梁劍

【摘 要】 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的帶寬越來越大，并且無線設(shè)備應(yīng)用越來越廣，傳統(tǒng)的擁塞控制算法無法很好地適應(yīng)這一變化。BBR是由谷歌公司提出的新的擁塞控制算法，它使用往返時(shí)延和帶寬控制擁塞窗口。本文通過研究其原理及在Linux中的實(shí)現(xiàn)，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，評估了BBR算法的性能，包括吞吐量、往返時(shí)間、公平性，并提出了進(jìn)一步研究的方向。

【關(guān)鍵詞】 擁塞控制;BBR;Linux

【中圖分類號】 TP393 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0097-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1前言

TCP（Transmission Control Protocol）是因特網(wǎng)協(xié)議中最重要的協(xié)議之一。作為傳輸層的主要協(xié)議，TCP實(shí)現(xiàn)了可靠傳輸、流量控制、擁塞控制等功能。由于網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議是盡最大努力交付的非連接協(xié)議，因此其不能有效地分配網(wǎng)絡(luò)資源，這使得IP網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制變得非常難。TCP作為IP網(wǎng)絡(luò)的上一層，承擔(dān)者擁塞控制的任務(wù)，確保因特網(wǎng)不會因擁塞而癱瘓。

TCP基本的擁塞控制算法有四種，分別是慢 開始、擁塞避免、快重傳、快恢復(fù)。無論什么樣的擁 塞控制算法，都可以歸結(jié)為設(shè)置擁塞控制窗口。傳統(tǒng)的擁塞控制算法通過丟包來感知擁塞的，事實(shí)上這已經(jīng)比擁塞的發(fā)生晚了許多。及早將路由器緩存的情況報(bào)告給發(fā)送者，是減少丟包的好方法。方法一是使用ECN（顯式擁塞通告），當(dāng)路由器發(fā)生擁塞時(shí)，把減速的信號發(fā)給數(shù)據(jù)發(fā)送者。這種方法的問題是需要對現(xiàn)有的路由器做出較大的改造，并且會加重路由器的負(fù)擔(dān)。另一種方法是測量RTT（數(shù)據(jù)包往返時(shí)延）值，當(dāng)RTT值增大時(shí)，就減小發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中的代表是Vegas算法，但它的問題在于當(dāng)路由器緩存被占據(jù)時(shí)，Vegas會主動(dòng)減速，這時(shí)會把帶寬讓給其他TCP數(shù)據(jù)發(fā)送者。

2 BBR算法的工作原理

BBR是一種TCP新的擁塞控制算法，它不再把 丟包作為擁塞產(chǎn)生的信號，而是和Vegas一樣基于RTT來檢測擁塞。相比于丟包，檢測RTT能更早地發(fā)現(xiàn)擁塞，進(jìn)而采取減速的措施。在BBR算法中通過周期性地檢測RTT和帶寬來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。如圖1所示：

在第一個(gè)豎線之前，路由器有充足的帶寬，因 為不會出現(xiàn)排隊(duì)，RTT的值是個(gè)恒定的值，實(shí)際傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)就是注入的數(shù)據(jù)量。當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)豎線點(diǎn)時(shí)，實(shí)際帶寬將不再增加，注入更多的數(shù)據(jù)只會增加RTT。在這點(diǎn)，發(fā)送方就不能再增加注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量了。當(dāng)?shù)竭_(dá)第二個(gè)豎線時(shí)，路由器的緩存就會被填滿，丟包就會出現(xiàn)。

在理想情況下，擁塞窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)等于已注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。這個(gè)值就是時(shí)延帶寬積，記作BDP（Bandwidth-Delay Product），時(shí)延記作RTT，帶寬記作BtlBw，于是就有：

BDP=BtlBw*RTT

BBR擁塞控制算法的核心在于控制注入網(wǎng)絡(luò) 的數(shù)據(jù)量，即控制擁塞窗口，擁塞窗口記作Cwnd， 引入?yún)?shù)增益值gain，于是擁塞窗口就有：

Cwnd=BtlBw*RTT*gain

通過控制增益值gain的大小，就能控制實(shí)際數(shù) 據(jù)包的發(fā)送速度。

BBR擁塞控制算法有四個(gè)階段分別是STARTUP、DRAIN、PROBE_BW、PROBE_RTT。相比其他的擁塞控制算法，BBR沒有傳統(tǒng)意義的慢開始階段，STARTUP可以看作是等效于慢開始。

在STARTUP階段，gain會取一個(gè)比較大的值，默認(rèn)是2/ln2，大約是2.885，在這個(gè)階段注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量會從一個(gè)較小的值開始快速增加，一直到帶寬不再增長，則退出STARTUP階段，進(jìn)入DRAIN階段。

在DRAIN階段，將設(shè)置一個(gè)較小的gain值，默認(rèn)是ln2/2，大約是0.3466，在這個(gè)階段先前注入的到網(wǎng)絡(luò)中過多數(shù)據(jù)包被排空后，將會進(jìn)入PROBE_BW階段。

正常情況下，BBR的多數(shù)時(shí)間將處于PROBE_BW階段，在這個(gè)階段發(fā)送方會試探性地向網(wǎng)絡(luò)中多注入一些數(shù)據(jù)包，以檢測是否有多余的帶寬。具體方法是在第一個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)將gain增加到1.25，探測是否有多余帶寬，在第二個(gè)RTT，將gain減少到0.75排空多余的數(shù)據(jù)包，接著6個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)，將gain設(shè)置為1，持續(xù)外送數(shù)據(jù)。這樣每8個(gè)RTT作為一個(gè)周期，探測帶寬。

一般情況下，在沒有數(shù)據(jù)排隊(duì)的情況下，測得 的RTT值最小，BBR會在每10秒的傳輸中消耗200ms探測最小RTT值，這就是PROBE_RTT階段。在此階段，將窗口縮小為4個(gè)MSS，可以檢測出最小的RTT，這同時(shí)也是帶寬禮讓的過程，讓其他的TCP連接有機(jī)會占用帶寬。

3 BBR算法的仿真

3.1 BBR行為仿真

文獻(xiàn)使用Netem實(shí)現(xiàn)了BBR仿真，但是數(shù)據(jù)量取得不夠多。本實(shí)驗(yàn)使用MiniNet仿真。只有一個(gè)TCP連接，使用BBR算法，帶寬設(shè)置是10Mbit/s，鏈路延時(shí)為250ms，前20秒的數(shù)據(jù)發(fā)送量如圖2所示。

由圖2可以看出初始階段數(shù)據(jù)發(fā)送量增長很快，在第6秒進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并且多次探測有更大窗口的可能，在第11.5秒，發(fā)送量快速減少進(jìn)入RTT探測階段。

圖3顯示的是實(shí)際完成的吞吐量，由于中間路由器系統(tǒng)的限制，超過8Mb/s的部分就被截掉了。

圖4中數(shù)據(jù)說明，當(dāng)注入網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量大時(shí)，則RTT就變大，當(dāng)數(shù)據(jù)量小時(shí)，RTT變小，但不會小于鏈路的延時(shí)。

3.2 BBR與CUBIC的對比

設(shè)置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是250ms，CUBIC實(shí)際RTT如圖5所示。

從圖5中可以看到CUBIC更傾向于占用緩存，從而導(dǎo)致RTT的值偏大。

圖6是設(shè)置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是250ms，一個(gè)BBR連接，一個(gè)CUBIC連接的情況。

從圖6中看出，BBR的帶寬搶占能力非常強(qiáng)，其原因是BBR不區(qū)分擁塞丟包和誤碼丟包，丟包時(shí)對發(fā)送速率影響小，而CUBIC會在丟包時(shí)大幅度減速。

3.3 BBR協(xié)議的公平性

正如前面所述，BBR與CUBIC之間不具備公平性。圖7是設(shè)置瓶頸帶寬是10Mb/s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是250ms，兩個(gè)BBR連接的情況。

圖7中在20秒時(shí)，第二個(gè)BBR連接開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從圖中分析可知，當(dāng)多個(gè)BBR流同時(shí)傳送時(shí)，后發(fā)的BBR流是可以獲得帶寬的，關(guān)鍵在于BBR的RTT探測階段會釋放所占用的帶寬，這種退避機(jī)制保證了其他的TCP流能獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會，但這個(gè)過程比較長。

4結(jié)論

BBR作為一個(gè)新的擁塞控制算法主要體現(xiàn)在 對TCP傳輸中基于延時(shí)來調(diào)整發(fā)送速率，由于 BBR對丟包不敏感，因此在一些誤碼率較高的網(wǎng)絡(luò)上有積極意義。比如說在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，延時(shí)和丟包率都比較高，在這樣的網(wǎng)絡(luò)中部署B(yǎng)BR具有較高的效果。

BBR擁塞控制算法在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)上有一定的減 小，但當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)因擁塞而導(dǎo)致丟包時(shí)，BBR算法不會快速降低發(fā)送速度，使得部署B(yǎng)BR的計(jì)算機(jī)能搶得更多的帶寬，這使得其在公平性上存在嚴(yán) 重問題，這將是下一步的研究方向。

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