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(biāo)降低，導(dǎo)致傳輸性能和網(wǎng)絡(luò)資源利用率下降，從而無(wú)法提供有效的QoS保證。為了給用戶提供高效、公平的網(wǎng)絡(luò)資源分配，擁塞控制是電信運(yùn)營(yíng)商必須要解決的問(wèn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞給出了具體案例研究并提出了相應(yīng)的對(duì)應(yīng)策略。

【關(guān)鍵詞】 擁塞控制 QoS 電信運(yùn)營(yíng)商 TCP/IP

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求越來(lái)越高，為了提高網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)，提高用戶感知，改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量已成電信運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)突破的重要途徑之一。尤其是近年來(lái)如語(yǔ)音、圖像等多媒體流在網(wǎng)絡(luò)上的大量應(yīng)用，解決網(wǎng)絡(luò)擁塞也成了眾多學(xué)者研究的問(wèn)題之一。文章概述了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的原理、典型的TCP/IP擁塞控制解決方法等知識(shí)，重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞案例進(jìn)行了分析研究。

一、擁塞控制的原理

在某段時(shí)間，若對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的某一資源的需求超過(guò)了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變化，這種情況叫做擁塞[1]。網(wǎng)絡(luò)擁塞往往是由許多因素引起的，簡(jiǎn)單的提高節(jié)點(diǎn)處理機(jī)的速度或者擴(kuò)大結(jié)點(diǎn)緩存的存儲(chǔ)空間并不能解決擁塞問(wèn)題。當(dāng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)緩存容量擴(kuò)展到非常大，于是凡到達(dá)該結(jié)點(diǎn)的分組均可在結(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列中排隊(duì)，不受任何限制。由于輸出鏈路的容量和處理機(jī)的速度并未提高，因此在這隊(duì)列中的絕大多數(shù)的分組在排隊(duì)等待時(shí)間會(huì)大大增加，結(jié)果上層機(jī)制只好把分組進(jìn)行重傳。因此，擁塞往往是指整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分不匹配，只有各個(gè)部分平衡了，問(wèn)題才會(huì)得到解決。

二、TCP/IP擁塞解決方法

因特網(wǎng)建議標(biāo)準(zhǔn)RFC2581定義了進(jìn)行擁塞控制的四種算法，即慢開(kāi)始（Slow-start），擁塞避免（Congestion Avoidance），快重傳（Fast Restrangsmit）和快回復(fù)（Fast Recovery）[2]。

在文獻(xiàn)【3】中，作者提到了一種基于接收閾值的容延網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法，該機(jī)制獨(dú)立于節(jié)點(diǎn)所運(yùn)行的轉(zhuǎn)發(fā)路由算法，不影響路由算法對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，具有很好的普適性，可以有效降低節(jié)點(diǎn)擁塞。在文獻(xiàn)【4】中，通過(guò)對(duì)基于鏈路的AQM協(xié)議和顯式擁塞控制機(jī)制研究，較好的解決了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)高的情況下鏈路高利用低的問(wèn)題，同時(shí)提高了系統(tǒng)的QoS性能。文獻(xiàn)【5】在VCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)擴(kuò)展的可變結(jié)構(gòu)擁塞控制協(xié)議EVCP（Extended VCP），在平均延時(shí)情況下可以有效的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

擁塞現(xiàn)象是發(fā)生在通信網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的一種典型的動(dòng)態(tài)行為，研究路由策略的優(yōu)化算法問(wèn)題是眾多學(xué)者要解決的重要課題之一。

三、網(wǎng)絡(luò)擁塞案例分析及研究

3.1問(wèn)題描述

中山某大客戶因業(yè)務(wù)發(fā)展需要，開(kāi)通了廣東中山至美國(guó)舊金山的一條10M的電路，本地通過(guò)OSN500傳輸光端機(jī)接入，客戶在的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)上行速率嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，后期換成Metro 1000后情況有較大改善。本文接下來(lái)從此案例出發(fā)，分析研究網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)速的影響及相應(yīng)的對(duì)應(yīng)策略。

下圖是測(cè)試環(huán)境圖：

結(jié)論：在時(shí)延較大時(shí)（大于50ms）， Metro1000上載速率會(huì)高于OSN500。

根據(jù)以上測(cè)試情況，引出兩個(gè)問(wèn)題：為什么測(cè)速帶寬會(huì)隨著時(shí)延增加而降低？為什么在同樣的大時(shí)延條件下，Metro1000（EFS）單板測(cè)速會(huì)比OSN500（EFT8）高？

3.2原因分析

（1）從抓包信息得知，該測(cè)速網(wǎng)站是基于TCP協(xié)議進(jìn)行文件傳送測(cè)速的。TCP協(xié)議定義了一個(gè)擁塞窗口，如果發(fā)送端的已發(fā)送但未收到確認(rèn)報(bào)文的數(shù)據(jù)超過(guò)擁塞窗口，則需要停止發(fā)送報(bào)文，等待接收端新的確認(rèn)報(bào)文。

每TCP連接吞吐量計(jì)算公式可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[6]：

其中，RTT指Round-trip Time，是雙向時(shí)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(shí)延RTT成反比，而緩存大小與RTT時(shí)間成正比。所以，隨著時(shí)延的增加，測(cè)速的吞吐量是會(huì)逐步降低的。

（2）在時(shí)延一定的情況下要提高測(cè)速吞吐量，則需增加擁塞窗口（對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備理解為設(shè)備緩存Buffer）。

為了鏈路利用率達(dá)到最大值，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Buffer要求為：在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)吐出報(bào)文能夠彌補(bǔ)TCP擁塞時(shí)降低的吞吐量。

從業(yè)內(nèi)對(duì)Buffer的要求規(guī)則可知，Buffer的大小要求與網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有關(guān)：網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延越大，對(duì)緩存的要求就越高。在TCP流條目數(shù)越少對(duì)Buffer的要求越高。網(wǎng)絡(luò)中越靠近用戶的設(shè)備，接入用戶數(shù)越多，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)中接入設(shè)備的Buffer要求高于匯聚層與核心層設(shè)備。

以上所述，正是由于Metro1000 EFS（交換板）單板緩存比OSN500 EFT8（透?jìng)靼澹┚彺娲?，所以在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大場(chǎng)景，單條TCP流測(cè)到的速率會(huì)較大。

3.3解決方案

（1）測(cè)速時(shí)建議使用多TCP（多進(jìn)程， TCP流量充滿出口帶寬場(chǎng)景，實(shí)際應(yīng)用中的峰值場(chǎng)景）連接進(jìn)行測(cè)速，網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中通常也是多用戶同時(shí)使用該管道。

（2）對(duì)于特殊單TCP流測(cè)試場(chǎng)景，建議選用合適的數(shù)據(jù)單板進(jìn)行測(cè)試。

（3）單板緩存不是越大越好：合理最重要。

簡(jiǎn)單說(shuō)，如果一味的增大EOS（Ethernet over SDH）單板緩存，會(huì)導(dǎo)致MSTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延過(guò)大，同樣會(huì)影響下載速率。MSTP產(chǎn)品聚焦于高品質(zhì)高安全數(shù)據(jù)管道，MSTP客戶對(duì)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延要求很高，所以MSTP的緩存設(shè)計(jì)不會(huì)太大。

四、結(jié)束語(yǔ)

文章主要針對(duì)TCP/IP中的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題進(jìn)行分析和案例研究。首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的相關(guān)概念及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對(duì)典型的網(wǎng)絡(luò)擁塞解決方案進(jìn)行了介紹，結(jié)合具體的測(cè)試應(yīng)用案例給出了網(wǎng)絡(luò)擁塞的對(duì)應(yīng)策略，最后希望本文的案例分析及相關(guān)研究能夠給相關(guān)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員提供參考并帶來(lái)幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]江艷，李寶林；《TCP/IP擁塞控制算法研究》計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展

[2]謝希仁；《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》（第6版）電子工業(yè)出版社

[3]趙廣松，陳鳴；《基于接收閾值的容延網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制》 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全

[4]毛鵬軒；《下一代網(wǎng)絡(luò)擁塞控制關(guān)鍵算法的研究》北京交通大學(xué)

[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(lián)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制分析與研究》. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)