文獻標識碼： A
章編號： 0258-7998(2013)09-0109-03
互聯(lián)網(wǎng)采用TCP和UDP兩種協(xié)議，在網(wǎng)絡擁塞的情況下，UDP數(shù)據(jù)流幾乎占用了所有網(wǎng)絡帶寬，而TCP數(shù)據(jù)流則幾乎停止工作，影響相關應用正常運行。因此，如何實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)流和TCP數(shù)據(jù)流的公平性是一個迫切需要解決的問題。
IP電話視頻會議等多媒體網(wǎng)絡應用采用實時性較強的UDP傳輸數(shù)據(jù)。UDP是一種無連接協(xié)議，在傳輸速度上占有一定優(yōu)勢，但它缺乏擁塞控制機制，傳輸可靠性差。因此如何在UDP中解決擁塞控制從而提高傳輸可靠性是另一個迫切需要解決的問題。
因此，本文提出解決上述兩個問題的方案，即UDP根據(jù)丟包率來判斷網(wǎng)絡的擁塞情況，若出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞，接收方則通知控制方調(diào)整發(fā)送速率從而有效解決公平性問題和UDP的擁塞控制問題。
1 FFUDP實現(xiàn)方案
FFUDP的創(chuàng)新之處在于接收方收到發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)消息后，不像TCP那樣頻繁返回確認消息即可控制發(fā)送速率，從而提高帶寬利用率和數(shù)據(jù)包傳輸效率。
FFUDP包括兩個部分：局部調(diào)整算法和全局調(diào)整算法。前者根據(jù)接收方本次接收數(shù)據(jù)消息的序列號和前一次接收的差值得到丟包數(shù)(局部丟包數(shù))來調(diào)整發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送率。后者根據(jù)接收方開始接收數(shù)據(jù)消息到本次接收消息結束這段時間內(nèi)產(chǎn)生的丟包數(shù)(全局丟包數(shù))來調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送率。
前期工作發(fā)現(xiàn)：獨立使用局部調(diào)整算法導致丟包率抖動，而獨立使用全局調(diào)整算法則解決公平性的效果不理想。在FFUDP中，局部調(diào)整算法控制接收方發(fā)送通知消息的周期，全局調(diào)整算法控制發(fā)送方發(fā)送速率。
1.1 FFUDP協(xié)議的協(xié)議頭
FFUDP通過實時監(jiān)測網(wǎng)絡，定時給發(fā)送端發(fā)送通知消息來解決公平性和擁塞控制問題。本文新增的FFUDP協(xié)議頭字段，如圖1所示。
1.3 FFUDP協(xié)議實現(xiàn)機制
FFUDP的實現(xiàn)機制分為以下兩種情況。
1.3.1 提高發(fā)送級別的通知消息
如果發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)全部被接收方接收，則接收方向發(fā)送方發(fā)送提高發(fā)送速率的通知消息。雙方通信過程如圖4所示。
(1)發(fā)送方A依次發(fā)送數(shù)據(jù)包M1和M2，M2到達接收方B后，接收方B開始發(fā)送通知消息Notify1，其負載為降低之后的發(fā)送級別。
(2)接收方B發(fā)送通知消息Notify1后，降低發(fā)送速率，并根據(jù)降低后的發(fā)送速率發(fā)送后期的數(shù)據(jù)包M3。
如果接收方發(fā)送的通知消息丟失，那么發(fā)送方不改變發(fā)送速率。
2 仿真實驗與性能分析
仿真工具采用NS-2，網(wǎng)絡帶寬為4 Mb/s，鏈路延遲為5 ms，隊列長度為20。網(wǎng)絡中的發(fā)送節(jié)點分別發(fā)送TCP、UDP、FFUDP三種數(shù)據(jù)流。為了保持公平性，三種數(shù)據(jù)流所處的網(wǎng)絡環(huán)境完全一致。
2.1 公平性分析
為了測試FFUDP和TCP的友好性，數(shù)據(jù)流只包含TCP/ FFUDP。
如圖6所示，兩種數(shù)據(jù)流都不斷調(diào)整自己的發(fā)送速率。8 s后，兩者漸漸趨于平衡，保持一個相對平衡的趨勢。但FFUDP數(shù)據(jù)流的吞吐量高于TCP，這是因為TCP對任一數(shù)據(jù)消息都返回確認消息，從而實現(xiàn)可靠傳輸。FFUDP則是定期發(fā)送通知消息，所以，F(xiàn)FUDP數(shù)據(jù)流的吞吐量略高于TCP數(shù)據(jù)流，但兩者保持一個相對平穩(wěn)的趨勢，因此保證了相對公平性。
如圖6、圖7所示，丟包率與吞吐量成反比。初始階段，TCP/FFUDP數(shù)據(jù)流的吞吐量很高，但丟包率很低。同樣，經(jīng)過8 s左右的調(diào)整，兩種數(shù)據(jù)流的丟包率出現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，但是FFUDP的丟包率比TCP的丟包率低。這是由于TCP的重傳確認機制占用的網(wǎng)絡資源增加了丟棄數(shù)據(jù)的概率。相比，F(xiàn)FUDP不采用重傳確認機制，降低了丟棄數(shù)據(jù)的概率。從圖7可以看出， FFUDP協(xié)議達到了FFUDP/TCP數(shù)據(jù)流友好公平的目的。
2.2 擁塞控制分析
為了測試FFUDP的擁塞控制功能，在原來的配置下，分別設置兩條FFUDP/UDP數(shù)據(jù)流，以測試FFUDP比UDP更具有可靠性。如圖8所示，F(xiàn)FUDP的吞吐量比UDP高很多。UDP的低吞吐量可能導致服務癱瘓。而FFUDP通過調(diào)整發(fā)送速率有效控制了網(wǎng)絡擁塞，達到了提高吞吐量的目的。
如圖9所示，UDP丟包率遠高于FFUDP,致使接收數(shù)據(jù)存在不完整性。FFUDP大幅度降低了丟包率，實現(xiàn)了可靠傳輸。
本文提出了FFUDP以解決UDP與TCP數(shù)據(jù)流公平性問題,以及UDP傳輸可靠性問題。仿真數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)FUDP協(xié)議實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)流之間的公平性，在網(wǎng)絡資源緊張的情況下,能夠有效控制網(wǎng)絡擁塞從而實現(xiàn)傳輸可靠性。
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