TC Pover OBS的性能分析及改进
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摘 要：在光突发网络中，边缘路由器的FAP封装策略有减缓tcP流发送速率的趋势，这使得TCP流“相关受益”减小，导致其吞吐率也随之下降。对于这一问题，可以通过一种增大ACK封装时间的汇聚方案来解决。通过仿真验证，该方案的确大幅提高了TCP流的吞吐率。
关键词：光突发交换网络；相关受益；TCP吞吐率；封装策略
中图分类号： TP393文献标识码：A
文章编号：1001-9081(2007)04-0808-03
0 引言
光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）被认为是下一代全光互联网较理想的交换模式[1]。光突发交换网络由光核心路由器和边缘路由器组成，路由器之间通过WDM链路相连。IP包在边缘路由器被组装成突发包后，通过WDM链路被传输到核心路由器。核心路由器如果无法成功调度，则丢弃该突发包；反之，突发包则被传输到目的边缘路由器，由其解封装模块还原为IP包后再发往相应的链路。
当前互联网中90％的数据是通过TCP/IP协议进行传输的[2]。TCP协议在互联网中的这种重要性使得下层网络对TCP协议的性能影响受到了广泛关注。从现有的研究成果看[3―7]，下层网络对TCP协议的影响方式主要体现在三个方面：丢包率、往返时延（Round Trip Time,RTT）和丢包方式。
OBS网络不同于传统的包交换网络之处在于，一个突发包的丢弃意味着有多个连续IP包被丢失。这意味着在一个RTT内，有多个连续的TCP包被丢弃。OBS网络的这一特性改变了传统网络中TCP的丢包方式。因此，本文的研究重点是丢包率一定的情况下，OBS网络的丢包方式和RTT对TCP的性能影响。
1 研究背景
TCP的稳态发送速率不仅取决于网络丢包率和RTT的大小，还和其丢包方式有关[6]。因为对于TCP拥塞控制机制来说，即使丢包率相同，但在一个RTT内连续丢掉N个包，与在多个RTT内分散的丢掉N个包，这两种丢包方式对TCP的吞吐率造成的影响是不相同的，并且其分散的程度还决定了吞吐率的大小。在OBS网络中，这一情况更为突出：在丢包率一定的情况下，当一个突发包中封装的某个流的TCP包增多时，那么在一段时间内看，封装有这个TCP流的突发包就比较少，从而使得这个TCP流的丢包事件集中发生在突发包丢弃的那几个RTT中，反之它们的丢包将发生在更多的RTT内。这一丢包方式的改变对TCP性能造成的影响在文献[6,7]中都有较为详细的分析，他们都指出了在OBS网络丢包率一定的情况下，边缘路由器使得一个突发包中封装的TCP包的个数越多，该TCP流的吞吐率越大。本文将这一现象解释为虽然突发包一次丢包造成了更严重的重传惩罚,但是从一段时间内看却有被延迟的首次丢包（Delayed First Loss）带来的增益，也就是说在两次突发包丢包之间，TCP将有更多的稳定发送时间提高吞吐率，两者相比总是增益大于惩罚，二者之间的比值称为相关受益（Correlation Gain）。封装的TCP包个数越多，相关受益越大。
而一个突发包中封装的TCP包个数完全取决于边缘路由器的封装策略及其参数设置，此外TCP流的RTT也和边缘路由器的封装等待时间相关，因此边缘节点的封装方式和参数设置将对TCP性能造成重大影响。当前文献中，较有代表性的封装策略有以下三种： FAP（Fixed―Assembly―Period），MBMAP（Min―BurstLength―Max―Assembly―Period）和AAP（Adaptive―Assembly―Period）[8]。其中，FAP是一种简单而直观的算法：边缘节点使用固定的汇聚时间来产生突发包。AAP算法与FAP算法相类似，不同之处在于AAP可以根据不同边缘节点的不同队列的平均突发包长度动态地调整汇聚时间。MBMAP的设计思想则是在避免超时重传的前提下尽可能地增加突发包长度，以减少网络中BHP的数量。这三种封装策略对TCP的性能影响都有其各自的特点，在本文中将针对FAP封装策略的特点主要论述它对TCP的性能影响。
2 性能分析及改进
2.1 性能分析
由上面的分析可知,在一个突发包中封装的TCP流的包个数越多则TCP流的吞吐率越大。但我们的研究发现，边缘节点的FAP封装机制存在着一个明显的趋势，即一个TCP流在经过边缘路由器封装后，经过几个RTT的传输，会出现一个突发包中包含该TCP流包的个数越来越少的情况，这势必影响到TCP的吞吐率。下面以FAP的封装方式为例来分析这一问题。
先分析在一个RTT过程中突发包中封装的TCP包减少的原因，这一问题主要由两个因素造成:1)OBS边缘路由器的封装过程对流的分段作用;2)TCP采用了反馈的速率控制机制，即采取了每收到一个ACK包再发送新的TCP包进入网络，这一机制具有保持封装过程的分段效果，并将这一效果带入下一个RTT周期的特性。
2.2性能改进策略
由上面分析可以看出，TCP性能下降的原因在于一个突发包中封装的同一TCP流的包越来越少。要提高TCP的性能，就需要使得被分隔开的TCP包重新聚合到同一突发包中。这里提出这样一个解决方案：在边缘节点对流进行区分，将ACK包作为一个单独的队列进行封装，封装策略采用FAP，封装等待时间设为aT(a>1)。这个方法的优点如下：1）它利用了封装模块的汇聚作用，较长的汇聚时间使得被分离的ACK包能汇聚到一个突发包中。这样，这些在同一突发包中的ACK包在被解封装后就能够紧挨着发送出去，从而减小了它们的间隔时间，使下个RTT的TCP包也能更集中的发送出去；2）这种封装策略并不会使TCP端的突发性过分增大，因为汇聚时间aT并不是无限大，它只使得部分ACK集中到达发送端；3）这种方式简单易行，容易在网络中实施。
3仿真验证
3.1仿真环境设定
本文采用NS2搭建OBS网络平台进行仿真，其中TCP采用NS2自带的模块。网路拓扑如图2，TCP的发送和接收节点分别连接到OBS网络的两个边缘节点，边缘节点采用FAP的封装策略，另外在这两个边缘节点上接入UDP流，以便更为真实的实现OBS封装机制对多个流的封装过程。在核心节点采用贝努利丢包模型，丢包率在一次仿真中为固定值0002。其他仿真参数为：拥塞窗口大小为20，MSS为1500byte，接入链路带宽1Gb，最大汇聚时间为120μs。
3.2仿真验证
3.2.1问题验证
针对2.1节分析的问题进行了仿真验证。在仿真中跟踪了一个TCP流的在突发包中的封装情况，从图3可以看出，该TCP流在窗口大小为20的情况下，在理论上一个突发包最多可以封装10个该TCP流的包，但从仿真结果看大部分突发包都只封装了1到3个该TCP流的包，只有极少数几个突发包封装了多个包。
3.2.2性能改进验证
采用2.2节提出的改进策略后，仿真的结果如图4所示。从图4可以看出，当a设置为1.2时，一个突发包中封装的该TCP流的平均包个数显著增加了，其中大部分的突发包都封装了9个该TCP流的包，从图5可以看到该TCP流的吞吐率也相应增加了。此外还可以看到,当a值增大时，TCP流的吞吐率并没有随着汇聚时间的增大而增大，反而是减小了，这是因为a值的增大虽然能够有效地集中分散的ACK从而提高TCP的吞吐率。但是对于封装ACK的突发包来说，其相邻突发包的间隔时间也会随着a值的增大而增大，这也就增大了这两部分Ack的间隔时间，从而使得由它们所触发的两段TCP包也保持了较大的间隔时间，造成了TCP流的分段，使得该方案的汇聚效果减弱。从图6中也可以看出，在封装有TCP包的突发包中，其平均包含的TCP包个数随着汇聚时间的增大而减少了。此外，a值的增大也会造成ACK端到端延迟时间的增加，从而增大了TCP的RTT时间，导致其性能也有所下降。从图6中还可以看到，当a设置为2.2的时候，TCP的吞吐率又显著增加，这是因为此时封装模块将两个封装周期内的ACK汇聚到一个突发包中，显著增大的汇聚效果弥补了封装ACK的突发包之间增大的间隔时间带来的影响。从图6中也可以看出，a设置为1.2和2.2的时候突发包中平均包含的该TCP流的包个数较多，说明其汇聚效果最好，故其吞吐率也较大。
总的来看，在采用了改进措施的情况下，从图5的曲线中可以看出：无论a取值为多少，TCP的吞吐率仍都好于不改进的情况。综上可以认为，增大ACK的汇聚时间能起到很好的汇聚效果，使得TCP流的“相关受益”增大，从而提高了TCP的吞吐率。但过大的汇聚时间会使得ACK的间隔时间增大从而减弱该方案的汇聚效果，此外由其引起的RTT的增大也会减小TCP的吞吐率，因此该改进方案在提高了TCP吞吐率的同时还存在一个最优的参数设置能使得TCP流的吞吐率最大。
4结语
本文首先介绍了当前TCpoverobs的一些研究结论，强调了OBS边缘路由器的封装机制对TCP性能影响的重要性，然后具体分析了OBS边缘路由器的封装策略对TCP流的封装效果，通过分析发现一个TCP流在经过几个RTT的传输后，一个突发包中封装该TCP流包个数越来越少的情况。根据文献[7]中所提出的一个突发包中封装的TCP包个数越多则该TCP流的吞吐率越大的结论，提出了一种聚合ACK的封装方案，该方案在不需要复杂设置的情况下就能使得一个突发包中封装的平均TCP包个数增大，从而提高了TCP的吞吐率。接着对这一方案中的关键参数进行了研究，通过仿真发现存在一个最优值能够使得TCP的吞吐率最大。
在以上研究的基础上，我们将深入研究该方案中关键参数的最优值问题，得出更加一般的结论。此外其他封装方式对TCP流分段效果我们也将进一步研究。
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