《電子技術應用》
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一種基于UDP的擁塞控制方案
來源：電子技術應用2013年第9期
黃海利1,2,， 王曉喃2
1. 中國礦業(yè)大學 計算機科學與技術學院,，江蘇 徐州 221008; 2. 常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500
摘要： 實現UDP和TCP數據流的公平性以及在UDP中解決擁塞控制從而保證傳輸可靠性是提高服務質量所面臨的兩個迫切需要解決的問題。提出一種解決上述兩個問題的方案——FFUDP(Friend and Fair UDP),，即UDP根據丟包率來判斷網絡的擁塞情況,，如果網絡擁塞,，接收方通知發(fā)送方調整發(fā)送速率從而有效解決公平性問題以及UDP的擁塞控制問題,。仿真結果表明，FFUDP大幅度提高了數據吞吐量,，降低了丟包率,，實現了與TCP數據流的公平性。
中圖分類號： TP393.04
文獻標識碼： A
章編號： 0258-7998(2013)09-0109-03
An UDP-based congestion control scheme
Huang Haili1,2,， Wang Xiaonan2
1. China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China,； 2. Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China
Abstract： The quality of service is confronted with two challenges. One is how to achieve the fairness of TCP and UDP, and the other is how to solve the congestion control in order to improve the transmission reliability. This paper presents a solution FFUDP(Friend and Fair UDP) to address the two problems. FFUPD determines the network congestion state based on the packet loss rate. If the network congestion is detected, then the receiver notifies the sender of adjusting the transmission rate to effectively address the fairness and UDP congestion control. The simulation results show that FFUDP substantial increases the throughput and reduces the packet loss rate, and moreover the fairness of FFUDP and TCP is achieved.
Key words : TCP; UDP; congestion control; fairness; packet loss rate

    互聯網采用TCP和UDP兩種協(xié)議，在網絡擁塞的情況下,，UDP數據流幾乎占用了所有網絡帶寬,，而TCP數據流則幾乎停止工作，影響相關應用正常運行,。因此,，如何實現UDP數據流和TCP數據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絡應用采用實時性較強的UDP傳輸數據,。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根據丟包率來判斷網絡的擁塞情況,，若出現網絡擁塞，接收方則通知控制方調整發(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)送的數據消息后,，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據包傳輸效率,。
       FFUDP包括兩個部分：局部調整算法和全局調整算法。前者根據接收方本次接收數據消息的序列號和前一次接收的差值得到丟包數(局部丟包數)來調整發(fā)送方的數據發(fā)送率,。后者根據接收方開始接收數據消息到本次接收消息結束這段時間內產生的丟包數(全局丟包數)來調整數據發(fā)送率,。
    前期工作發(fā)現：獨立使用局部調整算法導致丟包率抖動，而獨立使用全局調整算法則解決公平性的效果不理想,。在FFUDP中,，局部調整算法控制接收方發(fā)送通知消息的周期，全局調整算法控制發(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)議實現機制
       FFUDP的實現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)送的數據全部被接收方接收,，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)送數據包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，并根據降低后的發(fā)送速率發(fā)送后期的數據包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,，網絡帶寬為4 Mb/s,，鏈路延遲為5 ms,，隊列長度為20。網絡中的發(fā)送節(jié)點分別發(fā)送TCP,、UDP,、FFUDP三種數據流。為了保持公平性,，三種數據流所處的網絡環(huán)境完全一致,。
2.1 公平性分析
　    為了測試FFUDP和TCP的友好性，數據流只包含TCP/ FFUDP,。
　    如圖6所示,，兩種數據流都不斷調整自己的發(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數據流的吞吐量高于TCP,，這是因為TCP對任一數據消息都返回確認消息,，從而實現可靠傳輸。FFUDP則是定期發(fā)送通知消息,，所以,，FFUDP數據流的吞吐量略高于TCP數據流，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數據流的吞吐量很高,，但丟包率很低,。同樣，經過8 s左右的調整,，兩種數據流的丟包率出現穩(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絡資源增加了丟棄數據的概率,。相比,，FFUDP不采用重傳確認機制，降低了丟棄數據的概率,。從圖7可以看出,， FFUDP協(xié)議達到了FFUDP/TCP數據流友好公平的目的。

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數據流,，以測試FFUDP比UDP更具有可靠性。如圖8所示,，FFUDP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通過調整發(fā)送速率有效控制了網絡擁塞,，達到了提高吞吐量的目的,。

    如圖9所示，UDP丟包率遠高于FFUDP,致使接收數據存在不完整性,。FFUDP大幅度降低了丟包率,，實現了可靠傳輸。

    本文提出了FFUDP以解決UDP與TCP數據流公平性問題,以及UDP傳輸可靠性問題,。仿真數據表明,，FFUDP協(xié)議實現了不同數據流之間的公平性，在網絡資源緊張的情況下,能夠有效控制網絡擁塞從而實現傳輸可靠性,。
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