（计算机科学与技术专业论文）高速网络tcp加速关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着网络技术的快速发展，网络带宽不断得到提升，如何使网络传输更加高 效一直是网络研究的热点。目前t c p 使用的传输控制机制是针对低速网络而设计， 在高速网络环境中面临许多挑战，t c p 加速的需求日益迫切。 在高速网络t c p 加速技术的研究中，至少存在以下问题需要重点解决：如何 充分利用路由器信息为端系统的流量控制服务，实现端系统与路由器的协调控制； 如何更好地实现流间带宽共享的公平性；如何避免反向数据流量对正向数据流应 答的干扰；如何利用高速发展的硬件提高端系统t c p 的处理性能等。本文围绕上 述关键问题分别从软件和硬件的角度展开深入研究，并提出有效的解决方案。 当前端系统与网络之间主要使用e c n 进行协调，端系统t c p 根据e c n 进行 速率调整具有较大的盲目性，难以达到拥塞控制的目标。针对这个问题，本文仔 细分析了网络资源在t c p 传输中的重要性，深入探讨了缓冲振荡现象对t c p 性能 的影响，提出在报文中引入路由器资源占用情况的指示信息，并提出利用路由器 反馈信息进行显式比例带宽分配的方法，同时设计了相应的带宽分配算法e p b a 。 这种新颖的比例控制方法在端系统与路由器之间建立有效的反馈协调机制，通过 比例反馈使分布式调整能够利用更多网络状态的态势信息，使端系统能够迅速明 确地调整发送速率，克服了速率控制的盲目性。同时，e p b a 的计算开销很小，易 于实现与部署。仿真结果表明，基于路由器辅助的显式比例带宽分配方法能够使 端系统获得较好的稳定传输，充分利用了网络资源，从而使t c p 性能得到很大的 改善。 以t c pv e g a s 为代表的拥塞控制主要采用基于延时的拥塞控制机制，该模型 采用固定的速率控制因子，使t c p 性能直接与链路的传播延时互成比例，导致带 宽分配彳均，从而影响全局性能优化。针对这个问题，本文仔细研究了缓冲队列 在基于延时拥塞控制机制中的作用，提出了面向全局优化的速率控制因子自适应 调整方法，并设计了相应的速率控制因子调整算法r c f a a 。在保持基于延时拥塞 控制机制原有优越性的前提下，根据链路的传播延时，对速率控制因子进行实时 调整，实现流间带宽公平共享，最终达到全局性能优化。仿真结果表明，r c f a a 使原有控制机制在公平性上有了较大改善，在性能方面也有较大提升。 针对反向数据流量会导致t c p 性能下降的问题，本文详细研究了反向数据流 量对正向数据流应答的影响，揭示了反向数据流量与t c p 传输性能之间的联系， 提出了面向单向延时优化的速率控制方法，并设计了相应的速率控制算法 u t a r c 。u t a r c 将窗口分为更新控制窗口与速率控制窗口，更新控制窗口从底 层获取不同类型的延时，并根据这些延时进行相应的窗口调整，而速率控制窗口 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 则控制实际的发送速率。仿真结果表明，在基于延时的拥塞控制机制中，u t a r c 算法能够有效避免反向数据流量的干扰，充分保证数据链路的利用率，使t c p 性 能得到较大提升，达到t c p 加速的目的。 随着网络带宽迅猛发展，协议的处理逐渐成为端系统的沉重负担。针对这个 问题，本文对硬件实现t c p 的技术展开了详细研究，仔细分析了t c p 协议的处理 流程，针对t c p 流程中的主要操作进行优化的硬件设计。根据硬件特性，提出了 面向硬件优化的乱序报文重组方法。最后，作者采用f p g a 设计并实现了t c p 硬 件加速引擎，并对系统中的部分设计优化进行深入探讨。测试结果表明，系统能 够大幅度提升t c p 处理性能。 针对t c p 加速的目标，本文从软件和硬件两个角度展开了加速和优化的探索， 并取得一些有意义的研究成果。希望本文的研究工作能够有益于今后的t c p 加速 研究。 主题词：t c p 加速，拥塞控制，显式比例带宽分配，自适应调整，单向延时 感知，t c p 硬件加速引擎 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e mo fn e 慨的r kt e c h n o l o g y ，t h es p e e do fn e t 、v o r k s b e c o m e sf a s t e ra n df 瓠t e r h o wt om a k et m s f e rb em o r ee 街c i e n tb e c o m e st h ef o c u so f n e t w o r kr e s e a r c h t h et r a n s m i s s i o nc o m r 0 1n l e c h a n i s mo fc o n v e n t i o n a lt c pi sd e s i g n e d f o rp r e v i o u sn e t w o r k s ，肌df a c e sb i gc h a l l e n g ei i ll l i 曲s p e e dn e t 、r k s t c pm u s tb e a c c e l e r a t e d i nt l l er e s e a r c ho ft c pa c c e l e r a t i o n 。m ei s s u e sf o l l o 、e di n u s tb e c o n s i d e r e d c a r e m l l v f i r s t ，h o wt ou t i l i z et h ei n d i c a t i o no fr o u t e r st 0s e n ，ef o r 仃a f n cc o n t l 0 1i n e n d s y s t e m se m c i e n t l y ，a n ds e tu pt h em e c h a n i s mf o rc o o p e r a t i o na i l dc o n t r o lb e 铆e e n e n d s y s t e m sa n dr o u t e r s s e c o n d ，h o wt oo b t a i nb e t t e rf a i m e s s 锄o n ge n d s y s t e m sf o r b a i l d w i d t ha l l o c a t i o n t h i r d ， h o wt oa v o i dt h e i m p a c t o fr e v e r s et r a f j f i ct o a c k n o w l e d g m e n t so ff o m w dt r a m c f o u r t h ，h o wt 0u t i l i z eh a r d w a r et oi m p r o v et c p p e r f o m a n c ei ne n d s y s t e m s w es t u d yt h e s ec r i t i c a li s s u e sf 而mv i e wo fs o r w a r ea n d h a r d w a r e ，a n dp r o p o s es o m ee m c i e ma p p r o a c h e s n o we c ni su s e db e t w e e ne n d - s y s t e m sa n dr o u t e r s e n d s y s t e m sa d j u s ts e n d i n g r a t ea c c o r d i n gt oe c n d u et ot h ea b s e n c eo fc l e a rn e t 、o r ks 眦u s ，e n d s y s t e m sc a nn o t a d i u s ts e n d i n gr a t ee f 矗c i e m l y w ea n a l y z et h ei m p o r t a n c eo fn e 帆o r kr e s o u r c e st ot c p p e r f o m a n c ec a r e f u l l y ，a n dd i s c u s st h ei m p a c to fb u f f e ro s c i l l a t i o n w es u g g e s tt 1 1 a t s o m ei n d i c a t i o n so fr o u t e rr e s o u r c e ss h o u l d 印p e a ri np a c k e t w ea l s op r o p o s ea j l a p p r o a c ho fe x p l i c i tp r o p o r t i o n a lb a n d w i d t l la l l o c a t i o nw i t hr o u t e ra s s i s t a n c e ，c a l l e d e x p l i c i tp r 叩o n i o n a lb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，e p b a ，a i l dd e s i g na 1 1a l g o r i t h mf o ri t 7 1 1 1 e n o v e la p p r o a c hs e t su pam e c h a m s mf o rf e e d b a c ka i l dc o o p e r a t i o nb e t 、v e e ne n d - s y s t e m s a n dr o u t e r se 伍c i e n t l y ，t h i sl e t se n d s y s t e m so b t a i nm o r ei n d i c a t i o n sf 如mr o u t e r sa i l d a d j u s ts e n d i n gr a t eq u i c k l ya n de m c i e n t l y 晰t hc l e a ro b j e c t i v e w 1 1 a t sm o r e ，e p b ac a l l b ei m p l e m e m e da 1 1 dd e p l o y e de a s i l y r e s u l t so fo u re x p e r i m e m ss h o wt 1 1 a te p b ac a n l e te n d s y s t e m so b t a i ns k l b l et m s f e r ，a 1 1 du t i l i z en e t w o r kr e s o u r c e sa d e q u a t e l y ，a n d i m p r o v et c pp e r f o 舯a n c es i g n i f i c a n t l y t c pv e g a su t i l i z e sd e l a y - b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n du s e sf i x e dr a t e c o n 打o lf a c t o r w ef i n dt h a t “sl e t st c pp e 墒r i i l a n c eb ep r o p o r t i o n a lt ol i i l l ( p r o p a g a t i o nd e l a ya n dl e a d su n f a i rb a n d w i d t ha l l o c a t i o n w ea 1 1 a l y z em ei m p a c to f b u f f e ri nd e l a y _ b a s e dc o n g e s t i o nc o n 仃o lm e c h a i l i s mc a r e 如l l y ，a n dp r o p o s ea l l 印p r o a c h o fr a t ec o n 仃o lf a c t o rf o ra 1 1 a r o u n do p t i m i z a t i o n ，c a l l e di h t ec o m r o if a c t o ra d 印t i v e a d ju s t i n g ，r c f a a ，a n dd e s i g na 1 1a l g o r i t h mf o ri t r c f a ac a nn o to n l yk e e pt h e a d v a n t a g e so fd e l a y - b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，b u ta l s oa d j u s tr a t ec o n t r o l f a c t o rq u i c k l yb a s e do nl i i 出p r o p a g a t i o nd e l a y r e s u l t so fo u re x p e r i m e n t ss h o wt h a t r c f a ai m p r o v e sf a i m e s si nd e l a y - b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1s i g n i f i c a n t l ya n de 1 1 1 1 a n c e s t h ep e m m l a n c e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 r e v e r s et r a m cc a nl e a dd e g r a d a t i o no ft c pp e r 氨r m a n c e t or e s o l v et h i sp r o b i e m ， 、ea 1 1 a i v z em ei m p a c to fr e v e r s et r a 佑cc a r e 如l l v ，a n do b t a i nt h er e l a t i o nb e t w e e n r e v e r s et r 瓶ca n dt c pp e r f o 咖a n c e w ep r 叩o s ea na p p r o a c ho fr a t ec o n t r o lo p t i m i z e d f o ru n i d i r e c t i o n a lt r i pt i m e ，a n dd e s i g na na l g o r i t h mf b rr a t ec o n t r o lc a l l e d u n i d i r e c t i o n a lt r i pa w a r er a t ec o n t r o l ，u t a r c u t a r cs p l i t so r i g i n a lc o n g e s t i o n w i n d o wi n t ot 、v op a n s ，u p d a t ec o n t r o lw i n d o wa 1 1 dr a t ec o n t r o lw i n d o w t h eu p d a t e c o n t r o lw i n d o wo b t a i n sd e l a y 行o mb e l o wu i l i t ，a n da d i u s t sc o n g e s t i o nw i n d o wb a s e do n d e l a y t h er a t ec o m r o lw i n d o wi sr e s p o n s i b l ef o rr e a ls e n d i n gr a t e r e s u l t so fo u r e x p e n m e n t ss h o wt h a tu t a r cc a na v o i dt h ei m p a c to fr e v e r s et r a 瓶ce m c i e n t l yi n d e l a y - b a s e dc o n g e s t i o nc o m r o l ，a n du t i l i z en e 研o r kr e s o u r c e sa d e q u a t e l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h l l o l o g y ，p r o t o c 0 1p r o c e s s i n gb e c o m e sh e a v y b u r d e no fe n d s y s t e m t oa l l e v i a t et h eb u r d e no fe n d s y s t e m ，w ea n a l y z et h et e c h n o l o g v o ft c pi m p l e m e n t a t i o nb a s e do nh a r d w a r ec a r e 如l l y ，a n ds t u d yt h ep r o c e s so ft c p p r o t o c o ld e e p l y w eo p t i m i z et h ed o m i n a t i n go p e r a t i o no ft c pp r o t o c o la n dp r o p o s ea n 印p r o a c ho p t i m i z e df o r h a r d w a r e t h i sa p p r o a c hi su s e dt or e o r d e rd i s o r d e r e dp a c k e t s a tl a s t ，w ed e s i g na n di m p l e m e n tas y s t e mb a s e do nf p g a ，c a l l e dt c ph a r d w a r e a c c e l e r a t i o ne n g i n e ，t h a e ，a n ds t u d ys o m ek e yi s s u e si nt h a ed e e p l y r e s u l t so fo u r t e s t ss h o wt h a to u rs y s t e mc a ni m p r o v et c pp e r f o n n a n c ei ne n d s y s t e ms i g n i 6 c a u l t l y t oi m p r o v et c pp e r f o m a n c e ，w es t u ( 1 yt h et e c h n o l o g yo ft c pa c c e l e r a t i o na n d o p t i m i z a t i o nc a r e 向l l yf r o mv i e wo fs o r w a r ea n dh a r d w a r e w eh o p et 1 1 a to u rr e s e a r c h c a nh e l pp e o p l es t l l d yt c pa c c e l e r a t i o nd e e p l yl a t e r k e yw o r d s ： t c pa c c e i e r a t i o n ， c o n g e s t i o nc 0 n t r o i ，e x p i i c tp r o p o r t i o n a i b a n d w i d t ha o c a t i o n ，a d a p t i v ea d j u s t i n g ，u n i d i r e c t i o n a it r i pa w a r e ，t c p h a r d w a r ea c c e f e r a t i o ne n g i n e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表6 1 服务器的配置8 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 图目录 图1 1 论文的组织结构7 图2 1传输层在网络协议簇中的位置9 图2 2t c p 报文的封装9 图2 3t c p 首部10 图2 4t c p 滑动窗口协议10 图2 5t c p 窗口边沿的移动1 0 图2 6 高速链路到低速链路转发引起的拥塞1 2 图2 7t c p 与路由器构成的反馈控制系统1 2 图2 8 基于自同步特性的稳定传输1 4 图3 1 t c p 在1 0 g b p s 链路中的性能3 2 图3 2i p 负载选项3 4 图3 3 路由器之间的协调3 7 图3 4 仿真拓扑结构3 8 图3 5e p b a 对拥塞窗口的影响3 9 图3 6e p b a 对吞吐量的影响4 0 图3 7e p b a 对传输数据量的影响4 0 图4 1i p 延时统计选项4 7 图4 2 仿真拓扑结构4 8 图4 3固定速率控制因子对性能延时比的影响4 9 图4 4r c f a a 对性能延时比的影响4 9 图4 5r c f a a 与t c pv e g a s 对吞吐量的影响5 0 图5 1拥塞控制机制的功能模块5 7 图5 2 增强i p 延时统计选项6 1 图5 3具有单向数据流的场景6 2 图5 4 具有双向数据流的场景6 2 图5 5反向t c pv e g a s 流对窗口的影响6 3 图5 6反向t c pv e g a s 流对吞吐量的影响6 3 图5 7反向t c pv e g a s 流对延时的影响6 4 图5 8反向t c pv e g a s 流对缓冲队列的影响6 5 图5 9 反向泊松流对窗口的影响6 5 图5 1 0 反向泊松流对吞吐量的影响6 6 图5 1 1反向泊松流对延时的影响6 6 第v l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图a 1 图a 2 图a 3 图b 1 图c 1 图c 2 图c 3 图c 4 反向泊松流对缓冲队列的影响6 7 反向u t a r c 流对窗口的影响6 7 反向u t a r c 流对吞吐量的影响6 8 反向u t a r c 流对延时的影响6 8 反向u t a r c 流对缓冲队列的影响6 9 t o p 5 0 0 互连技术使用比例7 1 以太网发展与存储器、c p u 发展的差距7 1 t c p 协议处理路径7 4 性能提升百分比7 6 t c p 协议状态图7 6 硬件引擎的功能分布7 7 硬件加速系统总体结构7 8 高速网络处理接口。7 9 协议处理引擎8 0 描述符管理系统8 0 存储接口部件81 报文乱序重组技术实现框架8 4 t o e 网卡显著提升吞吐量8 5 t c p 连接数目对t o e 网卡吞吐量的影响8 6 双向传输对t o e 网卡吞吐量的影响8 6 接收中断个数阈值对t o e 网卡吞吐量的影响8 7 描述符个数对t o e 网卡吞吐量的影响8 7 s d p 实现框架1 0 9 t c p 协议栈屏蔽框架11 0 t c p 协议栈置换框架1 11 算法的实现流程1 1 2 数据发送处理过程1 13 数据接收处理过程1 1 4 t o e 协议栈框架1 1 4 t o e 驱动软件总体结构1 1 5 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直速匿整! 鲤加速羞鳇遗盔珏塞 学位论文作者签名：至耋日囊：m 矽砗，口月，主日 。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：砂焉- 作者指导教师签名：丝盥 日期川7 年，。月；日 日期：蛳f 峰月日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 随着网络技术，尤其是光纤技术的快速发展，光纤通信正迅速成为主要的网 络传输手段，从而使网络带宽不断得到提升。如何使网络传输在高带宽大延时的 环境下更加高效一直是网络研究追求的目标。作为历史最悠久、应用范围最广的 可靠传输协议，t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 的加速技术也成为二十多年 来经久不衰的研究热点。 本章首先介绍t c p 的相关概念与技术，并分析t c p 在高速网络环境中的性能 瓶颈，然后介绍论文的研究内容和主要贡献与创新，最后介绍论文的组织结构。 1 1t c p 发展过程与设计目标 认识来源于实践，而认识的最终目标也正是服务于实践。只有了解t c p 的发 展历史以及相应的设计目标，我们才能对t c p 拥有较为全面的认识，从而更好地 研究t c p 加速技术，满足越来越高的应用需求。 1 1 1t c p 发展过程 互联网最初源于美国国防部的a r p a n e t 计划。上世纪6 0 年代中期正是冷战 的高峰，美国国防部希望有一个命令和控制网络，以确保在核战争的条件下幸免 于难，而传统基于电路交换的电话网络则过于脆弱。国防部指定其下属的高级研 究计划局解决这个问题，从而诞生a i 冲a n e t ，其最大特点是采用无连接的端到端 报文交换服务。到了8 0 年代中期，演变为互联网。 t c p 协议最初只是作为n s f n e t 的程序规范，即i 强c7 9 3 ，这也是最早的较 为完整且齐全的t c p 规范【l 】。这个规范简单描述了如何进行主机到主机的可靠传 输，并描述了传输控制协议执行的功能，相应的实现程序及程序接口。t c p 协议 在设计之初就被赋予了很高的使命，需要成为报文交换计算机网络和这些网络互 联系统中的高可靠性传输协议。 需要明确的是，网络中的可靠传输包括两方面：首先是数据的正确，由于以 前的传输介质质量很差，所以在传输层及以下各层协议中都实现了校验和计算； 其次是数据的完整保序，这个特性需要t c p 执行复杂的操作来实现，通常我们强 调t c p 的可靠传输时主要指后者。 1 1 2t c p 设计目标 人们对知识的认识总是受限于当时的科技水平和相应的外部应用环境，t c p 第l 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 协议的设计自然也不例外。在t c p 设计之初，网络技术刚刚起步，相应的硬件设 施只能达到很低的水平( 虽然这已经代表了当时全世界最高的技术水平) ，应用 需求也十分简单( 仅仅是确保数据的可靠稳定传输) ，诸多因素导致t c p 协议的 设计目标从开始就已经先天不足。在设计t c p 协议时，由于人们对嘲络，尤其是 对大型互联网络缺乏本质的认识，从而遗漏了许多t c p 协议应该具备的重要特征。 例如，我们现在熟知的拥塞控制，在最初协议设计中就没能得到体现。 t c p 最初的设计目标只是在进程间提供可靠、安全的逻辑链路，并在此基础 之上提供可靠的传输服务。需要强调的是，t c p 对网络并不做任何假设，它的主 要功能就是提供可靠的逻辑链路。为了能够在不可靠的网络上进行可靠的通信， 协议必须提供如下功能：能够进行基本的数据传输、保证数据的可靠性、进行适 当的流量控制、维护通信状态的集合、使用并行多路技术以及保证通信的优先级 和安全性。各功能简要说明如下： 1 保证基本的数据传输 t c p 组合一定数量的字节数据，形成在网络上传输的报文，在用户之间的两 个方向上传输连续字节流。 2 确保数据传输的可靠性 网络的不可靠性可能会导致报文丢失。同时，t c p 建立的逻辑链路很可能会 与多条物理链路对应，在网络传输过程中可能导致报文乱序。因此，t c p 必须要 确保丢失报文能够重传，乱序报文能够恢复顺序，这些特性都将通过序列号机制 得到保证。t c p 给每个传输的字节流分配一个序列号，并要求t c p 的接收方发送 确认报文。如果发送方在一定的时间间隔内没有收到确认，报文将会重传。在接 收方，序列号用来确定每一个字节的正确顺序。 3 提供基本的流量控制 t c p 通过在每个应答报文中嵌入窗口字段来指示能够接收的序列号范围，为 接收方提供简单的流控机制，控制发送方能够发送的最大数据量。 4 维护通信状态的集合 为了确保前述目标能够实现，t c p 必须要维护某些状态信息的集合。这些信 息包括端口、序列号以及窗口大小等，这个集合称为连接状态。当进程之间需要 通信时，t c p 首先需要建立连接，初始化状态信息，然后才能进行数据传输。 5 实现并行多路传输技术 为了确保端系统上的多个进程能够同时使用t c p 通信，t c p 提供地址和端口 机制，形成s o c k e t 。一对s o c k e t 标识一个具体连接。 6 提供优先级和安全性 t c p 用户可以指示通信的安全性和优先级。如果不需要这些特性，协议将采 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 用缺省值。t c p 使用i p ( i m e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议首部的服务类型和安全选项为每 个连接提供优先级和安全性。 从t c p 最初的设计目标可以看出，协议设计充分考虑了可靠传输，提供了序 列号、流控、应答以及超时重传等若干支撑机制。但是，由于对网络缺乏了解， 如何处理网络的变化状况没有在设计中得到体现，从而导致t c p 在高速网络环境 下面临着许多挑战。 1 2 传统t c p 在高速网络中面临的挑战 t c p 协议的设计目标诞生于低速网络。因此在低速网络下，传统t c p 并没有 遭遇太多的波折，但是高速网络环境却使其面临诸多挑战，其原因除了设计之初 的先天不足以外，还因为t c p 协议在互联网中的使用相当广泛。当最初的 a r p a n e t 转眼成为风靡全球的互联网时，t c p 协议随之成为互联网上使用的主 要传输协议，彻底对t c p 改头换面很不现实，涉及到太多的实际问题，如更换相 应设备，改变原先部署等。人们所能做的就是针对网络不断发展的实际需求，对 t c p 进行不断的改善，使其不断焕发新的光彩。 1 2 1 传统t c p 面i i 缶的挑战 目前，端系统通常都配备了千兆以太网接口，具有大容量内存，并且能够在 内存和网络接口之间以每秒千兆字节的速率传输数据。同时，目前的i p 网络主要 都是利用光纤、高性能交换机和路由器构建而成，可以提供高达1 0 g b p s 以上的传 输能力。在硬件飞速发展的今天，我们需要提出的问题是：如果端系统和网络都 能够支持千兆以上的传输能力，那么端到端的t c p 性能是否也能达到这个级别， 获得与百兆速度下相同的使用效率。如果不能达到，那么高速网络环境中设计高 性能t c p 的原则是什么。 对于第一个问题，许多研究已经给出了答案，不能达到。实际上，截止到2 0 0 6 年5 月，t c p 连接单数据流传输的最高纪录是在长达3 万公里的1 0 g b p s 光纤路径 上，连续3 0 分钟保持7 2 1 g b p s 速率【2 】。在高速网络环境中，除了带宽很难充分利 用之外，传统t c p 还面临着一系列挑战。 首先，传统t c p 的拥塞控制机制在高速网络中表现比较差，报文丢失的影响 十分明显。主要是由于它使用了基于a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 的拥塞控制机制，一个报文的丢失在高速网络中会导致很严重的后果： 当检测出一个报文丢失后，t c p 连接就会将带宽减半，然后需要等待几秒钟、几 分钟甚至几个小时来恢复所有的可用带宽。另外，慢启动也会造成t c p 在高速网 络中性能降低，相对而言，它的影响要比拥塞避免小。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 其次，传统t c p 总是把报文丢失解释为拥塞，向假定链路错误造成的报文丢 失可以忽略。但是在高速网络中，这种假设很难再成立。当数据传输速率比较高 时，链路错误不能忽略。由于链路错误引起报文丢失和因为网络拥塞引起报文丢 失的可能性是相同的，不能笼统地将报文丢失都归咎于网络拥塞。因此，当一个 t c p 报文丢失后不应该认为就是出现了网络拥塞，拥塞的判断需要两个连续的报 文丢失。 最后，由于使用a i m d 算法，传统t c p 不能使用高速网络环境下链路的所有 容量，而高速远距离的网络造价比较高，所以对容量的浪费不可忽视。 1 2 2 高速网络t c p 的设计原则 现在t c p 面临的主要问题是：基于窗口的拥塞控制机制能否继续在高速网络 环境中保持高效，同时这种控制机制能否继续适应环境的不断变化。为了解决这 个问题，高速网络中t c p 的设计需要注意以下原则【2 】。 首先，t c p 必须在确保网络总体性能和公平性方面相当有效，因为每个端系 统都在使用某种形式的t c p ，它们必须具有类似的响应特性。如果不同的端系统 在选择t c p 协议时使用截然不同的控制方式，网络将会陷入混乱，可能会产生严 重的网络拥塞和极低的资源使用效率。 其次，传输协议不需要解决介质相关的问题。最通用的传输协议不应当依赖 于特定介质的特征，而是应当使用来自于底层协议的响应，正确发挥传输系统的 作用。 再次，传输协议需要保持出色的一致性，能够在原先设计时没有考虑到的环 境中使用。在经历网络发展若干年之后，我们应该对网络的未来具有更清晰的认 识。因此，任何方案都应当审慎地设计，以便适应各种不同的使用条件。 最后，传输协议需要在竞争中保持公平的健壮性。 在进行本文后续研究的讨论时，我们将尽可能遵循这些原则，尤其是在确保 网络总体性能和公平性方面。 从某种意义来说，彻底变革总是比改良要好，因为彻底变革没有旧有规范的 束缚。但是由于历史原因，t c p 协议的发展不得不基于改良，这就使t c p 协议的 束缚可能越来越多。尽管如此，近几十年的网络发展历史还是充分证明了t c p 协 议具有强大的生命力，并将继续成为互联网中最主要的传输协议，继续得到不断 的研究与改善。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 3 论文研究内容和主要贡献 1 3 1 论文的研究内容 本文主要围绕下列问题展开研究： 1 t c p 性能的关键瓶颈。重点分析t c p 的传输控制机制，定位t c p 传输在高 速网络环境中的关键瓶颈，寻找能准确描述t c p 传输性能的关键参数，明确t c p 吞吐量与这些参数之间的关系，为t c p 加速提供研究基础。 2 路由器辅助的带宽分配。重点研究t c p 拥塞控制机制的本质，建立t c p 性能与网络资源之间的模型，分析资源的变化给t c p 吞吐量带来的影响，提出新 的带宽分配方法，使其能够有效利用网络资源，提升t c p 性能。 3 面向全局优化的参数调整。重点研究在基于延时的拥塞控制机制中，固定 速率控制因子对t c p 公平性产生的影响，提出新的速率控制因子自适应调整机制， 使其能够根据延时的变化进行实时调整，有效促进全局性能优化。 4 面向单向延时优化的速率控制。重点分析反向数据流量对t c p 传输性能的 影响，通过建模研究它们的内在联系，并针对基于延时的拥塞控制进行改进，提 出一种新的控制方法，针对单向延时进行优化，避免反向数据流量的干扰。 5 t c p 硬件加速。针对硬件的特性，重点研究如何将t c p 协议在硬件中进行 设计与部署，并对硬件设计中的关键技术进行深入探讨，最终实现t c p 硬件加速 引擎。 1 3 2 论文的主要贡献与创新 本文围绕t c p 加速展开了研究，论文的主要贡献与创新如下： 1 提出了路由器辅助的显式比例带宽分配方法 当前端系统与网络之间主要使用e c n 进行协调，端系统t c p 根据e c n 进行 速率调整具有较大的盲目性，难以达到拥塞控制的目标。针对这个问题，本文仔 细分析了网络资源在t c p 传输中的重要性，深入探讨了缓冲振荡现象对t c p 性能 的影响，提出在报文中引入路由器资源占用情况的指示信息，并提出利用路由器 反馈信息进行显式比例带宽分配的方法，同时设计了相应的带宽分配算法e p b a 。 这种新颖的比例控制方法在端系统与路由器之间建立有效的反馈协调机制，通过 比例反馈使分布式调整能够利用更多网络状态的态势信息，使端系统能够迅速明 确地调整发送速率，克服了速率控制的盲目性。同时，e p b a 的计算开销很小，易 于实现与部署。仿真结果表明，基于路由器辅助的显式比例带宽分配方法能够使 端系统获得较好的稳定传输，充分利用了网络资源，从而使t c p 性能得到很大的 改善。 第5 页 国防科学技术大学研究生院博上学位论文 2 提出了面向全局优化的速率控制凶子白适应调整力i 去 本文研究发现，以t c pv e g a s 为代表的拥塞控制主要采用基于延时的拥塞控 制机制，该模型采用固定的速率控制因子，使t c p 性能直接与链路的传播延时互 成比例，导致带宽分配不均，从而影响全局性能优化。针对这个问题，本文仔细 研究了缓冲队列在基于延时拥塞控制机制中的作用，提出了面向全局优化的速率 控制因子自适应调整方法，并设计了相应的速率控制因子调整算法r c f a a 。在保 持基于延时拥塞控制机制原有优越性的前提下，根据链路的传播延时，对速率控 制因子进行实时调整，实现流间带宽公平共享，最终达到全局性能优化。仿真结 果表明，r c f a a 使原有控制机制在公平性上有了较大改善，在性能方面也有较大 提升。 3 揭示了反向数据流量与t c p 性能