BBR单边拥塞控制算法传输性能优化

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为了解决现代网络传输的带宽瓶颈和被动拥塞控制算法造成的缓冲膨胀问题,2016年Google公司提出了BBR(瓶颈带宽与时延拥塞控制算法),致力于在不排队的前提下尽可能地占有可用带宽。BBR算法在长时延大流量的网络传输中性能优越,在主要为短时延小流量的网络传输中性能甚至不如被动拥塞控制算法。本文针对南邮校内无线局域网络中的BBR单边拥塞控制算法进行了一系列优化,研究的主要内容如下:(1)由于原有BBR算法无法自主调节收敛周期长度,本文提出了一种可以确定收敛周期长度的方法,用来提高BBR算法的带宽探测敏感性。在带宽探测的稳定阶段开始时开启增设的定时器,将每次新获得的RTT测量值都与现存最小的RTT值对比,若新RTT值小于最小值,则将收敛结束标志符的数值置1。若此时算法正处于收敛阶段,则立即跳出当前周期,开启新一轮的速度增益,定时器重启。若规定时间内,收敛结束标志符的数值一直为0,则定时器在下一轮带宽探测稳定阶段重启。修改后的算法在兼顾公平性的前提下,将收敛周期长度变为数值在1-6之间的灵活变量。对比实验结果表明,修改后的BBR算法提高了带宽探测的敏感性和带宽利用率。(2)为了解决校园网中应用的BBR拥塞控制算法在STARTUP阶段由于未收到ACK引起的时延振荡和空窗问题,提出了BBR单边适应算法。该算法只运行在发送端,不受网络协议和上层应用的限制。通过改善时延估计器的加权系数,设计时延瞬时平均偏差估计器,将估算结果作为时延估计器的振荡平滑因子,提高时延估计器应对时延剧烈抖动的能力。为了补偿不可避免的空窗问题和序号回绕,在发送端设计了流量状态机和STARTUP状态机来维持较高的链路吞吐量。根据具体的传输情况将流量分为6种状态:new,blooked,waiting,time_waiting,running,terminted,并根据流量反馈将STARTUP阶段的传输性能分为3个状态:GOOD,NORMAL,BAD。结果表明,改进后的BBR比原有BBR算法在STARTUP阶段具有更好的传输性能,且优于现在主要应用的被动拥塞控制算法(Reno,CUBIC)。(3)原有BBR算法无法应对路由器主动丢包,在高丢包率下传输性能会骤降,本文提出了一种改进的BBR算法,增加了丢包监视器、丢包率阈值和故障阶段状态机来提高算法的抗丢包能力。通过创建记忆存储集存储确认报文返回的丢包确认信息,一旦丢包率达到1%就进入有限故障状态机,激活通告窗口衰减因子、外流量过高标识符、故障事件标识符和探测样本终止标识符。故障状态机存在10个状态,包含感知拥塞、窗口衰减、拥塞恢复的各个过程,其中巡游期的窗口衰减因子beta设为0.33,巡游期停止探测新的带宽。对比实验结果显示,优化的算法提高了BBR算法的抗丢包能力,并优于同等丢包率下的CUBIC算法。
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