高帶寬延時積網(wǎng)絡(luò)的用賽控制

1、高帶寬延時積網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制 摘要 理論與實驗表明，隨著帶寬的高流量積和延遲增加，TCP變得效率低下，同時還有不穩(wěn)定，不管排隊方案的傾向。隨著因特網(wǎng)向高帶寬光纖鏈路與高延遲衛(wèi)星鏈路的合并，這些缺點越來越重要。 為解決這個問題，我們開發(fā)一種新方法。這種新方法在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方面勝于TCP，保證了效率，公平，可擴展性，和穩(wěn)定性。這個新的顯示控制協(xié)議，XCP，概括了顯示擁塞通知協(xié)議（ECN）。此外，XCP從公平控制中引入去耦利用的概念。這允許一個更加靈活的，易處理的協(xié)議設(shè)計，為服務(wù)差異化開辟了新渠道。用控制理論框架，我們模擬了XCP，證明不管鏈路容量，往返延時，數(shù)據(jù)源數(shù)量這些條件如何，它都具有穩(wěn)健性和有

2、效性。大量的數(shù)據(jù)包等級模擬實驗證明，XCP在傳統(tǒng)和高帶寬延遲環(huán)境下都優(yōu)于TCP。在穩(wěn)定或可變通信中，XCP都具有公平帶寬分配，高利用率，小隊列，幾乎0丟包等優(yōu)點。此外，新協(xié)議不在路由器中維持?jǐn)?shù)據(jù)流狀態(tài)，需要為每個數(shù)據(jù)包分配CPU周期，這使它能在告訴路由器中有作用。引言隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)壯大，擁塞控制機制在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時必須保持有效。技術(shù)趨勢暗示了未來互聯(lián)網(wǎng)將有大量的高帶寬鏈路。高延遲的衛(wèi)星鏈路和無線電線路將會司空見慣。這些趨勢存在大量問題，因為在帶寬或延遲增加時，對TCP很不利。當(dāng)前擁塞控制算法的數(shù)學(xué)模型分析揭示了，不管隊列方案如何，隨著帶寬延時積的增加，TCP會有不穩(wěn)定的傾向。為問題鑄造控制理論框

3、架，規(guī)則23表明，隨著容量和延時的增加，隨機早期丟棄（RED），隨機早期標(biāo)記（REM），比例積分控制器，虛擬隊列都有不穩(wěn)定的傾向。它們進一步證明，在高容量或大延時鏈路中，AQM維持穩(wěn)定不太可能。此外，Katabi和Blake證明當(dāng)鏈路容量足夠大時，AVQ有不穩(wěn)定的趨勢。效率低是TCP在未來網(wǎng)絡(luò)中面臨的問題。隨著帶寬延時積的增加，性能會下降。TCP附加的增加機制限制了獲得空余帶寬的能力。因為在高帶寬鏈路中的單數(shù)據(jù)流的帶寬延時積或許是成千上萬的數(shù)據(jù)包。伴隨著擁塞突發(fā)，TCP會消耗大量的RTT來增加高利用率。此外，鏈路容量的增加不會提高短數(shù)據(jù)流的傳輸延時。短TCP數(shù)據(jù)流不能比“慢開始“更快地獲得空余

4、帶寬，當(dāng)帶寬空余時，還會浪費有用的RTT。因為TCP的吞吐量與RTT成反比。在衛(wèi)星鏈路或無線鏈路中傳輸大量數(shù)據(jù)流時，公平將會成為問題。用戶用不同RTT爭奪共同瓶頸容量會導(dǎo)致不公平。盡管大帶寬延時積的影響還沒有出現(xiàn)，但我們已經(jīng)能在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中看到這些問題的雛形。例如，在衛(wèi)星鏈路上TCP顯示了網(wǎng)絡(luò)利用問題和和TCP對長RTT數(shù)據(jù)流有偏見。當(dāng)前，這些問題用一些特殊機制得到了緩和，例如應(yīng)答間隔，分開連接，性能增強的代理服務(wù)器。第一頁結(jié)束第二頁開始文章開發(fā)了一個新的擁塞控制協(xié)議，在傳統(tǒng)環(huán)境它優(yōu)于TCP。新的明確控制協(xié)議XCP概括了明確擁塞報告協(xié)議（ECN）。替代使用ECN的一位擁塞缺陷，路由器通知發(fā)送方在

5、瓶頸上的擁塞等級。另一個新觀念是利用率控制和公平控制不掛鉤。對于控制利用率，新協(xié)議根據(jù)空余帶寬調(diào)整侵占性。這阻止了震蕩，在高帶寬或大延時中提供了穩(wěn)定性，并確保了網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。對于控制公平，協(xié)議收回那些高于公平共享的數(shù)據(jù)流帶寬，分配給其他數(shù)據(jù)流。把控制狀態(tài)放在數(shù)據(jù)包中，XCP不需要在路由器中的狀態(tài)，并能測量任意數(shù)量的數(shù)據(jù)流。實驗只需少量CPU周期就能使它在高速路由器中更有實用性。在先前的工作22，15,23中，控制理論框架的運用表明協(xié)議的流體模型對任何鏈路容量，反饋延時，數(shù)據(jù)源數(shù)量都具有穩(wěn)定性。與參數(shù)依賴于這些條件的多種AQM方案相反，我們分析了如何設(shè)置新協(xié)議的參數(shù)，使這些參數(shù)不受環(huán)境影響

6、。大量數(shù)據(jù)包級別的模擬實驗證明，不論隊列方案如何，TCP的性能隨容量或延時的增加而下降。相反，新協(xié)議能達到高利用率，小隊列，不丟包，不受容量和延時影響。即使在傳統(tǒng)環(huán)境中，模擬實驗證明了協(xié)議展示了更好的公平，更高的利用率，更小的隊列大小，幾乎不丟包。在大量短網(wǎng)狀數(shù)據(jù)流的動態(tài)環(huán)境中也能保持好的性能，并對長RTT數(shù)據(jù)流沒有抵制。新協(xié)議的獨特性是沒有丟包。盡管我們以解決TCP在高帶寬大延時環(huán)境中的限制為目標(biāo)，我們的設(shè)計還有其他的優(yōu)勢。首先，讓公平控制從利用率控制中脫離出來開辟了服務(wù)差異化的新渠道，服務(wù)差異化運用了提供期望帶寬分配的方案。我們提出了一個實施窗口價格模型的方案。第二，協(xié)議有利于區(qū)別誤差損失

7、和擁塞損失，這對無線環(huán)境很有用。在XCP中，有擁塞引起的丟包很少見。此外，因為協(xié)議用了精確的擁塞反饋，明確反饋會先于擁塞丟包。明確反饋首先會告訴數(shù)據(jù)源減少它的擁塞窗口。早于和跟隨明確增加反饋的損失很可能是誤差損失。第三，XCP有利于不良數(shù)據(jù)源的檢測。最后，XCP的性能鼓勵端用戶和網(wǎng)絡(luò)提供商去配置此協(xié)議。我們給出了可能配置路徑。2.設(shè)計原理最初目的是在不考慮反向兼容性或配置的情況下，重新考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。如果我們從頭建立一個新的擁塞控制結(jié)構(gòu)，它會是什么樣呢？首先觀察到數(shù)據(jù)包丟失是擁塞的信號。由于我們不相信好的網(wǎng)絡(luò)能避免丟失，丟失數(shù)據(jù)包是不得已的擁塞信號。作為隱式信號，丟失很嚴(yán)重，因為擁塞不僅是數(shù)

8、據(jù)源的丟失，還因為數(shù)據(jù)包丟失不能馬上做出來這個明確決策。作為二進制信號，丟失只是意味著是否有擁塞。在反饋之前，發(fā)送方必須探測網(wǎng)絡(luò)中的擁塞位置。由于反饋是不明確的，增加機制必須是保守的，減少機制是激進的。徹底的擁塞控制需要明確的擁塞反饋。擁塞不是二進制變量，所以擁塞信號應(yīng)該反映出擁塞等級。我們計劃在網(wǎng)絡(luò)明確告訴發(fā)送方擁塞狀態(tài)和如何對它做出反映的地方使用明確的擁塞信號。當(dāng)瓶頸達到擁塞時，即在發(fā)送速率接近瓶頸容量時，這允許發(fā)送方快速地減少發(fā)送窗口。協(xié)議要有響應(yīng)和沒有震蕩。第二，數(shù)據(jù)源的激進性應(yīng)該根據(jù)反饋環(huán)路的延時做相應(yīng)的調(diào)整。由于控制回路延遲，擁塞控制的強弱是模糊的。這類系統(tǒng)的基本特征是對大反饋延遲

9、會變得不穩(wěn)定。為回應(yīng)失穩(wěn)效應(yīng)，系統(tǒng)必須隨著反饋延時增加而減速。在擁塞控制的前提下，這意味著，隨著延遲的增加，數(shù)據(jù)源需要變慢發(fā)送速率。這些問題已被其他研究者提出23,26，但重要的問題是怎樣根據(jù)恰當(dāng)?shù)姆答伣⒎€(wěn)定。用控制理論的工具，推測基于速率不匹配的擁塞反饋應(yīng)該與延遲成反比，基于隊列不匹配的反饋與隊列延遲成反比。擁塞的穩(wěn)定性應(yīng)該與未知多變的參數(shù)無關(guān)。控制理論的基本原則陳述控制器必須與控制信號的強弱做不夠快的反應(yīng)，否則控制器將一直滯后于控制系統(tǒng)，變得沒有效率。在當(dāng)前擁塞控制協(xié)議下，控制器是AQM方案。控制信號是鏈路中的總通信量?？刂破鳡幦M足輸入通信與鏈路容量匹配。然而，這個目標(biāo)在輸入通信由TC

10、P數(shù)據(jù)流組成時很難完成，因為TCP群的強弱依賴于數(shù)據(jù)流的數(shù)量?？偹俾室悦總€RTT周期N個數(shù)據(jù)包的速率增加或以1/N減少。由于數(shù)據(jù)流的數(shù)目不固定，沒有哪個AQM控制器能以常量參數(shù)足夠快的運行在任意多的TCP數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)的1/3目標(biāo)是總通信量的強弱不依賴數(shù)據(jù)流數(shù)量。這導(dǎo)致需要效率控制與公平控制不關(guān)聯(lián)。擁塞的穩(wěn)定需要總通信量獨立于數(shù)據(jù)流數(shù)目。然而，任何公平帶寬分配本質(zhì)上取決于在瓶頸傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)量。總體數(shù)據(jù)流的分割帶寬規(guī)則應(yīng)與管理總體強弱的控制規(guī)則無關(guān)。第二頁結(jié)束第三頁開始傳統(tǒng)上，效率和公平是成對的因為同一控制法則習(xí)慣上同時獲取公平和效率。從概念上講，效率和公平是獨立的。效率只涉及總體數(shù)據(jù)流行為。當(dāng)

11、輸入通信速率等于鏈路容量時，沒有隊列建立，利用率是最佳的。公平涉及共享鏈路的相關(guān)數(shù)據(jù)流吞吐量。當(dāng)數(shù)據(jù)流共享一個鏈路具有相同的吞吐量時說這個方案是公平的。在新范式中，路由器有效率控制器和公平控制器。通過減少強加的需求，這種分開簡化了設(shè)計和分析每個控制器。在沒有重構(gòu)或重分析另一個的時候，它允許修改一個控制器。此外，它為整合不同帶寬分配提供了一個靈活的框架。例如，根據(jù)它們的優(yōu)先級或它們支付的價格為發(fā)送方分配帶寬只需要改變公平控制器，并不影響效率或擁塞特性。3.協(xié)議XCP為端系統(tǒng)和路由器提供接口。像TCP，XCP是基于窗口的擁塞控制協(xié)議，意在最有效的通信。然而，它靈活的結(jié)構(gòu)能支持不同的服務(wù)。XCP的描

12、述假設(shè)一個純粹的XCP網(wǎng)絡(luò)。XCP能與TCP在相同網(wǎng)絡(luò)與TCP友好共存。3.1框架首先，我們給出在網(wǎng)絡(luò)中如何控制信息流的概述，并解釋反饋計算。發(fā)送方維持他們的擁塞窗口cwnd和往返時間rtt，并通過在數(shù)據(jù)包中的擁塞報頭與路由器交流這些信息。路由器為每個輸出隊列監(jiān)控輸入通信速率?；阪溌穾捄洼斎胪ㄐ潘俾实牟顒e，路由器告訴共享鏈路中的數(shù)據(jù)流增加或減少它們的擁塞窗口。通過注釋數(shù)據(jù)包的擁塞報頭完成這些工作。反饋分為基于cwnd的數(shù)據(jù)流反饋和基于rtt的數(shù)據(jù)流的反饋，目的是讓系統(tǒng)公平。在鏈路中更擁塞的路由器進一步通過重寫擁塞報頭來減少反饋。最后，數(shù)據(jù)包包含鏈路中反饋。當(dāng)反饋到達接收方，它會返回發(fā)送方一

13、個確認數(shù)據(jù)包，發(fā)送方相應(yīng)的更新它的cwnd。3.2 擁塞報頭每個XCP數(shù)據(jù)包攜帶一個擁塞報頭，用來傳達給路由器數(shù)據(jù)流的狀態(tài)和從路由器到接收方的反饋。H_cwna是發(fā)送方的當(dāng)前擁塞窗口，H_rtt是發(fā)送方的當(dāng)前RTT估值。這些填充在發(fā)送方，在發(fā)送時不被修改。H_feedback，存放正負值，被發(fā)送方初始化。路徑上的路由器能修改這個字段來控制數(shù)據(jù)源的擁塞窗口。3.3 XCP發(fā)送方和TCP一起，XCP發(fā)送方維持?jǐn)?shù)據(jù)包、cwcd、rtt的擁塞窗口。在數(shù)據(jù)分發(fā)時，發(fā)送方為數(shù)據(jù)包附加擁塞報頭，用H_cwnd字段設(shè)置當(dāng)前cwnd，用H_rtt設(shè)置當(dāng)前rtt值。在數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，H_rtt設(shè)置為0來告訴

14、路由器這個數(shù)據(jù)源沒有有效的RTT估值。發(fā)送方初始化H_feedback字段要求它的期望窗口增加。例如，當(dāng)應(yīng)用有一個期望速率r，在當(dāng)前擁塞窗口中，數(shù)據(jù)包數(shù)量分割的擁塞窗口值由發(fā)送方設(shè)置H_feedback達到期望的增量。若帶寬可用，在一個RTT之后，初始化允許發(fā)送方達到期望的速率。一個新的確認無論何時到達，正反饋拯救發(fā)送方的cwnd，負反饋減少cwnd。除了直接反饋，XCP扔需要對丟包進行回應(yīng)，盡管這不常發(fā)生。做法與TCP類似。3.4 XCP接收方XCP接收方類似于TCP接收方，除了確認數(shù)據(jù)包，它從數(shù)據(jù)包中復(fù)制擁塞報頭到確認數(shù)據(jù)包中。3.5 XCP路由器：控制規(guī)則XCP路由器的工作是計算引起系統(tǒng)

15、集中于最佳效率和極小-極大公平的反饋。XCP不丟包。它運行在丟包機制的上層。XCP的目標(biāo)是阻止隊列建立在不得不丟包的位置。為計算反饋，XCP路由器用有效控制器和公平控制器。這兩種路由器都是計算鏈路中數(shù)據(jù)流的平均RTT，目的是消除基于窗口的控制協(xié)議的突發(fā)性。估計參數(shù)間隔大于平均RTT導(dǎo)致響應(yīng)緩慢，小于RTT導(dǎo)致錯誤估計。平均RTT是用擁塞報頭的信息計算的。XCP控制器為每個平均RTT制作了一個單控決策。這是因為，在嘗試一個新協(xié)議之前，需要觀察先前的控制決策。例如，若路由器告訴數(shù)據(jù)源增加擁塞窗口，在下次告訴數(shù)據(jù)源增加時，路由器需先觀察有多少空余帶寬。第三頁結(jié)束第四頁開始路由器保留鏈路估計控制定時器

16、，用來記錄最新的平均RTT估值。超時期間，路由器更新它的估值和控制決策。文章的剩余部分，談到路由器的當(dāng)前RTT估值強調(diào)這是反饋延時。3.5.1效率控制器效率控制器的目的是最大化鏈路利用率，最小化丟包數(shù)量和隊列大小。在總通信時不用關(guān)心公平問題。由于XCP是基于窗口的，EC計算在控制間隔的總通信量的增加或減少值?？偡答佋诿總€控制間隔中都計算。=*d*S-*Q和是常量，數(shù)值大小基于穩(wěn)定性分析。d是平均RTT，S是空余帶寬，Q是隊列大小。通過取在最后傳播延時中的到達數(shù)據(jù)包最小隊列計算Q值。等式1使反饋正比于空余帶寬，因為當(dāng)S0,鏈路可用，發(fā)送正反饋，當(dāng)S<0，鏈路擁塞，發(fā)送負反饋。但單獨這么做是

17、無效的，因為當(dāng)輸入通信匹配容量時，認為我們沒有給出反饋，所以隊列不分發(fā)。為分發(fā)現(xiàn)存隊列，我們使總反饋正比于現(xiàn)存隊列。最后，由于反饋在字節(jié)中，空余帶寬S乘以RTT。為達到效率，我們把總反饋分配給單數(shù)據(jù)包。由于EC只處理總體行為，并不關(guān)心哪些數(shù)據(jù)包得到反饋和丹哥數(shù)據(jù)流改變了多少擁塞窗口。EC需要總通信該變量。分割反饋的精確程度影響公平，這是公平控制器的工作。3.5.2 公平控制器公平控制器的任務(wù)是為個體數(shù)據(jù)包公平分配反饋。FC依靠和TCP相同的原則，AIMD。計算總數(shù)據(jù)包反饋用以下機制：若>0,分配的增量在所有數(shù)據(jù)流吞吐量中相同若<0，數(shù)據(jù)流吞吐量的減少量正比于當(dāng)前吞吐量。在不為0的情

18、況下，這確保了持續(xù)的公平。當(dāng)效率最佳時，為防止它停止引入帶寬混排的概念。這是同時分配和解除帶寬以至于總通信速率不改變，但每個數(shù)據(jù)流的吞吐量逐漸達到數(shù)據(jù)流公平共享。混排通信計算如下：h=max(0,*y-|)y是輸入通信量，是0.1的常量。這個公式確保了對于每個RTT，至少有10%的通信量根據(jù)AIMD重新分配。選擇10%是在收斂至公平的時間和強加在最佳效率系統(tǒng)上的混排干擾做權(quán)衡時得到的。下一步，計算允許FC執(zhí)行在上述機制中的總數(shù)據(jù)包反饋。由于增加用加法，較少用乘法，計算數(shù)據(jù)包i的反饋隨著正反饋pi和負反饋ni相結(jié)合變得更容易。 H_feedbacki=pi-ni首先，計算當(dāng)反饋是正值的情況。增加

19、所有數(shù)據(jù)流相同的吞吐量。數(shù)據(jù)流i的吞吐量變化量正比于相同常量。由于處理的是基于窗口的協(xié)議，我們要計算的變化量是擁塞窗口的而不是它的吞吐量。數(shù)據(jù)流i的擁塞窗口變化值是它的吞吐量變化值乘以它的RTT。數(shù)據(jù)流i的擁塞窗口變化量正比于數(shù)據(jù)流的RTT。下一步是轉(zhuǎn)化擁塞窗口變化值為總數(shù)據(jù)包反饋，總數(shù)據(jù)包反饋會在擁塞報頭中給出。一個數(shù)據(jù)流的總擁塞窗口變化量是它收到的總數(shù)據(jù)包反饋的總和。在一個控制間隔d內(nèi)，路由器從數(shù)據(jù)流i中檢測數(shù)據(jù)包的期望值，用這個期望值劃分擁塞窗口的變化量，由此我們得到總數(shù)據(jù)包反饋。這個數(shù)值正比于數(shù)據(jù)流的由數(shù)據(jù)包大小劃分的擁塞窗口，反比于它的RTT?？倲?shù)據(jù)包正反饋正比于數(shù)據(jù)流RTT的平方，

20、反比于由數(shù)據(jù)包劃分的擁塞窗口。在總通信速率的增量是h+max(，0)d ，max（，0）確保了我們計算的是正反饋。這等于所有數(shù)據(jù)流速率的增量和，也是一個數(shù)據(jù)流得到的正反饋的總和。h+max(，0)d=Lpirtti L是在一個RTT時間內(nèi)路由器檢測到的數(shù)據(jù)包數(shù)量。相似的，當(dāng)<0時，計算總數(shù)據(jù)包負反饋。在這種情況，我們想讓數(shù)據(jù)流i按它當(dāng)前的吞吐量減少。因此，在數(shù)據(jù)流的擁塞窗口，這個期望變化與它當(dāng)前的擁塞窗口成正比。路由器以時間間隔d檢測的數(shù)據(jù)流的預(yù)期數(shù)據(jù)包量，由這些數(shù)據(jù)包分割擁塞窗口，這個改變就是期望總數(shù)據(jù)包反饋。最終發(fā)現(xiàn)，總數(shù)據(jù)包負反饋應(yīng)該正比于數(shù)據(jù)包大小乘以數(shù)據(jù)流的RTT。 3.5.3

21、 有效性與公平控制器的說明 在一節(jié)總結(jié)有效控制器和公平控制器的重要性。 最初提到，有效和公平控制器是分開的。尤其，有效恐嚇器用MIMD規(guī)則，它增加通信速率正比于系統(tǒng)的空閑帶寬。即使在高容量鏈路，XCP也能快速得到空余帶寬。公平控制器用AIMD規(guī)則，它集中在公平上。不掛鉤使兩種控制器用各自適合的規(guī)則。有效控制器和公平控制器用到的特殊控制規(guī)則并不是唯一選擇。例如，我們用二項式定律描述公平控制器類似于在6所描述的。選擇以上控制規(guī)則是因為我們的分析和模擬實驗證明它們性能很好。有效控制器滿足2的需求?？偼ㄐ诺膹娙跤每偡答伜蛡鬏斣阪溌飞系莫毩?shù)據(jù)流數(shù)量來說明。不同于TCP，增加或減少規(guī)則不同于在網(wǎng)絡(luò)中的擁

22、塞水平。由EC發(fā)送的總反饋正比于利用率水平。此外，由于總反饋是通過RTT給出的，XCP隨往返延時積增加變得溫和。盡管公平控制器用AIMD，它比TCP更快達到公平。XCP的強弱與反饋延時很難在等式1中體現(xiàn)出它們的聯(lián)系。建議參考等式16，它表明基于不匹配率的吞吐量變化正比于延遲時間，基于隊列不匹配的變化正比于隊列延遲時間。乘積減少幫助集中于公平。在TCP中，乘積減少試用于丟包事件，這很少見。相反，XCP乘積減少與丟包無關(guān)，在每個平均RTT上都能用。XCP在估測誤差上也有效。我們估計p值并預(yù)測在流動傳輸間隔期間的p。若低估了p，我們就分配不到在當(dāng)前控制間隔下得所以正反饋。但是，這帶寬將在的輸入通信估

23、計中作為空余帶寬出現(xiàn)，在這個間隔內(nèi)被非配到。在每個控制間隔，空閑帶寬部分將被分配，直到?jīng)]有留下。由于我們低估p導(dǎo)致分配減少，會緩慢收斂于效率。但這個錯誤不會停止XCP達到滿利用率。相似的，若高估了p，在開始時的控制間隔內(nèi)會分配更多的反饋，很快將反饋耗盡。分配間隔的不均勻并不影響達到利用率，但會緩慢達到公平。相似論證能用在估計誤差，他們只是影響收斂時間，并不影響正確率。XCP的參數(shù)是定值，并獨立于數(shù)據(jù)源數(shù)量，延時，瓶頸容量。這比以前有顯著改善因為特殊值只能用在特殊環(huán)境，或依賴于數(shù)據(jù)源數(shù)量，容量，延遲。在4，我們說明如何選擇這些值。最后，實施有效和公平控制器十分簡單，只需要附錄A中的少量代碼。4.

24、穩(wěn)定性分析用通信流體模型來分析XCP的穩(wěn)定性。分析考慮了多種XCP數(shù)據(jù)流穿過單鏈路。為了簡化和易處理，和以前的工作22,15,23,24相似，分析假設(shè)所以的數(shù)據(jù)流具有相同的，有限的，確定的延遲，忽略邊界條件。大量實驗證明，在大拓撲結(jié)構(gòu)時，不同RTT和邊界條件，結(jié)果仍然成立。有一種誤差會組織完成有效性，這是混亂通信的不穩(wěn)定的分配和解除分配。例如，在控制間隔結(jié)束時，我們解除所有的混亂通信，但沒有分配它，這種混亂會阻礙完成充分鏈路運用。但混亂通信只占輸入通信的10%。此外，只有在|<0.1y時，混亂通信才存在。第五頁結(jié)束 第六頁開始 證明細節(jié)在附錄B中給出了。穩(wěn)定性證明的思想如下。給出以上的假

25、設(shè)，系統(tǒng)是線性反饋系統(tǒng)，具有延遲。這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過列出奈奎斯特圖中的開環(huán)傳遞函數(shù)進行研究。通過選擇如上所述的，值來證明系統(tǒng)滿足奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。此外，增益裕度大于1，相位裕度大于0，獨立于延遲，容量，數(shù)據(jù)源數(shù)量。 5.性能 在這一節(jié)，通過大量模擬實驗證明，在傳統(tǒng)環(huán)境和高帶寬環(huán)境，XCP都勝過TCP。 我們的模擬實驗表明，XCP具有幾乎從不丟包的特性。 我們證明了，在定理1的條件下，在任何容量，延遲，數(shù)據(jù)源中都能為，選擇常量。模擬實驗從1.5Mb/s4Gb/s，傳播延遲在10ms1.4s，數(shù)據(jù)源數(shù)量在11000之間。我們模擬了對稱通信和進出動態(tài)環(huán)境的短網(wǎng)狀流。在這些模擬中，設(shè)置=0.4，=

26、0.226展現(xiàn)了結(jié)果的穩(wěn)定。 模擬證明，與TCP相比，新協(xié)議抑制震蕩，平滑集中在高利用率，小隊列，公平帶寬分配。同時證明了協(xié)議在不同通信需求和不同數(shù)據(jù)流往返時間下，都有穩(wěn)定性。 5.1模擬設(shè)置 模擬用數(shù)據(jù)包水平模擬ns-2，XCP模塊也參與其中。通過排隊規(guī)則，我們比較XCP與TCP reno：隨機早期丟棄算法(RED)。實驗用“溫和”模式，根據(jù)作者建議設(shè)置參數(shù)。最小與最大閾值分別設(shè)置為緩沖區(qū)的1/3，2/3。增益裕度是在頻率-條件下的傳遞函數(shù)大小。相位裕度是傳遞函數(shù)為1時的頻率。在/dina/XCP.上的代碼是可用的。隨機提起標(biāo)記（REM）：根據(jù)作者建議以

27、及提供的代碼進行設(shè)置REM參數(shù)。=1.001，=0.001.更新間隔設(shè)置在10個數(shù)據(jù)包傳遞時間，qref設(shè)置在緩沖區(qū)大小的1/3.自適應(yīng)虛隊列（AVQ）。作者建議，實驗用=0.98，基于等式22計算。在19中，這個等式設(shè)置不適合大容量。這種情況，在22中用=0.15。核心無狀態(tài)公平隊列（CSFQ）：與AQM相比，AQM目的在于高利用率和小隊列。在核心路由器沒有數(shù)據(jù)流狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)云端，CSFQ旨在提供高公平性。CSFQ與XCP相比，發(fā)現(xiàn)XCP能在CSFQ框架中使用，并能提供公平性和有效性。參數(shù)設(shè)置用作者的ns實施中的數(shù)據(jù)。AQM方案的代碼由作者提供。為了讓發(fā)難展現(xiàn)最好的性能，在模擬時我們把ECN使

28、能。在所以模擬中，XCP參數(shù)=0.4，=0.226。XCP在Drop-Tail和RED丟包策略中都做了實驗。這兩種清明沒有區(qū)別，因為XCP從不丟包。大多數(shù)模擬實驗用圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗?zāi)康模款i容量，往返延遲，數(shù)據(jù)流數(shù)量是多樣的。根據(jù)帶寬延遲積設(shè)置緩沖區(qū)大小設(shè)置。根據(jù)圖3結(jié)構(gòu)做的實驗表明了實驗結(jié)果可以推廣在更大更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)。第六頁結(jié)束第七頁開始在未指明時，讀者應(yīng)該假設(shè)模擬拓撲學(xué)，即數(shù)據(jù)流的RTT是相等的，數(shù)據(jù)流是長期的FTP數(shù)據(jù)流。模擬運行時間依賴于傳輸延時，并經(jīng)常大于300RTT。所以的模擬都運行足夠長的時間以確保系統(tǒng)達到一致的行為。5.2 與TCP和AQM方案做比較容量的影響：

29、不管隊列方案怎樣，鏈路容量的增加都將引起TCP性能降級。在這個實驗中，50個長期FTP數(shù)據(jù)流共享一個瓶頸。往返傳播延時是80ms。另外，有50個數(shù)據(jù)流穿過反向路徑，經(jīng)常建立帶有應(yīng)答壓縮潛能的對稱通信環(huán)境。因為XCP基于流體模型并估計一些參數(shù)，具有結(jié)果突發(fā)性的反向通信有向協(xié)議施壓的趨勢。 圖4說明，隨著容量的增加，TCP的瓶頸利用率嚴(yán)重減少。不管隊列方案如何，這結(jié)果都會發(fā)生。與此相反，XCP的利用率獨立于鏈路容量，始終接近最佳。此外，XCP從不丟失數(shù)據(jù)包，盡管TCP使用ECN，它也會丟失數(shù)以千計的數(shù)據(jù)包。盡管XCP隊列伴隨著容量增加，但隊列延時并不增加，因為大容量引起處理隊列加快。反饋延時的影響

30、：我們固定瓶頸容量在150Mb/s，研究增加延時對擁塞控制性能的影響。所有其他參數(shù)具有與先前實驗相同的值。圖5表明，隨著傳播延時增加，TCP的利用率不管隊列方案，下降嚴(yán)重。相反，XCP維持高利用率。大延遲對TCP的性能的負面影響已經(jīng)在衛(wèi)星鏈路中熟知。TCP的突發(fā)性被認為是一個潛在解釋，數(shù)據(jù)包速度被提議為解決方案。然而，實驗表明突發(fā)性是小因素。尤其，XCP是基于窗口的突發(fā)性協(xié)議，但它處理延遲比TCP好多了。它能根據(jù)往返延遲調(diào)整它的積極性。數(shù)據(jù)流數(shù)量的影響：我們固定瓶頸容量在150Mb/s，往返傳播延遲在80ms，并在不同數(shù)量的FTP數(shù)據(jù)源進行相同實驗。其他參數(shù)與先前的實驗保持一致。圖6表明，XC

31、P展現(xiàn)了很好的利用率，合理的隊列大小，沒有丟失數(shù)據(jù)包。在XCP隊列中，數(shù)據(jù)流的增加對它的高公平性有反作用。當(dāng)數(shù)據(jù)流的數(shù)量大于500時，公平擁塞窗口是一個實數(shù)，但有效擁塞窗口是數(shù)據(jù)包的整數(shù)。隨著公平窗口的減小，化整誤差引起擾亂。因此，隊列增大能消除這些擾亂。短網(wǎng)狀通信的影響：在網(wǎng)絡(luò)中的大量數(shù)據(jù)流是短網(wǎng)狀數(shù)據(jù)流。這對調(diào)查在擁塞控制中動態(tài)數(shù)據(jù)流影響很重要。在這個實驗，我們有50個長期FTP數(shù)據(jù)流在瓶頸鏈路中傳輸。同時，有50個數(shù)據(jù)流在反向鏈路中傳輸。這兩種存在仿真具有確認壓縮結(jié)果的對稱通信環(huán)境。瓶頸帶寬是150Mb/s,往返傳輸延時是80ms。短流程以泊松方式到達。從柏拉圖非配方式得到平均30個數(shù)據(jù)

32、包的傳輸大小，這依賴于實際網(wǎng)絡(luò)流量。 圖7描繪了瓶頸利用率，平均隊列長度，丟失包總數(shù)，以及各種情況下得到達率。在動態(tài)環(huán)境下，伴隨著大量數(shù)據(jù)流的到達與分發(fā)，圖表數(shù)據(jù)顯示了XCP的穩(wěn)健性。即使在數(shù)據(jù)流的到達率顯著增大時，XCP也能持續(xù)保持高利用率，小隊列長度，0丟失量。在到達率高于800流/s,XCP開始丟包。這不是由環(huán)境的高動態(tài)引起的。這是因為，在高達率時，同一時刻的活動流程很少。在通道中沒有空間來維持?jǐn)?shù)據(jù)包的最小量，丟包是必然的。這種情況，XCP實行最低丟包策略，即RED。 公平性：這個實驗表明，XCP比TCP更公平，不管隊列方案怎樣。我們有30個永久的FTP數(shù)據(jù)流共享一個30Mb/s的通道。

33、做兩組模擬。在第一組，所有的數(shù)據(jù)流都有40ms的往返傳播延遲。在第二組，數(shù)據(jù)流有不同的RTT，范圍在40330ms中間。 圖8證明了，與其他方法相比，XCP提供了公平的帶寬分配，對長RTT數(shù)據(jù)流沒有偏見。此外，圖8-b顯示了在RTT分配中，即使變化大，XCP也有穩(wěn)健性。盡管XCP計算了系統(tǒng)RTT的平均估計值，它仍然正確的運行在不同數(shù)據(jù)流具有不同RTT的環(huán)境下。 更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)：實驗用了9條鏈路拓撲，盡管結(jié)構(gòu)類似于更多的鏈路。鏈路5能力最小，即50Mb/s，其他的位100Ms/s。所以的鏈路都有20ms的單程傳播延遲。50個數(shù)據(jù)流，用實線箭頭表示，穿過所以前向鏈路。50個橫向流，用虛線箭頭描述

34、，穿過所以前向鏈路。50個數(shù)據(jù)流也穿過反向鏈路。 圖9顯示了平均利用率，隊列大小，每個鏈路的丟包數(shù)量。實際上，所以方案保證在每個鏈路上具有合理的高利用率。然而，在最佳利用率與小隊列之間的權(quán)衡，在來自各種AQM方案中的XCP處理方式不同。XCP用少量的利用率交換少量的隊列容量。在這次試驗與以前的相比，XCP的低利用率是由于混排帶來的干擾。尤其在鏈路1,2,3,4，公平控制器試圖從橫向數(shù)據(jù)流到遠距離數(shù)據(jù)流之間攪亂帶寬，使其減少吞吐量。但遠距離數(shù)據(jù)流在鏈路5中被壓制在下游，所以不能在正反饋中受益。這種結(jié)果在鏈路5的下游鏈路減輕了，因為他們能觀察到上游的限制，并相應(yīng)地減少負反饋。無論如何，由于攪亂帶寬

35、的總量少于10%，利用率仍然高于90%。第八頁結(jié)束第九頁開始在多邊擁塞鏈路的存在下，對XCP進行修改還是有可能保證100%的利用率的。尤其，我們可以修改XCP來保證隊列在目標(biāo)值附近。這可能導(dǎo)致由隊列波動混亂引起干擾。然而，我們相信，當(dāng)數(shù)據(jù)流穿過多邊擁塞鏈路時，維持小隊列長度比利用率的少量增加更有價值。尤其，它為新的突發(fā)數(shù)據(jù)流到來留下了安全裕度。相反，在TCP模擬實驗中，純在在鏈路中的大隊列導(dǎo)致每個包等待這九個隊列，這增加了端對端延遲。在這節(jié)的結(jié)尾，值得一提的是，在我們的所有模擬中，XCP的平均丟包率少于10-6,比其他方案少了三個數(shù)量級，盡管它們用了ECN。在數(shù)據(jù)流的公平擁塞窗口大于一個或兩個

36、數(shù)據(jù)包的環(huán)境下，XCP能控制擁塞達到?jīng)]有丟包。5.3 XCP的強弱由于以上的模擬實驗集中在長期平均反應(yīng)，本節(jié)演示短期XCP的強弱。尤其，我們演示XCP的利用率，隊列大小，和吞吐量的有限波動。這節(jié)中的平均反應(yīng)對協(xié)議的常規(guī)反應(yīng)具有代表性。收斂強弱：XCP抑制震蕩和平穩(wěn)的收斂，達到高效率小隊列和公平帶寬分配。在這個實驗，5個長期數(shù)據(jù)流共享45Mb/s的通道，具有40ms的RTT。數(shù)據(jù)流以兩秒的間隔開始轉(zhuǎn)移。圖10-a表明了，無論何時轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)流，公平控制器都重新分配帶寬來維持最大-最小公平。圖10-b表明分離利用率和公平控制確保在不干擾利用率的情況下實現(xiàn)重新分配。最終，圖10-c表明瞬時隊列有效的吸收

37、、釋放了流量。在流量需求的突然增加和減少下得穩(wěn)健性在這個實驗，我們檢測了在性能流量需求和強弱變化時的性能。在10個長期FTP數(shù)據(jù)流共享100Mb/s的通道下模擬，往返傳輸延時是4ms。在t=4s時，開始了100個新的數(shù)據(jù)流的傳輸并讓它們穩(wěn)定。在t=8s時，我們終止這100個數(shù)據(jù)流，并保留10個原始的數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中。圖11表明 了XCP快速的適應(yīng)在傳輸中的突然的增加或減少。它表明了在數(shù)據(jù)流是XCP和TCPS通過RED隊列這兩種情況下的利用率和隊列。在不丟包的情況下，XCP吸收新的突發(fā)數(shù)據(jù)流同時維持了高利用率。在傳輸中，TCP容易被突然的增加干擾，并消耗很長時間去回復(fù)平穩(wěn)。當(dāng)數(shù)據(jù)流在t=10s時突

38、然停止，XCP快速的重新非配空余帶寬并保持高利用率。相反，需求的突然的減少會使TCP動搖，并引起序列震蕩。6.不同的帶寬分配為了分離效率和公平，XCP提供了靈活的框架去設(shè)計各種各樣的帶寬分配方案。第九頁結(jié)束第十頁開始尤其，最小-最大公平控制器，會被能引起數(shù)據(jù)流的吞吐量收斂于不同帶寬分配的控制器代替。這樣做，設(shè)計師需要替換在FC上使用的AIMD機制，新機制對單個數(shù)據(jù)流分配總體反饋，使它們收斂于期望值。在這節(jié)，我們修改公平控制器來提供不同的帶寬分配。在描述帶寬分配方案之前，在XCP中，只有S受關(guān)注的QOS方案保證小排隊延遲或低抖動冗余。我們描述一個簡單的方案，它根據(jù)影子價格模型提供不同的帶寬分配。

39、在模型中，用戶選擇自己愿意支付的單位時間價格。網(wǎng)絡(luò)分配帶寬，使競爭相同瓶頸的用戶吞吐量正比于他們的價格。為提供不同帶寬，我們替換AIMD機制：如果>0,增加數(shù)據(jù)流吞吐量，使其正比于價格。如果<0，以當(dāng)前的吞吐量，成比例減少。我們通過修改擁塞數(shù)據(jù)頭來實施以上機制。尤其，以用戶支付的價格得到的當(dāng)前擁塞窗口替代H_cwnd.這個小修改足夠遵守以上的模型。下一步，我們給出模擬結(jié)果。三個XCP源共享10Mb/s的瓶頸。相應(yīng)的價格為P1=5，P2=10，P3=15。每個數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)移一個10Mb的文件，并從t=0開始。在圖12的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移率依賴于支付價格。在開始，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)流都參與時，它們的

40、吞吐量是5Mb/s，3.3Mb/s，1.6Mb/s，都正比于它們當(dāng)前的價格。數(shù)據(jù)流1傳輸結(jié)束，剩余的數(shù)據(jù)流奪取剩余的帶寬，吞吐量扔保持正比于價格。當(dāng)數(shù)據(jù)流1完成傳輸釋放一半的連接能力，其他數(shù)據(jù)流的發(fā)送率占用一點RTT.7.安全性相識于TCP，在XCP中針對不良數(shù)據(jù)源的安全需要額外的機制來維持?jǐn)?shù)據(jù)流，并確保它們遵守擁塞控制機制。在網(wǎng)絡(luò)邊緣的檢查代理或許會做這些。代理維持每個數(shù)據(jù)流狀態(tài)，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)流的行為來偵查網(wǎng)絡(luò)攻擊，并隔離無反應(yīng)的數(shù)據(jù)源。不像TXP,XCP使檢查代理的工作變得容易是因為它的顯示反饋。隔離不良數(shù)據(jù)源變得更快和容易是因為代理能用顯示反饋檢測數(shù)據(jù)源。更準(zhǔn)確的說，在TCP隔離不良數(shù)據(jù)

41、源需要代理/路由器監(jiān)控通過長時間間歇可疑數(shù)據(jù)的平均值來決定這個數(shù)據(jù)源根據(jù)AIMD起反應(yīng)。因為數(shù)據(jù)源的RTT不確定，正確發(fā)送率是非特定的，這使工作變得復(fù)雜。路由器發(fā)送數(shù)據(jù)流一個檢測反饋，用這個反饋減少擁塞窗口值達到特殊值。若數(shù)據(jù)流沒有作用在單程RTT則認為它是無反應(yīng)的。實際上，數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)包包中指定RTT使監(jiān)控變得容易。因為數(shù)據(jù)流不能告訴在什么時候代理/路由器在監(jiān)控它，它不得不跟隨顯示反饋。第10頁結(jié)束第11頁開始8.逐步調(diào)度XCP接受逐步調(diào)度，在一半的路徑上適用。8.1基于XCP的核心無狀態(tài)公平隊列XCP能調(diào)度于類似CSFQ提出的云計算方法。這方法有很好好處。它能強制不良數(shù)據(jù)流或UDP數(shù)據(jù)流使

42、用公平分配而不需要每個數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)核心的狀態(tài)。它能提高網(wǎng)絡(luò)的效率，因為XCP核心允許高利用率，小隊列，最小量數(shù)據(jù)包丟失。它也允許ISP在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部提供不同的帶寬分配。CSFQ共享這些資源，但我們的模擬實驗表明XCP提供更好的公平，更高的利用率，更低的延遲。按這種方式運用XCP，在通過網(wǎng)絡(luò)云端時，我們能映射TCP或UDP數(shù)據(jù)流到進出邊緣路由器之間的XCP數(shù)據(jù)流。每個XCP數(shù)據(jù)流與進入路由器相連接。到達的TCP或UDP數(shù)據(jù)包進入相關(guān)的隊列，相應(yīng)的XCP數(shù)據(jù)流在要離開時通過核心確定。為了這個目的，H_rtt測量在進出路由器之間的傳播延遲，H_cwnd設(shè)置在進入路由器維持的XCP擁塞窗口。 維持XCP核

43、心能被進一步簡化。首先，沒有必要為數(shù)據(jù)包附加擁塞頭，因為在每個RTT內(nèi)，邊緣路由器之間通過交換少量控制數(shù)據(jù)流來收集反饋。第二，共享進出邊緣路由器的多元小數(shù)據(jù)流能映射到單個XCP數(shù)據(jù)流。不同的帶寬方案允許每個XCP小數(shù)據(jù)流得到正比于小數(shù)據(jù)流總量的吞吐量。根據(jù)XCP大數(shù)據(jù)流，路由器從隊列里轉(zhuǎn)寄數(shù)據(jù)包。TCP很自然的使小數(shù)據(jù)流集中于公平地共享大數(shù)據(jù)流，盡管應(yīng)該注意不能讓在相同大數(shù)據(jù)流中混雜響應(yīng)和無響應(yīng)數(shù)據(jù)流。8.2 TCP友好的XCP在這一節(jié)，我們描述一個在同一網(wǎng)絡(luò)允許端對端XCP公平競爭TCP的機制。這個設(shè)計可以用來允許XCP在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中存在，或作為增量式部署機制。開始連接XCP時，發(fā)送方必須檢測接收方和路由器是否支持XCP。如果不支持，發(fā)送方恢復(fù)TCP或其他傳統(tǒng)協(xié)議。這些檢測可以用簡單設(shè)置TCP和IP完成。我們延伸設(shè)計