專利名稱：混合網(wǎng)絡中基于ecn機制的擁塞控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法。
背景技術：
與有線網(wǎng)絡不同的是，無線網(wǎng)絡具有較高的比特誤碼、復雜的信道衰落、突發(fā)的設備噪聲，這些特點將導致頻繁產(chǎn)生丟包，可是傳統(tǒng)TCP把所有的丟包簡單歸結為網(wǎng)絡擁塞而盲目采取控制策略，從而極大降低了TCP的性能。因此在有線/無線混合網(wǎng)絡中TCP需要排除非擁塞丟包對原有的擁塞控制機制的影響。
有線/無線混合網(wǎng)絡中主要是通過區(qū)分擁塞丟包和無線錯誤丟包來改進TCP性能的。丟包區(qū)分方法有基于往返時延的NCPLD[4]、基于包的到達間隔的TCP-Biaz[5]、基于ROTT的TCP-Spike[6]、基于RTT變化的TCP-Bayes[7]、基于頭部校驗和的TCP-HACK[8]等等。已有的這些方法主要存在以下的問題(1)大多數(shù)區(qū)分方法采用端到端的測度，而在構成日益復雜的混合網(wǎng)絡中它們具有較強的動態(tài)性，因此建立這些測度和網(wǎng)絡狀態(tài)之間的對應關系是有困難的。這將直接影響丟包區(qū)分的準確性和相應的TCP性能。TCP-Bayes方法充分重視了這一特點，建立了表明RTT和丟包性質之間動態(tài)關系的HMM模型，將區(qū)分準確率保持在了80％以上，但是獲得此模型需要基于歷史數(shù)據(jù)進行學習和訓練，由此付出的代價將使得該方法在TCP控制中的應用受到極大的限制。
(2)目前對區(qū)分方法的評價采用丟包事件的準確性指標，而在混合網(wǎng)絡中由于長時延特性對單個丟包事件的響應不具備實時性，也就是說，發(fā)送方所獲得的區(qū)分信息其實是先前的某個時刻網(wǎng)絡的狀態(tài)。那么即使區(qū)分正確率達到100％，對于提高TCP性能也可能毫無幫助。TCP中如何有效利用丟包事件及其區(qū)分信息是很關鍵的。
作為目前混合網(wǎng)絡中重要的TCP協(xié)議，TCP Westwood，Jersey都采用了丟包區(qū)分的方法。
TCP通過監(jiān)測返回ACK速率來持續(xù)測量有效帶寬，并用當前有效帶寬估算擁塞窗口和慢啟動門限值。該方法基于系統(tǒng)的測量結果采取不同的控制策略，實際上是把丟包識別的規(guī)則隱含全局控制里面。它的瓶頸在于ACK到達的時延和累積效應使得帶寬估計的準確性受到影響。
TCP Jersey[13]TCP Jersey在Westwood的基礎上借助于ECN機制增強了丟包區(qū)分的能力，當發(fā)生丟包時發(fā)送方檢測ACK反饋，如果其中擁塞標記位(Congestion Explicit)置1，就將該丟包歸為擁塞引起的，否則歸為錯誤引起的。這就是Fei和Shiduan提出的Wireless_ECN方法，以下簡稱WECN。然而近年已有一些研究指出ECN機制的丟包區(qū)分能力是比較弱的，完全依賴于擁塞感知的精確程度。為此，有大量的工作從兩個方面改進了基于ECN機制的丟包區(qū)分算法。
第一個方面的工作旨在提高ECN機制對擁塞的感知/標記的精度。
SpecTCP通過優(yōu)化AQM的各項參數(shù)(緩存大小、標記閾值、丟包概率等)來最小化擁塞丟包，但是這種參數(shù)優(yōu)化由于是靜態(tài)配置的，在多個流多瓶頸的網(wǎng)絡中是難以保證擁塞丟包的最小化。
Multilevel ECN將標記概率區(qū)間細分為兩級，并分別設計了相應的標記概率，該方法提高了ECN標記的準確性，但是也增加了路由器工作的復雜性，同時參數(shù)的設置變得更加敏感。
第二個方面的工作旨在減少ECN反饋的時延，確保TCP響應的實時性。如果ECN機制能夠在各種流量發(fā)生模型中準確標記擁塞，那么應該如何對ECN的擁塞標記進行響應呢？ACK Spoofing/Congestion Signal Cancellation方法允許路由器在反饋擁塞標記的過程中及時更新的網(wǎng)絡狀態(tài)，ACK Spoofing通過自行產(chǎn)生3個重復ACK提前向發(fā)送方通告擁塞，Congestion Signal Cancellation則事先緩存擁塞標記，等待下一時刻路由器確認網(wǎng)絡狀態(tài)再決定是否發(fā)送該標記，這兩種技術都是為了讓發(fā)送方在最短的時間內(nèi)捕獲最近的網(wǎng)絡狀態(tài)，但是由路由器完成這樣的工作無疑加大了系統(tǒng)開銷和實施難度。
可見，基于ECN機制的擁塞控制方法得到了廣泛的關注，已有的優(yōu)化方案使其顯示出巨大的應用潛力。但是對于上描第二個方面的問題，即如何利用ECN的擁塞反饋來控制TCP行為，仍然需要尋找更加簡潔有效的方案，也是提高目前混合網(wǎng)絡中TCP協(xié)議性能的一個關鍵點。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述基于ECN機制的擁塞控制方法存在的技術問題，本發(fā)明提供了一種混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法。該方法能夠將丟包事件和擁塞概率相結合進行速率調控，從而保障了鏈路錯誤增加的情況下TCP的健壯性。
本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟截取路由器的最近一段ECN反饋信息，并依據(jù)其中擁塞標記的分布來計算擁塞概率，發(fā)送方通過擁塞概率的變化趨勢進行擁塞預測，并根據(jù)預測結果調整擁塞控制機制。
上述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法中，所述擁塞概率計算如下
CP=Σi=0m-1wi*Ack[i]->ecnecho]]>上式中Ack是發(fā)送方采集的最近到達的ACK序列，Ack[i]-＞ecnecho是其中第i個ACK包中CE位的取值，wi是ACK[i]的權值，Σi=0m-1wi=1.]]>上述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，當擁塞概率值變化呈現(xiàn)增加的趨勢時，發(fā)送方將當前網(wǎng)絡推斷為擁塞狀態(tài)。
上述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，僅當預測的結果為擁塞時TCP發(fā)送方才啟動降速等相應的擁塞控制機制，否則只是重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。
本發(fā)明的技術效果在于本發(fā)明中發(fā)送方在收到每個ACK包時刷新ACK數(shù)組，并計算新的擁塞概率值，對于正常ACK完全按照固有的ECN機制進行控制，而對于重復ACK，根據(jù)擁塞概率值推斷網(wǎng)絡狀態(tài)，只有當推斷的結果為擁塞丟包時，才降低發(fā)送窗口大小。本發(fā)明方法通過擁塞概率值的變化規(guī)律來進行擁塞推斷，即只有當擁塞概率值呈現(xiàn)增加的趨勢時才推斷為擁塞，從而避免了使用獨立ECN反饋時，對網(wǎng)絡狀態(tài)判斷的瞬時性和盲目性。由于本發(fā)明實施中只需要修改發(fā)送方代碼，本發(fā)明方法能夠應用于各種TCP協(xié)議，使之適應于有線/無線混合網(wǎng)絡中異構鏈路的傳輸特性，以保證網(wǎng)絡獲得更高的吞吐量和鏈路利用率，同時保持和原有TCP協(xié)議之間的友好性，以及流與流之間的公平性。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為本發(fā)明的流程圖。
圖2本發(fā)明的TCP吞吐量模擬仿真環(huán)境。
圖3為本發(fā)明應用于Westwood中的性能分析效果圖，其中本發(fā)明命名為CPECN。圖3(a)為不同標記方法的吞吐量比較；圖3(b)為端到端丟包率比較；(c)發(fā)送窗口變化情況。
圖4本發(fā)明的TCP協(xié)議友好性模擬仿真環(huán)境。
具體實施例方式
參見圖1，圖1為本發(fā)明的流程圖。過程如下TCP啟動后首先進入慢啟動，當擁塞窗口超過慢啟動閾值后就進入擁塞避免階段。在擁塞避免階段中，如果發(fā)生超時，那么就重新開始慢啟動；如果收到新的ACK，就按正常的TCP進行擁塞避免；但如果收到重復的ACK，就需要進行擁塞預測。擁塞預測方法如下截取路由器的最近一段ECN反饋信息，并依據(jù)其中擁塞標記的分布來計算擁塞概率，發(fā)送方通過擁塞概率的變化趨勢進行擁塞預測，并根據(jù)預測結果調整擁塞控制機制。如果預測結果為擁塞，那么發(fā)送方將進行速率調整并重發(fā)進入快恢復；如果預測的結果為非擁塞，那么發(fā)送方僅僅重發(fā)和進入快恢復。
本發(fā)明中用“擁塞概率”來表明分析的結果。具體地，由TCP發(fā)送方采集最近一段ACK的反饋信息，采用EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)方法對擁塞概率進行預測，將該概率稱為“擁塞可能性因子”，計算方法如下CP=Σi=0m-1wi*Ack[i]->ecnecho,]]>式(1)其中Ack[i]-＞ecnecho＝{0，1}，Σi=0m-1wi=1,wi=α,i∈
β,i∈[m/2,m-1],]]>m越大，獲取的ECN反饋越多，越有利于預測概率的準確性，但同時會影響擁塞控制和差錯控制的實時性。沿襲Reno中連續(xù)3個重復ACK進入慢啟動的做法，并且截取下一個ACK包來確定中間路由器的狀態(tài)，因此實驗中以4個ACK包為單位計算P擁塞概率，并結合前后2個單位進行概率分析，即m＝8。按照EWMA方法，對最近的4個ACK包取較大的權值α，對之前的4個ACK取較小的權值β，令前4個ACK的全概率之和等于最近1個ACK的全概率，那么Σβ=α4*α+4*β=1]]>即α＝0.2，β＝0.05。
綜上所述，采用本發(fā)明方法可以使得TCP連接不受短期可恢復的非擁塞丟包事件的影響，從而可以增強TCP對抗錯誤鏈路的能力。
利用NS2.28網(wǎng)絡仿真平臺，我們在TCP Westwood中實現(xiàn)了本發(fā)明方法，并對其性能進行了測試。NS網(wǎng)絡模擬器是一種通用的多協(xié)議網(wǎng)絡模擬軟件，它是互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的(網(wǎng)址http://www.isi.edu/nsnam/ns)，目前已被網(wǎng)絡研究者廣泛使用。NS2.28是它的版本之一。
我們采用圖4所示的拓撲結構測試本發(fā)明方法的性能。如圖4所示，單個TCP流從R0發(fā)送到R3，R1至R2之間模擬經(jīng)過多個路由器的長時延的Internet，最后一跳為含錯誤丟包的無線鏈路。具體地，用戶接入端鏈路帶寬為100M，無線鏈路帶寬為10M，時延均為3ms，瓶頸帶寬5M，時延40ms，瓶頸上的緩存大小設定為管道容量。在Westwood中我們同時添加了WECN方法作為比較。為了測試鏈路丟包情況下的TCP性能，模擬實驗中我們引入了一個簡單的錯誤丟包模型，并用鏈路丟包率作為該模型的參數(shù)。默認模擬過程持續(xù)100秒。所有協(xié)議流的分組大小均設為1Kbyte。
1、吞吐量的分析圖3(a)給出了在不同丟包率下WECN方法和本發(fā)明方法應用于TCPWestwood時吞吐量的比較，假設路由器上采取簡單閾值標記方法，從圖中可見，無論路由器上的閾值如何設置，應用WECN方法都能夠獲得比應用本發(fā)明方法更高的吞吐量。
為了進一步分析吞吐量提高的原因，圖3(b)、圖3(c)給出了標記閾值取隊列大小的3/4時鏈路丟包率和TCP窗口的變化情況(這里丟包率均指錯誤模型中指定的鏈路丟包率，而端到端丟失率指TCP發(fā)送方統(tǒng)計的接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包之比)，圖3(b)表明Westwood的端到端丟包率隨著鏈路丟包率的增加而增加的幅度最大，尤其在丟包率超過0.005后。應用WECN方法和本發(fā)明方法并沒有加大端到端丟包率，說明本發(fā)明方法是以提高鏈路利用率來提高吞吐量的。
圖3(c)比較了0～30ms期間的窗口變化情況(取Loss Rate為0.01)，Westwood有多次進入慢啟動，尤其在30ms附近Westwood的發(fā)送窗口出現(xiàn)了嚴重的抖動；應用WECN方法后，發(fā)送方在丟包并收到單個ECN反饋的擁塞標記后也進入了一次慢啟動；應用本發(fā)明方法后，由于基于擁塞概率值變化趨勢的預測結果為”False”，因此TCP沒有在丟包時進入慢啟動，同樣在22ms附近本發(fā)明方法出現(xiàn)了與WECN方法不同的判斷，總的來看，本發(fā)明方法的發(fā)送窗口更加平穩(wěn)。
在圖2所示網(wǎng)絡中加載服從指數(shù)分布的ON/OFF流，其速率為5Mbps，在約100ms的RTT時間內(nèi)有25ms處于“on”狀態(tài)，其余時隙處于“off”狀態(tài)。表1描述了UDP/TCP混合流測試的結果。
表1加載on/off流情況下TCP/UDP吞吐量比較

表1可見，Westwood在混合網(wǎng)絡中具備較好的與UDP流共享帶寬的能力，但是隨著丟包率從0.001加大到0.01，TCP流的吞吐量降低了20％；應用WECN方法后在TCP與UDP流競爭信道時并沒有體現(xiàn)更大的優(yōu)越性；應用本發(fā)明方法后，TCP的總體吞吐量是最優(yōu)的，而且隨丟包率的加大，吞吐量只下降了11％。
2、公平性和友好性分析公平性和友好性是TCP協(xié)議的重要性能，相同TCP的多個連接必須和諧共處并快速收斂到公平點，同時新的TCP協(xié)議應當能夠與其他傳統(tǒng)的TCP協(xié)議共存，而不會導致使用傳統(tǒng)協(xié)議的TCP流被餓死。我們采用圖6所示的拓撲對應用本發(fā)明方法時TCP的公平性和友好性測試。
公平性試驗中采用10個相同的TCP流接入瓶頸鏈路，10個流的總帶寬為1000Mbps，共享20Mbps的長時延瓶頸鏈路，詳細描述見圖4中的標注。表2的測試結果表明應用本發(fā)明后TCP Westwood在不同丟包率情況下的公平性均較好。
表2 10個相同TCP流公平性比較

友好性實驗中將10個TCP流分別分配給兩類協(xié)議，一類采用應用本發(fā)明方法的Westwood協(xié)議，另一類采用原來的Westwood協(xié)議。表3給出了兩類協(xié)議占用不同連接時，平均吞吐量的變化情況，從中可見，本發(fā)明方法在各種情況下都能夠與Westwood友好共存。
表3本發(fā)明方法與Westwood友好性實驗

從以上實驗數(shù)據(jù)看來，應用本發(fā)明方法的Westwood協(xié)議這兩個方面的性能比較理想，這是因為Westwood這種針對無線鏈路的TCP協(xié)議，本身已經(jīng)克服了Reno等傳統(tǒng)TCP協(xié)議的一些缺陷，首先，Westwood采用的調節(jié)SSTHRESH和CWND的方法，比Reno中直接將這2個值置1或減半的方式，能夠更有效的控制TCP速率，減少鏈路差錯所帶來的影響；其次，應用WECN方法借助中間路由器的擁塞標記在發(fā)送端分離差錯控制和擁塞控制，起到了一定的作用。而本發(fā)明方法在它們的基礎上，對反饋的擁塞標記進行了更合理的利用，因此在自身的公平性和與Westwood的友好性方面表現(xiàn)更好。
權利要求
1.一種混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，包括以下步驟截取路由器的最近一段ECN反饋信息，并依據(jù)其中擁塞標記的分布來計算擁塞概率，發(fā)送方通過擁塞概率的變化趨勢進行擁塞預測，并根據(jù)預測結果調整擁塞控制機制。
2.根據(jù)權利要求1所述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，所述擁塞概率計算如下CP=Σi=0m-1wi*Ack[i]->ecnecho]]>上式中Ack是發(fā)送方采集的最近到達的ACK序列，Ack[i]-＞ecnecho是其中第i個ACK包中CE位的取值，wi是ACK[i]的權值，Σi=0m-1wi=1.]]>
3.根據(jù)權利要求1或2所述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，當擁塞概率值變化呈現(xiàn)增加的趨勢時，發(fā)送方將當前網(wǎng)絡推斷為擁塞狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求1所述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，僅當預測的結果為擁塞時TCP發(fā)送方才啟動降速等相應的擁塞控制機制，否則只是重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。
5.根據(jù)權利要求3所述的混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，當發(fā)送方收到一個ACK時，首先刷新ACK數(shù)組并計算最新的擁塞概率，如果該ACK是一個正常的數(shù)值，那么無論當前擁塞概率是何值，都與固有的TCP擁塞概率協(xié)議一樣保持擁塞避免或慢啟動；如果該ACK是一個重復ACK并且依據(jù)擁塞概率預測的結果為擁塞，那么發(fā)送方將進行速率調整并重發(fā)進入快恢復；如果該ACK是一個重復ACK并且依據(jù)擁塞概率預測的結果為非擁塞，那么發(fā)送方僅僅重發(fā)和進入快恢復。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合網(wǎng)絡中基于ECN機制的擁塞控制方法，包括以下步驟截取路由器的最近一段ECN反饋信息，并依據(jù)其中擁塞標記的分布來計算擁塞概率，發(fā)送方通過擁塞概率的變化趨勢進行擁塞預測，并根據(jù)預測結果調整擁塞控制機制。本發(fā)明通過擁塞概率值的變化規(guī)律來進行擁塞推斷，即只有當擁塞概率值呈現(xiàn)增加的趨勢時才推斷為擁塞，從而避免了使用獨立ECN反饋時，對網(wǎng)絡狀態(tài)判斷的瞬時性和盲目性。擁塞預測的結果用于控制TCP丟包響應行為，可以較為精確地消除混合網(wǎng)絡中非擁塞丟包對TCP擁塞控制的影響。
文檔編號H04L1/06GK101056260SQ20071003496
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權日2007年5月21日
發(fā)明者王建新, 葉進 申請人:中南大學