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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 華中師范大學計算機科學系,武漢(430000)2 信陽師范學院,河南信陽(464000)e-mail:摘要:fast tcp 是一種針對當前高性能網(wǎng)絡的高速、長延遲等特點的 tcp 擁塞算法。論 文首先對傳統(tǒng)的 tcp reno 進行介紹,討論其算法與 fast tcp 的不同點。然后重點分析 fast tcp 體系結(jié)構和算法。利用 ns2 仿真工具測試了傳統(tǒng) tcp reno 與 fast tcp 在吞吐量方面 的性能差異。實驗驗證了 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。 關鍵詞:擁塞控制;fast tcp;吞吐量;ns20引言隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷增長和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,網(wǎng)絡趨向于大規(guī)模、高速、大容量、應 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重。網(wǎng)絡產(chǎn)生擁塞的原因在于其面 對的負載超過了它的處理能力。管理擁塞的第一個環(huán)節(jié)是檢測擁塞。由于檢測擁塞的方法不 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在預防網(wǎng)絡擁塞方面一直被認為有顯著的性能。tcp reno隨 著帶寬時延的增大顯出諸如在公平性、控制端到端延時、對網(wǎng)絡擁塞的反應速度及面對高速 網(wǎng)絡時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,針對當前的網(wǎng)絡特 點而設計。與傳統(tǒng)擁塞控制算法相比,它具有更好的平衡性,特別當傳播時延增加時,它不 以懲罰數(shù)據(jù)流為代價,從而達到更高的公平性。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 仿真工具對兩種算法進行了仿真,實驗結(jié)果表明在大帶寬高時延環(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1.1 傳統(tǒng) tcp reno 的特點及缺陷目前的擁塞控制算法大多是建立在慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復這四個算法基 礎之上。reno的擁塞算法采用aimd形式,發(fā)送方維護兩個窗口:接收方窗口swnd和擁塞窗 口cwnd。當一個連接建立起來的時候,發(fā)送方cwnd初始化為該連接上當前使用的最大數(shù)據(jù) 段長度,即minswnd, cwnd。窗口在每個rtt 中增大一個報文段的長度,很顯然,每一批 被確認的突發(fā)數(shù)據(jù)段都會使擁塞窗口加倍。擁塞窗口一直呈指數(shù)增長,直至發(fā)生超時。這就 是慢啟動階段。除了swnd和cwnd以外,reno還使用了第三個參數(shù):閾值threshold, cwnd增長到閾值時進 入擁塞避免階段。從這個點開始,每一次成功的傳輸都會使cwnd呈線性增長,而不再是指 數(shù)增長,當一次超時發(fā)生時,即cwnd threshold, threshold被置為當前cwnd 值的一半,而cwnd 被重置為1。當 cwnd 被重新置為 1 后,又重新進入慢啟動階段,即源端收到 3 個或 3 個以上重復 ack 時,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。reno 所采用的這 種以丟包時間作為擁塞信號,將不可避免地導致抖動2。由于這種不穩(wěn)定性帶來的抖動使得- 5 -報文丟棄概率很難估算,實踐證明 reno 算法在低速網(wǎng)絡中其性能尚可以表現(xiàn)出其優(yōu)勢,但隨著網(wǎng)絡趨向于高速、長延遲發(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,從而導致網(wǎng)絡的低利用率。1.2fast tcpfast tcp的結(jié)構建立于data control, windows control,burstiness control和estimation四 個獨立模塊。data control部分決定哪些報文需要發(fā)送,windows contro決定在一次rtt內(nèi)發(fā) 送多少個報文,burstiness control決定何時發(fā)送這些報文,estimation部分為以上三個決定提 供信息。fast tcp的體系結(jié)構不僅面向高速網(wǎng)絡的tcp應用,它還能用來作為設計其它的 擁塞控制機制的框架。fast tcp的這四塊主要組成部分能夠被獨立設計且異步更新。在以 上這四個模塊中,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),往返時延(rtt),超時重傳計數(shù)器(rto)等等。fast tcp 也是采用調(diào)整窗口的大小來進行擁塞控制。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 采用報文丟失作為其擁塞信號,而 fast tcp 是采用排隊 延遲與丟包率一起作為擁塞反應信號。隊列時延比包丟失概率更容易被精確估計,具體體現(xiàn) 在以下兩點:一方面在大的帶寬延遲網(wǎng)絡中,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。隊列時延卻可以提供多位的信息,且實驗的動態(tài)性較好,對鏈路 容量的變化及時做出反應,有助于網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。2算法分析擁塞控制算法通常從流層和報文層兩個方面設計,流層設計旨在達到高利用率、低排隊 延遲、低丟包率及良好的公平性和穩(wěn)定性,而報文層通過端到端控制來執(zhí)行流程目標,對于 tcp reno,報文層首先被引入,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系是隨之以后考慮的問題,而fast tcp的報文層是基于流層目標被明 確設計。tcp reno擁塞算法采用aimd形式,源端窗口在每個rtt中增大一個報文段的長度, 而每檢測到一個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 時刻擁塞窗口大小,t (t ) 是源 i 報文段的回路響應時間,q (t) 是 t 時刻端i ii到端包丟失率, w (t) 是平均窗口大小,設置式(1)中w (t) =0,得出 tcp reno 著名的1 q 等ii式。該等式在平衡點將包丟失率和窗口大小建立如下關系:iq * =3i2w *2(2)(1)和(2)描述了tcp reno流層的動態(tài)和平衡特征。對于tcp reno來說流層的平衡 問題主要突出在算法(2),因為在大的發(fā)送窗口下,端到端的包丟失概率極其小,這使得在實際狀況下平衡很難維持,當帶寬延遲增加時從(2)中 q * w * = 1.5w * ,即在每個擁塞iii窗口中,平均丟包數(shù)量相對于平衡窗口向相反的比例方向減少。fast tcp算法是采用排隊延遲與丟包事件一起作為擁塞反應信號。根據(jù)估計estimation部分所提供的平均往返時延和平均隊列時延信息,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是通過觀測所得到的最小瞬時rtt。 是一個非負的協(xié)議參數(shù),他決定了均衡態(tài)下每個fast tcp流在網(wǎng)絡各個路由器中所維持的總的報文數(shù)目,在這個算法里,每隔20ms周期性的改變w值。 實際上(3)的數(shù)學模型為:d i wi (t )wi (t + 1) = (d i + qi (t )+ i (wi , qi ) + (1 )wi (t )(4)其中 di 代表傳輸時延,qi (t ) 表示排隊延遲, w i( w , q ) = q i = 0,當 i (wi , qi ) = 時,( 為一常量),式(4)可化簡為: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 在高速長延遲網(wǎng)絡中性能出現(xiàn)擺動,其根源是在 報文層和流層設計方面出現(xiàn)問題。從報文層來看,由于采用二元擁塞信號不可避免地導致?lián)?塞窗口和瓶頸隊列的抖動;從流層來看,算法(1)體現(xiàn)出 tcp reno 的動態(tài)特性在大帶寬 時延下極其不穩(wěn)定。而 fast tcp 根據(jù)當前到平衡點距離的遠近非線性地調(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,能很好地適應大帶寬延 遲下的網(wǎng)絡環(huán)境4。3仿真實驗本實驗是在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)果對比,反映出這兩種算法的特點。在網(wǎng)絡拓撲中有6個結(jié)點,n2-n3為瓶頸鏈路。n0n4 n210msn3 n1n5 圖 1 仿真實驗網(wǎng)絡拓撲結(jié)構fig. 1 the simulation network topology分別在瓶頸鏈路時延為10ms和50ms兩種環(huán)境下對reno和fast兩種算法進行仿真,得到 了每個算法在該場景下的吞吐量變化曲線圖。圖2 tcp reno在10ms時延環(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,這是因為fast tcp是基于長延遲網(wǎng)絡的,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 性能的提高就相對大得多,通過這個實驗驗證了在高延遲網(wǎng)絡中,fast tcp表現(xiàn)出很好的 性能。4結(jié)束語本文通過對比分析tcp reno和fast tcp兩種算法的特點,闡述了fast tcp在擁塞控制 方面的優(yōu)勢,采用仿真實驗驗證了fast tcp在高速長延遲網(wǎng)絡中明顯優(yōu)于tcp reno。參考文獻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, architecture,algorithms,performancec.in: the proceedings of ieee infocom, hong kong, 2004- 034 張牧,張順頤.tcp reno,tcp vegas,fast tcp性能比較研究j.計算機工程與應用,2007,43(1):19-235 network simulator(ns- 2.29) eb/ol.http: //nsnam/ns, university of california at berkeley,2006.6 羅萬明,林闖,閻保平.tcp/ip擁塞控制研究j.計算機學報,2001.24.(1):1-18.simulation of fast tcp throughputjiang rui1 ,wang linping1 ,yao gaowei21 department of computer science, huazhong normal universit, wuhan(430000)2 xinyang normal university, xinyang ,henan(464000)abstractfast tcp is a view of the current high-performance network of high-speed, long delayed, and othercharacteristics of the tcp congestion algorithm. first of all , the traditional tcp reno is introduced in the paper,and discuss it and fast tcp of the difference between the algorithm. then focus on analysis of fast tcp architecture and algorithms.i use simulation tools ns2 tes

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