光突发交换网络的动态TCP特性研究2.doc

第 7 期雒江涛等 光突发交换网络的动态 TCP 特性研究 1 光突发交换网络的动态 TCP 特性研究 雒江涛 常昊 夏鞑 张治中 重庆邮电大学 通信网与测试技术重点实验室 重庆 400065 摘 要 通过仿真研究了动态业务竞争环境下 不同TCP版本在OBS网络中的传输性能 研究中 以TCP在OBS 网络中传送一个固定大小的文件所需的时间作为性能指标 此外 详细分析了突发丢失的内部机制和造成不同 TCP版本性能差异的原因 结果表明 TCP SACK性能最好 关键词 发交换 动态特性 TCP拥塞控制机制 中图分类号 915 3文献标识码 B文章编号 1000 436X 2007 07 0086 06 Dynamic performance of TCP over optical burst switched networks LUO Jiang tao CHANG Hao XIA Da ZHANG Zhi zhong Key Lab on Communication Networks dynamic performance TCP congestion control mechanism 1 引言 IP over WDM 传输方式已经被公认为是未来光 互联网的组网方案 光突发交换 OBS optical burst switching 1 吸收了波长路由和光分组交换的 优点 同时又克服了二者的不足 成为在目前技 术条件下 最有可能实现 IP over WDM 的技术之 一 在 OBS 网络的入口节点上 具有共同目的节 点的用户数据包被组装成一个 突发 burst 同 时产生一个与之对应的 控制分组 BCP burst control packet 或者叫做 突发头分组 BHP burst header packet 并提前发出 此突发无 需等待带宽分配的确认消息 只是在控制分组发 出后一段时间发出 这段时间称为 偏移时间 offset time 传送过程中 控制分组在控制信道中 传送 突发在数据信道中传送 在核心节点 带 有路由信息的控制分组经过电层处理 为其对应 的突发预约带宽 预先配置交换路径 预约成功 的突发则可以继续透明的传送 在出口节点 突 发被拆分为普通分组在网络中接着传送 通过这 种异步带外控制机制 OBS 网络实现了无光缓存 的全光大分组级交换和透明传输 并且获得了带 宽和时延的平衡 因此 OBS 的概念一提出 就 引起了学术界广泛的关注和研究 并取得了很多 有价值的结论 关于 OBS 网络的详细构架参见文 献 2 最近 光突发交换网络 OBSN 的 TCP 业务特 性越来越受到关注 这其中主要有以下两方面原 因 一个是由于 TCP 协议是目前传输层的主要协 第 28 卷第 7 期通 信 学 报Vol 28 No 7 2007 年 7 月Journal on CommunicationsJuly 2007 收稿日期 2005 12 27 修回日期 2007 05 29 基金项目 重庆市教委科研基金资助项目 KJ050504 040504 重庆市科委基金资助项目 2005BB2066 Foundation Items The Scientific Research Fund of Chongqing Municipal Education KJ050504 040504 The Fund of Chongqing Municipal Science 2005BB2066 第 7 期雒江涛等 光突发交换网络的动态 TCP 特性研究 87 议 而且在未来可以预见的时间内也不会有所改 变 另一个原因就是 OBS 网络的突发组装和无缓 存交换结构会影响 TCP 协议的拥塞控制机制 从 而出现了一些新的特性 过去的3年里 在INFCOM GLOBECOM和 ICC等重要会议上作过一些有关基于OBS网络TCP 业务特性的报告 3 5 他们主要研究了不同的组装 策略 组装时限 数据突发调度和突发丢包率等 对TCP特性的影响 Yu等人 6 第一次对OBS网络 TCP特性进行了比较全面的研究 他们提出了很多 有价值的观点 主要关于TCP拥塞控制机制与OBS 所特有的机制 如突发组装 解组装和无缓存突发交 换等 的相互关系 以及其相互作用产生的影响 还研究了在OBS网络中SACK Reno和New Reno 等3种不同TCP版本业务的吞吐量模型 并且进行 了仿真验证 不过 为简化起见 他们作了如下 假设 OBS网络有一个恒定的随机丢包率 而这个 机制对TCP的传输速率并不敏感 另外他的研究采 用的是静态业务 而不是动态业务 这与网络的 真实情况有很大的差异 Yu 6 指出了TCP over OBS中的 假超时 FTO false time out 问题 尤其对于高速TCP业 务流 由于OBS的无缓存特性 丢包往往意味着 网络信道竞争严重而不是高拥塞 但是如果由于 竞争 一个包含了业务流中多个数据包的突发被 丢弃 而造成了没有确认消息 ACK 返回 此时 将触发一个超时事件 TO TCP发端会认为网络 已经严重拥塞 这样 当前所有的 TCP版本都将 按照超时丢包处理 进入慢启动 slow start 状 态 使得TCP业务的性能大大降低 他们通过仿 真分别检验了Reno New Reno和SACK在OBS网 络中的性能 证明了由于 FTO问题的存在 造成 了网络效率低下 为此 他们提出了一种新的 TCP版本叫做 突发TCP BTCP 它可以区分 FTO和真正的超时丢包 对于 FTO则采用快速重 传处理 但是他们的这个版本需要在 OBS网络的 入口节点向TCP发端回送有关突发组装的信息 这种跨层通信实现起来有很大的困难 归纳起来 以往有关基于OBS网络TCP业务特 性的研究主要有以下2个共同点 假设了一个固定的突发丢包率 采用长时间存在的静态背景竞争业务或者 一个 TCP 业务流 上述假设大大方便了对 TCP over OBS 的研究 然而与网络的真实状况却有了很大的距离 实际 上 突发丢包率是 TCP 发送端的拥塞控制机制和 OBS 网络自身特性相互作用的结果 它是随着 TCP 所采用的拥塞控制 背景负载的大小不同而 变化的 为此 本文将首先建立一个动态的背景 负载业务模型 然后考察不同版本的 TCP 在此动 态背景下通过 OBS 网络的传输性能 2 网络业务模型 本文所采用的网络模型如图1 所示 OBS 网络 由一个核心 节点 C n 1 个边缘入口节点 Ei 0 Ei 1 Ei n 和一个边缘出口节点 Eo 组成 这些 节点通过波分复用 WDM 链路连接 其中C 与 Eo 之间的链路是网络的瓶颈 每一个边缘入口节点都 与一个 IP 路由器 SIP 0 SIP 1 SIP n 相连作为 业务源 同时所有的目的IP 路由器 Dip 0 DIP 1 DIP n 都与 OBS 网络的出口边缘节点 Eo 相连 这样 SIP i 与 DIP i 就形成一组源 目的对 i 0 1 n TCP 业务源绑定在SIP i TCP 接收端绑定在 DIP i 其中 SIP 0 上只绑定一个TCP 业务源 记作 MTCP 作为观察对象 除此之外 在其他的IP 源 路由器上分别绑定多个TCP 业务源 它们产生的 业务将作为与观察对象竞争的背景业务 这些TCP 业务源通过建立连接的源节点序号i 和目的节点序 号 j 来标识 即TCP i j 同时 在每一个TCP 连 接上都承载一个文件传送协议 FTP 的应用 图 1 网络仿真模型 TCP 源发出的数据段 或包 在入口节点处 被组装成突发 然后通过核心节点 C 汇聚竞争出 口链路信道 竞争成功的突发将通过 在 Eo处拆 分成普通分组并分别继续发送到他们各自的目的 88 通 信 学 报第 28 卷 地 这里背景业务的动态性主要体现在两方面 其一是在大量的背景TCP业务中 每个TCP连接 或称为会话 的开始时间是随机的 其二 每 个会话持续的时间长短 传递文件的大小 是随 机的 根据参考文献 7 文件大小符合形状参数 在1 2之间的Pareto分布 文件平均大小为10kB 此外 为了避免不必要的同步冲突 仿真中也将 接入链路的传输时延随机化 3 仿真业务配置 仿真过程中的业务可以分为2 种 被观测业务 和背景业务 背景业务提供了一个动态的竞争环境 在这个环境中通过竞争 成功传送到目的节点的被 观测业务的传输性能将作为评定网络性能的标准 首先 确定被观测业务链路的时延和带宽参 数 SIP 0 到 DIP 0 业务对被确定为被观测业务 各 个链路的延时和带宽如下 SIP 0 Ei 0 5ms 500 Mbit s Eo DIP 0 5 ms 500 Mbit s WDM 链路 Ei 0 c 有 5 个波长信道 每个信道 5ms 500 Mbit s C Eo为瓶颈 WDM 链路 有 3 个波长信道 每个信道 10 ms 200 Mbit s 由此可以算出在不考虑突发组装时间的情 况下 RTT 大约为60ms 第二步 为其他链路设置带宽和随机时延参数 接入链路Sip i Ei i 的带宽也设置为500Mbit s 链 路Eo DIP i 的带宽为800Mbit s WDM链路Ei i C有4个波长信道 每个信道带宽为500 Mbit s 这里的链路 包括接入链路和WDM链路 延时按 均匀 Uniform 随机分布在12 15ms的区间范围 内 这里i 1 n n 值的大小可以放在每次仿 真中设置 以模拟不同的背景业务负载 第三步 配置OBS网络的参数 突发组装采用 基于定时器机制 定时器初始值设为3ms 每个突 发包含的最大包数为80 包大小固定为1kB 偏置 时间为5ms WDM链路支持全波长变换 但是 OBS节点没有设置光纤延迟线 FDL 在每条 WDM链路中有一个控制信道 其他均为数据信道 信道调度 采用允许插空的首选即中算法 firstfit VF 2 接下来 配置TCP业务 被观察业务设定为 承载在一个长期的TCP连接上的文件传送 FTP 业务 固定文件大小 5 000 kB 背景业 务文件平均大小的500倍 整个文件完成传送所 需的时间作为衡量网络传输性能的指标 仿真时 为了有一个稳定背景负载环境 被观察业务比背 景业务晚启动500 ms 作为背景业务 在每个业务源节点 SIP i i 0 除了被观察节点 都预先定义了2 000个 会话 这些会话的到达符合Poisson过程 到达率 设为150 s 承载业务同样为FTP 文件大小服从 Pareto分布 它的形状参数和平均大小分别为1 5和 10kB 此外 设定所有的发端TCP允许的最大发 送窗口为2 000 这在高速链路情况下是很普遍的 最后 配置编写仿真脚本 将仿真结束的时 间设置为观测业务文件传送完成的时刻 在仿真 过程中 追踪被观测业务的发送包 收到的确认 消息 ACK 和所有突发包的传送情况 同时记 录被观测TCP发送端的拥塞窗口 Wc 的变化 采 样频率10 ms 设定背景业务源节点数为8 n 8 每个仿真场景脚本运行10次 每次运行设定不同 的随机数种子 采用不同的伪随机序列数 4 仿真结果 传送时间 s TCP 版本 12345678910 平均时间 s SACK1 131 81 183 01 240 61 644 74 753 32 780 82 658 62 773 81 203 11 207 62 057 7 Tahoe1 790 01 476 91 691 42 364 12 732 41 776 34 474 41 472 82 230 81 653 12 166 2 Reno2 698 84 959 53 188 33 005 68 409 39 530 73 546 43 074 34 008 76 355 74 877 7 New Reno1 208 727 470 96 984 95 960 98 930 422 946 76 024 56 026 317 510 711 443 711 450 8 表 1不同版本 TCP 传送时间比较表 第 7 期雒江涛等 光突发交换网络的动态 TCP 特性研究 89 利用经过OBS扩展的NS 2平台 8 9 对比了 Tahoe Reno New Reno和带有SACK标签的 Reno 简记作SACK 几种不同版本TCP的性能 与 以往研究不同的是 我们没有考察网络吞吐量这 个参数 在这里以传送相同大小的文件所用的时 间长短作为性能指标 另外一个与以往研究的不 同之处在于使用了相对较大的拥塞窗口值2 000 这样可以更接近于现在网络的实际情况 1 不同版本TCP的比较 对于每一种 TCP 版本运行脚本 10 次 记录下 传送目标文件的时间及其平均值如表 1 所示 如果在没有任何竞争的情况下 不同版本的 TCP 的性能几乎没有什么区别 但是在有竞争的 动态业务负载背景环境下 结果就不一样了 甚 至同一版本的 TCP 仿真的结果也不尽相同 根据 表中的平均值可以看出 SACK 的性能最好 2 06s Tahoe 次之 2 21s Reno 第三 4 88s New Reno 最差 11 45s 对比几种版本 TCP 协议 传送数据包和拥塞窗口变化情况如图 2 图 3 所示 这里取每种版本最接近平均值的典型情况 图 2 不同版本 TCP 的传送包情况 与TCP协议数据包交换不同 光突发交换进 行交换的基本单位是突发 因此一旦发生竞争 将丢弃一个突发或者说是一个数据包组 而不只 是一个数据包 如图2所示的SACK Tahoe和 Reno均只有一个突发被丢弃 而 New Reno有两 个突发被丢弃 其中SACK Tahoe Reno被丢 弃的突发和New Reno的第一个被丢弃的突发内都 是含有73个数据包 New Reno的第二个被丢弃的 突发内含有80个数据包 对于不同版本的TCP协议 传送时间这个性能 参数主要取决于拥塞控制算法 没有快速恢复 fast recovery 机制的Tahoe比有此机制的Reno 和 图 3 不同版本 TCP 拥塞窗口对比 New Reno耗时更短 而Reno虽然需要经历一次超 时和一个慢启动的过程 可它的平均耗时比New Reno 专为多分组丢失而设计 还稍短一些 这 个现象表明在大的拥塞窗口和大量连续丢包的情 况下 快速恢复的性能不如经历一次慢启动 SACK性能最佳是因为通过SACK选项 它能够确 定发分组丢失的范围 从而一次进行恢复 非常 适合OBS网络中大量连续的丢包 由图3可知 在OBS网络中大的拥塞窗口 Wc 值并不意味着大的有效传送带宽 性能最差的 New Reno直到传送完毕一直保持着比较大的Wc值 500 而有更好的传送效率的SACK和Tahoe在 进入拥塞避免 congestion avoidance 状态后 Wc 90 通 信 学 报第 28 卷 却只有大概304 比起Reno要小得多 2 动态特性 在这部分 将针对造成同一 TCP版本在10次运 行脚本过程中所表现出的性能不同的原因进行分析 在下文的分析中主要以Tahoe为例 在对 Tahoe TCP的10次脚本运行的过程中 传送时间最 长的是表1中的No 7 4 474 4 s 用时最短的是 No 8 1 474 8 s 有2次测试丢弃2个突发的情况分 别是No 5和No 7 其他的8次测试均只有一个突发 被丢弃 下面将分别针对单突发和双突发这两情 况展开分析 单突发丢失 发生这种情况的八次测试中 所用传送时间 最短的No 8 1 474 8s 和用时最长的No 4 2 364 1s 它们的突发传送情况和拥塞窗口的变化情况如图 4 图5所示 图 4 Tahoe 中 No 4 和 No 8 突发传送情况 图 5 Tahoe 在 No 4 和 No 8 种拥塞窗口变化情况 在No 4中 被丢弃的是第13个突发 它包含37 个TCP数据包 当发送端发现丢包并进入慢启动状 态时Wc值为475 随即其值变为原来了一半 475 2 237 在大约1 8s 发送端进入拥塞避免状 态直到整个目标文件传送完毕 在No 8中 被丢弃的是第52个突发 它包含73 个TCP数据包 在大约1 32s时突发被丢弃 但是在 收到ACK确认消息之前有另外的37个突发已经发 送 随即在约1 43s时进入慢启动状态 其门限值 为1 000 由以上分析可见 突发丢弃发生的时间对整 个文件的传送也很关键 如果突发丢弃发生在前 期 如 No 4 拥塞窗口减半 因而导致慢启动阈值 Tss 较小 造成更多的 TCP 数据包在拥塞窗口 初始值小而且很慢增加的拥塞避免状态中传送 因此耗时长 另一方面 如 No 8 的情况 突发丢 弃发生在慢启动的中后期 丢失的数据包和少量 的剩余数据在拥塞窗口初始值虽低 为 1 但快速 增大的慢启动状态中送 结果耗时短 双突发丢失 发生这种情况的测试是 No 5和No 7 在No 5 中丢弃的是第19和第47个突发 在No 7中 丢弃 的是第9和第134个突发 虽然同是丢弃了 2个突 发 但No 5用了大约2 73s 而No 7用了4 47s 它们的突发传送情况和拥塞窗口的变化情况如图 6 图7所示 图 6 Tahoe 中 No 5 和 No 7 突发发送情况 图 7 Tahoe 在 No 5 和 No 7 种拥塞窗口变化情况 与单突发丢弃情况类似 No 7用时较多的主 要原因也在于其第一个突发丢弃发生的早 在早 第 7 期雒江涛等 光突发交换网络的动态 TCP 特性研究 91 期突发被丢弃 TCP的发送端进入慢启动后的Tss很 小 所以它需要经历一个更长的拥塞避免状态 而第二个突发的丢弃则再次将Tss减半 5 结束语 本文研究了在动态竞争业务负载的背景环境 下 不同TCP版本在OBS网络中影响业务性能的因 素 通过传送一个固定大小的文件 仿真对比 Tahoe Reno New Reno和SACK几种不同版本 TCP实现的性能 结果显示平均用时最少的是 SACK 而New Reno用时最多 Tahoe的性能仅次 于SACK 但远好于Reno和New Reno 因此 可 以看出目前网络中普遍采用的TCP Reno并不直接 适用于光突发交换网络 同时 仿真结果还表明 在大的拥塞窗口和大量连续丢包情况下 慢启动 的效果比快速恢复还要好 此外 对于同一个TCP版本 第一个突发丢弃 发生的时间也会对其性能产生重要的影响 总得 来说 越晚越好 参考文献 1 QIAO C YOO M Optical burst switching OBS a new paradigm for an optical internet J High Speed Networks 1999 8 1 69 84 2 XIONG Y VANDENHOUTE M CANKAYA H C Control architecture in optical burst switched WDM networks J IEEE J Select Areas Commun 2000 18 10 1838 1851 3 DETTI A LISTANTI M Impact of segments aggregation on TCP Reno flows in optical burst switching networks A Proc IEEE INFOCOM 2002 C 2002 1803 1812 4 CAO X LI J CHEN Y et al Assembling TCP IP packets in optical burst switched networks A Proc IEEE GLOBECOM 02 C 2002 2808 2812 5 GOWDA S SHENAI R SIVALINGAM K M et al Performance evaluation of TCP over optical burst switched OBS WDM networks A Proc IEEE ICC 2003 C Anchorage Alaska 2003 1433 1437 6 YU X Q