衷柳生

1. RED for Improving TCP over Wireless Networks 无线网络TCP环境中的随机早期检测(Random Early Detection)算法研究 Saˆad Biaz Xia Wang Department of Computer Science and Software Engineering Auburn University sbiaz,wangxi2@eng.auburn.edu Technical Report CSSE-0309 August 5, 2003 衷柳生

2. 摘要 TCP was designed and tuned to work well on networks where losses are mainly congestion losses. The performance of TCP decreases dramatically when a TCP connection traverses a wireless link on which packets may be lost due to wireless transmission errors. Explicit Congestion Notification (ECN) is known as an effective mechanism that can be used with Active Queue Management (e.g. RED) to control congestion on wired networks. ECN is used by routers to signal incipient congestion to end points. We evaluate the ability of ECN signals as a tool to distinguish between congestion losses and wireless losses. The occurrence of an ECN signal is a bad predictor of imminent congestion losses. We conclude that when TCP senders are responsive to ECN signals, congestion losses appear to be as random as wireless losses. Based on this observation, we propose a simple technique, TCP-Eaglet, to improve TCP over wireless for ECN responsive flows.Simulations results show an improvement in throughput of up to 60%. TCP协议的应用使得网络能更好的工作，一般网络的丢失主要是拥塞丢失。 当一个TCP应用到无线网络上，TCP性能显著减弱。这是由于无线传输错误，数据包可能会丢失。显式拥塞指示（ ECN）是一个有效的可以用来与主动队列管理（如RED）一起来控制有线网络的拥塞情况的机制。 ECN被用在路由器中，用来发送拥塞信号给它的结点。我们评价ECN是看它区分拥塞丢失和无线丢失的能力。 ECN信号一旦发出就意味着有拥塞丢失。本文指出， 当TCP发送端接收到ECN信号时，拥塞丢失几乎是随着无线丢失而发生。经对这些观察，我们提出一个简单的技术， TCP-Eaglet，以改善TCP无线协议对ECN的响应不确定性。 模拟结果表明，TCP-Eaglet在吞吐量上改善了高达60 ％ 。

3. 1. 引言： 无线网络目前应用非常广泛：越来越多的家庭和公司正在使用的无线接入。许多供应商在那些主要地段（如机场）激烈争夺无线接入市场。这种趋势要求网络体系必须调整和改进TCP ，它是最流行的互联网传输协议。在本文中，我们简要提到所有那些与拥塞无关的丢失。TCP无线链路的问题是众所周知的：无线传输的丢失引发了不必要的的TCP的拥塞控制机制。 这可能导致无线网络的TCP性能比互联网差。深入研究致力于改善无线链路中TCP使用纯端到端的技术或基于中继节点的提示技术（明确的传输错误通知）。 显式拥塞指示(ECN)是指在主动队列管理技术中，借助路由器的标记功能给出显式的拥塞反馈信息．它能有效提高网络的吞吐量，在网络的传输控制中将起到至关重要的作用。 本文在这方面的工作作了一些实验，以衡量是否发生ECN信号是否能很好的预测即将发生的拥塞丢失。我们将表明， ECN是一个不好的预测信号：当一个丢失发生，要么是拥塞丢失要么是无线丢失。然而，仔细分析了这一结果可知，设计一个健全的和可靠的技术能够区分拥塞丢失和无线丢失，并且能改进TCP 的异构网络。

4. 1. Introduction： Wireless networks are dramatically widespreading: homes and companies are increasingly using wireless access. Many providers are fiercely competing for the wireless access market on hot spots such as airports. Such trend urges the networking community to adapt and enhance TCP, the most popular Internet transport protocol, for such environment where losses unrelated to congestion may happen. In this paper, we will refer for simplicity to all losses that are unrelated to congestion as wireless losses. The problem of TCP over wireless links is well known: wireless transmission losses trigger unnecessarily TCP’s congestion control mechanisms. When a wireless loss occurs, TCP reacts as if the loss was due to congestion: TCP halves its congestion window, throttling unduly its sending rate.

5. ２.目前研究状况 　　　我们已经做了大量的工作以改善无线链路的TCP。我们提出了大量的能区别拥塞丢失和无线丢失的丢失辨别技术。但是，那些技术的准确性和对丢失的预测并不能总是评定下来． Biaz and Vaidya [ 2 ]定义了3种丢失鉴别法 ：Jain的基于延时的拥塞预测[ 10 ] ，Wang的基于吞吐量的预测[ 21 ] ，和Vegas的预测[ 5 ] 。这些拥塞预测依靠来回的时间或作出回应的拥塞窗口大小的吞吐量变化来推断一个路径的拥塞状况。 Biaz andVaidya [ 4 提出的基于一个简单的偏颇的部署在中介节点的缓冲管理的政的TCP-Casablanca算法，这种算法能使得鉴别出拥塞丢失的准确性在95 ％以上，鉴别出无线丢失的准确性高于70 ％ 。能改善高达150 ％的吞吐量。Cen等人。提出了一个叫做ＺＢＳ的混合丢失鉴别法 [ 6 ]，它使用了3种丢失鉴别法 ：ZigZag [6], Biaz [3], and Spike [20]。 ZBS是用在接收器上。ZigZag and Biaz是基于在接收器的数据包和丢失多少的检测基础上。Spike是基于发送器到接收器之间的往返时间基础上。

6. 3 Expected Improvement 改进方案 Padhye等人建立了一个封闭的函数表达式来计算TCP的吞吐量，这个函数的参数有丢失率（p） ， 平均往返时间（RTT）,第一次延时时间（T0），每秒接收到的数据包数量（bp）。这里我们假设流控制大小无限制，吞吐量的表达式是 如果我们使用理想的鉴别法来鉴别TCP连接中的拥塞和无线丢失，其中带有用赛丢失率Pc和无线丢失率Pw，很明显，我们希望能用一个改进率来表示其吞吐量。

7. 吞吐量改进效果比较 图1 .a显示如果我们使用TCP就可以得到一个很好的鉴别效果 。其中x轴代表无线传输介质中的数据包错误率Pw，Y轴代表的是改进率Imp（Pc,Pw）。图1.a中有4条曲线分别对应四个不同Pc的值： 0.0001 ， 0.001 ， 0.01 ，和0.1 。首先， 据我们观察所得，如果拥塞的丢失率大于0.01 ，那么改善率几乎为0。拥塞丢失率等于0.01时改善率大部分为20 ％。第二，当拥塞非常低时，改善率只能通过调整Pw的大小 。当Pw很小时，与最大的改进效果来比 其改善率是很小的：当无线丢失非常少时，无线丢失对TCP连接性能的影响是轻微的。另外，如果无线丢失率高（ 0.1 ） ，改善效果也很小。 图1.a 吞吐量改进效果

8. 吞吐量改进效果比较 图1.b显示了当无线丢失率一定时（即Pw=0.001） ，不同的往返时间得到的不同改善效果。图1.b表明当Pc比较小时（Pc=0.001）, 往返时间超过80ms时其改善率超过200 ％ 。其改善率与往返时间成正比。这是由于当TCP发送端发生拥塞情况，且往返时间RTT比较大时，它需要更多时间去收回其初始值。 图1.6 吞吐量改进效果

9. 4. RED（随机早期检测）队列管理和ECN 4.1 RED（随机早期检测） RED中声明了一个一直存在的平均队列长度ql，当接收端每接收到一个包时，ql就自动更新并和两端时间进行比较，然后当发现有拥塞时就在该数据包的开头加上CE(congestion experienced）标记位。当ql<min时不做任何处理，当ql>=max时，就在所有的数据包开头加上CE位，以用来表示网络开始出现拥塞。当min<=ql<max时，数据包以P来标记其发生拥塞率，ql越大，那么其发生拥塞的概率越大，即P越大。当数据包有CE位时，接收端就把这个包重发给发送端。 图2 设置CE位来指示发生拥塞丢失

10. 4.2 ECN 发送端主机通过网络中返回的带拥塞反馈标记的包发现拥塞。在RED算法中采用ECN机制，当检测到早期拥塞时，不再采用丢包作为指示，而是采用在数据包头部设置一个CE位作为拥塞指示；当带有该标记的包到达接收端时，接收端发送一个在ACK包头部带有ECN Echo标记的包给发送端；TCP的发送端收到这个带有标记的ACK后，采用与发现丢包时相同的对应策略，减小拥塞窗口并在之后的第一个包中设CWR(Congestion Window Reduced)标记通告接收端已减小拥塞窗口。该机制的优点在于可以避免不必要的丢包，且不依赖重传超时机制，也不依赖于粗粒度的TCP时钟，对时延有一定要求的应用效果较好。

11. 图三 网络拓扑结构

12. 图4 使用ECN的无线和拥塞丢失率 图中Iv表示最近一个丢失包发生的时间，Pce表示ECN信号分辨出为何种丢失包的概率。表示表示ECN信号分辨出拥塞丢失包的概率，表示ECN信号分辨出无线丢失包的概率。 从图4我们可以看出，第一，和随Iv的增大而增大。第二，当Iv等于往返时间RTT时，和值都小于0.15。第三试验结果显示，ＥＣＮ不能很好的预测拥塞丢失，它指示拥塞丢失总是伴随着无线丢失等丢失。

13. 5 TCP-Eaglet协议 TCP-Eaglet假定展开了一个主动队列管理，且TCP发件端响应ECN信号。 每当一个发送端侦测到一个丢失，无论发送是否较慢，它都会响应。如果发送端发送较快（即在拥塞避免阶段） ，它认为这个丢失时无线丢失，此时不减少拥塞窗口大小。 否则（即发送端发送较慢） ，此时丢失被诊断拥塞丢失，TCP减小其拥塞窗口大小。在某种意义上， TCP-Eaglet协议以其TCP发送端友好和响应ECN信号而受到好评。我们分两个步骤对TCP-Eaglet评价： 首先，我们评价其TCP-Eagle能否准确地分辩什么是无限丢失，什么是拥塞丢失。 第二，我们评价其对吞吐量的改善。

14. 6. TCP-Eagle协议试验结果 这里我们定义Ac为TCP-Eagle协议分辩无线丢失和拥塞丢失的能力，即Ac等于能分辨出的拥塞丢失包数与所有拥塞丢失包之比。例如，如果Eagle协议能从40个拥塞丢失包中检测出30个用赛丢失包，那么Ac=30/40=0.75。类似地定义Aw为无限丢失率。 图5.a中Ac/Aw表示无线丢失错误率。事实上，Ac和Aw基本上都维持在0.75以上。现在还没有任何技术能将Ac和Aw精确度都保持比较高。这些成果是在20个 TCP连接时检测得到的。 图5.a TCP-Eagle试验结果

15. 图5.6TCP-Eagle试验结果 图5.b表示了基于TCP-Eagle和TCP-Perfect两种协议结合的改进效果。TCP-Perfect是一种理想的能确认引起丢失原因所在的一种TCP协议，当发生拥塞时能很好的控制拥塞窗口。 图5.b表明TCP-Eagle的效果和TCP-Perfect是相当接近的。正如我们所料， 如果无线错误低的话，其效果几乎没能得到改善：因为无线丢失非常少时，他们几乎不影响TCP性能。但是，当Rw增加时 ，其改善性能能升幅高达60 ％ 。当错误丢失率达10 ％ 时，则TCP性能受小拥塞窗口影响而不是受其超时影响。

16. 6 Conclusion 可以看出，ECN不是一种好的预测即将发生的拥塞丢失的算法。然而，像RED这样的主动队列管理能用来改进在无线链路上的TCP。本文我们提出了一种简单的变异TCP协议---TCP-Eagle，使得发送端能接收到ECN信号。初步的结果显示TCP-Eagle能很好的鉴别出什么是拥塞丢失什么是无线丢失。此外，TCP-Eagle能改进高达60%的吞吐量。 We showed that is a bad predictor of imminent congestion losses. However, an active queueing management such as RED can be exploited to improve TCP over wireless links. We proposed a very simple variation for TCP, TCP-Eaglet, for senders that are responsive to 􀀀 signals. Preliminary results show that TCP-Eaglet is quite accurate in distinguishing congestion losses from wireless losses. Moreover, TCP-Eaglet achieves a good throughput improvement of up the 60%.

17. 谢谢!