[论文解读] TCP D*: A Low Latency First Congestion Control Algorithm

Taran Lynn, Dipak Ghosal|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Network Traffic and Congestion Control参考文献 24被引用 4

一句话总结

TCP D* 是一种新颖的基于延迟的拥塞控制算法，通过优先考虑拥塞窗口而非发送速率来最小化高竞争网络中的延迟。在128个流的场景下，其RTT比BBR低至40 ms，同时保持了完整的带宽利用率，展现出在拥塞且缓冲能力差的环境中卓越的低延迟性能。

ABSTRACT

The choice of feedback mechanism between delay and packet loss has long been a point of contention in TCP congestion control. This has partly been resolved, as it has become increasingly evident that delay based methods are needed to facilitate modern interactive web applications. However, what has not been resolved is what control should be used, with the two candidates being the congestion window and the pacing rate. BBR is a new delay based congestion control algorithm that uses a pacing rate as its primary control and the congestion window as a secondary control. We propose that a congestion window first algorithm might give more desirable performance characteristics in situations where latency must be minimized even at the expense of some loss in throughput. To evaluate this hypothesis we introduce a new congestion control algorithm called TCP D*, which is a congestion window first algorithm that adopts BBR's approach of maximizing delivery rate while minimizing latency. In this paper, we discuss the key features of this algorithm, discuss the differences and similarity to BBR, and present some preliminary results based on a real implementation.

研究动机与目标

• 探究拥塞窗口优先设计是否相比BBR等发送速率优先方法具有更优的延迟性能。
• 解决在存在大量竞争流且缓冲配置较差的网络中最小化延迟的挑战。
• 在不同RTT和流条件下的真实世界与仿真环境中评估TCP D*的性能。
• 探讨基于延迟的拥塞控制中拥塞窗口与发送速率控制之间的权衡。
• 识别拥塞窗口控制在公平性和响应性方面具有优势的场景。

提出的方法

• TCP D* 以拥塞窗口作为主要控制机制，将队列大小建模为带宽延迟积（BDP）与拥塞窗口的差值。
• 它基于RTT测量估算传输速率和BDP，类似于BBR，但使用拥塞窗口直接调节队列占用量。
• 通过显式跟踪和调整拥塞窗口，保持极小的拥塞余量，从而实现对拥塞的主动控制。
• 采用探测机制估算BDP，并根据RTT趋势动态调整窗口大小。
• 实现中使用FQ/ pacing 和 HTB qDisc 来强制执行速率控制，而拥塞窗口则控制未确认报文的最大数量。
• 性能在真实网络环境中（500 Mbps、30 ms延迟，1个和128个并发流）以及具有非对称RTT的事件驱动仿真中进行了评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 与BBR等发送速率优先设计相比，拥塞窗口优先设计在延迟和吞吐量方面表现如何？
• RQ2 TCP D* 在具有高流竞争和浅缓冲或深缓冲的网络中的性能如何？
• RQ3 在共享瓶颈场景下，TCP D* 如何处理具有不同基线RTT的流？
• RQ4 TCP D* 是否能在高度拥塞的环境中同时保持低延迟和完整的带宽利用率？
• RQ5 TCP D* 在低波动、专用WAN环境中表现良好尚需哪些改进？

主要发现

• 在NetEm模拟网络的128个流场景中，TCP D* 实现了最低的RTT——比BBR低约40 ms，同时完全利用了500 Mbps链路。
• 在单个流场景下，TCP D* 的RTT略低于其他算法，且在RTT行为中可见明显的探测尾部特征。
• 在具有两个不同基线RTT（30 ms和60 ms）流的仿真中，TCP D* 确保两个流均将RTT最小化，吞吐量分配与各自RTT成比例。
• 该算法保持了极小的拥塞余量，这促成了其在高竞争环境下的低延迟表现。
• TCP D* 显式通过拥塞窗口建模拥塞，相比仅依赖发送速率的方法，实现了更可预测且更稳定的队列行为。
• 结果表明，TCP D* 在缓冲能力差且竞争流众多的网络中尤为有效，此时延迟最小化至关重要。