UDT协议-基于UDP的可靠数据传输协议的实现分析(2)-为什么要用udt

0. AIMD算法的简单回顾

 

   (1) 慢开始阶段说明

 

   开始时cwnd为1个最大报文段(MSS), 每当一个MSS收到确认, 则cwn增加1个MSS大小, 过程:

   

   开始           --->     cwnd = 1

 

   经过1个RTT后   --->     cwnd = 2*1 = 2

 

   经过2个RTT后   --->     cwnd = 2*2= 4

 

   经过3个RTT后   --->     cwnd = 4*2 = 8

   可见, 慢开始, 实际上是指数增长的, 并不慢. 如果带宽为W，那么经过RTT*log2W时间就可以占满带宽, 但是，这个其实不是无限制的增长。

 

   (2) 拥塞避免阶段(AIMD)

 

   TCP使用了一个叫慢启动门限(ssthresh)的变量，当cwnd超过该值后，慢启动过程结束，进入拥塞避免阶段。对于大多数TCP实现来说，ssthresh的值是65536(同样以字节计算)。拥塞避免的主要思想是加法增大(additive increase)，也就是cwnd的值不再指数级往上升，开始加法增加。此时当窗口中所有的报文段都被确认时，cwnd的大小加1，cwnd的值就随着RTT开始线性增加，这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值.

   当出现拥塞的情况时: 把ssthresh降低为cwnd值的一半(multiplicative decrease), 把cwnd重新设置为1, 重新进入慢启动过程。

 

具体的伪代码如下：

 

nitially:
	cwnd = 1;
	ssthresh = infinite;
New ack received:
	if (cwnd < ssthresh) 
	      /* Slow Start*/
	      cwnd = cwnd + 1;
	else
	      /* Congestion Avoidance */
	      cwnd = cwnd + 1/cwnd;
Timeout:
	/* Multiplicative decrease */
	ssthresh = cwnd/2;
	cwnd = 1;

 

 

1. 在BDP下, 传统tcp的主要问题

   

   (1) 效率问题: 传统tcp的AIMD的算法, 很难充分的利用带宽. 例子， MSS=1500-byte， RTT=100ms， 要达到10Gbps的带宽，拥塞窗口平均需要达到83333个MSS， 丢包率要达到5,000,000,000个MSS才丢一个， 如果从时间上说，要约1.6小时才丢一个，显然，这不现实。

   上面例子的计算：

   packet_size = 1500 byte

   rtt = 100ms

   throughput = 10Gbps

 

   congestion_window=throughput*rtt/packet_size

   发送的packet数目=throughput*rtt/packet_size=10*10^9*0.1/8/1500=83,333

 

   根据拥塞窗口和丢包率p的关系： congestion_window=1.2/sqrt(p)

   p=(1.2/congestion_window)^2=1/发送的总的包的数目

   发送的总的包数=1/p=4,822,492,284 约 5,000,000,000个包才丢一个

 

   发送5,000,000,000的时间5000000000/（83333*10）/3600=1.6h

 

   一些tcp的计算公式：

   R=RTT(s)

   D=packet_size(bytes)

   B=throughput (bps)

   W=congestion window

 

  得到：

  W=BR/(8D)

  W->1.2/sqrt(p)

 

  根据丢包率： 1/p packets才丢一个包， 也就是1/(pW)个rtt才丢一个包（一个rtt可以发送W个）

  RTTs Between Losses = 1/(pW)=1/[(1.2/W)^2*W]=W/1.5

 

  也可以直接计算：

  W=BR/(8D)

  RTTs Between Losses = W/1.5=BR/12D

 

  若R=0.1s, D=1500, 可以计算出一些示例：

      TCP Throughput (Mbps)   RTTs Between Losses     W       P

    ---------------------   -------------------   ----    -----

              1                    5.5             8.3    0.02

             10                   55.5            83.3    0.0002

            100                  555.5           833.3    0.000002

           1000                 5555.5          8333.3    0.00000002

          10000                55555.5         83333.3    0.0000000002

 

   (2) 公平性问题: 由于AIMD算法与RTT是相关的, 因此不可避免的存在不公平性, 即RTT小的链接会抢占更多的带宽.

 

   tcp的性能随着丢包率和RTT的增大, 急剧的下降.

 

2. 已有的改进方法和缺点

   (1) 修改AIMD算法,  使用大一点的增长参数, 小一点的减少参数. 例如: HighSpeed, Scalable, BiC, FAST, H-TCP, L-TCP. 但是这个难以部署, 开源的linux, 也要重新编译才能部署

   (2) Parallel TCP, Rate-based reliable UDP, 主要用于私有网络, 其作用是最大可能的利用带宽, 实际使用时, 参数需要根据实际的网络进行调整, 适用场景较少.

 

3. udt  

   (1) 应用程序级别, 方便使用, 基于udp实现可靠传输，能充分利用带宽

   (2) udt使用新的拥塞控制算法, 更好实现公平性.