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1、网络中基于拥塞丢包的T C P 拥塞控制方案 1 前言 张瑜，古鸣 ( 重庆城区供电局) 随着企业信息化高潮的到来，电力企业信息化也 进入了加速发展阶段。不同的应用在企业局域网上涌 现。怎样确保企业关键业务应用在网络上运行的服务 质量，怎么建立一个“好网络”，已经日益成为不 仅仅只是网络管理人员，也是电力企业中个级主管所 关注的题目 “好网络”的一条重要标准，就是看它能否为 避免资源浪费和保证关键业务的服务质量，使数据 流量在广域网链路中实现负载分担，并且能够让网 络专线承载某些业务。 在人们的眼中，对“好网络”往往有几个基 本标准，那就是看它能否在为企业提供办公数据、 语音、视讯业务综合传输
2、的同时，保证视频会议等 关键业务的服务质量；能否体现出高可靠性，设各 和链路都不存在单点故障；能否实现良好的可扩展 性，并随着业务的不断扩展，网络可以实现平滑扩 展；能否方便地实施运维管理，尽量采用简便、成 熟的技术，方便大多数技术人员维护。 但是，还有一点是非常重要的，那就是看它能 否为避免资源浪费和保证关键业务的服务质量，企 业要提高生产力和竞争，整个生产和服务流程信息 化已经是大势所趋。办公自动化、数据库、E R P 、 C R M 、S C M 等关键业务应用与日俱增。同时，这些 花费大部分I T 预算的应用却要与其他不紧要的应用， 如电邮和网上浏览等应用争夺有限的网络资源，网 络阻塞
3、已经成为我们日常每天都要面对的问题。这 一点更加重要，往往在网络规划和实施过程中，不 被人们所关注，以至在对网络的运维管理中显得捉 襟见肘。 今天局域网普遍采用技术有I O M 、1 0 0 M 、1 0 0 0 M 和全半双工之分，广域网采用S O N 、D D N 、I S D N 或 者卫星等传输技术，传输带宽常在2 兆以下。在局 域网与与广域网结合部上吞吐量的如此巨大的差异， 使通信瓶颈自然形成。当大量信息包从局域网涌向广 域网瓶颈时，广域管道出现严重阻塞，浪峰之间带 宽利用率下降，也就是说，网络中信息源，即服务 器和客户机向网络发送信息的量不受控制，阻塞的发 生就很自然了。 2 2
4、信息源发送数据的随机性 无论是服务器或客户机，在收到对方信息发送请 求后就会向网络发送对方所需的数据。信息源在这时 是不会关心或顾及网络及是否有资源去处理正在被发送 的数据量，而是先发了在算。数据包因为阻塞被丢弃 而需重发则是下回分解。当网络中所有信息源都是这 样毫无节制的，随机随意的任意发送数据，阻塞肯定 是会产生的。 2 3T C P 的突发行为 为了使每一项传输任务能尽早完成，T C P 协议具 有一种控制流特性叫“慢起”( S l O WS t a r t ) ，要 求每对T C P 会话中接收一方在确认封包中向发送方广 播一个比上次交易更大尺寸的窗口，使发送方在下一 轮的发送中不需等
5、待确认便发送更大量的信息。这种 机制的原意是要提高传输效率，好让任务尽早完成。 但是在带宽供求失衡时，这种机制让发送一方发送大 量的数据直至数据被堵塞或者干脆掉弃为止。当网络 中每一对T C P 会话都以这样的方式作传输时，将给广 域瓶颈带来很大的压力。 2 网络拥塞引起的原因 2 4 信息鼢由籼长的等j 嗣破铁 2 1 局域网与广域网结合部吞吐容量的 巨大落差 从局域网发向广域网的信息流总量超过广域网传 输容量时，路由器只能让来不及转发的信息包在路由 器上大排长龙。除了排队需要时间，路由器花在管理 所有大大小小队列上的时间也不可忽视。路由器平时 一271 ：， 当完成主要的路由任务已经忙的不
6、可开交，现在还要分 散精力去处理与队列优化任务，所以路由工作也会慢下 来。当路由器里的队列过长，路游器上不同的信息包 掉弃机制就会启动，大量的信息包就会被抛弃，导致 严重的T C P 重发。 3 基于资源加权分配的T C P 拥塞 控制 网络阻塞问题就经常发生在我们身边，没有办法 根治种种引起阻塞问题的出现。我们就无法在任务时候 都能保障企业关键应用的畅通无阻。下面着重讨论基于 拥塞丢包的T C P 拥塞控制方案。主要介绍的基于资源加 权分配的拥塞控制能够根据应用或用户的需求实施不同 力度的拥塞控制，从而实现网络资源的加权分配。 4 基于资源加权分配的T C P 拥塞 控制 在现有的T C P
7、 I P 协议体系下，所有T C P 业务完 全公平地竞争网络资源，也就是说，不管是何种应 用，不管业务的提供者是谁，T C P 提供的均是相同的 服务，使之难于满足不同用户、不同应用的通信需 求，如有的用户要求在多付费下，网络能为其优先 分配网络资源，而有的应用则要求保证一定的服务质 量。还有，不同业务对网络资源的需求度不尽相同， 如时延敏感的应用显然要求优先分配网络资源。 考虑到端到端拥塞控制在I n t e r n e t 中的重要性 E 3 8 ，我们期望能够通过对现有端到端T C P 拥塞控制机 制的改进来达到这一目的。基于A I M D 确定模型，结 合理论分析，我们得出了简单易行
8、的T C P 拥塞控制机 制改进方案 2 3 】。此机制可根据用户和应用的不同通信 需求，进行网络资源的加权分配，有效实现服务质 量的相对保证，改善网络的通信性能。 4 1 基本思想 为了满足不同用户、不同应用的通信需求，先 将各种需求映射为业务服务级别，然后引入资源分配 加权系数w ( w 0 ) ，对不同服务级别的业务赋予不同 的加权系数，通常服务级别高的业务被赋予大的加权 系数，服务级别低的业务被赋予小的加权系数。通 过要求在同等通信条件下业务的平均数据发送速率与加 权系数成正比来实现网络资源的加权分配。于是，可 在T C P 拥塞控制机制中引入加权系数，以期实现稳态 F 业务的平均拥塞
9、窗口值与加权系数成正比。 一272 4 2 基本原理 基于上述基本思想，可在T C P 拥塞控制机制中引 入加权系数W ，并且使网络在发生拥塞后，拥塞窗口 变为最近拥塞窗口值的W ( 1 - b ) 倍。假设有两个业务竞 争网络资源的情形，业务1 、2 的加权系数分别为W ，、 W 。，拥塞控制中所采用的加性因子分别为a 、a ，乘 性因子分别为b 、b 。这样，根据A I M D 确定模型 3 6 ，可得系统稳态下它们的拥塞窗口随时问的变化 规律，如图1 所示。 骶m 翮r r ) 图1稳态下两业务竞争网络资源时的拥塞窗口 由图1 易得，业务1 、2 所对应的平均拥塞窗口 值分别式( 6 1
10、0 ) 、式( 6 11 ) g a v e r a g e C W N D 。= 华M m a v e r a g e C W N D ：= 华职 由式( 6 10 ) 、式( 6 11 ) 可得业务1 、2 的平均拥塞窗口之比为： ，谊矗O21 + ( I b l 徊l 1 + ( 1 一b 2 p 2 ( 6 1 2 ) 由于业务1 、2 共同竞争网络资源，因此可认为 它们具有相同的拥塞周期，设为T ，于是有： 铲半彤 口，：! 二! ! 二丝逸职 丁 ( 6 1 3 ) ( 6 1 4 ) 结合式( 6 12 ) 、( 6 一l3 ) 、( 6 14 ) 可得： 砌= 罢踹1 祟b 2
11、 ) c o 揣 I 等端b 伶5 ，口2 【l + ( 一 2 】一( 1 2 ) I 给2 】 显然，两业务在资源竞争的相对关系上与加权系 数、加性因子、乘性因子有关。为了实现系统资源 的加权分配，则要求这种相对关系只与加权系数相 关，即： r a t i D ：堕( 6 1 6 ) ( - 0 2 结合式( 6 15 ) 、( 6 16 ) 可知，可得： 砌l = 口l 【l + ( 1 一b 1 ) c o i 1 一( 1 一b i ) c o l 】 ( 6 1 7 ) 6 2 = a 2 【l + ( 1 6 2 ) 国2 】【1 一( 1 6 2 ) 仞2 】 ( 6 1 8
12、) 显然，式( 6 17 ) 、式( 6 18 ) 具有相同的 形式，为便于讨论，给出它们的一般表示式： 6 = a 1 + ( 1 一b ) e o 】 1 一( 1 一西) 国】 ( 6 1 9 ) 式中w 为业务的加权系数，a 加性因子，b 为乘性 因子，称6 为比例因子。这样，对所有的业务，当 它们配置相同的6 ，采用上述改进的基于A I M D ( a ，b ) 的拥塞控制算法，且w 、a 、b 、8 之间的关系满足式 ( 6 19 ) 时，可实现网络资源的加权分配，即多个业 务所获得的网络资源之比为它们的加权系数之比。 4 3 参数选取 w 、a 、b 、6 的选取应满足如下基本原
13、则： ( 1 ) W 、a 、b 、6 均应大于0 ，所有发送端 配置相同的6 ： ( 2 ) 要求拥塞后，拥塞窗口应减小，即有0 w ( 1 _ b ) a 或b 1 ； ( 3 ) a = 1 ，( 1 - b ) w = 0 5 时，6w = 3 。 另外，由于( 1 6 ) 国：t 曼r , O 一- a ( 此结果可由式O ( 9 + a ( 6 1 9 ) 导出) 反映了数据发送速率的波动性，即( 卜 b ) w 越大，数据发送速率的波动越小。加之不同的业务 对速率波动性的要求也不尽相同。还有，速率的波动性 也会影响网络资源的利用率，就一般来说，波动越小， 网络资源的利用率也就越高
14、，也利于往返时延的估计， 这对于带宽较窄的无线环境而言尤为重要。因此，在选 取W 、a 、b 、6 的问题上，还应考虑数据发送速率的 波动性。如小的a ，大的6w ，大的b 均会使发送速率 的波动性变小。不过要值得注意的是在考虑波动性的同 时还应考虑端系统对网络拥塞的响应性，实际环境下， 可酌情折衷考虑波动性和响应性。 4 4 具体实现 由于实际应用时，对所有发送端必须取一至的 6 ，w 又与业务的服务级别有关。因此，具体实现时， 可把6 、w 当作已知量。 这样，就有两种方案来实现此机制。一是先选 取a ，然后由式( 6 21 ) 求出b ；二是给出b ，再 由式( 6 2 0 ) 求出a
15、。此机制在发送端的具体实现 过程如下： ( 1 ) 所有发送端配置相同的6 ，将业务服务级 别映射为加权系数W ，之后选取合适的b 或a ，再根 据式( 6 20 ) 或式( 6 21 ) 求出a 或b 。 ( 2 ) 拥塞避免阶段，每一往返时间，拥塞窗 口值加a 。 ( 3 ) 网络发生拥塞后，拥塞窗口值变为当前值 的w ( 1 - b ) 倍。 ( 4 ) 沿用现有T C P 拥塞控制的慢起动机制。 ( 6 2 1 ) 4 5 仿真结果分析 由条件( 1 ) 、( 2 ) 知0 b a 。另外为了实现与当前T C P 拥塞控 制机制的一致性，要求此机制在某一加权系数W n 的情 况下，实施
16、的即为T C P 拥塞控制，也就是要求a 一1 时， ( 1 一b ) w 。= O 5 ，将其代入式( 6 1 9 ) ，可得6w 。= 3 。 综上，可知w 、a 、b 、6 的选取应满足如下条件： ( 1 ) w 、a 、b 、6 均应大于0 ，所有发送端 配置相同的6 ； 根据条件a = 1 ，( 1 一b ) 2 0 5 时，6w o = 3 ，取加 揪W o ：l 所对应的拥塞控制机制即为当前的T C P 拥 塞控制机制，于是有6 ：3 。 4 5 1 仿真拓扑及相关假设 我们选用有名的单瓶颈( 哑铃) 拓扑作为此机 制的仿真拓扑，如图2 所示。 心2 0 0 7 - 锄行业信息化年会 图2 单瓶颈( 哑铃) 拓扑 图6 1 2 中S l 、S 2 、S 3 为数据发送端，R 1 、R 2 、 R 3 为数据接收端，可创建三个T C P 连接：S 1 N 1 N 2 _ R 1
