TCP友好拥塞控制机制基础

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1、第一章引言近年来，Internet上引入大量的实时视频和音频流应用，如视频点播(VOD)、视频广播、视频会议、远程教学、交互式游戏等。丰富的多媒体流应用对用户有很强的吸引力，可以预料，多媒体流应用必然会成为未来网络的主流应用。这类应用的主要特点是：（1）对时延敏感；（2）能容许一定的数据丢失；（3）数据传输本质上是基于速率。目前Internet上大多数多媒体实时业务流一般是基于UDP的。UDP是一种无连接传输协议，在传输媒体流方面要比面向连接的TCP更有优势。UDP不支持拥塞控制，所以这些业务流通常都没有进行端到端拥塞控制，或者说，都不是TCP

2、-friendly。这样的业务流过多出现在Internet上，将对Internet产生严重的负面影响。我们知道，拥塞控制是计算机网络，特别是Internet中的一个重要机制。广泛的研究及实践使人们认识到，如果缺乏有效的拥塞控制机制将会导致严重的后果，如拥塞崩溃[1]。1986年10月，由于拥塞崩溃的发生，美国LBL到UCBerkeley的数据吞吐量从32Kbps跌落到40bps[2]。在那之后，人们在拥塞控制领域开展了大量的研究工作。拥塞控制算法对保证Internet的稳定具有十分重要的作用。当今Internet的稳定主要依赖于TCP的端到端拥

3、塞控制机制。TCP使用和式增加积式减少（AdditiveIncreaseMultiplicativeDecrease,AIMD）基于窗口的拥塞控制机制。这种拥塞控制机制对Internet上传统的尽力（best-effort）型服务如FTP、WWW,具有较好的适应性，但对于当今大量涌现的有实时质量要求的音频和视频流应用却并不适应。这主要是因为在拥塞时速率减半的策略将引起多媒体数据传输速率过大的抖动，会明显降低用户可察觉的质量（user-perceivedquality）。因此，按网络拥塞水平适当的调整发送速率更适合发送速率相对稳定（即相对“平滑”

4、，smoothness）、时延抖动受限的多媒体数据流[3]。一个传输多媒体流的可选方案是利用资源预留（RSVP）[4]或区分服务（DiffServ）[5]。但是，即使这些技术能够广泛地推广，仍然会有很大的一个用户群体，他们需要用比较低廉的价格来传输实时多媒体业务，而价格最低廉的服务正是best-effort服务。就算在那些支持RSVP和DiffServ的网络上，在相同服务等级中，各个用户享用资源的权利是平等的，所以他们互相之间还是一种best-effort服务。可见研究用best-effort传输多媒体数据是非常有意义的工作[6]。本文将从分析

5、目前多媒体流的TCP友好拥塞控制机制研究入手，然后结合多媒体流的本身特点，试图提出一种更加有效的TCP友好拥塞控制机制。1.1多媒体流的TCP友好拥塞控制机制研究当前的Internet主要是利用没有拥塞控制的UDP传输多媒体业务，文献[7]对当前最流行的RealNetworks公司的商业流式播放器RealPlayer分别基于UDP和TCP进行了测试，发现诸多使用UDP的好处，包括拥塞时获得更高的平均带宽及更加平滑的播放速率等。但由于UDP没有拥塞控制机制，当基于TCP的应用和基于UDP的应用共享网络资源时，一方面，基于UDP的应用将会占尽所有的

6、带宽，导致带宽分配的严重不公平[8,9]。而另一方面，TCP又是Internet中的主要传输协议，它占了整个IP包的83%，并承载了大约90%的Internet通信量[10]。因此，为保持Internet的稳定，应对基于UDP的应用程序增加拥塞控制机制，并且该机制能够确保UDP和TCP数据流和平友好共处。所以，随着以音视频实时传输为主的多媒体应用在Internet上的广泛开展，“TCP友好”（TCP-friendly）[1]作为一种新的拥塞控制机制好坏的评价标准，也日益被大家认可。在本文中，TCP友好是指：用best-effort服务传输的多媒

7、体实时流必须与同等条件下的TCP流的吞吐量近似的、平均的相等。1.1.1TCP友好拥塞控制机制研究最新进展近几年来，研究人员相继提出了许多TCP友好（TCP-friendly）拥塞控制机制[11~21]。这些新的拥塞控制机制的主要目标是试图与基于TCP的应用公平的分享可用带宽。TCP-friendly协议主要分为两类：一类是基于AIMD的，如文献[11~17]等，另一类是基于数学模型的，如文献[18~21]等。AIMD拥塞控制算法最主要特点就是：和式增加积式减小（AIMD）的窗口（速率）调节机制，数学式表示为（1.1）其中I表示因为在RTT内接

8、收到ACK包而引起窗口增加，D表示遇到拥塞后窗口减小，wt是t时刻窗口的大小，R是RTT，是常数。在GAIMD（GeneralAIMD）[16]中，主