拥塞控制算法(Congestion Control)对比

文章目录

包对探测法
GCC(google congestion control)
BBR
TCP congestion control
- Tahoe and Reno
- BIC TCP
- Cubic
参考文献

包对探测法

包对探测通过连续发送两个包，并计算时间差来获取瓶颈链路带宽，假设两个包 A 和 B 大小均为 LLL，且两个包紧邻连续发送如下图所

因此可以通过计算接收方两个包的到达时间差 δ\deltaδ 来估测瓶颈带宽 C=LδC=\frac{L}{\delta}C=δL。

GCC(google congestion control)

BBR

本方法核心是估计计算当路由器缓冲队列恰好为0时的通信链路容量大小。如果把通信链路比作一条管道，经过的流量类比管道中的水流，路由器缓存看成是输液管道膨胀的部分。如下图:

刚开始，路有缓冲队列为空，发送带宽随发送速率线性提升，rtt不变，进一步提升发送速率，发送数据包开始注入路由缓冲队列，此时发送带宽已到达瓶颈带宽，不再增加，rtt随着路由缓冲队列增加而增大，因此，当路由缓冲队列恰好为空时，此时rtt最小，发送带宽达到最大，因此通信容量的估计为 12RTTmax⋅Bandwidthmax\frac{1}{2}RTT_{max}\cdot Bandwidth_{max}21RTTmax⋅Bandwidthmax

TCP congestion control

Tahoe and Reno

tcp tahoe和 tcp reno 为最早出现的两个tcp拥控算法，也是课本上的经常提到的示例算法，他们拥塞控制策略如下图所示

主要步骤为

初始时为slow start阶段，此时cwnd (congestion window)为1，每间隔一个RTT(Round-trip time)，cwnd 加倍
当cwnd等于ssthresh时，进入拥塞避免(congestion avoidance)阶段，每间隔一个RTT，cwnd增加一个MSS

当检测到丢包时(丢包反馈)，其中丢包检测的判断为

发生retransmission timeout(RTO)
连续收到3个重复的ACK（连续收到4个相同的ACK），快速重传

当发生丢包事件为 b时：

tahoe算法：将ssthresh置为当前cwnd的一半，cwnd置为1，并重新开始进入slow start阶段，如上图的蓝线

Reno算法：进入快速恢复阶段(cwnd不置为1)，将ssthresh和cwnd同时置为当前cwnd的一半，并进入拥塞避免阶段，跳过slow start阶段。如上图的黑线

其对应伪代码如下：

if (cwnd < ssthresh) {cwnd(n + 1) = cwnd(n) + 1;    // slow start
} else {cwnd(n + 1) = cwnd(n) + 1 / cwnd(n);  // additive increase
}if (duplicated 3 acks) {  // fast retransmissionretransmit the lost packet;
}if (retransmission_timerout) {    // multiplicative decrease ssthresh(n + 1) = cwnd(n) / 2;cwnd(n + 1) = 1;
}if (duplicated 3 acks) {       //  fast recovery (TCP reno):ssthresh(n + 1) = cwnd(n) / 2;cwnd(n + 1) = sssthresh(n + 1);
}if (duplicated 3 acks) {  // multiplicative decrease to slow start (TCP Tahoe)ssthresh(n + 1) = cwnd(n) / 2;cwnd(n + 1) = 1;
}if (retransmission_timerout) { // RTOretransmit the lost packet;
}

BIC TCP

主要考虑三个点：

**TCP friendliness ：新协议与TCP共存时，不能抢占太多的TCP带宽，尽量保证带宽分配的公平性。**
**scalability：新协议应用到long fat管道链路上时，有更好的适应性，即不会因为网络状况的改变性能下降太多。**
**RTT fairness ：多个运行相同新协议的连接，他们获得的cwnd 与RTT的相关性不应该太大。(RTT小的连接能更快的收敛到管道容量，先收敛不能影响后收敛的)**

Binary increase congestion control 协议主要考虑如何在high-speed 和large delays 网络上cwnd如何更快的收敛至管道容量(standard TCP收敛速度极慢)，对于短流(short flow)来说，标准TCP在慢启动阶段就已完成数据传输(slow start持续时间太长)。因此BIC的思想主要为利用二分查找的方法找到管道容量，以丢包反馈信息来指导当前预估的cwnd比管道容量大还是小，如果cwnd大于管道容量，显然会发生丢包。其主要算法伪代码如下：

The following preset parameters are used:
low_window: if the window size is lager than this thresholdBIC engages; otherwisz normal TCP increase/decrease.S_max: the maximum increment.S_min: the mininum increment.β: multiplicative window decrease factor.The following variables are used:W_max: the maximum window sizecwnd: congestion window size;bic_inc: window increment per RTTWhen entering faster recovery:
if (cwnd < low_window) {  // normal tcpcwnd = cwnd * 0.5;return
}if (cwnd < W_max) // fast convergenceW_max = cwnd * (2 - β) / 2;
elseW_max = cwnd;
cwnd = cwmd * (1 - β); // multiplicate decreaseWhen not in fast recovery and an acknowledgment for a new packet arrive:
if (cwnd < low_window) { // normal TCPcwnd = cwnd + 1 / cwnd;return;
}if (cwnd < W_max)  // binary searchbic_inc = (W_max - cwnd) / 2;
else bic_inc = cwnd - W_max;  // slow start
if (bic_inc > S_max) // additive increasebic_inc = S_max;
else if (bic_inc < S_min) // binary search increase or slow startbic_inc = S_min;cwmd = cwmd + bic_inc / cwnd;

BIC协议运行步骤主要如下，首先定义

步长最大值SmaxS_{max}Smax

步长最小值SminS_{min}Smin

当前最大窗口大小WmaxW_{max}Wmax

窗口乘性减因子β\betaβ

初始cwnd=1，并以binary search increase的方式计算步长，即步长 bic_inc=Wmax−cwnd2bic\_inc = \frac{W_{max}-cwnd}{2}bic_inc=2Wmax−cwnd，但是为了减少因为初始步长太大，导致网络瞬时注入太多包，因此步长不能超过上界SmaxS_{max}Smax，因此实际上，在启动初始阶段，先进入additive increase阶段(虽然是线性增，但是SmaxS_{max}Smax值很大，所以收敛速度很快)，即 cwnd(n+1)=cwnd(n)+Smaxcwnd(n+1)=cwnd(n)+S_{max}cwnd(n+1)=cwnd(n)+Smax
当 Smin<bin_inc<SmaxS_{min}<bin\_inc < S_{max}Smin<bin_inc<Smax时，进入 binary search increase阶段，即新的cwnd 总是等于旧的cwnd到WmaxW_{max}Wmax的中间值。即

cwnd(n+1)=cwnd(n)+Wmax−cwnd(n)2=Wmax+cwnd(n)2cwnd(n + 1) = cwnd(n) + \frac{W_{max}-cwnd(n)}{2}=\frac{W_{max}+cwnd(n)}{2} cwnd(n+1)=cwnd(n)+2Wmax−cwnd(n)=2Wmax+cwnd(n)

当 cwnd(n)cwnd(n)cwnd(n)接近WmaxW_{max}Wmax时且Wmax−cwnd(n)<SminW_{max}-cwnd(n)<S_{min}Wmax−cwnd(n)<Smin时，不再使用binary search increase 更新cwnd，而是使用 cwnd(n+1)=cwnd(n)+Smincwnd(n+1)=cwnd(n)+S_{min}cwnd(n+1)=cwnd(n)+Smin 来逐渐超过 WmaxW_{max}Wmax。
当 cwnd(n)>Wmaxcwnd(n)>W_{max}cwnd(n)>Wmax时，进入 slow start阶段增长cwnd(n)cwnd(n)cwnd(n)，即

bin_inc(1)=cwnd(k)−Wmaxbin\_inc(1)=cwnd(k)-W_{max} bin_inc(1)=cwnd(k)−Wmax

bin_inc(m)=2⋅bin_inc(m−1)+1bin\_inc(m)=2\cdot bin\_inc(m-1)+1 bin_inc(m)=2⋅bin_inc(m−1)+1

cwnd(n+1)=cwnd(n)+bin_inc(n−k+1)cwnd(n+1)=cwnd(n)+bin\_inc(n-k+1) cwnd(n+1)=cwnd(n)+bin_inc(n−k+1)

 可以看到步长是以2的幂次递增的

当发生丢包事件时，
1. 如果此时 cwnd(n)≥Wmaxcwnd(n)\ge W_{max}cwnd(n)≥Wmax，则进入multiplicative decrease 阶段，Wmax=cwnd(n)W_{max}=cwnd(n)Wmax=cwnd(n)，cwnd(n+1)=cwnd(n)⋅(1−β)cwnd(n+1)=cwnd(n)\cdot (1-\beta)cwnd(n+1)=cwnd(n)⋅(1−β)
2. 如果cwnd(n)<Wmaxcwnd(n)<W_{max}cwnd(n)<Wmax，则进入 fast convergence阶段
Wmax=cwnd(n)⋅(1−β)+cwnd(n)2W_{max}=\frac{cwnd(n)\cdot(1-\beta)+cwnd(n)}{2} Wmax=2cwnd(n)⋅(1−β)+cwnd(n)

Cubic

参考文献

Dovrolis C, Ramanathan P, Moore D. Packet-dispersion techniques and a capacity-estimation methodology[J]. IEEE/ACM Transactions On Networking, 2004, 12(6): 963-977.
Cardwell N, Cheng Y, Gunn C S, et al. BBR: Congestion-based congestion control: Measuring bottleneck bandwidth and round-trip propagation time[J]. Queue, 2016, 14(5): 20-53.
Xu L, Harfoush K, Rhee I. Binary increase congestion control (BIC) for fast long-distance networks[C]//IEEE INFOCOM 2004. IEEE, 2004, 4: 2514-2524.