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基于TCP的移动网络时延优化研究与实践

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电佑技求 doi:lO 39694 issn 1000-1247 2018 10 002 基于TCP的移动网络时延优化研究与实践 杨振辉柯腾辉周壮粱师铭张冠华 中国联合网络通信有限公司深圳市分公司 口引言 十4G+I,叫络的移动, 联 时代, 线 频、实时 埘战游戏已经成为用厂 的主流、Il 务,而 络时延足影响此类 可以"始传输数据r。 TCP慢 动算法, ̄lJ,JllJ塞窗f I控制竹法。该算法通过 察到新分组进入 络的速牢与另一端返MAcK的速率卡¨『“J 工作。其实,拥塞裔u是发送方使用的一种流 :控制算法。 、 务体验的关键【大】崇。卡H关研究报告 示: 络延迟每增加 50()ms,放弃游戏的用厂l就会增加一倍;2s的加载延迟会导 为r防 ̄kl=4络的捌寒现象,TCP提卜n r一系列的拥寒控制机 制。TCP的拥塞控制主要原理依赖于一个棚塞窗口(cwnd) 米控制,窗U值的火小就代表能够发送I1{去的 还没 收到 ACK的最大数据报文段,冈此窗口越火,数据发送的速度也 就越快,但足也越有可能使得 络 现拥塞。女l】果窗门值为 1,lJJl5么就简化为一个停等协议.每发送一个数据,揶要等 到埘办的确认才能发送第二个数捌包, 然数 传输效率低 致87%的『1j户放弁I;【司_上交易;如果视频没_彳『 即4]‘ , 么 81%的川广t会火闭页丽;500ms的延迟会使谷歌的J}j户流 下降25%。能甭 ‘效缩短嘲络时延、为用户提供史为流畅的 络体验,不仪足运什商网络优化能力的体现,_史足网络竞 争乃的表 。 曰基本原理 TCP(Transmission Control Protocol,传输控aI -IJ1办议) 赴砷 向迕接的、aJ 的、基于宁节流的传输层通信 下。TCP的搠塞控制算法就是要存这两卉之问干义衡,选取最 好的cwnd值,从咖使得 络乔 ’{f}最人化且不 生捌永。 、 新建连接时,cwnd初始化为一个最大报文段(MSS) 议,其广泛应川r 页、视频、在线游戏等应用的数据传输 与连接 制。TCP使川三次握手协 建立连接,当七动办发 大小.发送端开始按照拥褰窗口火小发送数据,每当彳丁一个 报文段被确认,cwnd就增加一个MSS大小。这样cwndfl, ̄J值就 /]ISYN连接请求后,等待对办 答SYN+ACK.外最终对对 力’f SYN执仃ACK确认。这种建 连接的 法可以防1I 产 误的连接。 随着网络往返时mJ坚指数缴增长: 开始'÷cwnd=1; 经过1个RTT后一cwnd=1×2=2; 绎过2个RTT; ̄一cwnd=2×2=4; TCP:三次握手的过程如卜: (1)客户端发送SYN(SEQ=x)报文给服务器端,进入 SYN经过3个RTT后--*cwnd=4×2=8。 从慢扁功可以行到,cwndi r以很快地增长,从 最人 SEND ̄念; (2)服务器端q ̄IJSYN报义,同戍一个SYN(SEQ=y) ACK(AcK=x+1)报义,进入SYN—R卫cv状态; (3)客户端收到服务器端的SYN报文,回应一个AcK (ACK=y+I)报文,进入Established:] ̄态。 三次挥手完成,TCP客户端,tiN.务器端成功建 连接, 程度利兀] 络带宽资源,ff.tcwnd 能无限增长。因此,为避 免拥塞的发 ,TCP定义了慢启动门限(ssthresh),一般情 况下,ssthresh的ffic为65536(2的16次方.I ̄1]cwnd=16)。当 cwnd超过该值后,慢启动过程结束,进入拥塞避免阶段, cw11d的位不再指数j=升,开始线性增加。此时当窗1 I所 WWWttm.c0m CD 9 有的报文段都被确认时,cwnd的大/]x}J ̄l,cwnd的值就随着 RTT开始线性增加,这样就可以避免增长过快导致网络拥 长速度。 优化效果:本项技术的应用可以缩短终端的接收时 延,主要影响的指标为页面完整打开时延。基于iPhone6s和 Wireshark软件抓包分析实际应用效果,结果见表1,结果表 塞,慢慢增加调整到网络的最佳值。 在TCP重传一个报文段后。则认为网络拥塞。TCP对每 一个报文段都有一个定时器,称为重传定时器(R.TO),当 明,本技术的应用可使网络在DNS解析、TCP连接建立时 延、网页主页打开时延、网页完整打开时延方面均有较大I幅 度提升,效果显著。 KTO超时且还没有得到数据确认时,那么TCP就会对该报文 段进行重传。当发生超时时,会有很大的可能性出现拥塞。这 时,某个报文段可能在网络中某处丢失,并且后续的报文段也 没有了消息,在这种情况下,TCr' ̄进行以下操作: (1)把ssthresh降低为ownd值的一半; 3.2 TCP Quick ACK TCP业务在初始连接建立后(慢启动阶段),如果服务 器到终端的时延越小(RTT越小),其数据下载速率提升越 快。鉴于此,本功能提供基站TCP代理服务,TCP数据到达 基站后,基站给服务器直接回复TCP ACK,终端回复的TCP (2)把cwnd重新设置为1; (3)重新进入慢启动过程。 目基于TCP的时延性能提升关键技术 针对TCP基本原理,文中研究并应用TCP ACK分裂、 ACK ̄]基站后被丢弃,节省了空中接口时延,避免空中接口 时延波动对整个服务器到终端时延的影响,使服务器下载速 率提升更快,提升TCP业务的用户感知。TCP Quick ACK原 理如图2所示。 Quick ACK及智能预调度等技术,有效缩短网络时延。提升 用户感知。 优化效果:TCP Quick ACK主要从两方面改善HTTP 3.1 TCP ACK分裂 数据传输时延,分别为减小数据传输的往返时延;通过TCP 发送端拥塞窗口的扩展和收到的TCP ACK数量相关,收 到的数量越多,拥塞窗口扩展得越大。但部分UE的TCP协议 栈在对收到的下行TcP数据包的序号进行确认时,采用一个 表1 TCP ACK分裂功能效果对比 ACK分裂开关 时延(关闭 打开 TCP AcK确认的TCP序号长度覆盖多个TCP分片(每个TCP ACK确认的长度为多个MSS),而没有采用每一个TCP ACK 对一个TCP分片进行确认(每个TCP ACK确认的长度为一个 DN¥解析平均 TcP连接建 网页主页打 网页完整打 立平均时延 开平均时延 开平均时延 n1s) (ms) (ms) (ms) 72 94 60 72 1318 1O43 2264 1207 MSS)。这样单位时间内TCP ACK数就相对逐个TCP分片确 认的少,那么发送端拥塞窗口的扩展速度也相对较慢,如图1 所示。 缩短幅度 30.56% 20.O0% 20.86% 46.69% 对于这种UE,一个TCP ACK确认多个TCP分片(每个 TCP ACK确认的长度为多个MSS),基站可以识别出,并且 增加一些TCP ACK,达到逐个TCP分片确认的效果(每个 TCP ACK确认的长度为一个MSS)。 Solver ● l r// L// 1℃P ACK Server TCP ACK TCP ACK分裂功能,在TCP慢启动阶段对上行TCP ACK报文进行适当分裂策略。以加速下行TcP发送窗口的增 1℃P Data TCP ACK eNodeB ICP 一个TcP下行分片 } eNodeB 们盼片UEI ̄TCP ACK确认 吟 rCP 1℃P 一ACK确认两下行分片 们盼片uE的TCP ACK确认 无TCP1弋理 有TCP1弋理 圈2 TGP Quick ACK原理 口 ·1o 电佑技 快速ACK)JH快TCP发送窗口增长速率,减小数据发送轮次。 增益的体现主要是对2轮以上数捌传输i' ̄jURI对象,对于服 务器初始发送窗厂l越小,刚络侧往返时延越低的场景增舔越 人。实测中埘于www.sina.conl的刚页完整打丌时延的增益在 20%左右。TCP Quick ACK功能速率对比如图3所示,TCP Quick ACK功能首包时延对比如图4所示。 (1)基站保存的www.sina.com.cn ̄UIP地址信息,在没有 更新的情况下,超时后将被删除;后续超过Time To Live I二 来的新浪主页DNSI ̄求,将小会被 站DNS代理,影响这一 次访问网页的时延; (2)极限情况下,基站覆盖下在第一次有片j户访问新浪主 页之前,用户面DNSJJ[J速功能最大的保存节点已驶占满(2048 个).』].没有一个被老化。这时所有访问新浪主页都不会被基 3.3 DNStJI:I速功能 站DNs代理, ̄,[JDNSJ]II速功能针对该网站暂时失效。 如果WWW.sina.COKII.cn配援在高优先级域名列表中.处 理如下。 DNS ̄IJ速功能,指基站保存域名2 ̄HIP的对应关系信息, UE请求的DNS查询,如果基站存在对应的域名和IP对应关 系,eNodeB直接给UE发送DNS查询响应并同时把DNS请求 发送给应用服务器,并根据影响结果更新域名) ̄HIP的对应关 系 ̄HTime To Live。对应的一些Feature ̄H下: 有UE访问时基站保存的www.sina.COn].cn和IP地址信 息,这个对应关系在有用户访问时会更新,如果没有用户访 问也不会被老化。所以即使有超过Time To Live上来的新浪 主页DNS请求,也会被代理。 优化效果:本技术主要用丁优化DNs查询阶段的时 延,具体增益情况和s1以上DNS查询时延相关,s1以上DNS 查询的时延相关越大,DNS缓存的增益越大,实测的结果如 (1)eNodeB获取到新的域名查询结果会更新域名和I P的 对应关系和生效时长,在没有更新的情况下,超时后将会删 除域名和IP的对应关系; (2)目前的版本中支持对2048个域名进行代理,如果节 点=拿部被占满且没有被释放,后续的域名无法被代理; (3)eNodeB后台叮以配鼠2(1个高优先级域名,给这些域 名预留节点; 图5所示,DNS打开时延均值为25ms,DNS关闭时延均值为 30ms。注:测试时未关闭DRX开关。 (4)对于普通域名DNS)JI]速的老化时间,仍然沿用DNS 响应时服务器带过来的Time To Live时间,对于配置的高优 先级域名永远不老化。 针对用户常用的一些刚站, ̄rlwww sina.com.cn,l女』】果 3.4 HTTP/GET智能预调度功能 HTTP智能预调度技术对用户业务端口进行识别,如果 识别为80/8080/443端口,当有下行数据包主动进行上行的 预调度用于反馈上行的HTTP ACK时,根据每个下行数据包 的大小,预估HTTP ACK的个数,根据预配置的ACK大小, 预估上行预调度的大小。 末配置在高优先级域名列表中就会出现下面两个场景: 70030.0o GET预调度技术对下行的SYN ACK进行识别,识别后 主动进行上行预调度把ACK和GET包住.不需要通过触发 48676_27 兽O2}00O00 翌5OO0000 褂40O0000 3OO3O00 1I舯 SR上行数据发送。预调度参数设定见表2。 功能打_开可以缩短SYN ACK到ACK的时延、GET ̄0 F-2O0000O 10000{30 0 FirestData的时延以及空中接口RTT时延,最终缩短主页时延 和完整页面打开时延。试验测试的结果见表3。 TCPa 优醋视频 优酷视频默认初窗优酷视频固定初窗 第2轮 一空中接UIRTT(基站侧抓包数据)的CDF对比如图6所 图3 TCP Quick ACK功能速率对比 600。o 5()0o0 48O00 36588 三30O00 剁20000 盏10000 O TCPoff优酷视频优酷视频默认初窗优酷视频固定初窗 寨岫 1 101 201 301 第2轮 401 501 601 701 801 901 图注:——DNS代理打开 …DNS代理关闭 图4 TCP Quick ACK功能首包时延对比 图5 DNS ̄I1速功能效果对比 wwwttm.corn cn 11 表2功能 生效时间 预调度参数设定 宇段名 参数含义 距离启动针对GE『r的预调度的时间间隔 针对Get预调度量虚拟BsR的时间间隔 针对Get预调度置虚拟BSR的次数 默认值 O 5 3 4 0 1 GE『r DLSYNAck的时间为^,,上 ̄DCt0的时间: 预调度 ~+1、 ̄- 6或Ⅳ 2、~+7,与基站处理能力相关 wDelayTime2StarPresch4Get ucVirtulBS Interval4Get wVirtulBSRSelNum4Get wDelayTime2StarPresch4HT['PACK 距离启动针对 几一rP ACK的预调度的时间间隔 H1_rPACK DL数据的Dcl空中接口时间为~,上行DCIO的时 预调度 间:~+5 ucVirtulBSRSetIntervaI4H丁rFlACK wVirtulBSRSelNum4HTTPACK 针对HTIPACK预调度置虚拟BSR的时间间隔 针对H丌PACK预调度置虚t ̄,tBSR的次数 表3 预调度功能优化前后对比 对比项 卜兀_rP预调度功能开关 关闭 网易 开启 SYN ACK.- ̄ACK(eNodeB' ̄lJ) 20.79 14.83 主页首包时延(ms) 37356 191.81 网页主页打开平均时延(ms) 网页完整打开平均时延(ms) 435 67 251.62 3296.46 23162 增益 关闭 28.67% 1993 48.65% 186o6 4225% 240.93 2974% 371729 搜狐 开启 增益 关闭 14O6 29.46% 22.08 16256 12 63% 206.55 21271 11 71% 206.55 2449.O6 3412% 1746.12 微博 开启 增益 14.99 3211% 1375 33.43% 137.5 33.43% 1284.86 2642% 30,59 31 11 4529 51 74 l JI 0 50 1OO 150 2O0 25o dnsdetay ·平均值项:corm det圈注: _平均值项: ay -平均值项: send delay 平均值项:recv_delay 图7 DRX功能优化前后对比 该受到影响,但是对比分析QXDM抓到的高通TTI级数据和 终端侧抓到的Wireshark包,发现在打开DRX的情况1 终端 发送SR的时问点较晚,而根据协议终端发SR的时间点 应 该受DRx的影响,该问题应该为高通芯片实现- ̄:J1办议小符 的问题。高通答复原因为:When In CDRX it takes time from 图6 H1_rP预调度功能效果对比 sleep to wakeup,then send SR and thus the delay。 南于以卜两个原因,DRx开关的打开对网页时延影响 示。从CDF的对比看,打开优化后80%的RTT在20ms以内, 平均RTT缩短10%左右。 较大。 优化效果:使用三星Note3Lite进行了DRX开关扣。开和 关闭的对比试验,测试结果如图7所示。 3.5 DR×参数优化 DRX参数的影响有阋个方面:如果进入DR Sleep态,下 从上面测试结果可以看到DRx开关对页面浏览结果 的影响较大.关闭后DNs查询阶段和接收阶段的时延均有 降低。 (F}々19 1 行的数据不能及时发送,需要等 ̄]DRX Active ̄,才可以发送。 如果进入DRx Sleep态,按照协议上行数据的发送不应 12 ·10 电信技 WebCache系统提供 U源内容. 不断增『JJ1,且存在随时 、地 r 变化的特 。聚焦川厂 感知 模式,其【{f缓存系统采J}J个 于嘲问“逝IjjI]何 【 ,迎 建 溯源rlI心采川1+~ r}1 式, 定 系统分别 已足移动宽带时代运茸商规划内容分发 络和优化、fi/务的I 11 要 紊,边缘服务节 ^向移动 络侧 沉部 足 容分发l驯 络进一步提升移动用厂1访『r_J体岭的 要手段。将边缘服务 逐渐卜沉剑核心 甚 接入 ,最人 度实现』1J厂 沈近接 过 圳I'lI川{厂I进仃分光镜像的方式为 ache群纠i 供 『卜裕约 容的IlIJ源服务 为了缓解LI前 出入I 入缓 、II】的流讨压/J,建议将 联Ix ̄ll州 问链路邝 m ]系统,埘 入,提升川户体验,降低 络带宽..未米发腱 容分发 络 『 J’逐步探索利『HNFV/SDN提供灵活的cDN服务,艾现CDN 流{ 伞局优化,提高CD N、1l/务体验及 联 的访 质 , ….n 内 问流 进仃缓仔。 3.5.5边缘服务 点部署 案  『分发网络的边缘服务节点足A按MiIifJ川厂 ,为川厂 加强运 商的业务竞争能 。 如对本文内容有任何观点或评论,请发E—mail ̄ttm@bjxintong corn QR, 提供 窬 务的1一体。为 好地提"川户体验,边缘服务 点 E岛盈—■ 鍪 刘长瑞 采 分肖部 方 , 1i: ̄131省所有地缄市,考虑j刈 络 时延和传输带宽等冈崇,为保 【k务质量,边缘服务 电卜 从地域 jfJ 两个维度统筹考虑,当地市视频用户达到11 5 万,歧地市与省会距离超过3{t)kml:l寸,建议设置边缘节点。 硕士,高级上 帅,现就职 ¨闷移动通价集_刑设计院订限 公司,主要从事移动数据业务的咨洵设计I 作,¨前t臻 充方向足内容分发网络、WLAN认证I}I. 、、综俞统计分析、 口结束语 随着互联网业务的迅速发展.内容分发刚络流量需求 (上接12页) 网络组网与系统容灾等。 口结束语 随着B2I业务的迅猛发展及流阜=资费的进一步下调,原 本受抑制的流量得到释放,原本承载在wi—Fi网络上的网 页、视频、游戏业务正在不断向4G网络迁移。从用户实际感 知角度出发做好网络时延优化,是提升网络竞争力、塑造卓 越网络品牌形象的关键环节之一。文中结合网络实际情况. 口岛墨——躐 杨掇辉 硕士,毕业于华南师范大学,现就职于【f1 『联通深圳市分公 司,主要从事无线网络优化、网络规划工作。 柯腾辉 在此方面进行了积极地探索,提出上述基于TCP的移动网络 硕士.毕业于北京邮电大学,现就职t fflⅢ联通深圳『 公 司,主要从事无线网络优化、网络规划工作. .周壮 时延优化手段.旨在不断提高用户网络体验,创造更大的经 济效益和社会效益。实践证明,上述一系列关键技术的应 用,可以显著降低网络时延,具备较大推广价值。 硕士,毕业于华南理丁大学,现就职丁I_tq 联介网络通f.-Q限 公司深圳市分公-_j,丰要研究方向为尢线刚络维护及优化 粱师铭 参考文献 [1】张宏超核 网深度优化之T CP加速解决方案研究【J】.信息通 信,201 7(4) 本科.毕业于电子科技大学.现就职十I…叫联合 迎 限公司深圳市分公司,主要研究方向为无线网络优化、 络 规划等。 张冠华 f2 J谷红勋,刘亚L T E网络视频播放业务优化实践fJ J移动通 信,201 6,40(1 5) 本科,毕业于长春邮电学院,现就职】 【{】 联 网络通信仃 限公司深圳市分公司,t曼研究方向为尢线网络优化、 络 规划等。 【3】袁传博.LTE网络中基于无线丢包感知的跨层拥塞控制方l击『D]南京 邮电大学,201 6l江 如对本文内容有任何观点或评论.请发E—mail ̄=.ttm@bjxintong corn cn。 “ ttm L ,, f9 

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