GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中基于帶寬估計的Vegas算法研究

曹西京， 王 軒， 朱本輝

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有鏈路誤碼率高、往返時延長等特點，而地面網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議無法適應(yīng)衛(wèi)星通信的特點，因此，國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)針對TCP協(xié)議的問題，提出了一種空間通信協(xié)議標準SCPS(Space Communications Protocol Specification ).其中，SCPS-TP是針對TCP協(xié)議在空間網(wǎng)絡(luò)中的問題進行改進而來的.然而，SCPS-TP協(xié)議在空間網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時，仍然還存在帶寬利用率低，慢啟動時間長等問題[1].本文針對這些問題提出了改進方法.

1 Vegas算法慢啟動問題分析

在BDP較大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，Vegas慢啟動階段存在以下兩方面的問題：(1)每經(jīng)過兩個RTT擁塞窗口增長一倍.這種增長方式在BDP較大的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中過于保守；(2)發(fā)送端在短時間內(nèi)密集發(fā)送的數(shù)據(jù)包會造成時延短暫性突然增大，使得慢啟動階段過早結(jié)束.這些均嚴重制約了Vegas算法在GEO網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用性能.

在BDP較大的網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送端在短時間內(nèi)密集發(fā)送的數(shù)據(jù)包會造成時延短暫性突然增大，尤其在慢啟動階段后期，窗口的成倍增長，將導(dǎo)致鏈路時延的陡然增大，導(dǎo)致發(fā)送端過早地滿足慢啟動結(jié)束的條件，從而進入擁塞避免階段.這將導(dǎo)致帶寬資源的極大浪費[2].

圖1為單個數(shù)據(jù)包的往返時延.從圖1中可以看出，在慢啟動狀態(tài)，數(shù)據(jù)包的往返時延RTT劇烈變化.在沒有其它鏈路干擾的情況下，當進入擁塞避免狀態(tài)時，往返時延RTT趨于穩(wěn)定.因此，在BDP較大的網(wǎng)絡(luò)中，存在慢啟動過早結(jié)束和擁塞窗口過小的問題.

圖1 單個數(shù)據(jù)包的往返時延

在鏈路時延為250 ms情況下，不同帶寬鏈路慢啟動結(jié)束時，擁塞窗口大小對比如圖2所示.從圖2中可以得出，隨著BDP的增大，慢啟動結(jié)束時擁塞窗口也隨之增大.

圖2 不同帶寬下慢啟動結(jié)束時擁塞窗口

在鏈路時延為250 ms情況下，不同帶寬鏈路慢啟動結(jié)束時，擁塞窗口的大小值與鏈路BDP的比值如圖3所示.從圖3可知，隨著鏈路帶寬時延積增大，慢啟動結(jié)束時擁塞窗口大小與鏈路BDP的比值越來越小.

圖3 慢啟動結(jié)束時擁塞窗口與BDP的比值

通過以上仿真分析可知，在慢啟動結(jié)束時，隨著鏈路帶寬增大，系統(tǒng)的帶寬利用率急劇減小，因此，Vegas算法在具有大帶寬時延積的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中,存在慢啟動結(jié)束過早的問題，使得網(wǎng)絡(luò)不能夠充分地利用系統(tǒng)資源，造成了帶寬資源的浪費.

2 SCPS-TP中Vegas機制改進策略研究

本節(jié)針對擁塞窗口增長方式過于保守和慢啟動過早結(jié)束的問題，在慢啟動階段借鑒Hybla協(xié)議,按比例因子ρ的窗口增長方式增加擁塞窗口；針對慢啟動過早結(jié)束的問題，通過設(shè)定修正因子來修正期望吞吐量與實際吞吐量的差值D，從而消除由于窗口成倍增長造成的暫時性時延對網(wǎng)絡(luò)的影響[3].

2.1 慢啟動策略

在實際網(wǎng)絡(luò)中，擁塞窗口的大小與RTT之間的關(guān)系可以用函數(shù)RTT=f(cwnd)來表示.將函數(shù)RTT=f(cwnd)結(jié)合公式運算，則D是關(guān)于cwnd的方程.

(1)

可知，D值大小與cwnd和RTTBase的取值有關(guān)，而與具體的RTT無關(guān).在一個連接建立時，如果路由無變化，則RTTBase將會是一個常量.因此，只要我們能夠確定RTT與cwnd之間的定量關(guān)系，就能確定cwnd與D的變化曲線.因此，D的取值與cwnd的大小直接相關(guān).

文獻[4]認為，在理想情況下，cwnd與RTT之間是線性關(guān)系.因此，將兩者之間的函數(shù)關(guān)系可以進一步簡化為RTT=a×cwnd+b，則兩次RTT之間的差值ΔRTT可以表示為：

RTTi+1-RTTi=ai+1×cwndi+1-ai×cwndi

(2)

發(fā)送端每次接收到一個應(yīng)答就會記錄一次RTT，因此，從第二個RTT開始，發(fā)送端每收到一個應(yīng)答就計算一次a.在沒有其它鏈路接入的理想情況下，慢啟動階段a的取值應(yīng)為常量.但是在實際情況中，a的值是波動的.因此，我們采用與計算平均往返時延相似的自適應(yīng)加權(quán)平均算法來計算a值.

當?shù)谝淮伟l(fā)送端計算出a的樣本值a1時，a的值就取樣本值a1，以后發(fā)送端每計算出一次樣本值，就通過式(3)對a的值進行更新：

anew=λ×aold+(1-λ)×ai

(3)

式(3)中，λ的取值為0≤λ≤1，λ越小，則aold對anew的影響越小，ai對anew的影響越大.在理想情況下，λ=1，anew=a1，則鏈路帶寬足夠大，并且不受其它連接的影響.在實際中，λ的取值與鏈路的具體狀況有關(guān)[4].

發(fā)送端每收到一個RTT就對a進行一次計算，當觀測期結(jié)束時，發(fā)送端通過式(4)對差值D進行修正，從而減小由于數(shù)據(jù)包激增造成排隊時延陡然增大引起往返時延增大對網(wǎng)絡(luò)的影響.

(4)

采用帶寬估計的方法，估算當前網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，判斷慢啟動的結(jié)束時機，從而確定是否結(jié)束慢啟動階段，進入擁塞避免階段.本文借鑒TCP Westwood算法的帶寬估計方法，通過對其改進來改善SCPS-TP協(xié)議的性能[5].當發(fā)送端在th時刻收到來自接收端的ACK應(yīng)答包時，表示有l(wèi)n長度的數(shù)據(jù)包已被正確傳輸.這時網(wǎng)絡(luò)中的帶寬可通過式(5)估計.

(5)

其中，ti-1為發(fā)送端收到上一個ACK的時刻，ttrans為鏈路傳播時延.

發(fā)送端每收到一個應(yīng)答包就會對鏈路帶寬進行估計，得到一個帶寬樣本值.這些樣本值具有一定的隨機性，并不能準確反映當前網(wǎng)絡(luò)的帶寬狀況.因此，本文利用數(shù)字信號處理中的指數(shù)加權(quán)平均濾波器(EWMA)對采樣帶寬樣本進行濾波，得到一個平穩(wěn)的帶寬估計值.濾波器增益隨著瓶頸鏈路容量的變化而變化，其增益適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載，通過以上分析可得：

Pi=(1-γi-1)pi-1+|(δ+ΔRTT)/δ|

(6)

Ri=RTTmin/δ

(7)

γi=pi/(pi+Ri)

(8)

(9)

2.2 擁塞窗口增長方式

在慢啟動階段,借鑒Hybla協(xié)議擁塞窗口增長方式，按比例因子ρ改變擁塞窗口的大小.比例因子ρ為實際RTT與基準值RTT0的比值，ρ=RTT/RTT0.

cwndn+1=cwndn+ρ2-1

(10)

圖4 改進后的算法流程圖

改進后的Vegas算法具體描述如下：

(1)在慢啟動階段，發(fā)送端每收到一個應(yīng)答包，就計算一次往返時延，并對當前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬和a值進行計算；(2)判斷當前慢啟動階段處于觀測期或增長期；(3)當網(wǎng)絡(luò)處于觀測期時，擁塞窗口不改變，發(fā)送窗口的大小與上一次窗口的大小相同；(4)當網(wǎng)絡(luò)處于增長期時，則計算期望吞吐量與實際吞吐量之間的差值；(5)判斷D≥γ+0.5是否成立；(6)如條件(5)成立，則需要判斷當前的網(wǎng)絡(luò)帶寬值≤擁塞窗口的大小是否成立；(7)如果條件(5)不成立，則擁塞窗口按照式(10)的方式增大；(8)如果條件(6)成立，則擁塞窗口按照式(10)的方式增大；(9)如果條件(6)不成立，則結(jié)束慢啟動階段，進入擁塞避免階段[8].

算法的偽代碼如下：

for(發(fā)送端收到ACK)

anew=λ×aold+(1-λ)×ai

if (cwndn=！cwndn-1)

cwndn+1=cwndn

else

if (D≤γ+0.5)

cwndn+1=cwndn+ρ2-1

else

cwndn+1=cwndn+ρ2-1

else

結(jié)束慢啟動

3 仿真實驗及性能分析

3.1 場景建立與參數(shù)配置

本節(jié)對改進后的SCPS-TP在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的性能進行仿真驗證.仿真網(wǎng)絡(luò)由1個地面源端點、1個目的端點及1顆作為轉(zhuǎn)發(fā)路由的GEO同步軌道通信3個節(jié)點組成.GEO衛(wèi)星鏈路的傳播時延大約為480 ms，加上數(shù)據(jù)包的處理延時和隊列緩存的排隊延時等，共約540 ms[9].網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 仿真拓撲結(jié)構(gòu)圖

選取西安(34 °N，109 °S)與烏魯木齊(47 °N，88 °S)為地面通信終端.在仿真時，假設(shè)衛(wèi)星是透明轉(zhuǎn)發(fā)的.設(shè)置數(shù)據(jù)包的大小為1 000字節(jié)，緩沖器大小為2 000.網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)具體配置如表1所示.

表1 仿真參數(shù)的具體配置

3.2 結(jié)果與分析

使用上述仿真拓撲圖和參數(shù)設(shè)置，分別對改進前后的Vegas算法行仿真.仿真前，假設(shè)上下行鏈路帶寬相等.在不同帶寬時延積下，改進后與改進前Vegas算法在慢啟動結(jié)束時擁塞窗口的對比如表2所示.

從表2中可以看出,改進后的Vegas算法在慢啟動結(jié)束時，擁塞窗口的大小更接近鏈路的帶寬時延積.在帶寬為較小時，改進后的算法對系統(tǒng)的性能并沒有很大地提升[10].但隨著帶寬的增大，在慢啟動結(jié)束時擁塞窗口越來越接近系統(tǒng)的最大帶寬時延積.即隨著帶寬時延積的增大，改進后的Vegas算法的優(yōu)勢越明顯[11].

表2 改進前與改進后慢啟動

在鏈路帶寬為40 Mb條件下，對改進前后算法在慢啟動階段擁塞窗口的變化情況進行仿真.測得改進前后Vegas算法在慢啟動階段的擁塞窗口變化曲線如圖6所示.

圖6 慢啟動階段窗口變化的對比

由圖6可知，慢啟動階段改進前的Vegas算法由于發(fā)送窗口的倍增，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的排隊時延增大，進而使得慢啟動階段提前結(jié)束;改進后Vegas算法克服了數(shù)據(jù)包排隊時延對慢啟動階段的影響，減小了排隊時延在RTT中所占比重，更加準確地反映了當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),在慢啟動結(jié)束時更加接近網(wǎng)絡(luò)當前狀況，提高了系統(tǒng)效率.

該算法窗口增長過程采用按比例因子ρ的方式，同時為了防止慢啟動階段過早結(jié)束，對期望吞吐值與實際吞吐值之間的差值用因子進行了修正.因此，窗口增長更加迅速，且進入擁塞避免階段時擁塞窗口更加接近鏈路的BDP[12].

在不同帶寬時延積下，改進前與改進后Vegas算法在慢啟動結(jié)束時擁塞窗口與BDP的比值如圖7所示.

圖7 慢啟動結(jié)束時擁塞窗口與BDP的比值

通過仿真可知，從總體上來看，改進后的Vegas算法在帶寬利用率上有了很大地提高，尤其是在大帶寬時延積的情況下，慢啟動結(jié)束時擁塞窗口大小更接近系統(tǒng)的帶寬時延積.相對于改進前的Vegas算法，系統(tǒng)的性能已有了很大地改善.在鏈路帶寬100 Mb情況下，改進前后Vegas算法在慢啟動階段的吞吐量對比如圖8所示.

圖8 慢啟動階段的吞吐量對比

從圖8可以看出，改進前Vegas算法在慢啟動結(jié)束時其吞吐量只有17.8 Mb，而改進后Vegas算法在慢啟動結(jié)束時的吞吐量已達到59 Mb.在慢啟動結(jié)束時,系統(tǒng)吞吐量更加接近網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量.因此，改進后算法較改進前算法，在性能上有了較大地提升.

4 結(jié)論

本文對SCPS-TP在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用進行了介紹，分析了SCPS-TP中Vegas擁塞控制機制在帶寬時延積較大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在窗口增長過于緩慢和慢啟動階段過早結(jié)束等問題，并提出了相應(yīng)的改進措施.

仿真結(jié)果表明，改進后的Vegas機制克服了窗口增長過于緩慢和慢啟動階段結(jié)束早等問題，更加適合在BDP較大的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)鏈路利用率。

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