（计算机软件与理论专业论文）xcp协议的改进研究.pdf

广西师范大学颂士韧f 究生学位论文 x c p 协议的改进研究 研究生：陶小梅导师：陈元琰 学科专业：计算机软件与理论研究方向：计算机网络 年 级：2 0 0 2 级 摘要 随着计算机网络的迅速发展，互联网用户数量激增，多媒体数据流迅速增长，网络的拥塞问 题变得越来越严重。拥塞是种复杂的现象拥塞控制也是一个复杂的课题，而拥塞控制是确保 i n t e m e t 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的关键因素因此网络的拥塞控制问题成为目前关于i n t e m e t 研究的 个热点问题和难点问题。 目前t c p 是数据传送所使用的最为广泛的传输协议，它是。个端到端协议，将中间的网络视 为一个黑箱，它没有直接确定网络情况的手段，而必须在与其它端系统交互的基础上推断出网络 的情况。t c p 协议的拥塞控制机制都是基于和式增加乘式减少( a i m d ) 算法， 因此该协议在高带 宽时延乘积的环境下表现出来的性能非常糟糕。根据t c p 存在的问题和高带宽时延乘积网络的特 点，美国麻省理t 大学的d i n ak a t a b i 提出了一种新的i n t e m e t 拥塞控制框架，该扔议称为x c p ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，显式控制协议。x c p 是一种联台端系统和路由器共同协作的协议， 将拥塞控制从带宽分配策略中解耦。实验证明x c p 比t c p 在高带宽时延乘积网络的环境中有着更 好的性能，在效率性、公平性、灵活性以及稳定性方面表现都非常出色。甚至是在传统的环境中， x c p 也能提高网络带宽的利用率，减小队列长度，使丢包的情况降至极低。 通过将x c p 协议的结构及执行过程的详细分析，并将其性能、稳定性及可行性与其它协议进 行比较，我们认为x c p 具有很多优点是一种设计合理，考虑较全面细致并且可行的协议，是未 来高带宽时延乘积网络协议中的强有力竞争者，因此我们选择x c p 协议进一步研究改进。改进的 工作主要有两个方面： 1 在接收端添加许可控制。由于在高带宽时延乘积网络中网络的传输速度高达每流g b i t s ，若 接收端的计算机不能快速的处理高速到达的分组而产生了丢包。那么将会大大降低了网络性 能，这时接收端主机成为传输了瓶颈。因此我们认为接收端的接收能力也应该列入考虑的范 同之内我们针对接收端进行了结构调整，在接收端添加了许可控制。接收端可以根据实际 情况标识自身的接收能力并通过x c p 原有的f e e d b a c k 字段反馈给发送端，使发送端对发送速 率做出相应的调整，避免不必要的丢包。我们通过模拟宴验以及稳定性分析，证明在接收端 添加许可控制并不影响系统的稳定性，是可行的。改进后使x c p 的协议框架更完善，f e e d b a c k 值中的信息包括了发送端请求增长的吞吐量、网络的拥塞情况和以及接收端的接收能力。而 且还将流量控制的部分功能集成到了拥塞控制当中，使得流量控制有一种新的更简单的方式 解决问题，同时减少窗口字段的使用。 2 通过对参数口的自适应调整提高网络的利用率。根据我们对x c p 的参数口、卢和，进行的实 3 西师范大学硕十研究生学位论文 验研究，发现口的取值是考虑快速响应和系统鲁棒性的折衷，口对网络的利用率影响较人； 的取值是考虑到清空队列的时间与系统鲁棒性之间的折衷，对于清空路由器中的队列的 时间有着明显的影响；y 的取值是考虑到收敛到公平状态的时间和由于重洗给系统在最优效 率点附近带来的扰动之间的折衷，y 对于系统收敛到公平的时间有较明显的影响。参数都是 效率和稳定性之间的折衷，还有可以调节的范围。由于网络的主干链路中带宽的利用率并不 高，许多时间链路中都存在大量的空闲带宽，考虑到a 对带宽利用率的影响较大，因此可以 通过对参数口在网络处于不同的状况f 进行适当的调整提高网络的性能。我们考虑在路由器 当中增加一个控制器，当系统处于较稳定的状况并且链路有空闲带宽时，增大口的取值以提 高网络带宽的利用率，反之，当系统的抖动较明显时，降低口的取值以维持系统的鲁棒性。 通过模拟实验证明，改进后可以很好的维持系统的稳定性并且提高网络的利用率。 本论文中的实验使用的网络仿真软件为n s - 2 ( n e t s i m u l a t o r2 ) ，稳定性分析运用的是控制理论 的稳定性分析方法。 【关键词】i n t e m e t ，拥塞控制，t c p 口，x c p 4 广两师范大学硕士研究生学位论义 i m p r o v e di n v e s t i g a t i o n so nx c p g r a d u a t es t u d e n t ：t a ox i a o m e i t u t o r ：c h e n y u a n y a n s p e c i a l i t y ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y d i r e c t i o n = c o m p u t e rn e t w o r k g r a d e ：2 0 0 2 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yi m p r o v e m e n to f c o m p u t e rn e t w o r k ，t h ei n c r e a s eo fi n t e m e tu s e r s ，t h ep o p m a r l t y o f m u l t i m e d i af l o w , p r o b l e mo f i n t e m e tc o n g e s t i o nc o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u sc o n g e s t i o n c o n t r o li st h ek e yf a c t o rt oa s s u r et h ei n t e m e tr o b u s t n e s s i tb e c o m e st h eh o ti s s u ea n dd i f f i c u l t yi s s u eo f t h ei n t e m e tr e s e a r c h t c pa st h em o s tw i l d l yu s e dt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，i ti sak i n do fe n d t o e n dp r o t o c o li tt a k e st h e n e t w o r ko rt h ei n t e m e ta sab l a c kb o xa n dc a n tk n o wt h en e t w o r ks t a t u sd i r e c t l y i to n l yc a dd e d u c et h e n e t w o r ks t a t u sb ye n ds y s t e m c u r r e n tt c p _ b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o le x h i b i t sp o o rp e r f o r m a n c ei n e n v i r o n m e n t sw i t hal a r g ep e r - f l o wb a n d w i d t h - d e l a yp r o d u c t a sar e m e d y ，d i n ak a t a b ip r o p o s et h e e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c o l ( x c p ) ，ac o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lt h a te m b o d i e st h ep r i n c i p l eo f d e c o u p l i n gc o n g e s t i o nc o n t r o lf r o mb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n du s e st h i sd e c o u p l i n gt oa c h i e v eg o o d p e r f o r m a n c ei nh i g hb a n d w i d t h - d e l a yn e t w o r k s x c pp r o v i d e saj o i n td e s i g no ft h ee n ds y s t e m s a n dt h er o u t e ra n di sc h a r a c t e r i z e db yt h ee x i s t e n c eo f s e p a r a t ec o n g e s t i o n e f f i c i e n c yc o n t r o l l e ra n d f a i r n e s sc o n t r o l l e ra tt h er o u t e r x c po u t p e r f o r m st c pb o t hi nt r a d i t i o n a le n v i r o n m e n t sa n di nh j 曲 b a n d w i d t h - d e l a yp r o d u c tn e t w o r k s f u r t h e r ，x c pm a i n t a i n st c p ss c a l a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，a n d c a np r o v i d eav a r i e t yo f q u a l i t i e so f s e r v i c e w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y ，a n df e a s i b i l i t yo fx c pw i t ho t h e rp r o t o c o la n d c o n c l u d e dx c pi sa ne x c e l l e n tp r o t o c o lw h i c hp r o v i d e dw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，r e a s o n a b l ed e s i g n ， a n df e a s i b i l i t yw ec o n s i d e r e di ta st h ep o w e r f u lc a n d i d a t eo ft h ef u t u r eh i g hb a n d w i d t h d e l a y n e t w o r k sa n dc h o o s e di tt or e s e a r c ho n es t e pm o r e o u rr e s e a r c hw o r ki n c l u d et w oa s p e c t sm a i n l y ： 1 f i r s t l y ，a d d i n gt h ea d m i s s i o nc o n t r o la tt h ex c pr e c e i v e r h i 曲b a n d w i d t h - d e l a yn e t w o r k sa r e e n v i r o n m e n t sw h e r et h ep e r - f l o wb a n d w i d t hc a nr e a c haf e wg b i f f s ，t h e nt h er e c e i v e r ss p e e d s h o u l db et a k e ni n t oa c c o t m t a i m i n ga tt h i sd e s t i n a t i o n ，w ea d j u s tt h es t r u c t u r eo ft h er e c e i v e r s y s t e m , a d d i n gt h ea d m i s s i o nc o n t r 0 1 t h er e c e i v e rc a l lm o d i f yt h ef e e d b a c kf i e l dt oe x p r e s s t h ea l l o w a b l es p e e d t h e nt h ef i e l df e e d b a c kc a nr e f l e c tt h ew h o l en e t w o r ks t a t u s ，i n c l u d i n g t h es e n d e r ，t h el i n ko nt h ep a t ha n dt h er e c e i v e r a f t e rs u c hi m p r o v e m e n t ，p a r t i a lo ft r a f f i c 5 广西师范大学硕士研究生学位论文 c o n t r o lf u n c t i o ni n t e g r a t e di n t oc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 i tm a k et r a f f i cc o n t r o lm o r es i m p l ea n d c l e a r l ya n dc a n c e lt h ef i e l dw i n d o wi nt r a f f i cc o n t r 0 1 2 s e c o n d l y ，b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep a r a m e t e ro fx c p ，w ed i s c o v e rt h a tp a r a m e t e r 口 i n f e c t i n gt h en e t w o r ku t i l i z a t i o no b v i o u s l y ，p a r a m e t e r 卢i n f e c t i n gt h et i m eo fe m p t i n gq u e u e i nt h er o u t e r ，p a r a m e t e r ，i n f e c t i n gt h et i m eo fc o n v e r g i n gt os y s t e mf a i r n e s ss t a t u s a l lt h e t h r e ep a r a m e t e ra - et h et r a d e - o f fb e t w e e no fe f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y t h eu t i l i z a t i o no f b a c k b o n ei sn o tv e r yh i g hn o r m a l l yi nf a c t p a r a m e t e rai n f e c t i n gt h en e t w o r ku t i l i z a t i o n o b v i o u s l y ，s ot h r o u g ha d j u s t i n gp a r a m e t e r 口i nd i f f e r e n t s i t u a t i o nt oa d v a n c e dt h e p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k w h e nt h es y s t e mi sm o r es t a b l ea n dt h eu t i l i z a t i o ni sn o tv e r yh i g h ， w ea d j u s tt h ep a r a m e t e r 口h i g h e r , c o n t r a r i l y , w ea d j u s tt h ep a r a m e t e r 口l o w e r w e u s et h e a v e r a g eq u e u et oj u d g et h es y s t e m ss t a b i l i t y e x p e r i m e n t sp r o v et h a t i m p r o v e m e n t sm a k es y s t e mm o r ee f f i c i e n c ya n dm a i n t a i nt h es t a b i l i t y w eu s es o f t w a r en e ts i m u l a t o r 2t oc o m p l e t ee x p e r i m e n t si nt h i sp a p e ra n du s ec o n t r o lt h e o r y t oa n a l y z i n gt h es y s t e ms t a b i l i t y k e yw o r d s i n t e r a c t ，c o n g e s t i o nc o n l r o l ，t c p i p , x c p 6 广西师范大学硕士研究生学位论文 第一章序论 1 1 引言 网络拥塞控制问题是目前i n t e r a c t 面临急需解决的关键问题。拥塞发生在通过网络传输的分 组数量开始接近网络的分组处理能力时，拥塞控制的目标是将网络中的分组数量维持在一定的水 平之下，超过这个水平网络的性能就会急剧下降。拥塞控制是确保i n t e m e t 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的 关键因素因此成为当前网络研究的个热点问题。目前t c p 是数据传送所使用的最为广泛的传 输协议，它支持诸如文件传送、电子邮什、远程终端接入、万维网接入及客户服务器等力面的应 片j 。据统计，i n t e m e t 上9 5 的数据流使用的是t c p t p 协议。目前i n t e m e t 所使用的拥塞控制机制 基本都是基于t c p 协议的和式增加乘式减少( a i m d ) 算法，仍存在许多问题。t c p 协议是一个端到 端协议，它将中间的网络或互联网视为一个黑箱，它没有直接确定网络情况的手段，而必须在与 其它端系统交互的基础上推断出网络的情况。t c p 拥塞控制算法都是使用丢色或超时重传作为发 现网络拥塞的隐式通告信号，通常丢包是发生在路由器的缓冲区已满的时候，这时来到的每个包 都会被丢弃，如d r o pt a i l 算法【3 8 。在t c p 当检测到个包丢失之前发送端是无法知道网络中是 否发生拥塞的，而且基于丢包检测的机制会导致全局同步。由于网络中的时延是可变的并且可能 很长，因此t c p 实体对网络状况的了解并不可靠。各种t c p 实体之间并没有相互合作的分布式算 法将它们联结在一起。因此t c p 实体不能相互台作以便将总流量维持在一定水平之上，实际上它 们更可能互不相止的竞争可用资源。 1 2 设计拥塞控制算法的难点 拥塞控制算法的设计具有很大的难度，土要困难体现在以下几方面【2 ”1 ： ( 1 ) 算法的分布性。拥塞控制算法的实现分柿在多个网络节点中，必须使用不完整的信息完 成控制，并使各节点协调工作，还必须考虑某些节点t 作不正常的情况。 ( 2 ) 网络环境的复杂性。i n t e m e t 中并处的网络性能有很大的差异，算法必须具有很好的适应 性。另外，由于i n t e r n e t 对报文的正确传输不提供保证，算法必须处理报文丢失、乱序到达等情况。 ( 3 ) 算法的性能要求。拥塞控制算法对性能有很高的要求，包括算法的公平性、效率、稳定 性和收敛性等。某些性能目标之间存在矛盾，在算法设计时需要进行权衡。 ( 4 ) 算法的丌销。拥塞控制算法必须尽最减少附加的网络流量，特别是在拥塞发生时。在使 用反馈式的控制机制时这个要求增加了算法设计的困难。算法还必须尽每降低在网络节点( 特别 是网关1 上的计算复杂性。 1 3 目前t c p 存在的问题 t c p 不能快速获取链路中存在的火量空闲带宽。这主要是由于t c p 的慢启动和a i m d 法则导致的。 t c p 的吞吐量反比于丢包率的平方根8j ，巨大的吞吐量确需要的极小的误码率( p a c k e t e r r o rr a t e ) ，可是即使对于低误码率的光纤链路而言也不能稳定的维持高达g b i f f s 的高 7 广西师范大学硕士研究生学位论文 吞吐量。 为了避免t c p 发生振荡，路由器需要容量为带宽时延乘积的缓存，当带宽增加到非常 大的时候，非常昂贵。 当带宽时延增加时，t c p 变得十分不稳定且容易出现振荡。l o we ta 1 证实在控制理论 框架内，当带宽和时延增加时，r e d 1 ”，r e m 3 ”，p if 3 ”，a v q 3 5 峰算法都变得十分不 稳定。 增加的网络带宽对于短流而言并没有太人的用处。 1 4 高带宽时延乘积网络中拥塞控制问题的研究现状及趋势 高带宽时延乘积网络指的是每个数据流所分配到的带宽高达g b s ，或者时延大至数据流在 传输管道中有数m b 的数据。t c p 不能维持高达g b s 的吞吐量的原因主要有两点：一是在有大量空 闲带宽时t c p 的a i m d 法则增长的速度太慢；二是t c p 的吞吐量反比于丢包率的平方根，巨大的吞 吐量所需要的极小的误码率( p a c k e te r r o rr a t e ) 对于低误码率的光纤链路而言也是极大的挑战。 高带宽时延乘积网络( h i g hb a n d w i d t h - d e l a y - p r o d u c tn e t w o r k s ) j 不境将变得越来越普及，解决高带 宽时延乘积网络的拥塞控制问题不但可以优化网络、增强i n t c m e t 的鲁捧性、满足用户多元化的业 务需要等等，而且还可以推动我国网格事业、i n t e m e 讶t l 信息产业的进一步发展。 近年来，高带宽时延乘积网络的拥塞控制研究引起了国内外的网络研究者、非线性科学工 作者、控制理论专家的广泛关注，并由此在全球范同内掀起了一股研究高带宽时延乘积网络的拥 塞控制理论的热潮。当前国内外的研究一部分集中在修改现有的t c p 协议参数和a q m ( a c t i v e q u e u em a n a g e ) 算法以满足新的需求，一部分旨在提出新的协议以满足未来的综台网络环境和q o s 等新的应用需求。近两年提出了一些很好的协议，如h i g h s p e e d t c p 3 1 、f a s t t c p 4 、x c p “、 h t c p 6 i 、b i c t c p ”、r c p t 8 1 等。同时随着网络复杂性n 勺不断增加，i n t e m e t f l 鼯持续稳定地发展 也便成为个令人关注的问题，良好的工程环境与仿真实验固然必不可少，但也需要更为系统的 分析与设计手段，咀往的拥塞控制研究基本上都是基于土观的方法，缺乏严谨科学理论的指导， 因此国内外有部分原来从事控制理论和非线性动力学工作的研究人员也相继转而进行网络的拥 塞控制研究，并且在这方面取得很大的成绩提出了些严格的理论模型，其中突出的有l o w 等 基于优化理论提出t t c p a q m 对偶性模型 9 “o 】；m i s r a 等提出7 t c p a q m 微分方程f l u i d f l o w 模型“i ；p a g a n i n i 等利用多变量鲁棒控制理论，设计了一个新的拥塞控制系统，它对于任意网 络拓扑、眷量及时延能保持局部稳定性；h e s p a n h a 等提出一个采用“去尾”策略的t c p 拥塞控制的 混杂系统模型”。 针对未来的高带宽时延乘积网络，x c p 、h i g h s p e e d - t c p 、f a s t t c p 为比较典型的三种算法， 1 ) x c p ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ：x c p 是美国m i t 的d i n ak a t a b i 针对商带宽时延乘积网络 提出了一个i n t e r n e t 拥塞控制的新体系结构，使源端、路由器和接收端共同协作完成拥塞控制。x c p 可以达到每个流1 g b s 的吞吐最，这是目前的协议所不能达到的。它引入一个新的概念解耦效率 控制和公平控制，即将拥塞控制从带宽分配策略中分离出来。这能够更为高效率的利用网络资源t 并能够更为灵活的执行不同的带宽分配策略。x c p 协议增加了数据包的头部信息，增加t f e e d b a c k 8 广西师范大学硕士研究生学位论文 等域，源端发送包时初始化该域，填入其所需的带宽的增量，当包经过路由器时，路由器根据当 时的网络可用带宽的状况修改其值。由于使剧的是m a x n e t 网络结构，即当包钊达接收端时， f e e d b a c k 域保留的是该包所经过的网络中的各个路由器允许源端增加的带宽的最小值或要求源端 减少的带宽的最大值。然后接收端将该反馈值通过a c k 包反馈给源端，最终源端根据反馈进行调 整随后的发送速率。 2 ) h s t c p ( i i g h s p e e d t c p ) ：h s t c p 是s a l l y f l o y d 于2 0 0 3 年2 7 4 递交给i e t f 的一个面对高速 链路的t c p 拥塞控制的修正算法，旨在改善带有火拥塞窗口的t c p 连接的性能，它是被设计成在 拥塞事件发生率十分低的环境下使用的，而传统的t c p 是在丢包率至少为l o 。的环境下正常t 作。 h s t c p 使用变动的拥塞窗口调节参数保证了在不同拥塞程度变化的网络中h s t c p 也可正常t 作，它给出了平均拥塞窗口w 和稳定丢包率p 的一个新的关系，h s t c p 的响廊函数需要增加三个参 数：l o ww i n d o w 、h i g hw i n d o s 、h i 曲p ，若当前拥塞窗1 3 小于l o ww i n d o w 时，h s t c p 和传统 的t c p 一样若当前拥塞窗口大于l o ww i n d o w 时，h s t c p 则使用自己的响应函数，h i g hw i n d o s 、 h i g hp 使用柬作为h s t c p 响应函数的上限，h i g h _ p 的设置要求h s t c p 有一个大小为h i g h _ w i n d o s 的平均拥塞窗口，h s t c p 设置了新的a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 参数。这 些参数依据当前的c w n d ( 下式记为w ) 进行调整，在拥塞避免阶段，可以用r 规则来表达： w 卜w + a ( w zw - - w b ( w y ；拥塞：ack： w w 。 3 ) f a s tt c p ：f a s tt c p 是c h e n gj i n 、d a v i dxw e i 和s t e v e nh l o w 等在2 0 0 2 、2 0 0 3 年发展 起来的并于2 0 0 4 年3 月在香港召开的1 e e ei n f o c o m 会议上发表的针对高速网络的。个新的t c p 拥 塞控制算法，f a s tt c p 是在l o w 等基于优化理论提出的对偶性模型理论基础上设计的个新的算 法。它的思想十分简中，为了保持稳定性，f a s t t c p 通过设置一个稳定的均衡的b a s e r t t 目标值， 源端计算每个f m 大小，然后依据按这个值成比例的缩减它们的响应，拥塞窗口调整规则为： b a s e r 玎 r t t ： r 刀 。可以看到若上一个包的r t t 比b a s e r ：丌大的话，则会降低拥塞窗 口( 即可认为网络性能在下降，此时需降低发送速率) ，反之则增加。 传统的t c p 是采用a 1 m d 规则，试图通过对包级别的控制达到流控级的目标。从上面的分析 可以看到后两种算法即关于端节点协议算法方面的研究主要是在慢启动规则以及拥塞窗口的调 整规则上那么研究的主要集中点便在于如何正确及时的获得反馈信息以及在得到反馈信息的基 础上如何正确及时的调整拥塞窗口。而第一种算法，b p x c p 协议则是一种全新的协议。它引入一 个新的概念解耦效率控制和公平控制即将拥塞控制从带宽分配策略中分离出来。这能够更为高 效率的利用网络资源，并能够更为灵活的执行不同的带宽分配策略。x c p 协议增加了包的头部信 息则可以显式的、精确的完整的反馈列络的拥塞状况。x c p 与其它的协议相比较获得的反馈信 息更直接，更准确，它具有很好的鲁棒性，在高带宽时延乘积环境门亨很好的性能表现。因此我 们认为x c p 是一种设计台理，考虑较全面并且可行的协议，是未来高带宽时延乘积网络协议中的 强有力竞争者，因此我们选择x c p 协议做进一步研究改进。 9 广西师范大学硕士研究生学位论文 1 5x c p 演化进程 x c p 是一种路由器参予协同工作并使用显式反馈控制的协议，吸收了诸如a q m 、e c n 2 ”、 p a c k e tp a i r 协议 2 5 】、c s f q ( c o r es t a t e l e s s f a i r q u e u i n g ，核心无状态公平队列) 2 6 1 、a t m 中控制 a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e 可用比特速率) 的e e r c ( e x p l i c i te n d t o e n dr a t e - b a s e df l o w ，c o n t r o l p r o t o c o l ，基于速率的显式端到端流控协议) 等优秀协议及算法的思想和优点。 由j a c o b s o n 提出的t c p 的拥塞控制机制，是当今i n t e m e t 中最为重要的使用最为广泛的一种 传输协议。由t c p 的源端根据网络中数据包的丢包率调整其发送速率，广泛用于控制数据包的丢 失和阻l e 拥塞崩溃，可在严重拥塞的时候改善网络性能。其中丢包策略作为通告拥塞的重要机制， 对于t c p 拥塞控制的实现至关重要。传统的路由器采用f i f o 的d r o p t a i l 丢包策略，仅在输出队 列浠出时进行丢包，不能进行较早的早期拥塞通告，易造成突发数据丢失等不公平服务。尽管 t c p 的r e u o 采用快速重传和快速恢复对拥塞产生的丢包现象进行了快速反映，但这些机制对于 对网络时延敏感的应用效果不大。 为了提高端到端拥塞控制的性能增强中间节点( 路由器) 的功能是一种有效的手段。1 9 9 3 年，s f i e y d h j a e o b s o n 提出了r e d 算法l l ，作为端到端拥塞控制的一种技术手段期望a o m 在 减小排队时延的周时保证较高的吞吐量。r e d 算法当时的土要目的是克服“早期随机丢弃”( e a r l y r a n d o md r o p ，e r d ) 网关偏袒突发业务而造成的不公平问题。1 9 9 8 年，b r a d e n 等人在i e t f 提出了 主动队列管理( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，a q m ) 的研究动议 2 0 1 作为端到端拥塞控制的一种 技术手段，期望a q m 在减小排队时延的同时保证较高的吞吐量。r f c 2 3 0 9 v o 垤荐r e d 算法作为 主动队列管理唯候选算法。相对使用去尾算法的路由器，使用r e d 算法的路由器在缓冲队列满 之前检测到拥塞，可以防止大量的丢包和全局同步。r e d 可以使用显式标记或者丢包作为拥塞信 号，该行为由协议层决定。r e d 算法根据概率p 。d 随机丢包，p r e o 是平均队列长g 的函数，如 下： 算的 面= 每， 1 fq m i l l m i fm i n m g m a x m i fq i l l a x t h ( 1 1 ) q 是基于平均队长，m a x 。和m i n 是丢包的最大最小闽值，q 是通过指数加权滑动平均计 g = ( 1 一) q + k q ( 1 2 ) g 是平均队长而不是瞬时队长这样做可以吸收突发流，而且由于是随机丢包，还可以防r 多流同步。r e d 算法将拥塞检测从拥塞通告中分离出来，并且还可以惩罚使用过多带宽的流，当 0 广西师范大学硕上研究生学位论文 一个流的包人母高速到达路由器时，若这时处在拥塞划问该流的包被丢弃的概率会更人，反之 若一个流所占带宽较小，那么该流的包被丢弃的概率会较小。 r e d 有许多优点，仍然也存在许多问题，最大的问题时网络性能对参数很敏感，一旦参数配 置不合理，不仅会引起网络的不稳定，共至会引起网络的崩溃。目前r e d 仍是最成熟的a q m 技术， 倍受制造商的青睐。女h c i s c o 的路由器中已支持w e i g h t e dr e d 。 s f l o y d 和k r a m a l ( r i s h n a n 提出了显式拥塞通告算法( e x p l i c i t c o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，即 e c n ) 2 ho 发送端主机通过网络中返回的带拥塞反馈标记的a c k 包发现拥塞。在r e d 算法中采用 e c n 机制时，当检测到早期拥塞时，不再采_ e | 丢包作为指示，而是采用在包头设置一个e c n 位作 为拥塞指示。当带有该标记的包到达接收端时，接收端发送一个在a c k 包头部带有e c ne c h o 标 记的包给发送端。t c p 的发送端收到这个带有标记的a c k 后，采用与发现丢包时相同的对应策略， 减小拥塞窗口并在之后的第个包中设c w r ( c o n g e s t i o nw i n d o wr e d u c e d ) 标记通告接收端已减 小拥塞窗口。该机制的优点在于可以避免不必要的丢包，且不依赖重传超时机制，也不依赖于粗 粒度的t c p 定时所以对时延有一定要求的应用效果较好。e c n 算法可以减少由于不必要的丢包 产生的时延。为了提高e c n 的效率性，h a d is a l m le ta l 提出了将b e c n 口2 1 用于t c p i p 网络。e c n 算法中存在的问题是t c p 对长r r r 流的歧视。一个流在慢起动阶段在每个r t t 内拥塞窗口增长 倍而在拥塞避免阶段一个r 1 t 内只增长一个，这种机制会导致不同r t t 的流具有不同的增长率。 因此一个具有短r t t 的流会比一个具有长r t t 的流更快的发现和抢占带宽。为了提高e c n 的公平 性，提出的一些改进算法。这些算法使用的策略土要有两种，一种是基于调整窗口大小算法。如 n e we c n 算法口h ；另一种是基于r t t 调整包的标记概率，如使用基于r t t 标记概率的主动e c n 机制控制t c p 速率算法口4 i 等。e c n 机制使用范围很广，不但在i n t e m e t 上可以使用在a t m 网络和 无线网络中都有较好的应用。 a q m 与e c n 结合，通告拥塞的信号不再是唯一的丢弃分组，而可以采用标记分组来通知源端 减速，这样会进一步提高连接的有效吞吐量。相对使用去尾算法的路由器，使用r e d 算法的路由 器在缓冲队列满之前检测到拥塞，可以防止大鼍的丢包和全局同步。r e d 可以使用显式标记或者 丢包作为拥塞信号，该行为由协议层决定。 但是由于e c n 机制是使用二值信息反馈即其反馈信息只能反映网络是否发生拥塞，但是并 不能反映出网络的拥塞程度，因此源端并不能根据其二值反馈信息准确的给出适应网络拥塞情况 的发送速率。x c p 即显式拥塞协议中继承t e c n 机制的思想，将e c n 机制中的二值反馈修改为多 字段反馈，在每个数据包的包头中添加拥塞控制域，由发送端填入初始化信息，由沿途的路由器 根据当前的网络的拥塞状况修改拥塞信息，并由接收端将拥塞信息填入a c k 包反馈给发送端，这 样使得网络的拥塞状况可以精确的反馈。发送端通过显式反馈回来的网络拥塞情况确定源端的发 送速率，以适鹰网络当前的拥塞状况。数据包的多字段反馈可以及时准确的反映出数据包途径的 网络的拥塞状况，使发送端更快更准确的做出响应。 以下我们将对x c p 协议设计思想与其它协议进行横向的比较。 x c p 采用7 p a c k e t p a i r 协议8 “中解耦拥塞控制和公平控制的模式。在p a c k e t p a i r l 力 珏c 中，在路 广两师范大学硕士研究生学位论文 由器建立的公平队列解决了公平控制问题，拥塞控制则是由源端使用p a c k e tp a i r 量度瓶颈路由的 拥塞状态。但是与p a c k e tp a i r 协议。p 为了解决公平控制的问题，要求路由器为每个流维护一个队 列，这样的丌销是巨人的，在实施过程中不利于实现。 而x c p 的设计并不需要在路由器中为每个流维护一个状态队列它吸收了c s r q ( c o r e s t a t e l e s sf a i rq u e u i n g ，核心无状态公平队列) 【2 “的思想。c s f q 试图解决提供更好的公平服务和 在网络中维护高代价的状态队列之间的矛盾。c s f q 提出流的状态可以由属于该流的包提供。而 不需要在路由器中维护状态队列。路由器不需要对新到达的包进行分类，识别它是属于哪个流的， 目前需要的带宽是多少，而是由该包本身的信息所提供。由于在现有的t c p 发送端并不提供将流 的信息附在包叫，因此c s f q 只能在边缘路由器中将这些信息计算并绑定在包头中。x c p 修改了 包头的格式和发送端，使得信息的计算和绑定可以由发送端完成，在实施过程中若 ：不是所有的 发送端都支持该协议也可以由边缘路由器完成。 x c p 的拥塞控制器的设计与a t m 中控制a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ，可用比特速率) 口”的e e r c ( e x p l i c i te n d t o - e n dr a t e - b a s e d f l o w c o n t r o l p r o t o c o l ，基于速率的显式端到端流控协议) 有类似之 处。首先它们都是采用显式精确的反馈信息。其次，所采用的控制法则都是与协议框架独立的， 因此在协议框架不改变的情况f 可以替换不同的控制法则。但是与a b r 相比较，x c p 更具优越性， 如：x c p 的路由器不需要为每个流维持状态队列，更容易实行；x c p 在实施过程中可以逐步实施， 而a b r n 需一步到位；x c p 是自时钟的，这一特性能大大提高其稳定性：x c p 是在t c p 的基础之 上的，其窗口调整具有更好的粒度。 西师范大学硕士研究生学位论文 第二章x c p 协议 x c p ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c o l ，显式控制协议) 是d i n ak a t a b i 于2 0 0 2 至2 0 0 3 年针对高带 宽时延乘积网络提出了一个i n t e m e t 拥塞控制的新体系结构，由源端、路由器和接收端共同协作 完成拥塞控制。x c p 可以达到高选i g b s 的流吞吐量，这是目前的协议所不能达到的。它引入一 个新的概念解耦效率控制和公平控制，即将拥塞控制从带宽分配策略中分离出来。这能够更为高 效率的利用网络资源，并能够更为灵活的执行不同的带宽分配策略。经实验证明，x c p 可以显著 的提高网络性能，减小排队时延和丢包率，并具有良好的公平性和稳定性。x c p 不需要在路由器 为每个流维持一个队列，只需要在路由器中增加很少的运算，即使埘于高速路由器而言也是可行 的。x c p 的弹性结构使得q o s 的设计和执行变得十分便利。 2 1 基本概念 1 ) 流( f l o w ) ： 网络中沈( f l o w ) 指的是共享发送和目的伊地址以及发送和目的端口数目的包的序列。换 个角度说，属于同一个流的包在网络中共享统一的路径“i 。 2 ) 回路往返时间( r o u n d t r i p t i m e ，即r t t ) ： 同路往返时间指的是源端发送一个包至接收端以及接收端发送的a c k 返回至源端的时间 总和。 3 ) 传播时延( p r o p a g a t i o nd e l a y ) ： 传播时延指的是回路往返时间减去排队时延。 4 1 拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w ) ： 拥塞窗口指的