可演进传输控制机制研究

Transport Control Protocol (TCP) carries tens of thousands of Internet applications, which deterministically impacts the user-perceived performance. With the flourish of mobile/wireless network as well as the prevalence of mobile applications (APP), the complexity of network environment and the multiplicity of application performance requirement are increasingly becoming the bottleneck of TCP performance. This project aims to tackle two scientific problems: 1. measurement-driven characterization of TCP performance space, 2. design of evolvable transport control mechanism. To this end, we will thoroughly explore the TCP design space and analyze the massive data of typical mobile applications by measurement, to understand the key factors that impact transport performance. Based on the depiction of TCP design and performance space, we will invent an evolvable transport control mechanism, with two significant benefits: 1. functionally decoupled to enable modules to evolve independently, 2. aware of user-perceived performance and network dynamicity. All the data used in this project is from real Internet applications. The proposed evolvable transport control mechanism will be realized in Linux TCP/IP stack, deployed and evaluated in practical Internet applications. Furthermore, the foundation of the proposed mechanism will also shed light on the design of new transport control protocols in future Internet.

TCP是承载互联网传输的最主要协议，其性能很大程度上决定了用户感知的业务服务质量。随着移动无线网络的兴起和移动应用的流行，网络环境的复杂性和应用性能需求的多样性，越来越成为限制传输控制协议性能的瓶颈。本项目研究围绕“测量驱动的TCP性能空间刻画”和“可演进传输控制机制设计”两个科学问题展开。通过对TCP设计空间的深入探索和对移动网络典型业务海量数据的分析，刻画影响传输性能的主要因素。基于以上设计空间和性能空间刻画，提出可演进的传输控制机制，具有松耦合性，各模块可以独立演进，能够感知用户性能需求和网络环境变化。本项目研究使用的数据全部来自于互联网真实业务，所设计的可演进传输控制机制最终也会在Linux TCP/IP协议栈中实现，并在真实互联网业务平台中部署和验证，并且预期也会对未来新型网络传输控制机制设计提供理论指导和借鉴意义。

TCP协议是当前互联网使用最广泛的传输层协议，其性能很大程度上决定了用户感知的网络服务质量。TCP拥塞控制是保证网络传输性能的关键，其控制注入网络的流量大小，防止因流量过多而使网络过载。上个世纪80年代提出了最早的拥塞控制机制，然而随着移动网络技术的发展和短流应用的增加，现在的网络环境与当时相比发生了巨大的变化，早期拥塞控制方法的缺陷越来越明显：这些方法为了探测出可用带宽，不断增加发送速率直至丢包，当路由缓存过小时会造成高丢包率，而路由缓存很大时，为将缓存填满，丢包之前会经历高时延。..为解决这一问题，本项目首先从TCP拥塞控制的实现框架出发，首先分析TCP性能空间。诊断分析TCP流性能瓶颈为优化TCP协议提供依据，为了对TCP性能进行测量分析，实现了一种基于TCP流拥塞状态和参数信息的决策树性能诊断方法。利用此方法测量分析了云盘存储、Web搜索和软件下载业务的海量TCP流，诊断出TCP流传输过程中客户端、网络端和服务器端的多种停顿，进一步分析TCP停顿发生位置、比例及原因，尤其是超时重传停顿对性能的影响。..其次，提出将丢包识别和拥塞控制解耦合的思路。二者解耦合后，丢包识别部分仅负责判断是否出现丢包，如果有丢包则重传，而不再直接影响拥塞窗口的变化。拥塞控制部分只负责控制发送速率，其可以监测丢包、时延、带宽变化等各种拥塞信号。采用该方案，在不同网络条件下，可以分别选择匹配的丢包识别算法和拥塞控制算法，从而增强TCP对不同网络场景的适应性。..实验结果表明，该算法可以在1-2个RTT内恢复二次重传和连续丢包场景中的丢包，当网络严重拥塞时吞吐率可以提高10%-60%；在不同的RTT环境下，该算法的吞吐率相比Vegas和CUBIC提升1.6-5倍；在同的丢包率环境下，该算法的吞吐率相比Vegas和CUBIC提升3-10倍。该算法还可以保证同一链路上使用不同算法的TCP流的公平性。

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