浅论队列TCP短流在拥塞点上性能及其在数据中心中运用

论文导读：
摘要：TCP短流是指始终处在慢启动状态，传输数据量在10K字节左右的TCP流。当代互联网流量中，有相当一部分是HTTP协议为主的WWW万维网数据。这类数据一个重要特点是构架在TCP协议之上，同时一个TCP连接传输的数据量较少。以已有的对HTTP数据特点的浅析中可以看出，绝大部分的HTTP协议流传输的数据量在20K字节以内。近年来，随着数据中心的兴起，TCP短流发挥的作用也越来越大。探讨表明[3]，在目前运转着的数据中心中，有80%的数据流都是TCP短流，其传输的数据量小于10K字节。由此，TCP短流的重要量也就越来越突出，有必要对此做专门的探讨。已有对TCP协议的探讨中，绝大部分针对承载的数据量大，处在稳定状态的TCP长流。而对TCP短流的探讨现在可以大致分为两类，一类以探讨TCP短流完成时间的计算策略为主。一类以探讨调度协议，减少短流的队列等待时间为主。针对TCP短流对网络拥塞程度的影响，以及相应的TCP短流性能方面的探讨还比较缺乏。另一方面，近年来，一些探讨指出，可以减少核心路由器的缓冲区，而不会引起链路利用率的显著下降。这类探讨的一个共同点是认为拥塞队列由TCP长流造成，没有考虑或者忽略了TCP短流对队列的影响。由此，探讨TCP短流对网络拥塞点拥塞状态(即队列深度)的贡献，以及在拥塞环境中TCP短流的性能具有重要的作用。这类探讨可以有助于调度协议的浅析和构想，以便减小TCP短流分组的队列延时，可以帮助网络管理者更好的设置网络设备参数，可以用于浅析和提升数据中心的网络性能等等。TCP短流在拥塞点上的性能是指TCP短流在拥塞点上的队列行为特点以及由此对拥塞队列带来的影响。本论文针对TCP短流的拥塞点行为特性，浅析了短流在最优情况队列深度模型(网络没有发生丢包)和丢包率非0队列深度模型下的拥塞点队列行为。最后，将浅析的结论运用到数据中心网络中。本论文的主要工作包括：第一，在现在的队列管理机制下，长流会比短流占据更多的网络带宽资源。为了与短流对拥塞点队列的影响做比较，我们浅析了长流对拥塞点队列深度的影响，发现长流流数和平均队列深度有着线性联系。第二，在最优情况队列模型下，对短流在拥塞点上队列行为建模。在浅析了各种建模方式后，我们发现以拥塞窗口为单位建模，利用M/G/1模型，可以很好的描述TCP短流在拥塞点上队列行为。通过数学浅析，我们找到TCP短流对队列深度影响的公式。这个公式指出，在最优模型下，短流所造成的平均队列深度与链路负载，短流发送的数据量有着确定的数学联系。第三，浅析了短流在网络发生丢包时的队列行为。我们发现，短流发生丢包后，实际上是将一个慢启动状态分解成了多个慢启动状态。同时，在丢包率较小时，可以认为网络负载没有发生显著变化。这时，只需将分解后的慢启动状态代入最优公式，依然可以获得和最优模型相似的数学结论。第四，我们对数学结论进行了仿真验证，得到两个结论：一是论述模型和仿真数据有较好的相似，同时浅析了误差理由；二是发现短流的队列行为有着特别的类指数曲线的走势。第五，在总结了数据中心短流数据特点和网络拓扑的情况下，浅析了数据中心的TCP短流性能的两个重要因素：队列等待时间和流完成时间。对此作了仿真，并对论述值和仿真值做了比较。关键词：TCP论文短流论文平均队列深度论文数据中心论文M/G/1论文
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ABSTRACT7-12
图目录12-14
表格目录14-15
第一章 绪论15-24

1.1 引言15-16

1.2 TCP 流性能浅析的探讨背景16-20

1.2.1 TCP 短流的已有模型16-18

1.2.2 TCP 长流的状态模型18-19

1.2.3 数据中心网络拓扑介绍和流量浅析作用19-20

1.3 TCP 短流拥塞点队列行为探讨的现实作用20-21

1.4 探讨工作和成果21-24

第二章 TCP 长流对拥塞点队列深度的影响24-43

2.1 TCP 长流短流共存相关探讨介绍24-31

2.

1.1 TCP 长流和短流承载数据量比较24-26

2.

1.2 现有网络中 TCP 短流的劣势26-27

2.1.3 TCP 长流和短流的论文导读：44.2.2仿真和结论64-704.3本章小结70-72第五章总结和展望72-745.1主要结论72-735.2探讨展望73-74参考文献74-77致谢77-78攻读硕士期间已发表或录用的论文78上一页12
隔离27-28
2.

1.4 优待 TCP 短流的机制28-31

2.

1.4.1 RIO 机制28-30

2.

1.4.2 基于 TCP 状态机制30

2.

1.4.3 最短剩余处理时间优先算法(SRPT)30

2.

1.4.4 LAS(Least Attained Service)30-31

2.2 TCP 长流对拥塞点平均队列深度影响的建模，计算和仿真31-40

2.1 TCP 长流模型介绍31-35

2.2 用户行为模型35-36

2.3 TCP 长流拥塞点队列深度计算36

2.4 仿真和验证36-40

2.3 本章小结40-43

第三章 TCP 短流对拥塞点队列深度影响43-58

3.1 TCP 协议介绍43-45

3.2 TCP 短流特点和探讨背景45

3.3 TCP 短流模型45-47

3.1 TCP 短流生命周期45-46

3.2 TCP 短流用户行为模型46-47

3.4 TCP 短流行为模型47-50

3.4.1 TCP 短流拥塞点行为浅析47-48

3.4.2 最优情况队列深度模型(网络丢包率为 0)48-49

3.4.3 丢包率非 0 时队列深度模型49-50

3.5 仿真和验证50-56

3.5.1 最优情况队列深度模型仿真50-53

3.5.2 丢包率非 0 队列深度模型仿真53-56

3.6 本章小结56-58

第四章 数据中心 TCP 短流性能浅析58-72

4.1 数据中心网络特点介绍58-63

4.

1.1 数据中心网络58-60

4.

1.1 数据中心网络构成要素58-59

4.

1.2 数据中心网络拓扑[52]59-60

4.

1.2 数据中心 TCP 流特点60-63

4.2 数据中心 TCP 短流性能浅析63-70
4.

2.1 队列延时算法63-64

4.

2.2 仿真和结论64-70

4.3 本章小结70-72
第五章 总结和展望72-74

5.1 主要结论72-73

5.2 探讨展望73-74

参考文献74-77
致谢77-78
攻读硕士期间已发表或录用的论文78