基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法
2023-12-06 10:10:16 1
專利名稱：基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法
技術領域：
本發明主要涉及到網絡傳輸控制領域，特別指一種基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法。
背景技術：
傳輸控制協議(Transfer Control Protocol，TCP)是當今網際網路應用最為廣泛的傳輸控制協議，提供可靠的端到端的服務。TCP採用了滑動窗口機制進行網絡流量的控制，數據傳輸過程應用慢啟動(Slow Start)、擁塞避免(Congestion Control)、快速重傳(Fast Retransmission)和快速恢復(FastRecovery)幾個窗口調節機制，如圖1所示。數據傳輸過程中，發送窗口(win)為擁塞窗口(cwnd)和接收窗口(rwnd)中的最小值。TCP的慢啟動機製作用於連接啟動階段，逐漸增大數據發送速率，探測網絡帶寬，直到網絡擁塞丟包或達到某一閾值，數據源端按發送窗口大小發送數據包，如數據傳送成功，接收端返回確認信息(Acknowledgement，ACK)，源端每成功接收一個ACK，cwnd大小將增加1個分組，經歷一個往返延遲(Round Trip Time，RTT)，cwnd將增加為原來的兩倍，因此呈現出指數增長；如果發送窗口大於慢啟動門限閾值，則將發送窗口大小設為門限閾值，進入擁塞避免階段，發送窗口遵循線性規律增長。TCP慢啟動探測網絡帶寬機制，由於窗口從1開始按指數增長，導致了兩個主要問題第一，慢啟動的窗口由1個分組開始增加，達到一個合適的值，將耗費多個往返時間周期，此過程導致了短生存期連接對可用帶寬的低利用率，使窗口大小遠小於路徑帶寬延遲乘積。
第二，門限閾值初設。源端並不知道網絡可用帶寬容量，使用系統預設門限閾值。門限閾值過大，擁塞窗口的指數增長往往誤導太快地發送過多的分組，使瓶頸鏈路緩存區嚴重溢出，出現一個發送窗口中多個分組丟棄，使TCP發送端失去自時鐘，引發重傳超時，導致網絡的全局同步，網絡性能急劇惡化；門限閾值過小，將使得網絡帶寬探測過程提前終止，網絡帶寬沒有被完全利用就進入擁塞避免階段，造成傳輸性能低下。
在高帶寬長延遲網絡環境下，此問題尤為突出，目前傳統的方法一般通過設置較大窗口初始值，或根據歷史狀態信息、帶寬估算設置門限閾值的方法改善慢啟動性能，但在動態變化的網絡環境下這些方法都顯得靈活性不足，在異構網絡環境下效率不高。
發明內容
本發明的任務是克服TCP慢啟動易造成一個發送窗口內多個分組丟棄和網絡利用率低的缺陷，提出一種基於網絡測量的分階段慢啟動方法(MP-Start)。
本發明的解決方案為首先，數據發送源端根據報文的發送與應答情況，獲取當前網絡狀態，記錄報文最小往返延遲，計算出端到端的可用帶寬，根據往返延遲與可用帶寬乘積結果設置慢啟動的擁塞門限閾值，從而確立了慢啟動階段發送窗口的最大值。慢啟動階段窗口分階段採用不同增長規律，在小於等於二分之一門限閾值階段按指數規律增長，在大於二分之一門限閾值階段採用二分逼近規律增長，直到慢啟動門限閾值與發送窗口大小差值小於2，從而進入擁塞避免階段。在此過程中，為保持與網絡當前狀態一致，源端持續檢測網絡的狀態，並調整門限閾值。
TCP會話啟動後以不小於2的初始擁塞窗口開始發送分組，發送端提取連續兩個分組的發送時間之差；當分組成功發送，ACK返回時，發送端提取序號相連的兩個ACK到達時間差；將分組大小除以兩時間差的差值，得到當前測量可用帶寬值，再通過指數加權移動平均濾波器，計算出可用網絡帶寬。網絡帶寬與平均往返延遲RTTave相乘，得到兩者帶寬延遲乘積(BDP)，將慢啟動門限閾值ssthresh設置為BDP，並且根據網絡狀態的動態變化而動態變化。
通過實時在線帶寬測量技術確定門限閾值ssthresh，在擁塞窗口小於門限值的一半的情況下遵循指數增長規律，否則，擁塞窗口每次增加門限值與擁塞窗口之差(ssthresh-cwnd)的一半，逐步逼近門限值，直到其差值小於調節因子φ(ssthresh/2≥φ≥2)，同時將擁塞窗口設為門限值，從而進入擁塞避免階段，窗口的變化規律不同，如圖2所示，cwnd的變化規律如式(1)。
cwnd(t+T)=2cwnd(t),ifcwndssthresh/2(cwnd(t)+ssthresh)/2,ifssthresh-cwndandssthresh>cwndssthresh/2ssthresh,else---(1)]]>當φ＝2時，算法MP-Start與TCP Vegas慢啟動所經歷的時間基本相同，不過MP-Start將窗口增加的粒度減少了，改變了分布的時間段，開始和結束均比較平滑；與標準慢啟動比較，所經歷時間約為標準慢啟動的2倍，導致MP-Start性能降低，在帶寬延遲乘積大的情況下，有必要保證平滑性同時提高傳輸性能，引入了增長因子γ為大於等於1的整數(γ≥1)，表示源端每接收一個應答，cwnd增加的分組數，可以用來反映慢啟動窗口增加的快慢，例如，當γ＝1，φ＝2時，即為TCP慢啟動算法；如果γ＝3，φ＝2，當cwnd＜ssthresh/2時，每個RTT時間間隔cwnd增加為原來的4倍，當cwnd＞ssthresh/2時，每個RTT時間間隔cwnd增加幅度為3(ssthresh-cwnd)/4，直到ssthresh-cwnd小於φ，如圖2所示，MP-Start cwnd表達式如式(2)，cwnd(t+T)=(+1)cwnd(t),ifcwndssthresh/2(cwnd(t)+ssthresh)+1,ifcwndssthresh/2andssthresh-cwndssthresh,ifcwnd>ssthreshorssthresh-cwnd---(2)]]>引入增長因子γ和調節因子φ實現了上述慢啟動的參數模型，但靜態的參數設置會使這種參數模型不能適應網絡環境的變化，需要自適應的參數設置，MP-Start採用基於經驗的網絡協議設計方法，一般連接的慢啟動歷時不超過10個往返周期，即cwnd小於1024個分組大小，MP-Start也滿足該約定。根據圖2和MP-Start窗口曲線以及式(2)，在RTT和ssthresh固定不變，各慢啟動機制歷時情況如表1所示。
表1啟動階段經歷時間
MP-Start算法獲取慢啟動門限閾值ssthresh，分如下幾種情況設置慢啟動的調節因子、增長因子1)調節因子φ的設定保持與TCP協議的初始擁塞窗口initwnd一致。
2)當ssthresh足夠大，即log2ssthresh10,]]>基於性能考慮MP-Start經歷時間不能超過10RTTs，因此參數γ，φ滿足式(3)條件，log+1(ssthresh/2-)=5---(3)]]>3)當ssthresh比較小，標準慢啟動所經歷時間不超過5個往返時間周期，即ssthresh小於等於32個分組大小，MP-Start保持與標準慢啟動相同的cwnd增長率，γ，φ均等於1。
4)當ssthresh在這兩個門限值之間，即5log(ssthresh/2-)10,]]>調節因子γ的取值在情況2)，3)兩種取值之間逐漸增加，如式(4)，γ的值可以保持相對比較平滑地變化。
=1+log2ssthresh/2-5---(4)]]>基於上述的自適應策略，在ssthresh較小的情況下對傳輸性能影響較小，在高帶寬長延遲的網絡環境下，具有顯著效果。ssthresh是決定增長因子γ取值的關鍵因素，本發明通過網絡測量獲取ssthresh值。
以ssthresh/2為界，將慢啟動過程分為兩個階段，分別採用不同的窗口調節機制a)當cwnd≤ssthresh/2時，每成功接收到一個ACK，發送端擁塞窗口增加γ；b)當ssthresh-φ≥cwndφssthresh/2時，每成功接收到一個ACK，發送端擁塞窗口增加γ/(γ+1)+ssthresh/((γ+1)cwnd)；c)在擁塞窗口增加過程中，若cwnd≤(ssthresh-φ)，則慢啟動過程結束，進入擁塞避免階段。
在TCP協議的源端實時在線地測量網絡帶寬，利用TCP協議的滑動窗口機制和應答(ACK)返回，以傳送的分組作為探測分組，進行帶寬測量。源端當前發送窗口wi，分組大小為Pi，每個分組的往返時間為RTTi，每個分組ACK返回時間為ti，相鄰取樣點的間隔為Δi＝ti+1-ti，該採樣時間內網絡帶寬為Bi。那麼，對於一個TCP業務流，我們對每個返回的ACK進行取樣，這樣取樣周期並不固定，隨ACK返回時間變化，採樣獲得的帶寬如式(5)，Bi=PiTi+1-Ti---(5)]]>受時間擴展和壓縮影響，所測帶寬並不能完全匹配實際帶寬，解決辦法是採用濾波器消除噪音，考慮傳輸控制中需要在線實時測量，採用指數加權移動平均濾波器，如式(6)，其中 分別為本次與上一次測量值。
B^i=B^i-1+(1-)Bi---(6)]]>在實際測量中，有如下幾個方面的問題值得注意1)當數據傳送過程遭遇擁塞，不能按序返回ACK時，如返回重複的ACK，依然採樣，不過時間間隔增加了，測量帶寬將減少；若重傳計時器超時，分組往返時間急劇增加而影響測量準確性，因此，停止採樣並計算當前測量值，直到擁塞退出，也就是說當下一個分組正確應答，重新啟動測量。
2)由於TCP協議是建立在應答機制上，對於一個特定網絡，RTT能反映網絡的擁塞情況，在一個擁塞周期裡RTT的最小值為RTTmin及平均值為RTTave，其中RTTave根據式RTTave＝αRTTave+(1-α)RTTi計算。
與現有技術相比，本發明的優點在於1、本發明在TCP協議的慢啟動階段引入了基於源端節點的在線實時網絡可用帶寬測量，可有效獲得網絡的狀態，為門限閾值的動態設置提供支持，具有簡單高效的特點。與其他基於ICMP、UDP協議的測量技術相比，本發明實現容易，只需要在TCP協議源端進行修改；本發明部署方便且不易被路由器、防火牆和伺服器屏蔽掉。
2、本發明引入了一種分階段的慢啟動窗口調節機制，使得窗口增加的過程更加平滑。一個網際網路的連接啟動時，能夠以較小的數據發送速率去試探網絡帶寬，在過渡到擁塞避免階段時，窗口增加幅度較小確保了平滑過渡，同時可用帶寬測量技術設置了合適的ssthresh值，從而有效地減少了丟包率和一個窗口中發生多個分組丟棄的概率。
3、本發明引入了動態自適應的參數配置機制，使得MP-Start能夠適應各種不同帶寬、延遲的網絡，具有相對穩定的慢啟動持續時間，從而有效提高了慢啟動的網絡性能。
圖1是TCP協議擁塞控制窗口隨時間在4個階段的變化情況；圖2是各種慢啟動機制的擁塞窗口規律比較。
具體實施例方式
本發明作用於TCP慢啟動階段，在連接開始啟動和進入擁塞避免的兩個鄰近階段擁塞窗口增加幅度較小，變化比較平滑，能減少網絡中其他共享連接的影響，保持了網絡運行的穩定，減少了網絡的抖動。本發明的具體處理流程如下1.初始化，將cwnd＝wndinit，ssthresh＝ssthreshinit，設置調節因子φ，濾波器參數d；2.初始化，k為發送分組的編號，設初始值k＝1，RTTmin＝RTTave＝RTTinit；3.以cwnd為窗口大小同時發送分組，並啟動滑動窗口機制；記錄每個分組發送時間tsk；計算連續兩個分組的發送時間差τ＝tsk-tsk-1；4.如果接收三個重複應答或應答超時，則重新進入慢啟動階段；轉1；5.如果第k個分組正確返回ACKk，記錄分組返回時間trk，同時計算序號連續兩個分組的ACK返回時間差τk-1′＝trk-trk-1；如果k＝1 then RTTmean＝RTT1；如果k＞1，則計算RTTmean，計算公式為RTTmean＝((k-1)×RTTmean+RTTk)/k，並計算當前瞬時測量可用帶寬Bt_cur；如果k＝2，則Bt＝Bt_cur；
如果k＞2，則通過指數加權移動平均濾波器計算測量帶寬Bti＝αBtI-1+(1-d)Bt_cur；根據可用帶寬和延遲狀況，估測慢啟動門限值ssthresh＝Bt×RTTmean/P；a)調節因子φ＝initwnd；b)如果log2ssthresh10,]]>則γ，φ滿足條件方程式log+1(ssthresh/2-)=5;]]>c)如果ssthresh≤32，則γ，φ均等於1；d)如果5log(ssthresh/2-)10,]]>則γ，φ滿足條件方程式=1+log2ssthresh/2-5]]>如果cwnd＜ssthre sh/2，則cwnd＝cwnd+γ；如果ssthresh-φ≥cwndφssthresh/2，則cwnd=cwnd+(rr+1+rr+1ssthreshcwnd);]]>6.將發送分組序號增加1，k＝k+1，如果k＜(ssthresh-φ)就跳轉到第4步，等待對應的ACK返回；7.否則cwnd＝ssthresh，進入擁塞避免階段。
權利要求
1.基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法，其特徵在於首先，數據發送源端根據報文的發送與應答情況，獲取當前網絡狀態，記錄報文最小往返延遲，計算出端到端的可用帶寬，根據往返延遲與可用帶寬乘積結果設置慢啟動的擁塞門限閾值，從而確立了慢啟動階段發送窗口的最大值，慢啟動階段窗口分階段採用不同增長規律，在小於等於二分之一門限閾值階段按指數規律增長，在大於二分之一門限閾值階段採用二分逼近規律增長，直到慢啟動門限閾值與發送窗口大小差值小於2，從而進入擁塞避免階段，在此過程中，為保持與網絡當前狀態一致，源端持續檢測網絡的狀態，並調整門限閾值。
2.根據權利要求1所述的基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法，其特徵在於TCP會話啟動後以不小於2的初始擁塞窗口開始發送分組，發送端提取連續兩個分組的發送時間之差；當分組成功發送，ACK返回時，發送端提取序號相連的兩個ACK到達時間差；將分組大小除以兩時間差的差值，得到當前測量可用帶寬值，再通過指數加權移動平均濾波器，計算出可用網絡帶寬，網絡帶寬與平均往返延遲RTTave相乘，得到兩者帶寬延遲乘積(BDP)，將慢啟動門限閾值ssthresh設置為BDP，並且根據網絡狀態的動態變化而動態變化。
3.根據權利要求1所述的基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法，其特徵在於分為如下幾種情況設置慢啟動的調節因子、增長因子a)調節因子φ的設定保持與TCP協議的初始擁塞窗口initwnd一致；b)當ssthresh足夠大，即log2ssthresh10,]]>γ，φ滿足下式條件，log+1(ssthresH2-)=5]]>c)當ssthresh比較小，標準慢啟動所經歷時間不超過5個往返時間周期，即ssthresh小於等於32個分組大小，γ，φ均等於1；d)當ssthresh在這兩個門限值之間，即5log(ssthresh/2-)10,]]>增長因子γ的取值在情況a)，b)兩種取值之間逐漸增加，如式下式，γ的值保持相對比較平滑地變化，=1+log2ssthresh/2-5.]]>
4.根據權利要求1所述的基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法，其特徵在於以ssthresh/2為界，將慢啟動過程分為兩個階段，分別採用不同的窗口調節機制a)當cwnd≤ssthresh/2時，每成功接收到一個ACK，發送端擁塞窗口增加γ；b)當ssthresh-φ≥cwndφssthresh/2時，每成功接收到一個ACK，發送端擁塞窗口增加γ/(γ+1)+ssthresh/((γ+1)cwnd)；c)在擁塞窗口增加過程中，若cwnd≤(ssthresh-φ)，則慢啟動過程結束，進入擁塞避免階段。
全文摘要
本發明公開了一種基於網絡狀態測量的分階段慢啟動傳輸控制方法。該方法通過實時在線帶寬測量技術確定門限閾值ssthresh，在擁塞窗口小於門限值的一半的情況下遵循指數增長規律，否則，擁塞窗口每次增加門限值與擁塞窗口之差(ssthresh－cwnd)的一半，逐步逼近門限值，直到其差值小於調節因子φ(ssthresh/2≥φ≥2)，同時將擁塞窗口設為門限值，從而進入擁塞避免階段。本發明能夠減少慢啟動階段一個窗口中多個報文丟失現象的發生，降低丟包率，提高網絡傳輸性能。
文檔編號H04L1/16GK101094047SQ20071003529
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月6日 優先權日2007年7月6日
發明者鄧曉衡, 盧錫城, 王懷民, 彭宇行 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學