基于ＴＣＰ異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性能擴(kuò)展代理

摘要：由于互聯(lián)網(wǎng)中大量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的存在，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能大大降低。為此，首先分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能特點(diǎn)，其次詳細(xì)介紹了如何通過增加PEP(performance enhancement proxies)的方法來改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 性能擴(kuò)展代理; 提前應(yīng)答; 往返延遲

中圖分類號：TP393.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0324-03

0引言

隨著因特網(wǎng)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣。但是傳輸距離、延遲、有效帶寬不同，導(dǎo)致很多結(jié)構(gòu)不相同的局域網(wǎng)要進(jìn)行互聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)稱為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、QoS網(wǎng)絡(luò)等。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)時，傳輸性能將大大下降。為了提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，本文首先分析在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能，然后介紹一種通過路由器支持的動態(tài)擁塞控制方法來改善TCP的性能。其中特別使用了性能擴(kuò)展代理^[1]。

1傳統(tǒng)TCP的問題

為了描述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能指標(biāo)，本文采用如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并用NS2模擬軟件進(jìn)行模擬。

圖1中，在A與C、D與B之間的連接模擬本地可達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，并且它們固定為10 Mbps的帶寬和10 ms的延遲。C與D之間的連接模擬因特網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且它擁有不同的延遲（由參數(shù)d確定）和1 Mbps的帶寬，因此它是這個網(wǎng)絡(luò)的連接瓶頸。假設(shè)從A到B之間是一個長的TCP數(shù)據(jù)流，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP配置，如TCP NewReno，窗口大小為20，初始擁塞窗口為1，每個連接等待隊(duì)列大小為50。本文將比較B點(diǎn)的吞吐量。

首先來看在延遲與帶寬均不同的情況下TCP的性能。從圖2可以看到，隨著延遲的增加，吞吐量越來越低。這是因?yàn)橐坏┭舆t變高，要達(dá)到有效帶寬所允許的最大吞吐量，在瓶頸連接處就需要較大的TCP窗口和較大的緩存。從圖2中還可以看到，隨著延遲時間變大，慢啟動的時間也變長，從而導(dǎo)致TCP的性能下降。這是非常重要的，因?yàn)樵谝粋€TCP連接中，慢啟動時間對吞吐量影響很大，特別是在Web通信中。較大的時延將嚴(yán)重影響TCP性能。

圖2所示的模擬結(jié)果說明，延遲和帶寬這兩個參數(shù)將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，從而導(dǎo)致TCP的性能下降。其原因在于TCP端到端的控制模型。標(biāo)準(zhǔn)的TCP使用定時的ACK包來估計(jì)當(dāng)前可用的帶寬，并且使用加性增長和乘性減少的方法來對發(fā)送方的窗口大小作出反應(yīng)。假如給標(biāo)準(zhǔn)TCP一個小的緩存，這種方法將變得無效，因?yàn)榫彺娴姆磻?yīng)時間可能會比帶寬的變化速度還要慢，其結(jié)果將使TCP的性能下降。

2新的體系結(jié)構(gòu)解決方法

為了改善性能，提高吞吐量，可以通過在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器上設(shè)置PEP來控制TCP的數(shù)據(jù)流量（圖3）。其基本思路就是利用PEP來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中通過其TCP數(shù)據(jù)流中的ACK包。在PEP處故意加快或減慢ACKs的發(fā)送，從而改變發(fā)送方數(shù)據(jù)包的發(fā)送速度，使控制循環(huán)（發(fā)送方到PEP再到發(fā)送方）縮短以達(dá)到更好的擁塞控制并提高吞吐量。

2．1在PEP下的擁塞控制

如果假設(shè)網(wǎng)絡(luò)擁塞通常發(fā)生在不同網(wǎng)絡(luò)的邊界處， PEP便可以控制所有經(jīng)過PEP的數(shù)據(jù)流，并且通過產(chǎn)生提前應(yīng)答來達(dá)到提高吞吐量的目的。通常情況下，當(dāng)接收方接收到一個數(shù)據(jù)包時，會給發(fā)送方發(fā)送一個ACK表示接收到數(shù)據(jù)；發(fā)送方只有在接收到ACK后才可能繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。但是如果采用了PEP，每當(dāng)有數(shù)據(jù)通過PEP時，它就會相應(yīng)地產(chǎn)生一個premature ACK返回給發(fā)送方；發(fā)送方在接收到premature ACK后，就可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，從而縮短了RTT的時間，增加了發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，提高了吞吐量。

當(dāng)使用premature ACK技術(shù)時，恢復(fù)那些被PEP確認(rèn)過但可能丟失的包便成了PEP要解決的問題。因此，PEP必須要為那些已經(jīng)被提前確認(rèn)過但相應(yīng)真實(shí)的ACK還沒有從接收方回到PEP的包提供一個緩存。當(dāng)真實(shí)的ACK到達(dá)時，PEP必須從緩存中清除相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，并且丟棄這個真實(shí)的ACK（因?yàn)榘l(fā)送方已經(jīng)提前接收到了premature ACK）。同時也要注意其他可能引起丟包的情況，如超時重傳。此外，PEP必須控制premature ACK的發(fā)送速度，以防止發(fā)送方發(fā)包的速度過快而導(dǎo)致PEP的緩存溢出。

在PEP中設(shè)置一個緩存來存儲每一個通過PEP的數(shù)據(jù)包，并且通過設(shè)置一個閾值（watermark）來表示緩存的狀態(tài)。 這個狀態(tài)信息將被用于控制TCP數(shù)據(jù)流中的ACK。當(dāng)一個TCP數(shù)據(jù)流首次啟動時，PEP便相應(yīng)地設(shè)定緩存的最大值和watermark的初始值。當(dāng)一個TCP數(shù)據(jù)報(bào)文段到達(dá)邊緣路由器時，PEP將根據(jù)當(dāng)前緩存大小和watermark來做以下工作：

a）如果當(dāng)前緩存中數(shù)據(jù)包的數(shù)量小于watermark，PEP將拷貝這個報(bào)文段，并將其存入緩存；同時向發(fā)送方發(fā)送一個premature ACK，并將這個報(bào)文段標(biāo)志為packed。

b）如果當(dāng)前緩存中數(shù)據(jù)包的數(shù)量大于或等于watermark，但是小于最大的緩存大小，PEP也將拷貝這個報(bào)文段，并將其存入緩存，但是不產(chǎn)生premature ACK，并將這個報(bào)文段標(biāo)志為stored。

c）如果當(dāng)前緩存中數(shù)據(jù)包的數(shù)量大于或等于最大緩存大?。ㄈ缇彺嬉褲M），PEP什么也不做（如讓這個報(bào)文段就像沒有PEP一樣通過）。

當(dāng)一個真實(shí)的ACK返回到PEP時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文段將從緩存中取出并清除掉。如果這個數(shù)據(jù)報(bào)文段已經(jīng)標(biāo)志為packed，路由器便丟棄這個ACK包。另外，由于這樣會縮短緩存長度，一些之前已經(jīng)被標(biāo)志為stored的報(bào)文段可能會下降且低于watermark。PEP將為這些報(bào)文段產(chǎn)生新的premature ACK，并且將它們的標(biāo)志從stored改為packed。這就是說，PEP向發(fā)送方發(fā)出提示以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

2．2閾值

從以上的討論中可以看出，watermark在PEP的擁塞控制中是一個很重要的變量。Watermark是該方法設(shè)計(jì)中一個很重要的點(diǎn)。Watermark將PEP緩存分成兩部分。當(dāng)可用緩存長度下降到低于watermark時，表示TCP發(fā)送方發(fā)送速度過慢。因此，在這種情況下，PEP總是產(chǎn)生premature ACK。當(dāng)可用緩存長度上升大于watermark時，表示TCP發(fā)送方發(fā)送速度過快。此時，PEP便抑制premature ACK的發(fā)送。當(dāng)真實(shí)的ACK到來時，這些之前被抑制的premature ACK便可以被釋放。這樣，PEP便能夠使用TCP發(fā)送方的自同步（self－clocking）來控制它的發(fā)送速度。

在某種意義上，watermark決定了發(fā)送方向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。由于這個最佳速度是基于當(dāng)前可用帶寬的，watermark必須是動態(tài)的，不能固定不變。例如，緩存長度低于watermark并且可用帶寬下降，由于固定的watermark，PEP將仍然發(fā)送premature ACK來促使發(fā)送方發(fā)送更多的數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致緩存溢出和擁塞；如果可用帶寬上升，但是watermark沒有相應(yīng)地作出改變，盡管網(wǎng)絡(luò)中可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，PEP可能還是會抑制發(fā)送premature ACK，這將導(dǎo)致吞吐量達(dá)不到最大。

總結(jié)這個體系結(jié)構(gòu)，PEP擁塞控制要優(yōu)于傳統(tǒng)TCP的擁塞控制。當(dāng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞時，傳統(tǒng)TCP中端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有效帶寬變化要很長一段時間，而PEP擁塞控制就是要利用premature ACK來縮短TCP控制循環(huán)的反饋時間以避免產(chǎn)生該問題。

3模擬結(jié)果

筆者已經(jīng)在NS2中實(shí)現(xiàn)了PEP體系結(jié)構(gòu)。模擬設(shè)置除了將PEP代理置于節(jié)點(diǎn)C之外與圖1的結(jié)構(gòu)一樣。C是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器。在為新的模擬過程采集完數(shù)據(jù)之后，筆者將其與先前沒有PEP時的情況作了比較，并將這些數(shù)據(jù)做成了圖表，如圖4所示。標(biāo)有“TCP”的曲線代表先前模擬過程所得的數(shù)據(jù)，標(biāo)有“PEP”的曲線代表新的有PEP的模擬過程所得到的數(shù)據(jù)。

圖4比較了標(biāo)準(zhǔn)TCP和有PEP存在時的網(wǎng)絡(luò)基本吞吐量。結(jié)果表明有PEP存在時的吞吐量要比標(biāo)準(zhǔn)TCP的吞吐量提高了約100%。其原因首先在于premature ACK機(jī)制。在這個網(wǎng)絡(luò)模擬中，PEP收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)報(bào)文段用了10 ms。所以每隔20 ms，一個premature ACK就可以回到發(fā)送方使其擁塞窗口加倍，然而標(biāo)準(zhǔn)TCP將花費(fèi)220 ms或者420 ms來收到第一個ACK并使其擁塞窗口加倍。其次，在TCP傳輸中，PEP將調(diào)整watermark的值以改變緩存長度從而使發(fā)送方加快或減慢數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，以達(dá)到最大的吞吐量。標(biāo)準(zhǔn)的TCP不能預(yù)先確定高的延遲，并且當(dāng)有足夠帶寬時發(fā)送速度仍然很低，從而使吞吐量也低。

4結(jié)束語

國內(nèi)外也有很多方法來處理TCP的性能問題。它們大多是通過采用一種新的TCP機(jī)制（如TCP擴(kuò)展^[2]和新的算法^[3]）或者是一種不合理的配置（如極大的窗口大?。﹣韺CP進(jìn)行修改。但是這些方法最大的缺點(diǎn)在于一開始就要搞清楚中間網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)并作出合理的配置。本文首先說明了在帶寬不同和延遲差距增大情況下TCP的性能，然后介紹了一種新的基于PEP的方法，使用了premature ACK和動態(tài)watermark機(jī)制來確保發(fā)送方與接收方之間數(shù)據(jù)流的傳輸速度，從而提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。通過模擬試驗(yàn)可以得出，在TCP的傳輸中，PEP更加適合于帶寬和延遲不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

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