網(wǎng)格計算中的 TCP 擁塞控制機制

2019-11-04 20:45:23

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供稿：網(wǎng)友

　　一、引言
　　目前，網(wǎng)格的發(fā)展越來越受到大家的重視，它們可以在不同國家甚至不同州的機器之間傳輸甚至到達幾千G字節(jié)的大文件，將大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理分散到世界范圍的各個組織中。網(wǎng)格的應(yīng)用需要高速遠距離網(wǎng)絡(luò)的支持，這可能需要網(wǎng)絡(luò)速度達到622Mbit/s或是更高。在這種情況下，傳統(tǒng)的TCP擁塞控制算法就不太適用了。這主要有以下三方面的原因：
　　
　　（1）傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機制在高速網(wǎng)絡(luò)中反應(yīng)性比較差，這是因為TCP在高速網(wǎng)絡(luò)中對分組丟失的反應(yīng)要敏感得多。這主要是由于它的擁塞避免算法是基于AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease，和式增加積式減少）的。所以一個分組的丟失在高速網(wǎng)絡(luò)中所造成的后果是很嚴重的：一個分組丟失被檢測出來之后，TCP連接就會將帶寬減半（積式減少），這樣就會不止花上幾百毫秒或是多達幾秒鐘，甚至花上幾分鐘或是幾個小時來恢復(fù)所有的可用帶寬（和式增加）。另外，慢啟動也會造成TCP在高速網(wǎng)絡(luò)中性能的下降，但是它的影響要比擁塞避免小點。因為通過三個重復(fù)的ACK來判定分組丟失的情況要比超時經(jīng)常得多，因此TCP連接會花費大多數(shù)時間在擁塞避免算法上。
　　
　　（2）傳統(tǒng)的TCP總是把分組丟失解釋為擁塞，而假定鏈路錯誤造成的分組丟失是可以忽略的，但是在高速網(wǎng)絡(luò)中，這種假設(shè)是不成立的。當數(shù)據(jù)傳輸速率比較高時，鏈路錯誤是不能忽略的。由鏈路錯誤引起的分組丟失和由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的分組丟失的可能性是相同的。因此，不能籠統(tǒng)地認為分組丟失都是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。因此，當一個TCP分組丟失后我們不應(yīng)該認為就是出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞，擁塞的判定需要兩個連續(xù)的分組丟失。
　　
　　（3）傳統(tǒng)的TCP不能使用網(wǎng)絡(luò)鏈路的所有容量。這主要是由于在AIMD算法中，TCP從一個分組丟失到帶寬的恢復(fù)所用的時間比較長。這是目前所有TCP版本（TCPTahoe、TCPReno、New-Reno、SACK、Vegas等）的一個固有的問題。而高速遠距離網(wǎng)絡(luò)的造價是比較高的，所以對容量的浪費是不可原諒的。
　　
　　針對以上TCP傳統(tǒng)算法的缺陷，網(wǎng)格計算中的TCP擁塞控制提出了一個新的帶寬使用的公平性原則和增減算法，對于克服傳統(tǒng)TCP在快速遠距離網(wǎng)絡(luò)中的不足起到了很好的作用。
　　
　　二、帶寬減少算法
　　在適用于網(wǎng)格應(yīng)用的快速遠距離網(wǎng)絡(luò)中，可以假設(shè)連接的可用帶寬在相當長的時間（大致是10min到1h）內(nèi)是保持不變的，這個假設(shè)對與其他類型的網(wǎng)絡(luò)基本上也是成立的。根據(jù)這個假設(shè)，可以做如下的近似：對于一個長時間的TCP連接，可用帶寬ABW可以看作是一些分段表示的常數(shù)。
　　
　　根據(jù)以上的簡化模型，我們可以對TCP和式增加積式減少的帶寬增減算法進行修改。在用于網(wǎng)格計算的TCP擁塞控制中，當一個TCP連接檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞時（用于網(wǎng)格計算的TCP擁塞控制，對于擁塞的判定標準是在一個相同的擁塞窗口中至少有兩個連續(xù)的分組丟失，只有一個分組丟失被認為是鏈路錯誤），并不是將帶寬減半，而是減少ＡＢＷｉ-ＡＢＷｉ+1，ＡＢＷｉ+1由式（1）得出 =-1
　　
　　（1）
　　
　　式中ＡＢＷｉ- 在階段ｉ的可用帶寬；
　　
　　C- 鏈路容量的估計值；ＡＢＷｉ在較長時間（一般式10min到1h）內(nèi)是常數(shù)。由于ＡＢＷｉ是C的一部分，所以
　　
　　Ａｉ，Ｅ αｉ，（０≤αｉ≤１）∧（ＡＢＷｉ＝αｉＣ）　　　　　（2）
　　
　　由式（1）和式（2）可以得到
　　
　　αｉ＋1= （3）
　　
　　ABWi-ＡＢＷｉ+1= （4）
　　
　　式（4）就是用于網(wǎng)格計算的TCP擁塞控制，采用新的減少帶寬的算法，相應(yīng)傳統(tǒng)TCP的減少算法可以由以下表示
　　
　　ＡＢＷＪｉ-ＡＢＷＪｉ+1== （5）
　　
　　由式（5）可以得出
　　
　　αｉ＋1=αｉ /2 （6）
　　
　　當αｉ=5%時，由（3）式可得αｉ＋1=4.76%，而由（6）式得到αｉ＋1=2.5%，假如C=622Mbit/s，那么新的算法可以節(jié)省14Mbit/s的帶寬；當αｉ=20%時，由（3）式可得αｉ＋1=16.7%，而由（6）式得到αｉ＋1=10%，假如C=622Mbit/s，那么新的算法可以節(jié)省41Mbit/s的帶寬。所以，當擁塞發(fā)生后，新的算法減少的帶寬比較少，這樣恢復(fù)起來也比較快。當αｉ=0或αｉ=100%時，也就是當鏈路中只有一個或有無限多TCP流時，兩種算法取得一致。但是，在網(wǎng)格應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)中，這兩種情況出現(xiàn)的比較少。
　　
　　　三、帶寬增加算法
　　用于網(wǎng)格計算的TCP擁塞控制所使用的帶寬增加算法有些復(fù)雜，它可以分為五種情況來分析：
　　
　　（1）當鏈路剛剛經(jīng)歷了擁塞，并且我們假定這個擁塞現(xiàn)象是暫時的，我們首先根據(jù)式（4）來減少帶寬，然后再通過二分檢索法增加帶寬到以前的穩(wěn)定狀態(tài)：ＡＢＷｉ。假如在這個過程中沒有新的分組丟失，那么TCP連接就應(yīng)該保持在階段ｉ，然后根據(jù)情況（3）來處理；假如我們檢測到同一個擁塞窗口中至少有兩個分組丟失，那么TCP連接就應(yīng)該從階段過渡ｉ到階段ｉ+1，并且根據(jù)情況（2）來處理。
　　
　　（2）當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)新的擁塞問題時，我們來得到一個新的帶寬穩(wěn)定值ＡＢＷｉ+1，ＡＢＷｉ+1要比ＡＢＷｉ小。在這種方法中，增加和減少帶寬都使用二分檢索法，一旦有分組丟失我們就減少帶寬，否則就增加帶寬。這種方法能比較迅速地使可用帶寬穩(wěn)定到ＡＢＷｉ+1。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定在階段ｉ+1后，在根據(jù)情況（3）來處理。
　　
　　（3）在這種情況下，TCP連接以速率ＡＢＷｉ傳輸數(shù)據(jù)。當檢測到擁塞發(fā)生時，就根據(jù)情況（1）來處理；假如直到TCP占用計時器（它的值由經(jīng)驗獲得，但一般希望是10min到1h）關(guān)閉仍沒有擁塞發(fā)生，就根據(jù)情況（4）來處理。
　　
　　（4）TCP已經(jīng)以速率ＡＢＷｉ傳輸數(shù)據(jù)很長時間而沒有檢測到擁塞，因此我們希望可用帶寬增加，進入一個新的階段ｉ+1，在這個階段ＡＢＷｉ+1應(yīng)該比現(xiàn)在的ＡＢＷｉ大。所以，一旦TCP占用計時器關(guān)閉，我們就開始增加帶寬到ＡＢＷｉ+1，ＡＢＷｉ+1可以根據(jù)式（7）獲得=+1 （7）
　　
　　假如在這個過程中檢測到擁塞，就根據(jù)情況（1）來處理。
　　
　　（5）建立一個新的TCP連接，并且為可用帶寬ＡＢＷ0賦初始值為鏈路的容量C，然后再根據(jù)第（2）種情況來分析。
　　
　　四、結(jié)束語
　　以上是用于網(wǎng)格計算的TCP擁塞控制所使用的新的帶寬增減的算法，它克服了傳統(tǒng)的AIMD算法的保守性，可以較充分地使用鏈路容量，所以在高速遠距離網(wǎng)絡(luò)中，它的效率比較好。但是這種算法還存在著一些缺陷：鏈路容量C的估計總是近似的，而且精確度也未知；容量的估計需要花費時間，對于短時存在的TCP連接，有可能用于容量估計的時間比連接存在的時間還要長；實際的網(wǎng)絡(luò)中，路由是會改變的，所以發(fā)送端計算出的容量有可能和實際TCP連接使用的容量不一致。

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