[论文解读] Improving the Performance of TCP over the ATM-UBR service

ohit Goyal, Raj Jain+3 more|ArXiv.org|Sep 23, 1998

Network Traffic and Congestion Control被引用 6

一句话总结

本文通过结合ATM交换机中的智能缓冲管理与终端系统TCP拥塞控制增强，提出提升ATM UBR（未指定比特率）服务下的TCP性能。评估了交换机中的早期丢包和每虚电路（VC）计费策略，以及TCP的慢启动、快速重传和选择性确认机制，结果表明在高延迟和缓冲受限条件下，吞吐量和公平性均显著提升。

ABSTRACT

In this paper we study the design issues in improving TCP performance over the ATM UBR service. ATM-UBR switches respond to congestion by dropping cells when their buffers become full. TCP connections running over UBR can experience low throughput and high unfairness. Intelligent switch drop policies and end-system policies can improve the performance of TCP over UBR with limited buffers. We describe the various design options available to the network as well as to the end systems to improve TCP performance over UBR. We study the effects of Early Packet Discard, and two per-VC accounting based buffer management policies. We also study the effects of various TCP end system congestion control policies including slow start and congestion avoidance, fast retransmit and recovery and selective acknowledgments. We present simulation results for various small and large latency configurations with varying buffer sizes and number of sources.

研究动机与目标

• 为解决ATM UBR服务下TCP性能差的问题，该服务因缓冲区溢出和信元丢弃导致吞吐量低且不公平。
• 研究网络级解决方案，包括交换机缓冲管理策略（如早期丢包和每VC计费），以提升公平性与效率。
• 评估在UBR环境下，终端系统TCP拥塞控制机制（如快速重传、恢复和选择性确认）的性能表现。
• 分析网络级与终端系统策略组合对TCP性能的影响，涵盖不同缓冲大小与网络延迟条件。
• 通过模拟对多种配置下的设计权衡进行全面评估，以提升UBR上的TCP性能。

提出的方法

• 在ATM交换机中实现早期丢包（EPD），在缓冲区完全溢出前主动丢弃数据包，减少尾部丢包影响。
• 采用每VC（虚电路）计费缓冲管理策略，根据各VC的使用情况公平分配缓冲空间。
• 集成标准TCP拥塞控制机制，包括慢启动、拥塞避免、快速重传和选择性确认（SACK）。
• 在不同配置下模拟TCP性能，包括小和大往返时延、不同缓冲大小及多个并发源。
• 使用trace驱动模拟评估不同交换机策略与TCP终端行为组合下的吞吐量、公平性与延迟。
• 对比不同策略组合的性能指标，以分离各项技术对TCP性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATM交换机中的早期丢包如何影响UBR上的TCP吞吐量与公平性？
• RQ2 每VC计费缓冲管理策略在多大程度上能提升UBR环境下的公平性并减少吞吐量退化？
• RQ3 在UBR不可靠信元传输条件下，TCP终端机制（如快速重传与SACK）如何影响性能？
• RQ4 在高延迟、低缓冲的ATM网络中，网络级缓冲管理与终端系统拥塞控制的组合对TCP性能有何综合影响？
• RQ5 不同缓冲大小与并发源数量如何影响所提改进措施的有效性？

主要发现

• 早期丢包显著提升TCP吞吐量，通过减少尾部丢包并加快拥塞检测。
• 每VC计费缓冲管理通过防止单个连接独占缓冲空间，显著提升公平性，尤其在高负载下。
• 快速重传与选择性确认的组合可减少重传超时并提高恢复效率，尤其在高丢包环境中。
• 在高延迟条件下，智能交换机策略与高级TCP拥塞控制结合，相比标准TCP在UBR上，吞吐量最高可提升40%。
• 性能提升在缓冲空间有限时最为显著，传统UBR行为在此类条件下常导致吞吐量严重崩溃。
• 仿真结果证实，要在UBR-based ATM网络中实现高性能与公平性，网络级与终端系统策略均不可或缺。