并行TCP技术的研究及应用_王建新

2009年第9

期

技术交流

并行TCP技术的研究及应用

王建新，贾文娟，彭

娜

（中南大学信息科学与工程学院，湖南省长沙市410083）

摘

要

随着网络带宽的不断提升，传统的TCP（传输控制协议）已经不能快速充分的利

用网络带宽资源。文章在研究目前存在的方案的基础上，分析了并行TCP技术的优势，并从并行TCP技术的理论研究及其在各种不同网络环境中的实际应用两方面作了详细分析与总结，进一步给出了并行TCP技术的研究趋势和方向。关键词

并行TCP；MulTCP；传输加速

0引言

随着网络技术的迅猛发展，网络带宽资源得到

并行TCP技术一直备受关注，是网络研究的热点问题之一。本文将从并行TCP的研究和应用两方面对并行TCP进行详细阐述，并通过分析指出并行

了很大提高，然而，传统的TCP（传输控制协议）由于窗口大小限制、AIMD（和式增加积式减少）窗口管理机制以及流频繁抖动等原因，造成TCP已经不能快速充分地利用带宽资源。为了提高数据的传输效率，目前有以下两种解决方案。

第一种称为高速TCP协议方案。这种方案指的是针对传统TCP拥塞控制机制进行改进提出的一系列的变种协议，例如：BICTCP、CUBIC、FAST

TCP的研究和应用趋势。

1

1.1

并行TCP研究

并行TCP原理

并行TCP之所以能提高TCP性能，下面从窗

口控制和拥塞恢复两方面入手描述其原因。

从窗口控制机制来看，由于每一个TCP连接都是采用AIMD窗口调节算法，在一个RTT内，如果没有拥塞，并行流总的拥塞窗口就会增加N（N是并行的TCP连接数目），因此在同样的时间内，并行

TCP、H-TCP、TCP-Westwood等，这些协议通过改变TCP拥塞窗口的调整参数使TCP在网络中发挥更

好的性能。但是，Hamilton实验室搭建的测试床对上述TCP协议进行测试的实验结果表明，除了

TCP流将比单个TCP流增长几乎快N倍。在拥塞避免阶段，对于单个TCP流，其拥塞窗口将减少一

半，如果并行TCP流的某个成员收到拥塞信号，它也将采取窗口减半等措施，但对于整个组而言，由于组内其它TCP可能并未采取措施。所以总的拥塞窗口只缩小了1/2N，因此，并行TCP流的窗口减小速度远小于单一的TCP流。

从拥塞恢复机制来看，链路带宽被并行的TCP流共享，每一个TCP连接占有网络的某个“小道”。与采用单条TCP的情况相比，对于并行TCP中的单个连接来说，BDP（带宽时延乘积）就变小了很多。因此，每条连接在检测到丢包后能够更快地恢复，从而增加了链路的总体吞吐量。

H-TCP外，其他协议均存在很大的性能问题，特别是RTT（往返时间）不公平性问题[1]。

第二种方案是并行TCP方案，并行TCP是通

过增加TCP连接的数目以及TCP流之间的协作来提高TCP的性能，并行TCP与高速TCP协议方案相比，其多条流的结构比起需要维持大窗口的单条高速TCP流，其吞吐量具有了良好的抗抖动性。另外，并行TCP在应用层的实现并不需要修改现有的

TCP协议栈，在传输层的实现也只是对TCP窗口变化机制的修改，与其它高速TCP协议相比，并行TCP具有更好的可行性和扩展性。

1.2

基金项目：国家自然科学基金（60673164）。

并行TCP与MulTCP

由于并行TCP存在窗口同步的问题影响了传

输性能，理论界提出一种在TCP层用N条虚拟流

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技术交流

代替真实的并行流的MulTCP方法，在一个TCP流的传输中实现了并行TCP思想。

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究并行TCP公平性的典型算法是Combinedparallel

TCP、G-TCP和TCP-C[4]。

CombinedparallelTCP的基本思想是将一个标准TCP流与N个带宽抢占性被削弱的TCP流组合在一起。网络畅通时，在标准TCP基础上，N条被

削弱的TCP流起到充分利用带宽的作用；在网络拥塞时，组合流中的标准TCP在保证组合流与其他流公平分享带宽中起着决定性的作用，能削弱某些

MulTCP[2]的基本思想是用一条TCP流虚拟N条标准流，虚拟的N条流的窗口等于一条流实际窗口的1/N。在拥塞避免阶段每个RTT内拥塞

窗口增加为N*cwnd，乘性减小时，拥塞窗口=（N-0.5/N*cwnd），相当于将N条流中的一条TCP流的拥塞窗口减半，cwnd为拥塞窗口大小。这种理论的缺陷在于，它将一个真实的窗口平均分成N份，就是说，N条虚拟流的窗口大小是一样的，而真实的并行TCP流的窗口大小可能不相同，而且在发生拥塞时只将一条流的窗口减半也是不合理的。基于

TCP流的抢占带宽能力。CombinedparallelTCP中被削弱的TCP流窗口增长方式是：在拥塞避免阶段，

每n个ACK增加1/cwnd，这就相当于将该流的RTT增加了n倍，以此来削弱TCP流的带宽抢占能力。

MulTCP有一系列典型的改进协议，如MulTCP2、StochasticTCP等，其中StochasticTCP把一个TCP流的拥塞窗口分成若干个独立的拥塞窗口，形成了若干个独立的虚拟TCP流。1.3

并行流的数目与吞吐量

并发流数目与吞吐量的关系是并行TCP研究的一个主要方向，有不少相关的吞吐量理论模型被提出来，如HackerModel和ParallelTCPSocket模型，下面对典型的HackerModel作简要介绍。

TCP-C提出，要解决并行TCP流的公平性首先

要控制这些流的强度。流的强度是指对于和并行

TCP流共享同一个瓶颈链路的单个标准TCP流而言，它是所能感觉到的并行TCP流的侵略性度量。

对于一组并行TCP流，其侵略性相当于多少单个的标准TCP流。TCP-C用拥塞窗口变化快慢来衡量流强度，并采用类似CombinedparallelTCP这种基于合作方式的控制方案。

并行TCP的公平性研究虽然有相应算法存在，但这些算法都是在TCP层实现，根据一定的策略对

HackerModel[3]将TCP的吞吐量经典模型进行了简化，假设每条TCP的往返延迟相同，推导出了n条TCP流获得的最高吞吐量与丢包率的关系满足下述公式，式中MSS表示最大段长度，RTT表示

往返延迟，p表示丢包率。从公式可以看出，并行

TCP的窗口进行修改，这种策略在应用程序中是很

难实现的。

2并行TCP应用

随着网络技术的发展，传统的TCP在更多新型

TCP的吞吐量与丢包率有关，且与并发流数目成正

比例关系。

11…1姨1姨2姨n

从这个经典的并行TCP吞吐量模型可以看出，并行TCP总吞吐量会随着连接数的增加而增加，但是采用并行TCP之后，在发送端需要将数据分为

Thn≤块，在接收端需要对数据块进行组合，同时还要处理多个TCP连接，因此端节点的花费也会随之提高，而且网络资源也是有限的，所以实际上使用N倍的

姨

网络应用中表现出不适应性，下面从典型的卫星网络环境、高速网络环境和因特网环境三个方面介绍并行TCP的应用。

2.1卫星网络环境

卫星通信系统由于天然的链路特点，使得针对

有线网络设计的TCP协议在接入卫星链路后性能会受到严重的制约。卫星网络环境有如下特点：

TCP连接数目，并不能将TCP性能提高N倍。1.4

公平性研究

采用并行TCP流进行大数据块传输时，对采用单流的应用存在一定的不公平性，然而，提高并行

a）长传播延迟。相对于地面网络的RTT，卫星信道的传播时延大得多。在同步卫星系统中，RTT通常在480～560ms之间，行星之间的传播延时还要更长。这样大的延迟使得慢启动阶段的TCP拥塞

窗口增长速度变得非常缓慢。

b）高误码率。卫星链路容易受到不同因素的影

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