基于源端的高速網絡擁塞控制算法研究進展

摘要：速網絡已日漸形成，網絡在人們的生活中日益重要，對網絡服務質量也提出了更高的要求。傳統的網絡控制協議在高速網絡中的弊端日益明顯，為了更好的利用網絡資源，產生了各種改進的高速網絡擁塞協議。基于源端控制協議具有易于實現和反應速度快的特點，對幾種具有代表性的協議的性能進行了比較，最后對今后的研究方向進行了展望。

關鍵詞：高速網絡；HSTCP；H-TCP；擁塞控制

中圖分類號：TP393.07文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (2014) 08-0000-01

一、研究的意義

隨著Internet的迅猛發展，互聯網已經滲透到社會生活的各個領域。但其自身發展卻面臨著種種困難，其中之一就是網絡擁塞[1]。在高速網絡環境下，傳統的網絡擁塞控制協議已不能保證低的丟包率、低的時延和低的時延抖動等服務質量的需求。于是出現了一些有代表性的可以用于高速網絡的擁塞控制算法。

二、高速算法分類

（1）從控制論的角度，可以把擁塞控制分為開環控制和閉環控制。（2）從算法的作用位置的角度，可以把擁塞控制算法分為基于源端的擁塞控制協議和基于路由端的擁塞控制協議[2]。基于源端的高速網絡擁塞控制協議，具有算法易于實現、反應速度快的特點，是基于路由的控制協議無法比擬的。

三、典型高速算法描述

（一）HSTCP和STCP。[HSTCP]：Sally Floy等人于2003年提出了適用于高帶寬時延積網絡的HSTCP[3]算法協議。HSTCP協議采用基于包丟失的單比特ECN反饋控制機制，仍然使用AIMD窗口調整算法。HSTCP算法在包層次上的窗口調整算法如下：

OnACK：w←w+a（w）/w

OnLoss：w←w-b（w）×w

與傳統的TCP協議采用的AIMD窗口調整算法的不同在于，Sally Floy等人提出了隨窗口ω自適應變化的窗口調整量，克服了傳統TCP在高速網絡中的不足。而傳統TCP窗口調整函數分別取固定值a（w）=1，b（w）=0.5，故在高帶寬時延積網絡中存在增加過緩和減少過激的現象，帶來大的網絡流量震蕩，在流量層次上現有算法的魯棒性和穩定性難以保證。在HSTCP中加性增加因子a（w）和乘性減少因子b（w）均隨著窗口ω的變化而變化。

HSTCP保證了算法的可擴展性和友好性，但是收斂緩慢，有較高的RTT不公平性[4]。關于HSTCP的RTT不公平性問題和收斂性問題有待進一步研究。

[STCP]：STCP[5]是由Kelly等人提出的另一種簡單的調整自身擁塞窗口值的改進協議。STCP基于丟包反饋，采用MIMD（乘性增加乘性減少）的控制機制。同時定義窗口閾值therhold=32，當cwndtherhold時，STCP使用如下方法更新擁塞窗口：

OnACK：w←w+a

OnLoss：w←b×w

其中，a，b為（0，1）之間的常數，文獻[5]中取，a=0.01，b=0.875，且STCP的響應函數為w=a／(1-b)×p=0.08／p。

故STCP發生丟包后的調整周期與可用窗口大小無關，且丟包后STCP的窗口調整幅度小，從而避免了過大的窗口震蕩，使得該算法能夠獲得高的吞吐量。但STCP存在嚴重的RTT不公平性。

（二）H-TCP。H-TCP[6]與其他協議算法的不同點在于它利用連續兩次丟包時間間隔t作為擁塞反饋因子。如果t比較小，則認為丟包頻繁發生，此時網絡擁塞嚴重，反之則擁塞程度比較輕。H-TCP規定一時間閾值 ，若tt0時，H-HCP的窗口調整策略為：

OnACK：

OnLoss：w←gβ（B）×w

其中-fα（t）為增長函數。

H-TCP在高帶寬情況下的收斂速度公平性要優于HSTCP和STCP，但該協議是一種經驗型的啟發式設計，故其在復雜網絡中的性能還需要進一步研究。

（三）FAST TCP。Cheng Jin等人提出的FAST[4]協議，以排隊時延RTT作為反饋因子。雖然丟包估計和入隊延時估計都會有一定的誤差，但是，丟包估計每次只能有一個反饋信息位，而延時估計可以有多個反饋信息位，這有利于實現實際網絡資源分配的公平性，并保持高利用率狀態下網絡的穩定性。

FAST的窗口調整策略為：

OnACK：

OnLoss：w←w/2

其中，γ為設計出來的參數，且γ∈[0，1]， ，T分別為所觀測到的最小時延和平均時延，當 不等于零時， 等于一常量，當 時

四、結束語

基于源端的網絡擁塞控制算法具有易于實現、反應速度快的優點，但是由于運行環境的復雜性，在實際網絡中，丟包可能是由于中間節點隊列溢出引起的，也可能是由于校驗錯誤引起的，RTT的增加可能是由于中間節點隊列長度增長，也可能是因為傳輸線路很長或鏈路層數據包重傳。基于以上分析，源端算法和路由算法的融合是今后的必然趨勢，將是下一步研究的主要方向。

參考文獻：

[1]A.S.Tanenbaum.Computer Networks.Third Edition，Prentice Hall，1996.

[2]信春雷，劉文遠.基于高速TCP的網絡擁塞性能分析研究[D].燕山大學，2007.

[3]Floyd S.“High Speed TCP for large congestion windows[DB/OL]，”2003.

[4]Fendick F，Rodrigues M，Weiss A.“Analysis of a rate-based feedback control strategy for long haul data transport[J].”Perform.Eval，1992(16):67-84.

[5]T.Kelly.Scallable TCP:Improving Performance in High Speed Wide Area Networks.ACM Computer Communications Review，2003(02):83-91.

[6]R.Shorten，D.Leith.H-TCP:TCP for High-Speed wide area Networks.ACM SIGCOMM Computer Communications Review.Issue 2.pp.83-91.April，2003.

[作者簡介]屈美榮（1983-），女，助教，碩士，主要研究方向：網絡擁塞控制；蘇玉（1983-），女，助教，碩士，主要研究方向：網絡擁塞控制。