TCP BBR拥塞控制算法的研究

梁剑

【摘 要】 随着网络技术的发展，网络的带宽越来越大，并且无线设备应用越来越广，传统的拥塞控制算法无法很好地适应这一变化。BBR是由谷歌公司提出的新的拥塞控制算法，它使用往返时延和带宽控制拥塞窗口。本文通过研究其原理及在Linux中的实现，以及相关实验，评估了BBR算法的性能，包括吞吐量、往返时间、公平性，并提出了进一步研究的方向。

【关键词】 拥塞控制;BBR;Linux

【中图分类号】 TP393 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0097-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1前言

TCP（Transmission Control Protocol）是因特网协议中最重要的协议之一。作为传输层的主要协议，TCP实现了可靠传输、流量控制、拥塞控制等功能。由于网络层的IP协议是尽最大努力交付的非连接协议，因此其不能有效地分配网络资源，这使得IP网络中的拥塞控制变得非常难。TCP作为IP网络的上一层，承担者拥塞控制的任务，确保因特网不会因拥塞而瘫痪。

TCP基本的拥塞控制算法有四种，分别是慢 开始、拥塞避免、快重传、快恢复。无论什么样的拥 塞控制算法，都可以归结为设置拥塞控制窗口。传统的拥塞控制算法通过丢包来感知拥塞的，事实上这已经比拥塞的发生晚了许多。及早将路由器缓存的情况报告给发送者，是减少丢包的好方法。方法一是使用ECN（显式拥塞通告），当路由器发生拥塞时，把减速的信号发给数据发送者。这种方法的问题是需要对现有的路由器做出较大的改造，并且会加重路由器的负担。另一种方法是测量RTT（数据包往返时延）值，当RTT值增大时，就减小发送的数据。其中的代表是Vegas算法，但它的问题在于当路由器缓存被占据时，Vegas会主动减速，这时会把带宽让给其他TCP数据发送者。

2 BBR算法的工作原理

BBR是一种TCP新的拥塞控制算法，它不再把 丢包作为拥塞产生的信号，而是和Vegas一样基于RTT来检测拥塞。相比于丢包，检测RTT能更早地发现拥塞，进而采取减速的措施。在BBR算法中通过周期性地检测RTT和带宽来发现网络的拥塞情况。如图1所示：

在第一个竖线之前，路由器有充足的带宽，因 为不会出现排队，RTT的值是个恒定的值，实际传 输的数据就是注入的数据量。当到达第一个竖线点时，实际带宽将不再增加，注入更多的数据只会增加RTT。在这点，发送方就不能再增加注入网络的数据量了。当到达第二个竖线时，路由器的缓存就会被填满，丢包就会出现。

在理想情况下，拥塞窗口内的数据等于已注入网络的数据。这个值就是时延带宽积，记作BDP（Bandwidth-Delay Product），时延记作RTT，带宽记作BtlBw，于是就有：

BDP=BtlBw*RTT

BBR拥塞控制算法的核心在于控制注入网络 的数据量，即控制拥塞窗口，拥塞窗口记作Cwnd， 引入参数增益值gain，于是拥塞窗口就有：

Cwnd=BtlBw*RTT*gain

通过控制增益值gain的大小，就能控制实际数 据包的发送速度。

BBR拥塞控制算法有四个阶段分别是STARTUP、DRAIN、PROBE_BW、PROBE_RTT。相比其他的拥塞控制算法，BBR没有传统意义的慢开始阶段，STARTUP可以看作是等效于慢开始。

在STARTUP阶段，gain会取一个比较大的值，默认是2/ln2，大约是2.885，在这个阶段注入网络的数据量会从一个较小的值开始快速增加，一直到带宽不再增长，则退出STARTUP阶段，进入DRAIN階段。

在DRAIN阶段，将设置一个较小的gain值，默认是ln2/2，大约是0.3466，在这个阶段先前注入的到网络中过多数据包被排空后，将会进入PROBE_BW阶段。

正常情况下，BBR的多数时间将处于PROBE_BW阶段，在这个阶段发送方会试探性地向网络中多注入一些数据包，以检测是否有多余的带宽。具体方法是在第一个RTT时间内将gain增加到1.25，探测是否有多余带宽，在第二个RTT，将gain减少到0.75排空多余的数据包，接着6个RTT时间内，将gain设置为1，持续外送数据。这样每8个RTT作为一个周期，探测带宽。

一般情况下，在没有数据排队的情况下，测得 的RTT值最小，BBR会在每10秒的传输中消耗200ms探测最小RTT值，这就是PROBE_RTT阶段。在此阶段，将窗口缩小为4个MSS，可以检测出最小的RTT，这同时也是带宽礼让的过程，让其他的TCP连接有机会占用带宽。

3 BBR算法的仿真

3.1 BBR行为仿真

文献使用Netem实现了BBR仿真，但是数据量取得不够多。本实验使用MiniNet仿真。只有一个TCP连接，使用BBR算法，带宽设置是10Mbit/s，链路延时为250ms，前20秒的数据发送量如图2所示。

由图2可以看出初始阶段数据发送量增长很快，在第6秒进入稳定状态，并且多次探测有更大窗口的可能，在第11.5秒，发送量快速减少进入RTT探测阶段。

图3显示的是实际完成的吞吐量，由于中间路由器系统的限制，超过8Mb/s的部分就被截掉了。

图4中数据说明，当注入网络中数据量大时，则RTT就变大，当数据量小时，RTT变小，但不会小于链路的延时。

3.2 BBR与CUBIC的对比

设置瓶颈带宽是10Mb/s，网络延时是250ms，CUBIC实际RTT如图5所示。

从图5中可以看到CUBIC更倾向于占用缓存，从而导致RTT的值偏大。

圖6是设置瓶颈带宽是10Mb/s，网络延时是250ms，一个BBR连接，一个CUBIC连接的情况。

从图6中看出，BBR的带宽抢占能力非常强，其原因是BBR不区分拥塞丢包和误码丢包，丢包时对发送速率影响小，而CUBIC会在丢包时大幅度减速。

3.3 BBR协议的公平性

正如前面所述，BBR与CUBIC之间不具备公平性。图7是设置瓶颈带宽是10Mb/s，网络延时是250ms，两个BBR连接的情况。

图7中在20秒时，第二个BBR连接开始发送数据，从图中分析可知，当多个BBR流同时传送时，后发的BBR流是可以获得带宽的，关键在于BBR的RTT探测阶段会释放所占用的带宽，这种退避机制保证了其他的TCP流能获得发送数据的机会，但这个过程比较长。

4结论

BBR作为一个新的拥塞控制算法主要体现在 对TCP传输中基于延时来调整发送速率，由于 BBR对丢包不敏感，因此在一些误码率较高的网络上有积极意义。比如说在卫星网络中，延时和丢包率都比较高，在这样的网络中部署BBR具有较高的效果。

BBR拥塞控制算法在网络延时上有一定的减 小，但当整个网络中出现因拥塞而导致丢包时，BBR算法不会快速降低发送速度，使得部署BBR的计算机能抢得更多的带宽，这使得其在公平性上存在严 重问题，这将是下一步的研究方向。

【参考文献】

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