TCP短流在拥塞点上性能研究及其在数据中心中的应用

摘要

TCP短流是指始终处在慢启动状态,传输数据量在10K字节左右的TCP流。当代互联网流量中,有相当一部分是HTTP协议为主的WWW万维网数据。这类数据一个重要特点是构架在TCP协议之上,同时一个TCP连接传输的数据量较少。从已有的对HTTP数据特征的分析中可以看出,绝大部分的HTTP协议流传输的数据量在20K字节以内。近年来,随着数据中心的兴起,TCP短流发挥的作用也越来越大。研究表明,在目前运行着的数据中心中,有80％的数据流都是TCP短流,其传输的数据量小于10K字节。因此,TCP短流的重要性也就越来越突出,有必要对此做专门的研究。
　　已有对TCP协议的研究中,绝大部分针对承载的数据量大,处在稳定状态的TCP长流。而对TCP短流的研究现在可以大致分为两类,一类以研究TCP短流完成时间的计算方法为主。一类以研究调度协议,减少短流的队列等待时间为主。针对TCP短流对网络拥塞程度的影响,以及相应的TCP短流性能方面的研究还比较缺乏。另一方面,近年来,一些研究指出,可以减少核心路由器的缓冲区,而不会引起链路利用率的明显下降。这类研究的一个共同点是认为拥塞队列由TCP长流造成,没有考虑或者忽略了TCP短流对队列的影响。
　　因此,研究TCP短流对网络拥塞点拥塞状态(即队列深度)的贡献,以及在拥塞环境中TCP短流的性能具有重要的意义。这类研究可以有助于调度协议的分析和构想,以便减小TCP短流分组的队列延时,可以帮助网络管理者更好的设置网络设备参数,可以用于分析和提高数据中心的网络性能等等。
　　TCP短流在拥塞点上的性能是指TCP短流在拥塞点上的队列行为特征以及由此对拥塞队列带来的影响。本文针对TCP短流的拥塞点行为特性,分析了短流在最优情况队列深度模型(网络没有发生丢包)和丢包率非0队列深度模型下的拥塞点队列行为。最后,将分析的结论应用到数据中心网络中。本文的主要工作包括:
　　第一,在现在的队列管理机制下,长流会比短流占据更多的网络带宽资源。为了与短流对拥塞点队列的影响做对比,我们分析了长流对拥塞点队列深度的影响,发现长流流数和平均队列深度有着线性关系。
　　第二,在最优情况队列模型下,对短流在拥塞点上队列行为建模。在分析了各种建模方式后,我们发现以拥塞窗口为单位建模,利用M/G/1模型,可以很好的描述TCP短流在拥塞点上队列行为。通过数学分析,我们找到TCP短流对队列深度影响的公式。这个公式指出,在最优模型下,短流所造成的平均队列深度与链路负载,短流发送的数据量有着确定的数学关系。
　　第三,分析了短流在网络发生丢包时的队列行为。我们发现,短流发生丢包后,实际上是将一个慢启动状态分解成了多个慢启动状态。同时,在丢包率较小时,可以认为网络负载没有发生明显变化。这时,只需将分解后的慢启动状态代入最优公式,依然可以获得和最优模型相似的数学结论。
　　第四,我们对数学结论进行了仿真验证,得到两个结论:一是理论模型和仿真数据有较好的相似,同时分析了误差原因;二是发现短流的队列行为有着特别的类指数曲线的趋势。
　　第五,在总结了数据中心短流数据特征和网络拓扑的情况下,分析了数据中心的TCP短流性能的两个重要因素:队列等待时间和流完成时间。对此作了仿真,并对理论值和仿真值做了比较。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 TCP流性能分析的研究背景

1.3 TCP短流拥塞点队列行为研究的现实意义

1.4 研究工作和成果

第二章 TCP长流对拥塞点队列深度的影响

2.1 TCP长流短流共存相关研究介绍

2.2 TCP长流对拥塞点平均队列深度影响的建模，计算和仿真

2.3 本章小结

第三章 TCP短流对拥塞点队列深度影响

3.1 TCP协议介绍

3.2 TCP短流特征和研究背景

3.3 TCP短流模型

3.4 TCP短流行为模型

3.5 仿真和验证

3.6 本章小结

第四章 数据中心TCP短流性能分析

4.1 数据中心网络特征介绍

4.2 数据中心TCP短流性能分析

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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