计算机网络-10 传输协议及优化

第十讲：传输协议性能分析和优化

基础回顾

TCP：端到端，发送端驱动，目标是可靠、公平、高效，拥塞控制是影响TCP性能的核心，采用reactive（响应）模式，发生拥塞后再调整

端到端

连接状态保存在两端，中间路由不保存任何连接信息（有的middlebox会保存）

发送端驱动

通过发送窗口大小控制速率

可靠传输

通过ACK，SACK显式告知是否受到，如果在一段时间里(RTO，超时重传)没有收到ACK，就重发，$RTO=SRTT+max(200ms;4RTTVAR)$，RTO一般远大于RTT，等RTO会极大影响流完成时间

兼顾高效和公平

理想发送速率=swnd/RTT

公平是指两条相同的连接具有相同的发送速率

拥塞控制

加性增乘性减，初始窗口大小设置为10MSS~10pkts性能比较好，采用慢启动指数增长，直到达到某个ssthresh，慢启动并不慢，是因为初始窗口太小才说它慢

整个过程：慢启动阶段，每收到一个ACK窗口大小+1；达到ssthresh后进入拥塞避免状态，每收到一个ACK窗口大小+1/cwnd，直到有丢包，ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd置1，重新慢启动

慢启动的瓶颈：**瓶颈1：**使用RTO判断丢包，等待时间长；**瓶颈2：**从1MSS开始太慢

解决1：丢包判断改为3个重复ACK（意味着包可能丢了，也可能乱序到达），触发快速重传。注意如果发的包比较少（比如拥塞窗口比较小），就比较难触发快速重传

一个对比

TCP协议	达到的功能
TCP Tahoe	慢启动，拥塞避免，快速重传，超时cwnd=1
TCP Reno	慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复，超时cwnd=1，重复ACK时cwnd减半
TCP NewReno	TCP Reno+快速恢复改进
TCP cubic	~

TCP Tahoe

慢启动，拥塞避免，快速重传，超时cwnd=1

TCP Reno

慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复，超时cwnd=1，重复ACK时cwnd减半

比Tahoe添加了快速恢复和重复ACK时cwnd减半

快速恢复阶段：缓解瓶颈2，如果收到重复ACK，说明接收端还在收数据，链路质量还没那么差，那就不需要回退到slow start

快速恢复阶段使用了一个小trick：cwnd的膨胀，也就是收到重复ACK时cwnd继续膨胀以发送更多数据包，当收到新ACK的时候，cwnd回落到进入快速恢复阶段时的cwnd大小

TCP NewReno

TCP Reno+快速恢复改进

收到的ACK并没有把快速恢复阶段发的包全部ACK，说明在一个窗口中有多个丢包。引入部分ACK，当收到部分ACK时立即重传丢失的包，并设置当前接收到的重复ACK包数目为0，停留在快速恢复阶段，直到进入快速恢复阶段发的所有包都被ACK

SACK：接收方告诉发送方哪些报文丢失，哪些报文重传，哪些报文提前收到

初始窗口cwnd：可能会限制效率，短流会在慢启动阶段结束，不能充分利用带宽；outstanding包少的时候触发不了快速重传，因为收集不齐3个ACK

发送速率也不止收到cwnd限制，接收窗口也是

超时重传带来的问题

RTO远大于RTT，在RTO时间内不能传输数据；超时重传会进入慢启动状态；对于短流影响很大（更可能收集不齐3个重复ACK，触发不4了快速重传；短流持续时间短，任何长时间停顿都会极大增加流完成时间）

尽量使用快速重传而不是超时重传

不能直接减小RTO，会造成不必要的重传和窗口减小太多

代表性TCP优化：TLP（tail loss probe）

尾部的包更容易丢，也更难触发快速重传（它后头都没包了，更没有重复ACK）

在具体实现中，公共网络通过提前重发尾包触发快速重发（响应式），私有网络中通过发送包副本避免重传（主动式）

**响应式：**2个RTT后重发新包或尾部包，可以通过SACK发现丢包，加快丢包检测

**主动式：**通过发送包副本避免重传（每个包都发俩），直接从根源上避免丢包检测和恢复

代表性TCP优化：SRTO（smart-RTO）

比TLP更激进的数据包恢复

和原始TCP处理流程的关系是：

小结

在Reno基于丢包的拥塞控制框架下，长流提升空间不大，短流会有很大提升空间；且短流多为交互式流，对延迟敏感

TCP cubic

动机：标准TCP在高带宽、高RTT网络下的带宽利用率不足，且对高RTT流不友好；cubic实现了在不依赖RTT调整窗口的同时保证公平性

算法

每收到ACK，$cwnd=C\times (t-K{)}^3+W_{max}$，$C$是个常数，$t$表示当前距离上一次降低拥塞窗口的时间间隔，$W_{m}ax$表示上一次降低窗口前的拥塞窗口大小，$K$是参数，在上一次丢包时更新

重新审视TCP

控制系统以丢包为反馈？

收一个ACK，发一个数据包，端到端控制，网络丢包通过ACK来体现

是基于"丢包即拥塞"假设，但在无线网络内不一定成立

是被动响应模式，发生了拥塞再控制

其他拥塞信号？RTT变化

当网络拥塞时，网络内瓶颈设备的buffer逐渐填满，RTT增大

控制信号ECN？

网络设备显式告知网络拥塞，需要路由器配合，在DCN中使用比较广泛

BBR

基本理念是：尽量估算RTT和bottleneck这两个参数，从而

非TCP传输控制协议：QUIC

基于UDP：Quick UDP Internet Connections，是基于UDP的可靠传输，永远是加密的，在应用层实现