基于链路反馈的拥塞控制机制

摘要

拥塞控制本质上是一种网络资源分配与调度问题，核心目标是将网络带宽合理地分配给网络端主机，而合理性体现在两个方面，一是带宽资源被充分利用且没有造成网络拥塞，二是不同端主机获得相对公平的带宽份额。围绕着拥塞控制的核心目标，学术界设计了一系列拥塞控制算法，根据端主机获取链路状态的方式，主要分为三类，分别是依据链路丢包、链路时延变化和路由器主动反馈的信息来进行拥塞控制，本文主要研究第三种。 本文首先分析了传统拥塞控制算法的代表算法，例如TCP-Cubic、TCP-Vegas和TCP-BBR等，通过实验数据，发现无论是基于丢包还是基于时延的拥塞控制算法都存在着一定的先天不足，包括对随机丢包敏感、容易造成额外的链路时延、公平性较差等，这是本文开展基于链路反馈拥塞控制的主要动机。 本文分析了基于链路反馈的拥塞控制的代表算法，包括XCP、RCP、DCTCP、VCP等，实验数据表明，该类算法能够充分利用网络带宽，且造成额外的时延较小，但目前的算法设计复杂、容易造成突发流量、公平性收敛速度仍然较慢。 本文在分析目前基于链路反馈拥塞控制研究成果的基础上，从提高链路利用率和降低链路时延角度出发，设计了BCTCP协议，它基于链路反馈的路由器接口负载程度，采用了MI-AI-MD（Multiplicative Increase-Additive Increase-Multiplicative Decrease）三阶段窗口调整策略，引入了窗口有效性检测、Pacing等拥塞控制优化策略，提高了TCP在丢包率较高、突发流量较多等网络场景下的链路利用率，同时能够控制链路上缓冲队列长度，降低了往返时延。 本文针对目前算法公平性收敛速度较慢的问题，分析了MIMD策略公平性收敛原理，设计了一种基于布隆过滤器的路由器端公平性控制器，路由器采用该控制器后会根据数据流吞吐率大小向端主机反馈不同大小的负载度因子，源端根据该负载度因子进行拥塞控制能够大幅提高公平性收敛速度，基于此设计了SFECN协议。 最后，为了未来部署的方便，本文尝试使用标准ECN报头的CE比特位来进行基于链路反馈拥塞控制，设计了单比特SFECN，能够达到接近于SFECN的效果，由于不再需要修改现有TCP/IPV4的报文格式，降低了未来部署的成本。

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