[论文解读] Self-generated Self-similar Traffic

Péter Hága, Péter Pollner+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2004

Network Traffic and Congestion Control参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文表明，自相似网络流量的产生并非源于重尾分布的流量源，而是源于TCP流自身在动态交互作用下的结果，即使在网络无丢包的情况下亦是如此。通过突发背景流量触发的退避机制，TCP能够产生足够高的有效丢包率，从而引发长程依赖性和自相似性，尽管实际的分组丢包率很低。

ABSTRACT

Self-similarity in the network traffic has been studied from several aspects: both at the user side and at the network side there are many sources of the long range dependence. Recently some dynamical origins are also identified: the TCP adaptive congestion avoidance algorithm itself can produce chaotic and long range dependent throughput behavior, if the loss rate is very high. In this paper we show that there is a close connection between the static and dynamic origins of self-similarity: parallel TCPs can generate the self-similarity themselves, they can introduce heavily fluctuations into the background traffic and produce high effective loss rate causing a long range dependent TCP flow, however, the dropped packet ratio is low.

研究动机与目标

• 研究在实际分组丢包率较低的网络中，自相似流量的动态成因。
• 考察TCP拥塞控制机制，特别是退避阶段，如何在无重尾分布流量源的情况下生成自相似性。
• 区分TCP流中的实际丢包与有效丢包，并评估其对流量相关性的影响。
• 验证自相似性源于交互动态而非静态源特性。
• 证明自相似行为可在理想无丢包网络条件下，由于协议层动态机制而产生。

提出的方法

• 区分实际丢包（实际分组丢失）与有效丢包（由延迟ACK引起的虚假超时）
• 使用带时间戳序列号的tcpdump数据检测重传并识别有效丢包事件
• 应用Benko等人提出的方法的改进版本，通过重复ACK检测实际丢包，并将其与虚假超时区分开
• 分析跨大陆TCP流中的退避状态概率，以估算TCP所感知的有效丢包率
• 对退避状态分布拟合指数衰减，以推断有效丢包概率
• 将从退避统计中获得的有效丢包率与从tcpdump中推导出的实际丢包率进行比较，以验证区分的有效性

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际分组丢包率低且无重尾分布流量源的网络中，自相似流量是否仍可产生？
• RQ2 TCP退避机制在多大程度上促成了网络流量的长程依赖性？
• RQ3 虚假超时（虚拟丢包）如何影响感知丢包率与流量相关性？
• RQ4 退避状态动态与TCP流中自相似性出现之间存在何种关系？
• RQ5 自相似性是否可完全由协议层动态机制生成，而无需底层统计上的重尾分布？

主要发现

• 在实际跨大陆TCP流中观察到自相似流量，尽管实际分组丢包率低于12.5%——这一阈值传统上被认为与自相似性相关。
• 从退避状态概率推导出的TCP所感知的有效丢包率为16.5%，显著高于实际丢包率。
• 退避状态概率的指数衰减特性证实了16.5%的一致有效丢包率，该结果与Hurst参数估计值及到达时间统计结果一致。
• 有效丢包率（16.5%）与从退避行为推断出的丢包率相符，而实际丢包率低于12.5%，表明虚假超时是导致自相似性的主因。
• 本研究证实，自相似性可源于动态TCP行为——特别是由退避引发的波动——而非静态源特性。
• 结果表明，即使在无丢包的网络中，自相似性仍由TCP之间的交互及其对突发背景流量的响应所引发，而非网络层拥塞所致。