专利名称：高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法
技术领域：
本发明属于网络通信技术领域，涉及一种尾高带宽延时网络中基于带宽估计的显 式拥塞控制方法。
背景技术：
与传统网络不同，高带宽延时网络具有较大的网络带宽和往返时延，这使得传统 TCP丢包后减半的拥塞窗口需要较长的时间才能恢复到满带宽利用率，这种保守的加性 增加和激进的乘性减少窗口管理策略使得TCP吞吐量严重下降；且RTT(RTT(Round-Trip Time)往返时延)差异所带来的吞吐量不公平性在高带宽延时的影响下变得更加严重。高带宽延时网络改进协议的焦点都集中在窗口管理机制上，可以大致将其划分为 两类基于端到端调控的协议和基于显式反馈的协议。基于端到端调控的协议通常采用 ACK(英文缩写ACK(ACKnowledge Character)中文译名确认字符分类传输与接入，解 释在数据通信传输中，接收站发给发送站的一种传输控制字符。它表示确认发来的数据已 经接受无误。ACK=TCP数据包首部中的确认标志，对已接收到的TCP报文进行确认。)携带 回来的丢包或/和延时信息作为拥塞指示。其中的典型协议有HSTCP，CUBIC, Fast。这类 协议对于端到端反馈信息的依赖性使其只能在发生拥塞后做出调控，协议本身的激进性造 成了网络中分组丢失和缓存队列增加的现象，无法在获得高效性和公平性的同时保持低排 队队长和接近于零的丢包率。基于显式反馈的协议能够利用路由器检测自身的拥塞状态， 直接发送反馈信息给发送端以调整发送速率，避免了以往丢包、延时反馈所产生的反映不 及时和拥塞误判等问题。但是，在提高了网络拥塞判断有效性的同时，过多的让中间节点参 与到拥塞检测过程中也势必会给整个网络带来更多的负载和更大的复杂度开销。一些主动式显式反馈协议，如XCP、RCP，将公平控制和拥塞控制放在了路由器内 部，路由器直接将计算好的发送速率返回给源端。这些协议需要对传统的拥塞控制机制做 出较大规模的调整，如改变IP包头的组成形式和数据分段的规则(XCP和RCP分别需要扩 展128bits和96bits的分组头)，这使其很难配置到当今的互联网上，且路由节点的复杂运 算也降低了协议的实用性。为了降低部署难度，VCP协议通过IP头已有ECN (Explicit Congestion Notification 显式拥塞通告)位的2比特传递拥塞信息给发送端，发送端根据反馈信息相 应地调节拥塞窗口。该协议较XCP更具实用性，且达到了近似于XCP的性能。但2bits反 馈最多只能提供四种程度的拥塞状态，反馈信息的不足使得VCP需要为传输速率的增长幅 度设置上限值以防止潜在的突发现象，从而造成了过分保守的提速周期，如连接启动阶段 较慢的吞吐量增长以及较慢的公平共享收敛速度。针对反馈精度造成的局限性，MLCP协议 分析了反馈信息数量和性能提升之间的关系，认为窗口乘性增长(MI)阶段使用3-bit显式 反馈足以使协议在效率收敛速度上接近最优性能，最后通过增加反馈信息位数至4-bit达 到了接近最优的性能。但MLCP加大了反馈开销，需要修改IP分组头，一定程度上降低了协 议的普及性。此后提出的BMCC协议使用了 IP分组已有ECN位和IP标识(IPid)域传递拥塞信息，获得了 16-bit精度反馈的拥塞水平，在无需扩展分组头部的情况下达到了接近 最优的性能，但它需要网络中间路由器内的复杂计算，且对分组IPid域的利用使其只兼容 IPv4，大大影响了协议的实用性。可见，任何显式反馈协议都需要在反馈信息数量和协议实用性之间进行权衡。现 有的高速协议通过增加显式反馈信息来提高协议性能，但同时加大了反馈开销，使其普及 性大大降低。然而，要提高协议的普及性，就必须减少显式反馈信息的数目，尽量不改动IP 分组结构。因此，如何在不增加显式反馈信息的基础上保证反馈精度，提高协议收敛速度， 是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法， 该高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法能使网络通信能达到高带宽利用 率、低排队延时、可忽略的丢包率及合理公平性。本发明的技术解决方案如下一种高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法通过路由器显式反馈 信息获取网络负载状况，当网络负载没有超过可用带宽时，根据端到端往返传输延时RTT 变化估计网络可用带宽，再调整拥塞窗口大小以适应当前网络拥塞状态；当网络处于过载 状态下，减小拥塞窗口以缓解拥塞。通过发送方获取的ACK中的ECN位判断网络负载状况ECN位为01表示网络处于轻负载状态；ECN位为10表示网络处于高负载状态；ECN位为11表示网络处于过载状态。采用下式估计网络可用带宽其中，Bwi为第i个ACK在、时间到达时估计的带宽值，、是当前ACK到达的时 间，t^是前一个ACK到达的时间，Li是第i个ACK确认的分组大小，RTT为、时刻估计的 端到端往返延时，\为比例因子。当显式反馈信息显示网络处于轻负载时，δ i因子采用动态调节方法，计算方法如 下
权利要求
一种高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特征在于通过路由器显式反馈信息获取网络负载状况，当网络负载没有超过可用带宽时，根据端到端往返传输延时RTT变化估计网络可用带宽，再调整拥塞窗口大小以适应当前网络拥塞状态；当网络处于过载状态下，减小拥塞窗口以缓解拥塞。
2.根据权利要求1所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特 征在于，通过发送方获取的ACK中的ECN位判断网络负载状况ECN位为Ol表示网络处于轻负载状态；ECN位为10表示网络处于高负载状态；ECN位为11表示网络处于过载状态。
3.根据权利要求1所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特 征在于，采用下式估计网络可用带宽C *RTT*Bw +TBw =—-—--；δ, * RTT+ (t,-^1)其中，Bwi为第i个ACK在、时间到达时估计的带宽值，、是当前ACK到达的时间，tH 是前一个ACK到达的时间，Li是第i个ACK确认的分组大小，RTT为、时刻估计的端到端 往返延时，Si为比例因子。
4.根据权利要求3所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特 征在于，当显式反馈信息显示网络处于轻负载时，\因子采用动态调节方法，计算方法如 下^=_^_；(Cwndi λ χ seg _ size) / RTT其中，Cwndi^1为调整前拥塞窗口大小，seg_size为分组大小。
5.根据权利要求3所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特 征在于，当显式反馈信息显示网络处于轻负载状态时，发送方采用窗口突然增长方法，即使 用当前可用带宽估计值计算新的拥塞窗口大小，使TCP流能够快速获取带宽，计算方法如 下Cwndl =MAX (Cwnd1 , + s),(RTTmm xBw')； Lseg _ size其中，cwndH为调整前拥塞窗口大小，ε为窗口乘性增长因子，RTTmin是发送方观察到 的最小往返延时RTT值。
6.根据权利要求3所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，其特 征在于，当显式反馈信息显示网络处于重负载时，发送方先使用可用带宽估计值估算带宽 占用比率Li r R1A =^^，其中，Ri = (CwndHXsegJizeVRTTmin，代表发送方的发送速率，CWIKIH为调整前拥塞窗口大小，seg_size为分组大小；若带宽占用比例Li小于阈值Lthresh，发送方采用快速的加性增长方法计算新的拥塞 窗口 Cwndi = Cwnd^1+ α /Cwnd^1 ；其中，α为加性增长因子；若带宽占用比例Li大于或等于阈值Lthresh，发送方采用缓慢的反比例增长方法计算 新的拥塞窗口Cwndi = Cwnd^1+ α / (cwndH)3/2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制 方法，其特征在于，当显式反馈信息显示网络处于过载状态时，发送方采用乘性减少方法计 算新的拥塞窗口Cwndi = Cwnd^1 X β ；其中，cwndH为调整前拥塞窗口大小，β为乘性增长因子。
全文摘要
本发明公开了一种高带宽延时网络中基于带宽估计的显式拥塞控制方法，包括以下步骤TCP发送方通过观察ACK接收间隔计算网络当前可用带宽，路由器通过分组头ECN 2bits信息反馈网络负载，发送方通过显式反馈信息和估计的可用带宽值进行网络状态判断，并根据判断结果调整拥塞控制机制。本发明通过结合端到端反馈和路由器显式反馈来进行拥塞判断，即在粗粒度的显式反馈基础上利用带宽估计值给出较为精细的拥塞信息，从而使算法在降低显式反馈开销、提高协议普及性的同时保证了较高程度的拥塞反馈精度，提高了协议的高效性和收敛速度。
文档编号H04L12/56GK101964755SQ20101053034
公开日2011年2月2日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者王伟平, 王建新, 陈洁 申请人:中南大学