CUBIC: A New TCP-Friendly High-Speed TCP Variant

作者：Sangtae Ha, Injong Rhee@North Carolina State University, Lisong Xu@University of Nebraska

摘要

CUBIC是TCP（传输控制协议）的一种拥塞控制协议。该协议将TCP中的线性窗口增长函数修改为cubic函数，以提高高速和长距离网络的可扩展性。通过将窗口增长独立于RTT，这些流以同样的速率增长它们的拥塞窗口）。因此，协议在具有不同RTT的流之间取得更好的等效带宽分配。在稳定状态期间，当窗口大小离饱和点较远时CUBIC激进地增加窗口大小；当窗口离饱和点较近时，CUBIC缓慢地增加窗口。当网络的带宽延迟积较大时，这一特性使得CUBIC具有较好的扩展性；同时，CUBIC比TCP数据流具有更高的稳定性和公平性。本文给出CUBIC的设计、实现、性能和评估。

导言

• 随着Internet的演进，高速和长距离网络的数量增加。
• 拥塞窗口的大小较大：带宽延迟积(网络中in flight的数据包的总量）较大且需要充分利用网络带宽。

TCP-Reno、TCP-NewReno和TCP-SACK之类的TCP协议在每个RTT增长其窗口大小。这使得TCP的数据传输层速率相对缓慢。在极端情况下，导致网络利用率较低，尤其是当数据流的持续时间低于TCP增长其窗口到BDP大小的时间。例如，假设网络链路的速率为10Gbps, RTT大小为100ms，数据大小为1250字节，BDP的大小约为100,000数据包。对于窗口大小从BDP中间值(50,000)开始的TCP，需要花费50,000个RTT（约1.4小时）。如果数据流在这之前完成，导致链路的利用不充分。

BIC-TCP使用二分查找算法；窗口在数据丢包时的窗口大小(max)和上一次RTT期间没有数据丢包的窗口大小(min)之间增长到中间窗口大小。这种查找中间窗口大小的合理性在于当前路径的容量是min和max窗口大小之间的某个值（如果网络状况在最后一个拥塞信号后没有快速变化）。当窗口大小增长到中间值大小，如果网络没有丢包，意味着网络可以容纳更多的流量，因此BIC-TCP将中间值设置为新的min值，并继续执行二分查找。上述过程的效果是：当窗口大小与路径可用容量较远时，窗口大小快速增长；当窗口大小与可用容量接近时，缓慢减少窗口增量。整个窗口增长函数是一种简化的对数凹函数。与线性函数和凸函数相比，凹函数使得饱和点或平衡点处拥塞窗口更长。

BIC-TCP窗口增长函数

上图给出BIC-TCP的增长函数。当出现数据包丢包时，BIC-TCP将窗口减少乘数因子

。减少前的窗口大小设置为

，减少后的窗口设置为

。然后，BIC-TCP使用这两个变量执行二分查找。
然而，在一个RTT内，窗口大小跳转到中间值可能增长过快。因此，如果中间值和当前最小值之间的距离大于固定常量

时，BIC-TCP将cwnd的值增加

(线性增长)。如果更新窗口大小后没有数据包丢包，该窗口大小成为新的最小值。这一过程持续到窗口增量小于某个小的常量值

，窗口设置为当前最大值。因此，窗口增长函数类似于一个线性函数，后面跟着一个对数函数（标记为"additive increase"和"binary search"）。
当窗口超过最大值时，平衡窗口大小必须大于当前最大值，并且需要找到一个新的最大值。BIC-TCP进入称为max probing的新阶段。max probing使用一个和additive increase和binary search(对数函数；它的逆函数是指数函数)对称的窗口增长函数。
BIC-TCP的性能优势来自于其在

附近的慢增长，additive increase期间的线性增长和最大值探测。

BIC的特性：

• 使用二分查找增加窗口
• 非常稳定
• 高度可扩展
• 在饱和点缓慢增长
• 与其它TCP流公平共享

CUBIC是BIC-TCP的下一个版本，通过使用cubic函数替代BIC-TCP中的凸和凹窗口增长部分，极大地简化了BIC-TCP的窗口调整算法。

CUBIC窗口增长函数

BIC-TCP在高速网络中取得较好的可扩展性，BIC-TCP竞争流之间的公平性和稳定性。然而，BIC-TCP的增长函数对于TCP来说过于激进，尤其是在小RTT或低速网络。此外，窗口控制的不同阶段(binary search increase, max probing, 和）增加了协议实现和性能分析的复杂度。

CUBIC的增长函数的形状类似于BIC-TCP的增长函数形状。CUBIC使用距离最后一次拥塞时间的逝去时间的三次函数。

CUBIC窗口增长函数

当紧随丢包事件发生窗口减少时，CUBIC注册

的值为丢包事件发生时的窗口大小，并减少拥塞窗口，较少因子为

。这里，

为窗口减少常数。当由快速恢复进入拥塞避免阶段，CUBIC开始使用cubic函数的concave profile增长窗口。当窗口大小超过

时，cubic函数进入convex profile，并且convex窗口增长阶段开始。这一方式(concave和convex)提高了协议和网络的稳定性，同时保持较高的网络利用率。

CUBIC的窗口增长函数使用下面的函数:

这里，C为CUBIC参数，t为自窗口减少开始的逝去时间，K为上述函数将W增加到的时间。

当在拥塞避免阶段接收到ACK时，CUBIC使用上述公式计算下一RTT期间的窗口增长速率。CUBIC设置W(t+RTT）为拥塞窗口的候选目标值。假设当前窗口大小为cwnd。根据cwnd的值，CUBIC运行在以下三种不同的模式:首先，如果cwnd小于TCP在时间t可以达到的窗口大小，那么CUBIC使用TCP模式；否则，如果cwnd小于，CUBIC进入concave区域，如果cwnd大于，CUBIC进入convex区域。

Algorithm 1给出CUBIC实现的伪代码。

part 1

part 2

part 3

当在拥塞避免期间收到ACK时，首先采用如下方式检查协议是否在TCP区域。我们可以分析就逝去时间t而言的TCP窗口大小。

如果cwnd小于，那么协议在TCP模式，并且在收到每个ACK时，将cwnd设置为。算法1中的cubic_tcp_friendliness给出这一过程。

当在拥塞避免阶段接收到ACK，如果协议不在TCP模式并且cwnd小于，那么协议处于concave区域。在这一区域，cwnd增加。

如果协议处在convex区域(cwnd的值大于)且不在TCP模式，那么cwnd的值增加。

为了增加现有数据流的带宽释放（为新流释放带宽），我们增加了称为fast convergence的机制。使用这一机制，当丢包发生时，在减少拥塞窗口前，协议在为当前丢包更新前记住上一次的值，称为。发生丢包事件时，如果当前小于其上一次的值，表示当前流的饱和点降低了，因为可用带宽的改变。那么，我们允许当前流释放更多的带宽，通过进一步降低的值。