⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）343www.elsevier.com/locate/icteBBR Advanced（BBR-A）-减少重传，提高公平性Imtiaz Mahmud，You-ZeCho国立庆北大学电子工程学院，大邱，41566，韩国接收日期：2020年3月18日;接收日期：2020年5月19日;接受日期：2020年5月29日2020年6月3日在线发布摘要2016年，Google提出了瓶颈带宽和往返时间（BBR），这是一种新的TCP拥塞控制算法，可以避免瓶颈队列形成并充分利用底层带宽。然而，最近的报告发现了BBR的重大缺陷，特别是高分组重传问题，以及吞吐量不公平问题。我们提出了BBR高级（BBR-A），解决了这些问题，通过减半的拥塞窗口和减缓实际拥塞事件的起搏增益，它决定基于数据包丢失和RTT。Mininet仿真实验表明，BBR-A与BBR相比，重传次数减少了60%，公平性指数提高了10%。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：BBR;重传;公平性; TCP;拥塞控制1. 介绍虽然网络基础设施已经取得了显着的改善，传输控制协议（TCP）的拥塞控制算法仍然缺乏适当地利用底层先进的网络的能力。2016年，Google提出了一种新的TCP拥塞 控 制 算 法 Bottleneck Bandwidth and Round-trip-time（BBR）[1]，并声称BBR将YouTube的中位往返时间（RTT）减少了80%，将B4的带宽利用率提高然而，最近的几项研究报告了BBR [4-8]Google一直在积极开发BBR v2来解决这些问题[9]。特别是，为了解决高重传问题，Google计划通过响应丢失事件和显式拥塞控制（ECN）来减少数据流。然而，这种方法也可能降低吞吐量，特别是在大瓶颈缓冲区的情况下，如在BBR v2的当前性能评估中可以观察到的[10]。∗ 通讯作者。电子邮件地址： yzcho@knu.ac.kr（Y.- Z. Cho）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.05.009因此，在我们之前的工作[11]中，我们提出了BBR-ACD（具有高级拥塞检测的BBR），通过将拥塞窗口（CWND）减半来选择性地响应实际拥塞事件。根据RTT的时延梯度和丢包事件识别实际拥塞事件。在BBR-ACD中，我们没有减慢起搏增益，而是将CWND减半，因为BBR在与其他流竞争时变得窗口受限并且确认（ACK）被计时，以其飞行上限定义的速率发送即最大允许CWND [8]。然而，通过进一步的研究，我们发现起搏增益也起着重要的作用。 在本文中，我们报告了BBR高级（BBR-A）的改进性能，BBR高级是BBR-ACD的修改版本，重点是CWND和起搏增益。本文的贡献可以列举如下：在实际拥塞事件的情况下，我们不仅将CWND减半，而且还将起搏增益降低了25%。这使得能够以较慢的速度发送数据，从而为路由器提供更多的时间来处理排队的数据包。我们在Linux内核中实现了BBR-A，并将代码加载到GitHub存储库中[12]，供读者进一步研究和改进。通过使用Mininet仿真器[13]进行彻底调查，我们确认BBR-A通过将重传减少高达60%来提高BBR的性能。2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。···344I. Mahmud和Y.Z. Cho/ICT Express 6（2020）343此外，BBR-A将协议内和协议间公平性提高了10%。第二部分详细介绍了BBR-A的作用机理。第3节将其性能与BBR、BBR-ACD和CUBIC进行了比较。最后，第四部分对本文进行了总结。2. BBR Advanced（BBR-A）在当今的互联网中因此，为了隔离在BBR情况下由于网络拥塞而导致的分组丢失，我们在之前的工作中引入了两个条件[11]，第一，对于三个连续ACK，RTT应该几乎相同，第二，RTT应该是最小RTT（minRTT）的两倍。如果这些条件中的任何一个存在并且在那时发生分组丢失，我们表明分组丢失是网络拥塞的结果，将其称为实际拥塞事件，并建议将CWND减半以减慢数据流。在BBR中，主要有两个控制参数控制数据流，CWND和起搏增益[1]。CWND主要决定下一个窗口中要发送的数据量。起搏增益决定数据发送速率。在BBR-A中，对于由实际拥塞引起的数据包丢失事件，我们建议将CWND减半并将起搏增益设置为0.75（默认值为1.0）。将CWND减半可以让发送方只发送因此，帮助瓶颈摆脱多余的队列，因为瓶颈将处理更少的数据。此外，将起搏增益设置为0.75会降低发送速率。现在，瓶颈将以降低的速率接收更少量的数据，即，数据分组接收之间的间隔将增加，这最终给瓶颈提供了更多的时间来处理现有的数据分组。因此，BBR-A进一步减少了重传次数，实现了更好的公平性。算法1总结了关键机制。3. 仿真场景为了评估BBR-A，我们使用了Jaeger等人在Mininet中实现的仿真框架。[14]和图1所示的场景。1.一、公平竞争（fq）被设定为竞争纪律。iPerf3用于将数据从发送方传输到目的地有8个目的地和8个目的地。每个发送方都使用iPerf3启动了一个具有目的地的数据流。有两组流，每组有4个流，图1.一、 用于在Minine t 中评估BBR-A的仿真场景。表1不同起搏增益值对BBR-A性能的影响。瓶颈缓冲区大小设置为2 BDP。起搏增益总平均吞吐量（Mbps）重传总数（数据包）1.07.8381130.757.82872620.507.5266670.257.326021相同的RTT。此外，我们还研究了BBR、BBR-ACD和BBR-A在与CUBIC竞争时的协议间性能，并将它们分别表示为“BBR vs CUBIC”、“BBR-ACD vs CUBIC”和“BBR-Avs CUBIC”。对于这种情况，两个BBR/BBR-ACD/BBR-A流和两个CUBIC流使得4个流组具有相同的RTT。所有的流动都在同一时间开始和结束。瓶颈带宽设置为1 Mbps。所有结果均以95%置信区间显示。3.1. 根据吞吐量和缓冲区积压进行图图2和图3示出了用于仿真实验的BBR、BBR-ACD和BBR-A的吞吐量和缓冲区积压。在仿真期间，第一流集合和第二流集合分别具有10 ms和50 ms RTT。并将瓶颈缓冲区设置为2BDP（带宽延迟乘积）。正如我们所观察到的，BBR几乎总是保持缓冲区满。这会导致大量的数据包重传，如底部的红点所示。 无论是BBR-ACD还是BBR-A，只要缓冲区变满，都会减少数据流，因此可以观察到数据包重传次数的显著减少。BBR-A可以通过减少CWND和调步增益来进一步减少分组重传。此外，通过BBR-A，所有的流量都可以在相对短的时间内达到公平的份额状态。对吞吐量曲线的深入观察表明，与BBR或BBR-ACD相比，BBR-A确保了带宽在所有流之间的均等分配。此外，从总吞吐量曲线可以清楚地看出，BBR、BBR-ACD和BBR-A可以完全使用带宽最后图图4示出了针对不同瓶颈缓冲区大小的CU-BIC、BBR、BBR-ACD和BBR-A的总平均吞吐量。它也显示了他们的表现，当他们与CUBIC竞争。在所有情况下，所有的算法表现出几乎相似的性能。然而，BBR-A·I. Mahmud和Y.Z. Cho/ICT Express 6（2020）343345图二. （a）BBR、（b）BBR-ACD和（b）BBR-A在吞吐量方面的性能比较。虚线的密度与重传次数图三. （a）BBR、（b）BBR-ACD和（c）BBR-A在缓冲区积压方面的性能比较。虚线的密度是成比例的重传的次数响应于实际的分组丢失事件，并且除了降低CWND之外还减慢流的速率。尽管如此，我们可以在随后的部分中观察到，与其他方案相比，BBR-A显著减少了重传次数，吞吐量的轻微下降变得微不足道。这也表明，调步增益的大幅降低可能会导致吞吐量的大幅下降，因为我们注入的数据量将少于网络可以处理的数据量。表1总结了在总平均吞吐量和分组重传方面针对不同起搏增益值的BBR-A3.2. 公平性方面的业绩评价图的热图。5显示协议内公平性以及当BBR、BBR-ACD和BBR-A与CUBIC竞争时的协议间公平性。Jain在热图上，区域越白越好见图4。 CUBIC、BBR、BBR-ACD和BBR-A的总平均吞吐量性能比较。区域越暗，公平性越差。此外，Fig. 图5（a）-（d）分别示出了两组流之间的RTT差的5倍、10倍、15倍和20倍的公平性指数。请注意，对于图中所示的结果。在图5（a）-（d）中，没有引起分组错误率。然而，对于图5（e）中所示的结果，在每个流中引起50%的分组错误率，而两组流之间的RTT差保持在5倍。在所有的情况下，BBR-A实现了最高的公平性相比，BBR和BBR-ACD。然而，CUBIC在公平性方面表现最好，因为它完全是以损失为基础的此外，当与CUBIC竞争时，即在协议间公平性方面，BBR-A在所有情况下再次优于BBR和BBR-ACD。在实际网络中，当缓冲区变满时，瓶颈链路无法接收任何新的数据包。在这种情况下，那些数据已经存在于持久队列中的流比其他流更占优势。通过在实际拥塞的情况下减慢发送速率，我们帮助瓶颈快速摆脱持久队列。结果，被压迫的流得到了更好的机会来要求他们的份额，这有助于改善BBR中的公平性问题。此外，由于BBR-A不仅减慢了CWND，而且还减慢了调步增益，因此它使缓冲区在更长的时间内保持空闲，并允许被压迫的流有更多的时间来要求公平的份额。因此，与其他算法相比，BBR-A算法实现了更好的公平性。3.3. 数据包重传方面的性能比较图6示出了针对不同瓶颈缓冲器大小通过CU-BIC、BBR、BBR-ACD和BBR-A重传的分组的数量。请注意，在这种情况下，我们没有引起任何数据包丢失。通过瓶颈缓冲区大小的增加，重传的次数显著减少。然而，在小的瓶颈缓冲区的情况下，BBR的结果在严重的数据包丢失相比，其他的，而CUBIC的结果在最低的数据包丢失响应每个丢失事件。通过选择性地响应数据包丢失事件，346I. Mahmud和Y.Z. Cho/ICT Express 6（2020）343图五. CUBIC、BBR、BBR-ACD和BBR-A的协议内和协议间公平性，根据Jain（一）10 ms（4个流）vs 50 ms（4个流），无损失;（b）10 ms（4个流）vs 100 ms（4个流），无损失;（c）10 ms（4个流）vs 150 ms（4个流），无损失;以及（d）10 ms（4个流）vs 200 ms（4个流），无损失，（e）10 ms（4个流）vs 50 ms（4个流），50%损失。通过实际测试，与BBR相比，BBR-ACD几乎将重传减少到一半。此外，与BBR相比，BBR-A通过减少近60%的重传而表现得更好此外，在相同的情况下，当BBR、BBR-ACD或BBR-A与CUBIC竞争时，仍然观察到相同的性能趋势。这里，BBR再次导致最高的重传，而BBR-A以与先前情况中经历的几乎相同的速率减少重传。4. 结论本文提出了BBR-A协议，以解决BBR中的高包重传率和吞吐量不公平问题。通过大量的实验，我们证实了所提出的BBR-A显着减少了高分组重传BBR，同时提高了协议内 和 协 议 间 的 公 平 性 指 数 。 所 提 出 的 算 法 很 容 易implementable内目前的BBR v1，我们相信，这一概念将是非常有帮助的BBR v2的发展。此外，在未来的工作中，可以考虑另外的ECNI. Mahmud和Y.Z. Cho/ICT Express 6（2020）343347见图6。 CUBIC、BBR、BBR-ACD和BBR-A在数据包重传方面的性能比较。将分组丢失作为网络拥塞的信号，以进一步提高性能。CRediT作者贡献声明Imtiaz Mahmud：概念化，数据管理，形式分析，方法论，写作-原始草稿，写作-审查编辑。赵友泽：资金收购，监督。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项研究得到了下一代信息计算发展计划的部分支持，该计划由韩国科学和信息通信技术部资助的韩国国家研究基金会（NRF）资助。NRF-2017 M3 C4 A7083676）、基础科学研究计划通过韩国教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）（编号NRF-2018 R1 A6 A1 A03025109）和韩国 政 府 资 助 的 韩 国 国 家 研 究 基 金 会 （ NRF ） （ 编 号MSIT）（编号NRF-2018 R1 A6 A1 A03025109）。NRF-2019R1A2C1006249）。引用[1] N. Cardwell，Y. Cheng，C.S. Gunn，S.H. Yeganeh，V. Jacobson，BBR：Congestion-basedcongestion control 14（5），2016，pp. 20-53[2] S. Jain 等 人 ， B4 ： 具 有 全 球 部 署 的 软 件 定 义 WAN 、 ACMSIGCOMM Comput的经验。Commun. Rev. 43（4）（2013）3-14.[3] L. Kleinrock，Power and deterministic rules of thumb for probabilisticproblems in computer communications ， in ： Proceedings of theInternational Conference on Communications，Vol. 43，1979，pp. 1-43.1.[4] M.霍克河上帝保佑M Zitterbart，BBR拥塞控制的实验评估，在：2017 IEEE第25届国际网络协议会议，ICNP，IEEE，2017，pp. 1比10[5] D.肖尔茨湾耶格湖Schwaighthorn，D. 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