張運棟, 任勇毛, 殷 明, 楊望泓, 周 旭, 徐安民, 于德雷

1(中國科學(xué)院 計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心, 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

3(華為技術(shù)有限公司, 北京 100085)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和普及, 各種新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷涌現(xiàn), 未來網(wǎng)絡(luò)正朝著多樣化, 智能化方向發(fā)展, 各種新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)提出更精細化的需求. 同時隨著數(shù)據(jù)通信技術(shù)進一步發(fā)展, 現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)存在多種數(shù)據(jù)傳輸方式, 每種傳輸方式都有其自身的特性. 其中有線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要通過光纖等有形媒質(zhì)傳送信息, 通信容量大、傳輸距離遠、質(zhì)量高[1], 但部署相對繁瑣, 維護成本大[2]. 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相對有線方式部署方便, 但可靠度和傳輸速率較低, 安全性較差, 且易受環(huán)境干擾, 如WiFi[3]速率高、但功耗大、安全性差、傳輸距離中等; 毫米波通信[4]工作頻率高、通信容量大、傳輸質(zhì)量高、但覆蓋距離短、易受障礙物阻擋影響. 由于通信方式多樣性, 現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈路越來越復(fù)雜, 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性越來越強, 鏈路差異化也越來越大.

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)傳輸需求的多樣性和通信質(zhì)量的差異化特性使得傳統(tǒng)的兩個互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議TCP與UDP所提供的服務(wù)并不能完全滿足這些應(yīng)用需求, TCP協(xié)議以增加延遲和降低吞吐量為代價來提高可靠性, UDP協(xié)議雖然延遲低且吞吐量比較高, 但是沒有可靠性保證. 對于部分應(yīng)用來說, 一方面部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失對其服務(wù)質(zhì)量無較大影響, 例如高清視頻傳輸場景中如果丟包率在一定閾值范圍內(nèi)則不影響用戶體驗[5]; 云游戲場景中如果客戶端到服務(wù)器丟包率損失為1%以內(nèi)則用戶幾乎無感[6]; 天文數(shù)據(jù)傳輸中e-VLBI(very long baseline interferometry) 對數(shù)據(jù)傳輸容忍丟包率要求小于2%[7], 另一方面TCP在遇到網(wǎng)絡(luò)丟包或網(wǎng)絡(luò)擁塞時為保證數(shù)據(jù)可靠性傳輸會重傳丟失數(shù)據(jù)包,同時降低發(fā)送窗口, 進而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和帶寬利用率.

因此, 本文針對應(yīng)用差異化的可靠傳輸需求和不同鏈路的可靠性, 提出了一種差異化可靠傳輸協(xié)議(differentiated reliable transmission protocol, DRTP), 在滿足應(yīng)用可靠度需求條件下, 最大化提升應(yīng)用傳輸速率. 在DRTP協(xié)議框架下, 重點設(shè)計了一種基于可靠度的新的擁塞控制算法.

1 相關(guān)工作

1.1 部分可靠傳輸協(xié)議

為滿足應(yīng)用差異化傳輸需求, 目前的解決方案主要通過部分可靠傳輸協(xié)議實現(xiàn). 部分可靠傳輸協(xié)議保證應(yīng)用程序可以通過犧牲部分傳輸數(shù)據(jù)可靠性以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率或者網(wǎng)絡(luò)吞吐量, 減少延遲抖動等[8].不同應(yīng)用場景數(shù)據(jù)對于可靠度需求不同, 如果傳輸協(xié)議可以精確了解應(yīng)用程序需求[9], 在滿足其需求下提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率將是傳輸協(xié)議發(fā)展的新方向. 對于這一方向的研究尚很缺乏, 已有的研究主要是基于專用傳輸協(xié)議的改進, 例如基于datagram congetion control protocol (DCCP)擴展的PR-DCCP[10]、基于stream control transmission protocol (SCTP)擴展的PR-SCTP協(xié)議[11], 以及基于MPTCP的messageoriented partial-reliability (MO-PR)[12]和receiver-centric partial-reliable multipath transport solution (rec PRMPTCP)[13], 然而這些協(xié)議由于基于傳輸協(xié)議改進, 因此適用場景有限.

1.2 擁塞控制算法分析

如何設(shè)計合理的擁塞控制算法解決網(wǎng)絡(luò)擁塞, 減少網(wǎng)絡(luò)丟包, 提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸效率是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯繜狳c[15], 近年來涌現(xiàn)出各種各樣的擁塞控制算法,擁塞控制算法旨在提高傳輸協(xié)議性能同時最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率, 提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率.

目前的擁塞控制算法思路主要是通過檢測網(wǎng)絡(luò)丟包檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞, 例如傳統(tǒng)的NewReno算法和高帶寬長時延的BIC-TCP、CUBIC[16,17]; 基于時延檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞, 例如TCP Vegas[18]、TCP Westwood[19,20]等, 及基于時延帶寬測量的丟包控制算法, 比如BBR[21]等.

然而目前的擁塞控制算法對于差異化可靠傳輸協(xié)議適用性較差, 差異化可靠傳輸協(xié)議應(yīng)對于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包重傳時提高TCP傳輸速率, 而基于丟包的算法在網(wǎng)絡(luò)頻繁丟包時吞吐率較差; 基于時延的擁塞控制算法在某些環(huán)境下RTT延時不能反映網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài);基于時延和帶寬測量的算法在頻繁數(shù)據(jù)流時性能較差,公平性較低.

總的來說, 現(xiàn)有的部分可靠傳輸協(xié)議沿用TCP擁塞控制算法, 沒有考慮部分可靠傳輸協(xié)議中可靠度考量標(biāo)準(zhǔn), 而目前的擁塞控制算法對于部分可靠傳輸協(xié)議和差異化可靠傳輸協(xié)議并沒有完美適配, 因此本文基于可靠度設(shè)計一種適應(yīng)于差異化可靠傳輸協(xié)議的擁塞控制算法.

2 差異化可靠傳輸擁塞機制

目前擁塞控制協(xié)議主要適用于可靠傳輸協(xié)議, 比如TCP. 然而隨著未來網(wǎng)絡(luò)體系與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)展, 為滿足應(yīng)用差異化需求, 差異化可靠傳輸協(xié)議將成為未來研究網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新傳輸協(xié)議. 差異化可靠傳輸協(xié)議機制通過在發(fā)送端基于當(dāng)前可靠度計算判斷數(shù)據(jù)包是否可以丟失, 如果數(shù)據(jù)包允許丟失則發(fā)送通知包并進行窗口前移, 接收端在收到通知包時移動窗口進而發(fā)送新的ACK. 因此差異化可靠傳輸協(xié)議保留了ACK可靠傳輸機制和其擁塞狀態(tài)機, 由于差異化可靠傳輸協(xié)議并未影響TCP擁塞狀態(tài)機, 因此基于丟包檢測和基于時延檢測的擁塞控制算法適用于差異化可靠傳輸協(xié)議.

2.1 差異化可靠傳輸擁塞控制算法框架

本文設(shè)計的差異化可靠傳輸擁塞控制機制通過檢測網(wǎng)絡(luò)丟包實現(xiàn), 其主要算法是基于可靠度機制實現(xiàn)不同程度的擁塞避免策略和擁塞恢復(fù)策略, 同時基于網(wǎng)絡(luò)帶寬測量合理調(diào)控網(wǎng)絡(luò)窗口閾值, 其實現(xiàn)機制主要分為可靠度滿足目標(biāo)可靠度的擁塞避免策略和擁塞恢復(fù)策略, 可靠度不滿足目標(biāo)可靠度的擁塞避免策略和擁塞恢復(fù)策略, 以及基于帶寬測量調(diào)控窗口閾值策略. 差異化可靠傳輸擁塞控制框架如表1所示.

當(dāng)代青年的文明素養(yǎng)和思想道德建設(shè)離不開傳統(tǒng)文化。文化的傳遞性使中國傳統(tǒng)文化得以延續(xù)，任何一個國家的建設(shè)都無法脫離本民族的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。我們對于當(dāng)代青少年的培養(yǎng)也離不開中國傳統(tǒng)文化的引導(dǎo)與熏陶，傳統(tǒng)文化的傳承與創(chuàng)新也有賴于青少年的繼承與發(fā)揚光大。中華傳統(tǒng)文化有利于青少年建立正確的人生觀、價值觀、世界觀。有利于培養(yǎng)青少年以愛國主義為核心的民族精神。傳統(tǒng)文化對于青少年的思想熏陶和人格塑造都有著不可否認的積極作用，能夠幫助青少年豐富文化知識、提升思想境界，學(xué)會如何處理好人際關(guān)系，對于樹立青少年正確的價值取向有著積極作用。

表1 擁塞控制機制設(shè)計框架

2.2 可靠度計算

差異化可靠傳輸與傳統(tǒng)傳輸控制協(xié)議區(qū)別在于其需要時刻感知當(dāng)前可靠度與目標(biāo)可靠度進而判別是否發(fā)送通知包, 通過判別當(dāng)前時刻網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠度與應(yīng)用層所需可靠度差別, 進而實現(xiàn)差異化的可靠傳輸機制.

目標(biāo)可靠度為應(yīng)用層定義接口, 傳輸層感知當(dāng)前應(yīng)用所需目標(biāo)可靠度, 然而目前由于應(yīng)用的多樣性, 目標(biāo)可靠度采用人為設(shè)定, 目前在IP視訊業(yè)務(wù)中丟包率小于1%時畫面流暢、較清晰、聲音清晰, 而丟包率為3%時畫面較流暢, 運動大時有輕微馬賽克; 而對于天文臺天文數(shù)據(jù)傳輸, 數(shù)據(jù)完整率基本保障97%–98%以上. 在數(shù)據(jù)處理時, 一般有明顯錯誤的數(shù)據(jù)會剔除掉,因為1%–2%的數(shù)據(jù)基本不影響最后的數(shù)據(jù)結(jié)果精度.因此在實驗測試時設(shè)置目標(biāo)可靠度為2%.

當(dāng)前可靠度為當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)主動丟失情況, 當(dāng)前可靠度R的計算公式為當(dāng)前時刻本周期內(nèi)未主動丟失數(shù)據(jù)包與周期內(nèi)發(fā)送總數(shù)據(jù)包比值, 如式(1)所示:

其中,Psend為 當(dāng)前周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù),Plost為本周期內(nèi)已丟棄數(shù)據(jù)包數(shù),Plost在判別數(shù)據(jù)包可丟失后實時更新. 當(dāng)前可靠度計算以滑動窗口內(nèi)固定數(shù)據(jù)包個數(shù)為周期更新當(dāng)前可靠度, 目前以1 000個數(shù)據(jù)包作為固定周期, 每發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包更新網(wǎng)絡(luò)丟包情況. 當(dāng)前可靠度進行周期性計算優(yōu)勢在于可以保證此連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)木鶆蛐詠G包分布, 保證每周期數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽慷? 同時當(dāng)前可靠度基于數(shù)據(jù)包粒度實時更新, 方便模塊化工作. 當(dāng)前可靠度一方面反映此連接可容忍數(shù)據(jù)丟失情況, 反映周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定程度, 另一方面反映網(wǎng)絡(luò)進行丟包判別情況, 反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前時刻擁塞程度, 因此可靠度對于網(wǎng)絡(luò)擁塞有一定指導(dǎo)價值,在此將可靠度作為差異化可靠傳輸判別機制, 差異化可靠傳輸?shù)膿砣麢C制基于可靠度實現(xiàn)不同程度的擁塞控制策略.

2.3 可靠度優(yōu)于目標(biāo)可靠度

差異化可靠傳輸擁塞控制機制基于當(dāng)前可靠度實現(xiàn)不同擁塞避免策略和擁塞恢復(fù)策略, 當(dāng)檢測網(wǎng)絡(luò)丟包時, 通過觀測當(dāng)前可靠度值, 如果當(dāng)前可靠度大于目標(biāo)可靠度則反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)較輕, 同時也反映此時應(yīng)用程序可以容忍數(shù)據(jù)包丟失, 因此在擁塞避免階段網(wǎng)絡(luò)可以較低程度降低擁塞窗口以更快恢復(fù)帶寬,因此當(dāng)可靠度優(yōu)于目標(biāo)可靠度的擁塞避免函數(shù)如式(2)所示:

在擁塞恢復(fù)階段擁塞策略以較快速率恢復(fù)擁塞窗口, 具體的擁塞恢復(fù)算法如式(3):

式(2)中α 表示擁塞避免階段窗口降低比率, 在此為0.8. 式(3)中l(wèi)代表用于比較時間和擁塞窗口大小變化的速率常數(shù), 在此為0.5.K值用于表示當(dāng)前擁塞窗口cwnd恢復(fù)到上次發(fā)生擁塞時的窗口值所需的時間,K值計算如式(4)所示, 而Wmax代表上次擁塞發(fā)生時窗口的最大值.

式(2)表明在可靠度優(yōu)于目標(biāo)可靠度時差異化可靠傳輸擁塞避免的窗口降低程度為α ×cwnd, 實現(xiàn)擁塞避免階段少下將策略, 式(3)表明在擁塞恢復(fù)階段窗口增長函數(shù)按照三次函數(shù)形式增長, 一方面合理化恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)帶寬, 另一方面最大化探測網(wǎng)絡(luò)帶寬. 同時擁塞避免階段算法通過檢測發(fā)生擁塞事件時窗口值是否低于上次發(fā)生擁塞時窗口最大值記錄Wlast_max合理探測帶寬. 如果窗口值低于Wmax是則說明有新流加入, 因此需降低Wmax讓出帶寬給新流, 否則記錄當(dāng)前時刻Wmax為Wlast_max, 具體算法如算法1所示.

算法1. 帶寬檢測算法1. if cwnd＜Wmax&&fast_convergence then 2. Wlast_max= cwnd×(1+α)/2 3. else 4. Wlast_max =cwnd 5. end if

2.4 可靠度不滿足目標(biāo)可靠度

當(dāng)檢測網(wǎng)絡(luò)丟包時如果當(dāng)前可靠度值不滿足目標(biāo)可靠度則反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)較嚴(yán)重, 同時反映應(yīng)用程序?qū)τ跀?shù)據(jù)包可靠度要求較高, 因此在擁塞避免階段閾值函數(shù)如式(5)所示:

在擁塞恢復(fù)階段窗口在每收到ACK窗口增加為1/cwnd. 具體如式(6)所示:

式(5)表明差異化可靠傳輸擁塞機制在網(wǎng)絡(luò)重擁塞狀態(tài)下通過窗口減半, 實現(xiàn)基于TCP擁塞避免機制進行標(biāo)準(zhǔn)窗口下降策略, 因為此時通過窗口少下降策略并未能完全減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài). 式(6)實現(xiàn)基于TCP擁塞恢復(fù)機制進行窗口慢增長策略, 有效避免通過三次函數(shù)快恢復(fù)策略而造成擁塞窗口頻繁下降進而網(wǎng)絡(luò)發(fā)生多次擁塞情況. 差異化可靠傳輸擁塞控制機制采用基于混合擁塞控制的方法, 使用可靠度作為主要擁塞指標(biāo), 使用丟包信息作為第2擁塞指示符, 共同調(diào)整窗口大小, 滿足對TCP公平性和性能的設(shè)計需求.

2.5 基于帶寬測量的擁塞避免

差異化可靠傳輸協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)存在較大丟包時可以顯示其優(yōu)勢, 相對于傳統(tǒng)TCP傳輸協(xié)議明顯提高傳輸速率. 差異化可靠傳輸協(xié)議擁塞控制機制的核心思想是基于可靠度和丟包信息實現(xiàn)不同程度擁塞避免和擁塞恢復(fù)算法, 然而基于丟包的擁塞控制機制在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差導(dǎo)致頻繁丟包時仍有很大提升空間, 主要原因在于基于丟包進行擁塞檢測對鏈路差錯引起頻繁丟包的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)誤判, 導(dǎo)致?lián)砣翱陬l繁下降, 難以盡快恢復(fù)進而降低鏈路帶寬利用率, 而通過估計瓶頸帶寬可以提高易損鏈路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的傳輸控制協(xié)議性能.因此差異化可靠傳輸機制在基于丟包實現(xiàn)擁塞控制機制的基礎(chǔ)上通過瓶頸帶寬估計策略合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)擁塞避免階段擁塞閾值, 具體的帶寬測量方法如式(7)所示:

式(7)中Tcur為當(dāng)前時刻測量帶寬,rtt為帶寬測量周期,Nack為當(dāng)前rtt周期內(nèi)接受數(shù)據(jù)段數(shù)量, 式(8)[22]通過將帶寬在低通濾波器中過濾高頻成分測得實際當(dāng)前帶寬, 因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)檢測丟包進入擁塞避免階段時的窗口閾值如式(9)所示:

其中,RTTmin為最小往返時延,Tcur×RTTmin為基于帶寬測量的BDP, BBR算法認為當(dāng)網(wǎng)絡(luò)飛行數(shù)據(jù)到達BDP時網(wǎng)絡(luò)發(fā)送速率達到最大值[23]且網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生擁塞. 因此基于BDP設(shè)置閾值可以避免由于頻繁丟包導(dǎo)致的擁塞窗口閾值不合理下降. 式(9)在發(fā)生丟包時通過帶寬測量將窗口降到合理的閾值, 避免頻繁丟包導(dǎo)致窗口不合理下降, 提高帶寬利用率.

2.6 算法復(fù)雜度分析

差異化可靠傳輸擁塞控制算法分為慢啟動階段,擁塞避免階段和擁塞恢復(fù)階段. 慢啟動階段算法基于傳統(tǒng)的TCP慢啟動算法增長其窗口值, 當(dāng)窗口值高于窗口閾值時算法進入擁塞避免階段, 同時每收到ACK算法根據(jù)式(7)和式(8)計算當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬值; 擁塞避免階段根據(jù)式(9)設(shè)置當(dāng)前閾值; 擁塞恢復(fù)階段算法通過查詢當(dāng)前可靠度判定當(dāng)前可靠度是否高于目標(biāo)可靠度, 如是則根據(jù)式(3)恢復(fù)帶寬并設(shè)定窗口值, 否則根據(jù)式(6)設(shè)定窗口值. 因此算法時間復(fù)雜度為擁塞避免階段每收到ACK時計算帶寬, 以數(shù)據(jù)包個數(shù)為單位,式(7)和式(8)的時間復(fù)雜度為O (n) . 式(3)和式(5)的時間復(fù)雜度為O (n) , 因此算法的時間復(fù)雜度為O (n).

差異化可靠傳輸擁塞控制機制通過聯(lián)合丟包檢測和時延帶寬檢測控制擁塞窗口變化, 通過丟包檢測提高時延帶寬測量在網(wǎng)絡(luò)擁塞時的帶寬利用率較低的弊端, 同時通過帶寬檢測避免由于頻繁丟包導(dǎo)致窗口下降問題, 下面將通過實驗測試驗證差異化可靠傳輸擁塞機制的性能.

3 實驗性能評估

為了驗證差異化可靠傳輸擁塞控制機制的性能,本次實驗測試基于NS3網(wǎng)絡(luò)模擬器實現(xiàn), 系統(tǒng)為Ubuntu 16.04系統(tǒng), 通過NS3中實現(xiàn)的差異化可靠傳輸協(xié)議, 測試不同擁塞控制算法對于差異化可靠傳輸協(xié)議性能影響, 實驗測試不同丟包率、不同帶寬時延和不同背景流下基于差異化可靠傳輸協(xié)議的各種擁塞控制算法實驗性能. 其中實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示.

圖1 NS3仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲

實驗拓撲圖中, 客戶端基于NS3中BulkSend-Helper應(yīng)用類實現(xiàn)數(shù)據(jù)流發(fā)送, 服務(wù)器基于NS3中PacketSinkHelper類實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收, 丟包率設(shè)置基于NS3中RateErrorModel差錯模型類實現(xiàn).

3.1 不同丟包率下?lián)砣麢C制性能測試

對于未來網(wǎng)絡(luò)場景, 例如衛(wèi)星通信由于通信延遲和比特錯誤的概率, TCP傳輸性能受到影響, 而差異化可靠傳輸協(xié)議在易損網(wǎng)絡(luò)中性能表現(xiàn)較佳. 差異化可靠傳輸擁塞機制算法旨在于不同丟包率下獲得較大吞吐, 同時實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)傳輸速率. 本文首先基于網(wǎng)絡(luò)拓撲測試針對不同丟包率在差異化可靠傳輸協(xié)議下?lián)砣刂扑惴ㄐ阅? 其中實驗中指定差異化可靠傳輸?shù)膽?yīng)用可靠度為98%, 具體的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)如表2.

表2 丟包率下NS3參數(shù)

首先通過設(shè)置不同鏈路丟包率測試NewReno,CUBIC, Vegas, Westwood, Westwood+, BBR及差異化可靠傳輸?shù)膿砣刂扑惴╟ongestion control based on reliability (CCOR). 圖2表明當(dāng)丟包率在0.1%–2%時基于丟包的擁塞控制算法例如NewReno, CUBIC算法性能較差, 基于時延及帶寬測量的算法性能例如Vegas, Westwood, Westwood+, BBR優(yōu)于基于丟包的擁塞控制算法, 然而總體性能較差, 而CCOR算法有效數(shù)據(jù)傳輸速率明顯優(yōu)于NewReno, CUBIC, Vegas,Westwood, 相對于Westwood+, BBR有些許提升.

圖2表明基于丟包的擁塞控制算法存在鏈路丟包時性能表現(xiàn)較差, 隨著丟包率增大性能表現(xiàn)越差. 基于時延的擁塞控制算法在存在鏈路丟包時性能表現(xiàn)較好,CCOR算法結(jié)合基于帶寬測量的丟包閾值判斷, 在丟包率大的時候有較大的性能提升.

圖2 300 Mb/s, 50 ms擁塞算法傳輸速率

圖3為丟包率為0.1%時各種擁塞算法前50 s吞吐率變化, 表明在0.1%丟包率下BBR與CCOR算法窗口值保持平穩(wěn)且較高水平, 但是BBR在24 s吞吐率下降影響其性能, 因此CCOR性能最佳. 圖4為丟包率為0.2%時各種擁塞控制算法前50 s吞吐率變化, 在從圖4看出當(dāng)同時傳輸300 MB數(shù)據(jù)量時CCOR在36 s傳輸結(jié)束, 而BBR在41 s傳輸結(jié)束, Westwood+在45 s結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸, 且CCOR吞吐率高于BBR和Westwood+.表明在0.2%丟包率下CCOR算法性能優(yōu)于其他算法,表現(xiàn)在高帶寬長時延下CCOR算法保持較高吞吐率.

圖3 300 Mb/s, 50 ms, 0.1% 丟包率下吞吐率變化

圖4 300 Mb/s, 50 ms, 0.2% 丟包率下吞吐率變化

3.2 不同帶寬時延下?lián)砣麢C制性能測試

差異化可靠傳輸協(xié)議在不同帶寬和不同時延下表現(xiàn)不同性能, 下面基于圖1網(wǎng)絡(luò)拓撲測試不同帶寬和不同時延下各種擁塞控制算法在差異化可靠傳輸協(xié)議下的性能. 具體的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)如表3.

表3 不同帶寬時延下NS3參數(shù)

設(shè)置不同帶寬和不同往返時延測試NewReno,CUBIC, Vegas, Westwood, Westwood+, BBR及CCOR算法有效數(shù)據(jù)傳輸速率. 圖5表示從10 Mb/s到500 Mb/s,時延為50 ms時數(shù)據(jù)傳輸速率, 圖5表明在0.1%丟包時增大帶寬, NewReno, CUBIC, Vegas, Westwood算法傳輸速率沒有明顯提升, Westwood+, BBR, CCOR算法有明顯提升, CCOR性能最優(yōu).

圖5 50 ms, 0.1%丟包率下傳輸速率

圖6表示從10 ms到200 ms, 100 M/ps帶寬時數(shù)據(jù)傳輸速率, 圖6表明0.1%丟包率下, CCOR取得較好實驗結(jié)果, CCOR算法基于可靠度實現(xiàn)不同擁塞控制策略, 在往返時延較小時CCOR表現(xiàn)較好實驗性能,隨著時延增大, CCOR隨時延傳輸速率變低, 但是仍然高于其余擁塞控制算法變化, 但是傳統(tǒng)的基于丟包和基于時延的擁塞控制算法隨時延傳輸效率變低.

圖6 100 Mb/s, 0.1%丟包率下傳輸速率圖

3.3 不同背景流下?lián)砣麢C制性能測試

擁塞控制算法在不同網(wǎng)絡(luò)流量下能夠取得較好帶寬同時保持?jǐn)?shù)據(jù)流公平性是衡量擁塞控制算法特性的目標(biāo)之一, 因此設(shè)置不同背景流驗證差異化可靠傳輸擁塞控制算法性能. 其中背景流基于NS3下UdpEcho-ClientHelper類產(chǎn)生間隔UDP流.

圖7為UDP背景流為80 Mb/s, 時間在10–15 s,20–25 s, 30–35 s間隔出現(xiàn)3次時各種算法的吞吐率圖,圖7表明CCOR在出現(xiàn)背景流時帶寬下降, 但是保持基于丟包的擁塞控制算法對于帶寬的利用率, 相對于BBR低到帶寬到20 Mb/s, CCOR可以與NewReno,CUBIC等基于丟包的算法保持其40 Mb/s以上的帶寬, 同樣表明在較大背景流下CCOR算法較好帶寬利用率, 因此在不同背景流下CCOR可以更好利用帶寬.

圖7 100 Mb/s, 10 ms下吞吐率變化

3.4 擁塞控制機制的公平性

公平性是擁塞控制算法的一個重要性能指標(biāo), 有的擁塞控制算法雖然傳輸吞吐率高, 但是公平性差, 比如最新的BBR協(xié)議[24]. 下面將實驗驗證差異化擁塞算法CCOR公平特性.

圖8為100 Mb/s, 20 ms往返時延下3條CCOR流傳輸窗口變化, 其中第2條數(shù)據(jù)流在20 s加入網(wǎng)絡(luò),在80 s離開網(wǎng)絡(luò), 第3條數(shù)據(jù)流在40 s加入網(wǎng)絡(luò), 在60 s離開網(wǎng)絡(luò), 圖9顯示其吞吐率變化, 圖9表明在第2條數(shù)據(jù)流加入時CCOR可以較快降低網(wǎng)絡(luò)帶寬為47 Mb/s, 在第3條數(shù)據(jù)流加入后CCOR帶寬降低為31 Mb/s, 表明CCOR數(shù)據(jù)流可以較好與新流共享網(wǎng)絡(luò)帶寬, 而在數(shù)據(jù)流離開網(wǎng)絡(luò)時可以較快恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)帶寬,CCOR算法在較大提升帶寬利用率同時可以保持?jǐn)?shù)據(jù)流之間的公平性, 顯示出CCOR算法的優(yōu)勢.

圖8 100 Mb/s, 20 ms下CCOR擁塞窗口

圖9 100 Mb/s, 20 ms下CCOR吞吐率

4 結(jié)論

隨著未來網(wǎng)絡(luò)體系的發(fā)展, 差異化可靠傳輸協(xié)議在未來網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議有很好應(yīng)用前景, 本文通過針對差異化可靠傳輸協(xié)議提出一種新的基于丟包和帶寬測量聯(lián)合的擁塞控制機制, 旨在于提高差異化可靠傳輸協(xié)議的性能, 同時最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率. 差異化可靠傳輸擁塞控制機制通過差異化可靠傳輸協(xié)議的可靠度機制實現(xiàn)不同擁塞控制機制, 在當(dāng)前可靠度滿足目標(biāo)可靠度時通過少下降式擁塞避免策略和快恢復(fù)擁塞恢復(fù)策略實現(xiàn)其窗口變化, 在當(dāng)前可靠度不滿足目標(biāo)可靠度時通過標(biāo)準(zhǔn)式擁塞避免策略和恢復(fù)策略實現(xiàn)其窗口變化, 在可靠度考量標(biāo)準(zhǔn)下實現(xiàn)更好窗口策略, 同時差異化可靠傳輸擁塞控制機制充分考慮網(wǎng)絡(luò)條件, 基于帶寬測量作為窗口策略的變化標(biāo)準(zhǔn), 提高不同丟包率下差異化可靠傳輸協(xié)議性能.

本文通過實驗驗證差異化可靠傳輸擁塞算法CCOR在不同丟包率、不同時延及不同背景流下均取得較好的實現(xiàn)性能, 相對于傳統(tǒng)擁塞控制算法其窗口值和網(wǎng)絡(luò)吞吐率均表現(xiàn)效果良好, 同時通過實驗驗證其公平性. 在未來針對于差異化可靠傳輸協(xié)議擁塞控制機制以及對于未來基于丟包和帶寬實現(xiàn)不同程度擁塞控制機制提供一定的指導(dǎo)價值.