高速长距离网络传输性能优化

高速长距离网络传输性能优化

王伟杭1,2，任勇毛1，岳兆娟1,2，李 俊1

(1. 中国科学院计算机网络信息中心，北京 100190；2. 中国科学院研究生院，北京 100049)

摘 要：从传输协议和网络节点两方面分析高速长距离网络传输性能的影响因素，介绍中间节点拥塞避免、减少主机负载以及改进传输协议等各种性能优化方法，并结合仿真和实际网络实验验证，指出各种技术的优缺点。对传输性能优化技术进行总结并给出设计终端性能自适应的传输协议。

关键词关键词：：高速长距离网络；性能优化；传输协议；拥塞控制

Transport Performance Optimization for

Fast Long-distance Network

W ANG Wei-hang 1,2, REN Yong-mao 1, YUE Zhao-juan 1,2, LI Jun 1

(1. Computer Network Information Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;

2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

【Abstract 】This paper intensively analyzes the influence factors from the aspects of transport protocol and network node, and emphatically describes all kinds of optimization mechanisms such as congestion avoidance in media node, reducing terminal load and enhancing transfer protocols, etc. Meanwhile, it demonstrates the effectiveness of all these techniques in emulations and real networks and points out their advantages and disadvantages. All these optimization technologies are concluded and a novel research direction designing terminal performance transport protocol is given.

【Key words 】Fast Long-distance network(FLDnet); performance optimization; transport protocol; congestion control DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.14.030

计 算 机 工 程 Computer Engineering 第37卷 第14期

V ol.37 No.14 2011年7月

July 2011

·网络与通信网络与通信·· 文章编号文章编号：：1000—3428(2011)14—0094—03 文献标识码文献标识码：：A

中图分类号中图分类号：：TP309

1 概述

近年来，由于DWDM 光网络、10 GbE 、100 GbE 高速以太网等技术的快速发展，骨干网络带宽迅速提升，促使高速长距离网络(Fast Long-distance network, FLDnet)的快速发展。在基于中美俄环球科教网络(GLORIAD)的实际应用和性能测量实验中发现了高速长距离网络传输性能不高的问题，本文对此问题进行了研究，并总结了解决此问题的各种性能优化技术。

2 FLDnet 的传输瓶颈

随着高速长距离网络研究的不断深入，研究人员发现，在FLDnet 环境中，TCP 性能很差[1]。这一问题的产生是由多种因素决定的，总的来说可将原因归结为两方面：(1)传统的TCP 协议，采用保守的加性增加和激进的乘性减少的拥塞控制策略，在较大的往返时延(Round Trip Time, RTT)环境中，慢启动和拥塞恢复阶段带宽利用率极低；(2)除TCP 协议本身外，网络中间节点及边缘主机的处理能力对高速网络传输也有重要的影响[2-3]。近年来，针对TCP 协议的改进以及对节点的性能提高一直是高速链路传输性能优化技术研究的重点。 2.1 传输协议性能瓶颈

针对低速低时延的分组交换网而设计的TCP 协议，在FLDnet 中性能很差。

(1)拥塞避免机制过于保守。TCP 采用的加性增加、乘性减少(Additive Increase Multi- plicative Decrease, AIMD)拥塞窗口调整算法过于保守。在FL- Dnet 中，由于RTT 较大，一旦发生拥塞，拥塞窗口减小后，需要很长时间才能恢复。文献[1]指出，在带宽为622 Mb/s 、RTT 为300 ms 、报文段大小

为1 460 Byte 时，

TCP 拥塞避免阶段所经历的时间长达41 m ，如此长的拥塞恢复时间导致TCP 传输速率较慢。

(2)流量控制机制过于保守。为避免接收端的缓冲区溢出，TCP 使用滑动窗口限制发送流量。默认的最大窗口大小只有64 KB ，对于低速低时延网络和早期的低性能终端，这个值较合适，但对于FLDnet ，带宽时延积(Bandwidth Delay Production, BDP)远大于这个值，链路管道容量利用率很低。另一方面，目前终端性能已经大大提高，内存早已达到2 GB 、4 GB 等容量，64 KB 大小的接收缓冲区过于保守。 2.2 网络节点性能瓶颈

用于LAN 连接的10 GbE 物理层规范(LAN PHY)在MAC 层可达到10 Gb/s 的数据速率，而用于WAN 连接的OC-192c/ STM-64c 光链路(WAN PHY)传输以太网数据的速率，则只有9.286 Gb/s ，这由OC-192c 的容量及SONET/SDH 帧封装开销决定。由于TCP 采用基于窗口的发送速率控制机制(而非基于速率的调整策略)，以底层能达到的最大速率发送窗口所允许的数据量，突发数据在LAN PHY 与WAN PHY 间转换节点由于接入端速率(10 Gb/s)大于广域端速率(9.286 Gb/s)，可能导致缓冲区溢出。因此，FLDnet 中LAN PHY 与WAN PHY 间的节点，成为传输的性能瓶颈[2]。

基金项目基金项目：：国家科技计划“ITER 计划专项”基金资助项目(2008GB 111000)；2009年度中国科学院研究生科技创新基金资助项目 作者简介作者简介：：王伟杭(1985－)，女，硕士研究生，主研方向：高速网络；任勇毛，助理研究员、博士；岳兆娟，博士研究生；李 俊，研究员、博士生导师

收稿日期收稿日期：：2010-12-03 E-mail ：weihang.wang09@