移动数据网络中获得高吞吐率和低延迟的拥塞控制算法研究

The unique nature and operation mechanism of mobile data networks such as 3G/HSPA prevents conventional TCP from performing optimally. Especially it is not uncommon for conventional TCP to build a large backlog of queueing packets at the bottleneck link of mobile data networks, consequently causes a large queueing delay. It hurts the quality of service (QoS) of applications requiring low end-to-end delay. To tackle this problem, we present PQ-TCP, a novel congestion control algorithm designed to achieve the two desires: high bandwidth utilization and low end-to-end delay, over mobile data networks. We first plan to establish a system model that predicts the queue length in the near future by predicting the future bandwidth variations and delay variations, then determines how many packets should transmit through adjusting congestion window, ensuring that the transmitted packets arriving at the queue will not be delayed inside the queue for a long time. We will develop a fully operational and functional PQ-TCP prototype and compare its performance with various congestion control algorithms including TCP variants in terms of delay and throughput by trace-driven simulations and real experiments over productions of mobile data networks in China. This research results will leverage the resource efficiency of mobile data networks; reduce mobile operators as well as national investment on hardware; improve network QoS and the user experience. The study not only contributes to the theoretical design of congestion control algorithm, but also has the practical significance for mobile operators, content providers and mobile customers.

3G/HSPA和4G/LTE等移动数据网络具有不同于有线网络的独特性质和运行机制，导致现有的TCP效果欠佳。特别是TCP在移动数据网络的链路缓冲区积压大量数据包，造成很大的排队延迟，降低了要求低端对端延迟的应用的服务质量。研究设计一种新型的、适用于移动数据网络特点的拥塞控制算法— PQ-TCP(Predictive Queue length TCP)，建立一个通过预测未来带宽变化和延迟变化来预测不久的将来队列长度的系统模型，实现在移动数据网络上的高带宽利用率和低端对端延迟，开发一个全面运作并且功能完整的PQ-TCP原型。该研究成果通过增加移动数据网络带宽利用率和降低数据传输中端对端延迟，提高移动数据网络的使用效率，改善网络性能，降低移动运营商、乃至国家对硬件的投入，提高移动用户满意度。该研究不仅在数据传输算法研究方面具有理论意义，而且对移动运营商、内容运营商和移动用户具有实际意义。

移动数据网络（如3G/HSPA，4G和5G网络）表现出与固定有线网络（如Internet）基本不同的属性。这些差异导致当前传输控制协议（TCP）实现中的严重性能瓶颈，而TCP是当今大多数移动应用程序的基础。此项目主要完成四项工作以优化TCP在移动数据网络的服务质量（QoS）。首先，我们开发出一种透明协议优化设备，即移动加速系统（mobile accelerator），执行即时协议优化以提高TCP的吞吐量性能，同时保持与当前终端主机TCP实现相兼容。移动加速系统在真实的3G/HSPA+和LTE网络中得到验证，可达到接近最佳的带宽利用率，可以将吞吐量提高48％至163％。第二，我们发现上传和下载流量通常在移动网络中共存。但是，即使下行链路不是瓶颈，上载流量也会大大降低TCP下载吞吐量。此工作通过开发一种新型聚合传输速率控制算法（ATRC-UD）来解决此限制，以共同加速来自/到同一移动设备的并发TCP上载和下载流。仿真和实际实验表明，与现有方法（如TCP-RRE和RSFC）相比，ATRC-UD使TCP能够实现96％的下行链路带宽利用率，同时将上行链路带宽利用率提高115％以上。第三，我们揭示了丢包重传阶段的两个重要性能瓶颈：流量控制瓶颈和应用程序停顿，导致QoS性能下降。我们实现一种新的机会重传算法并在Linux内核中实现并模块化。仿真和实际实验证明，与现有的TCP丢包重传算法相比，所提出的重传算法可将带宽利用率提高多达133％。第四，当前的动数据网络表现出高度可变的数据速率。因此也难以实现任何服务质量（QoS）控制，即高吞吐量和低延迟。这项工作脱离了传统的“一刀切”设计速率控制算法的方法，开发了一种新框架（PQSA），该框架分析大量带宽数据，以提取关键系统参数与QoS目标之间的相关系数，可根据网络条件和系统配置自动配置未来速率控制参数。与现有的速率控制算法相比，PQSA优化的速率控制算法可以在广泛的网络条件和配置中实现可预测，一致和可控的QoS性能。此项目工作成果通过改善移动数据网的服务质量，提高移动数据网络的使用效率，和数据内容的传播效率，降低移动运营商，内容提供商，乃至国家对硬件的投入，提高移动用户满意度。该研究不仅在数据传 输算法研究方面具有理论意义，而且对移动运营商、内容运营商和移动用户具有实际意义 。