具有最小速率的ＴＣＰ友好速率控制機制

摘要：針對TC－TFRC因可容忍暫態計時器使用固定的計時時間而造成多發數據的問題，提出具有最小速率的TCP友好速率控制機制MR－TFRC。該機制利用速率差r_dif來判斷網絡擁塞狀況并以此動態設置可容忍暫態計時器的計時時間。實驗結果表明MR－TFRC能有效解決TC－TFRC多發數據的問題，在網絡擁塞越嚴重的情況下改進效果越好。

關鍵詞：擁塞控制；流媒體；傳輸控制協議友好

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0077－03

0引言

當前，流媒體應用增長迅猛。據國外一家公司ASIR的統計，Internet在2003年有78億個流媒體數據流，2004年有142億個流媒體數據流，而2005年則達到了240億個流媒體數據流。這表明流媒體應用逐漸成為Internet的主要業務[1]。但面對流媒體應用的蓬勃發展，Internet并不能為其提供良好的傳輸環境，造成流媒體傳輸時數據包的延遲和丟失，導致流媒體播放時不清晰、不同步、播放停頓等質量問題。網絡工作者研究發現，產生上述問題的主要原因是目前沒有較好的傳輸協議可供流媒體傳輸使用。TCP是目前Internet中使用最廣泛的一種端到端傳輸協議，但因為受自身使用的擁塞控制、可靠傳輸策略、確認反饋等機制的影響，造成其發送速率波動劇烈，不能滿足流媒體應用的傳輸要求。如今，大部分流媒體都用UDP傳輸數據，但缺乏擁塞控制機制的UDP的帶寬占用方式被認為是非TCP友好的，將會加重網絡擁塞，甚至可能導致擁塞崩潰。所以UDP也不能很好地為流媒體傳輸服務。對既能滿足流媒體傳輸要求又是TCP友好的協議的研究成為當前網絡協議研究的一個熱點。最近幾年，人們提出了不少新的協議，如Binomial[2]、TEAR[3]、TFRC[4]等。其中，影響最大的是由Floyd等人提出的基于公式的擁塞控制機制協議TFRC(TCP Friendly Rate Control)。它利用文獻[5]給出的TCP模型，根據當時的網絡狀況計算可行的發送速率。理論和實驗分析表明，TFRC的發送速率比較平穩，適合流媒體傳輸使用，并且還具有TCP友好性。

然而，深入研究發現TFRC不能滿足流媒體傳輸有最低傳輸速率的要求，在網絡發生短暫擁塞時會引起無效傳輸。為此，有人提出了基于閾值限定的TCP友好擁塞控制協議(Threshold－Constrained TFRC，TC－TFRC)[6]。該協議強制流媒體在擁塞時按最低傳輸速率發送數據，并且還使用可容忍暫態計時器技術限制TC－TFRC在擁塞時按最低傳輸速率發送數據的時間，以保持TC－TFRC的TCP友好性。實驗結果表明TC－TFRC能解決TFRC存在的問題。但進一步的研究發現，TC－TFRC的可容忍暫態計時器的計時時間是固定的，并沒有考慮網絡擁塞程度的影響，從而造成TC－TFRC在網絡擁塞比較嚴重的情況下會發送過多數據，進一步惡化網絡擁塞狀況。針對TC－TFRC因可容忍暫態計時器使用了固定的計時時間而造成多發數據的問題，本文提出一種TC－TFRC的改進機制MR－TFRC(Minimal－Rate TFRC)。該機制利用速率差rdif來判斷網絡擁塞狀況并以此動態設置可容忍暫態計時器的計時時間。實驗結果表明MR－TFRC能有效解決TC－TFRC多發數據的問題，在網絡擁塞越嚴重的情況下改進效果越好。

1TC－TFRC的基本結構和缺陷

1．1TC－TFRC的基本結構

1．2TC－TFRC的缺陷

TC－TFRC機制在TFRC的基礎上加入了最低傳輸速率閾值限定，有效解決了TFRC在網絡發生短暫擁塞時造成流媒體傳輸無效的問題，并且TC－TFRC又通過可容忍暫態計時器實現了TC－TFRC的TCP友好性。可容忍暫態計時器的可容忍是針對TCP友好提出的，意在要求TC－TFRC處于狀態Min Rate的持續時間T應在適度的范圍內。因為若T設得過大，在網絡擁塞長時間得不到解除時，將導致TC－TFRC使用最低傳輸速率的時間過長。長時間地使用最低傳輸速率發送數據會造成TC－TFRC占用帶寬不公平，破壞TC－TFRC機制的TCP友好性。另外，T的設置也不能太短，至少要大于一個RTT，以保證發送端至少能收到一個接收端的反饋，用來計算下一次的可行發送速率并作出相應的變遷；否則流媒體應用就很容易進入狀態OFF停止發送數據。由此可見可容忍暫態計時器的時間設置對發送端的行為影響很大。為了在保證流媒體播放質量和TCP友好之間有一個較好的權衡，TC－TFRC將T設置為經過多次實驗得到的一個定值。但通過對TC－TFRC的深入分析，發現TC－TFRC的可容忍暫態計時器技術不只影響TC－TFRC的TCP友好性，還會影響網絡的擁塞程度，特別是在網絡擁塞比較嚴重的情況下，TC－TFRC固定的時間設置方式將導致可容忍暫態計時器的計時時間與網絡擁塞情況輕微時相同，TC－TFRC會過多發送數據，進一步惡化網絡擁塞狀況。下面的NS2(NS2.27)[9]模擬實驗1和實驗2的結果證明了本文的分析。實驗使用如圖2所示的網絡拓撲結構。

2具有最小速率的TCP友好速率控制機制MR－TFRC

從上面的分析可知，若能及早停止發送數據將有利于擁塞的解除。據此本文提出具有最小速率的TCP友好擁塞控制機制MR－TFRC。該機制的主要思想是：當檢測發現rtcp比rmin小，變遷1發生；在發送端進入狀態Min Rate時，根據當時的網絡擁塞狀況動態設置可容忍暫態計時器的計時時間。

從表1和2可以看出，MR－TFRC的可容忍暫態計時器的計時時間比TC－TFRC的要小。因此MR－TFRC會及早停止發送數據，使得路由器隊列中的數據包增加不多(表1中使用MR－TFRC時隊列長度少了10個數據包，表2中使用MR－TFRC時隊列長度少了24個數據包)，有利于擁塞的解除。從兩個表的MR－TFRC的可容忍暫態計時器的計時時間還可以看出，MR－TFRC能根據網絡的擁塞情況動態設置計時時間。擁塞情況越嚴重，計時時間越短(實驗4的網絡擁塞比實驗3的嚴重，因此表2中MR－TFRC的計時時間比表1中的少1 s)。另外，比較兩個表中MR－TFRC、TC－TFRC的TCP友好因子可以得知，MR－TFRC具有與TC－TFRC一樣的TCP友好性。

實驗3和實驗4的結果表明，當網絡發生擁塞時，MR－TFRC能根據網絡擁塞情況動態設置可容忍暫態計時器的計時時間，解決了TC－TFRC使用固定時間設置方式帶來的在網絡發生嚴重擁塞情況下多發數據的問題，在網絡擁塞越嚴重的情況下改進效果越好。

4結束語

本文提出具有最小速率的TCP友好速率控制機制MR－TFRC，它能利用速率差rdif來判斷網絡擁塞狀況并以此動態設置可容忍暫態計時器的計時時間。它更適合在網絡中使用。今后的工作是要研究MR－TFRC對其他非TCP流的友好性。

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[9][EB/OL].http://www.isi.edu/nsname/ns/.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”