)擁塞iii窗口中，平均丟包數(shù)量相對(duì)于平衡窗口向相反的比例方向減少。fast tcp算法是采用排隊(duì)延遲與丟包事件一起作為擁塞反應(yīng)信號(hào)。根據(jù)估計(jì)estimation部分所提供的平均往返時(shí)延和平均隊(duì)列時(shí)延信息，fast tcp周期性地改變其擁塞窗口，具體算法如下：w min 2w,(1- )w+ ( basertt w + )（3）rtt其中， （0，1，basertt是通過觀測(cè)所得到的最小瞬時(shí)rtt。 是一個(gè)非負(fù)的協(xié)議參數(shù)，他決定了均衡態(tài)下每個(gè)fast tcp流在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)路由器中所維持的總的報(bào)文數(shù)目，在這個(gè)算法里，每隔20ms周期性的改變w值。 實(shí)際上（3）的數(shù)學(xué)模型為：d i wi (t )wi (t + 1) = (d i + qi (t )+ i (wi , qi ) + (1 )wi (t )（4）其中 di 代表傳輸時(shí)延，qi (t ) 表示排隊(duì)延遲， w i( w , q ) = q i = 0，當(dāng) i (wi , qi ) = 時(shí)，（ 為一常量），式（4）可化簡(jiǎn)為：wi (t + 1) = wi (t ) + ( xi (t )qi (t )i i iq i 0（5）從上述算法分析可以看到，tcp reno 在高速長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)中性能出現(xiàn)擺動(dòng)，其根源是在 報(bào)文層和流層設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)問題。從報(bào)文層來看，由于采用二元擁塞信號(hào)不可避免地導(dǎo)致?lián)?塞窗口和瓶頸隊(duì)列的抖動(dòng)；從流層來看，算法（1）體現(xiàn)出 tcp reno 的動(dòng)態(tài)特性在大帶寬 時(shí)延下極其不穩(wěn)定。而 fast tcp 根據(jù)當(dāng)前到平衡點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近非線性地調(diào)整窗口變化速 度，其窗口調(diào)節(jié)比 tcp reno 更加靈活、更加平滑，平衡性能較好，能很好地適應(yīng)大帶寬延 遲下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境4。3仿真實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)是在ns-allinone-2.29仿真環(huán)境下，通過tcp reno和fast tcp在吞吐量方面的仿 真結(jié)果對(duì)比，反映出這兩種算法的特點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏?個(gè)結(jié)點(diǎn)，n2-n3為瓶頸鏈路。n0n4 n210msn3 n1n5 圖 1 仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)fig. 1 the simulation network topology分別在瓶頸鏈路時(shí)延為10ms和50ms兩種環(huán)境下對(duì)reno和fast兩種算法進(jìn)行仿真，得到 了每個(gè)算法在該場(chǎng)景下的吞吐量變化曲線圖。圖2 tcp reno在10ms時(shí)延環(huán)境下仿真結(jié)果fig. 2 tcp reno in 10ms delay environment simulation results圖3 tcp reno在50ms時(shí)延環(huán)境下仿真結(jié)果fig. 3 tcp reno in 50ms delay environment simulation results圖 4 fast tcp 在 10ms 時(shí)延環(huán)境下仿真結(jié)果fig. 4 fast tcp in 10ms delay environment simulation results圖 5 fast tcp 在 50ms 時(shí)延環(huán)境下仿真結(jié)果fig. 5fast tcp in 50ms delay environment simulation results從圖2和圖4中可以看出，在低延遲（10ms）環(huán)境下，reno和fast吞吐量相差不大，這是因?yàn)閒ast tcp是基于長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)的，因此在延遲很小的情況下，fast性能提高不大，在 高延遲（50ms）環(huán)境下（圖3和圖5），reno對(duì)帶寬利用率的影響是非常明顯的，而fast tcp 性能的提高就相對(duì)大得多，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在高延遲網(wǎng)絡(luò)中，fast tcp表現(xiàn)出很好的 性能。4結(jié)束語(yǔ)本文通過對(duì)比分析tcp reno和fast tcp兩種算法的特點(diǎn)，闡述了fast tcp在擁塞控制 方面的優(yōu)勢(shì)，采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fast tcp在高速長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)中明顯優(yōu)于tcp reno。參考文獻(xiàn)1 floyd s, henderson t.the newreno modification to tcps fast recovery algorithms.rfc2582, 19992 jacobsen v.berkeley tcp evolution from 4.3-thoe to 4.3-renoc.in: proceedings of the eighteenth internet engineering task force,university of british columbia, vancouver, b c,19903 cheng jin, david x wei, steven h low.fast tcp: motivation, 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