摘 要： 對(duì)XCP協(xié)議的結(jié)構(gòu)和執(zhí)行算法進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)協(xié)議做了相應(yīng)仿真。仿真結(jié)果表明，在高帶寬時(shí)延乘積網(wǎng)絡(luò)中，XCP協(xié)議能更好地保持效率、公平性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： XCP；擁塞控制；高帶寬時(shí)延乘積
TCP是目前在Internet中使用最廣泛的傳輸協(xié)議。它是針對(duì)當(dāng)時(shí)帶寬時(shí)延乘積較小的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，隨著高帶寬和高延遲網(wǎng)絡(luò)越來越普遍的應(yīng)用，TCP算法的效率比較低。實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)都證明隨著帶寬時(shí)延乘積的增加，不管是用什么排隊(duì)模式，如RED[1]、REM[2]、PI[3]，AVQ[4]等算法都使TCP變得越來越低效和不穩(wěn)定。
根據(jù)TCP存在的問題和高帶寬時(shí)延乘積網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，美國麻省理工大學(xué)的Dina Katabi提出了一種新的Internet擁塞控制框架，該協(xié)議稱為顯式控制協(xié)議XCP(eXplicit Control Protocol)[5]。
1 XCP協(xié)議分析
XCP協(xié)議擴(kuò)展了ECN顯式擁塞指示機(jī)制，它通過在擁塞頭攜帶控制信息極大地改善了因特網(wǎng)的擁塞控制。路由器能通知發(fā)送端瓶頸鏈路的擁塞程度而不是網(wǎng)絡(luò)是否擁塞，發(fā)送端就可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)相應(yīng)的增加和減少它的發(fā)送窗口。XCP要求網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器和主機(jī)都支持XCP協(xié)議。XCP是基于對(duì)每一個(gè)包的計(jì)算來調(diào)節(jié)流量。
1.1 XCP協(xié)議的框架
如圖1所示，發(fā)送方維持擁塞窗口cwnd和往返延遲RTT，路由器監(jiān)控流入它的數(shù)據(jù)率，根據(jù)鏈路帶寬和流入的數(shù)據(jù)率的差值，路由器通過修改擁塞頭的反饋值告知共享這個(gè)鏈路的數(shù)據(jù)流增加或減少它的擁塞窗口。
當(dāng)1個(gè)ACK到達(dá)時(shí)，正反饋值將導(dǎo)致發(fā)送方擁塞窗口增加，負(fù)反饋值將隨之減小。可以用式(1)表示：
式中，s為1個(gè)包的大小。
XCP接收方收到1個(gè)包時(shí)，將其數(shù)據(jù)包的H_ feedback復(fù)制到其ACK中。其余行為同TCP相同。
1.2 XCP路由器結(jié)構(gòu)分析
XCP路由器包含擁塞控制器和公平控制器，這使得協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析簡化。
1.2.1 擁塞控制器
擁塞控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的剩余帶寬和延遲來對(duì)利用率進(jìn)行控制，1個(gè)控制周期的聚合反饋值Φ為：
式中，α、β是根據(jù)定性分析和試驗(yàn)得到的常數(shù)，分別為0.4、0.226；d是平均RTT；S是根據(jù)鏈路容量和流入的數(shù)據(jù)率計(jì)算出來的剩余帶寬；Φ是持續(xù)隊(duì)列長度。
1.2.2 公平控制器
公平控制器的主要任務(wù)是根據(jù)擁塞控制器計(jì)算出來的可用帶寬為每1個(gè)包分配反饋值以達(dá)到公平性。
如果Φ>0，每個(gè)數(shù)據(jù)流的吞吐量增加相同的值；如果Φ<0，每個(gè)數(shù)據(jù)流減少的數(shù)值與它當(dāng)前吞吐量成正比。
當(dāng)利用率接近最優(yōu)即Φ≈0時(shí)，引入了帶寬重洗概念。在每1個(gè)平均RTT內(nèi)，至少10%的數(shù)據(jù)流量要根據(jù)AIMD策略進(jìn)行重新分配。
2 主要仿真腳本分析
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過節(jié)點(diǎn)和鏈路創(chuàng)建API建立，瓶頸鏈路是1個(gè)雙向鏈路，2個(gè)方向都有1個(gè)XCP路由器
xcp源和sink創(chuàng)建方法和創(chuàng)建TCP源的方法相似，具體方法如下：
使用該類建立源端節(jié)點(diǎn)中的xcp代理，然后將其與目的節(jié)點(diǎn)中的xcp接收端連接起來。根據(jù)xcp路由器和xcp源端的變量，GeneralSender類的過程trace-xcp使用中變量跟蹤為xcp源建立跟蹤。
3 仿真性能分析
仿真參數(shù)設(shè)置α=0.4，β=0.266。Bottleneck的鏈路帶寬=200 Mb/s，Bottleneck的延遲時(shí)間delay=10 ms，節(jié)點(diǎn)數(shù)=3，節(jié)點(diǎn)S1…S3~R0的鏈路帶寬為200 Mb/s，鏈路延遲時(shí)間delay=10 ms。
仿真拓?fù)鋱D如圖2所示，該拓?fù)錇?個(gè)xcp流共享1個(gè)瓶頸鏈路組成的啞鈴型拓?fù)洹?/p>
主干鏈路和每個(gè)源鏈路都采用200 Mb/s，延遲時(shí)間都是10 ms。由圖3可以看出在開始階段，由于只有1個(gè)源發(fā)送數(shù)據(jù)，主干鏈路基本達(dá)到飽和，窗口值成乘式增加。但在5 s時(shí)第2個(gè)流到來，主干鏈路發(fā)生擁塞，擁塞窗口值開始調(diào)整下降，在大概第6 s就穩(wěn)定了。在第10 s時(shí)，第3個(gè)流到來，擁塞窗口進(jìn)一步調(diào)整，開始下降，到第12 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值。由此可以看出，在擁塞發(fā)生時(shí)XCP協(xié)議可以很快地調(diào)整擁塞窗口值，使傳輸達(dá)到穩(wěn)定值，很好地避免了擁塞可能引起的調(diào)整時(shí)間增長。同時(shí)也保持了良好的公平性，使每個(gè)流都獲得了相同的擁塞窗口值。
圖4所示為帶寬利用率圖，可以看出，在沒有發(fā)生擁塞時(shí)主干鏈路利用率很快就達(dá)到了100%，說明XCP協(xié)議使達(dá)到穩(wěn)定利用率的時(shí)間很快，提高了達(dá)到穩(wěn)定利用率的時(shí)間，同時(shí)在第5 s和第10 s的時(shí)候，第2和3個(gè)流分別開始發(fā)送數(shù)據(jù)，主干鏈路發(fā)生擁塞，主干鏈路的利用率有所降低，降低了1~2個(gè)百分點(diǎn)。由此可以看出，XCP協(xié)議對(duì)在擁塞情況下提高鏈路利用率達(dá)到了很好的效果，能充分地利用鏈路帶寬，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的帶寬利用率的時(shí)間也很快。
由圖5可以看出在第5 s之前，沒有發(fā)生擁塞，緩沖隊(duì)列值為0；第5 s時(shí)，第2個(gè)流開始發(fā)送數(shù)據(jù)，主干鏈路發(fā)生擁塞，隊(duì)列值有所增加；第10 s開始隨著擁塞的變大緩沖隊(duì)列值又有所增大；緩沖隊(duì)列值隨著擁塞的加劇逐漸增大，但增加的值不大，說明XCP協(xié)議可以保持很小的排隊(duì)隊(duì)列值，這樣相應(yīng)的排隊(duì)時(shí)延值也會(huì)很小。
本文在ns2下面對(duì)XCP協(xié)議的公平性和穩(wěn)定性做了相應(yīng)的仿真分析。仿真結(jié)果表明，高帶寬時(shí)延乘積網(wǎng)絡(luò)中XCP協(xié)議不僅能夠保持鏈路的公平性和穩(wěn)定性，而且還能達(dá)到鏈路的高利用率，同時(shí)，路由器的平均隊(duì)列值保持得很小。
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