基于学习的TCP加速技术应用于网络文件传输的机制与效率

刘丹

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

基于学习的TCP加速技术应用于网络文件传输的机制与效率

刘丹

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

虽然TCP协议还存在问题，但是TCP加速技术更符合网络数据传输的要求。基于学习的TCP加速技术的核心是信息重传机制和拥塞处理机制，它能准确识别网络时延、丢包、拥塞的规律，及时重传信息和控制传输速率，避免拥塞和浪费带宽资源。基于学习的TCP加速技术不仅能够提高数据传输速度，而且能保证大数据文件远距离传输的效率。

数据传输；效率；加速；准确；机制

随着网络技术应用范围不断扩大和用户数量逐渐增加，网络应用环境越来越复杂，网络传输的数据出现时延、丢包等现象越来越普遍，不仅降低了TCP的传输效率，而且也降低了带宽资源的利用率。网络状况判断不准确、调整机制不合理是制约TCP加速的两个重要因素。基于学习的TCP加速技术借助智能学习手段，能准确判断网络状况，合理解决丢包、重传与拥塞等问题，能提升TCP传输效率和带宽利用率。

1 TCP协议存在的问题

虽然TCP作为一种可靠的传输协议，得到广泛运用，但是由于TCP是为局域网开发的技术，没有充分考虑广域网的应用环境，导致TCP越来越不适应当前的网络应用环境[1]。具体表现在两个方面：一是判断和重传机制不合理。传统的TCP协议采取机械的判断和重传机制，在传输过程中，容易造成丢包、判断延迟、误判等问题。判断机制以丢包为依据，不仅容易加剧拥塞，而且拥塞恢复正常的时间较长；二是控制机制不合理。控制机制不合理，降低了网络带宽的有效利用率。以丢包作为判断拥塞的依据、以及大窗口回退调整处理方式，导致TCP的吞吐量急速下滑，浪费宽带资源，降低远程数据传输效率，甚至使网络无法使用。

2 TCP 加速技术发展现状

针对TCP协议存在的问题，已经发展了一系列TCP数据传输加速技术。根据加速方式的难易程度，把TCP数据传输加速技术划分为三个技术[2]：一是并行传输技术。通过建立多个TCP连接，以并行的方式传输数据，扩大初始拥塞窗口，提升数据传输量。虽然这种加速技术可以减少带宽浪费，提高传输效率，但是要受到网络环境的影响，没有从根本上解决TCP固有的问题；二是协议替换技术。在广域网传输信道上，采用私有协议替换TCP协议，以克服网络环境对私有协议传输的影响。虽然目前在主流加速技术中，普遍采用协议替换技术，但是该技术存在私有协议信息容易被拦截的缺陷；三是协议优化技术。通过开启TCP扩展功能，调节TCP传输窗口，改进拥塞控制算法，既能克服TCP协议的固有缺陷，又能不改变TCP协议的交互过程。协议优化技术使网络适应能力更强，已经成为TCP加速技术的发展趋势。拥塞控制算法是TCP协议优化的核心。协议优化技术是依据时延变化判断拥塞状况，更符合网络数据传输的要求。

3 基于学习的TCP加速技术的信息重传机制和拥塞处理机制

基于学习的TCP加速技术，是通过构建网络状态学习机制，记录与TCP连接网络的路径特征，实时分析网络变化情况，以发现丢包或拥塞的先兆，准确判断当前的网络状态，以确定合理的传输速率[4]。基于学习的TCP加速技术包含基于丢包判断的重传机制、以及基于拥塞判断的处理机制。

在重复ACK+超时和判断丢包的基础上，采用TCP传输历史智能学习算法，以丢包历史信息特征作为参考，估计发出但尚未被确认接收的数据包丢失概率。当丢失概率值超过设定的阈值时，传输的数据包信息丢失。这种方法能降低误判TCP丢包的概率，能提高判断丢包的准确性，并在重传机制的作用下，使数据传输恢复到正常状态，减少带宽资源浪费。

把网络丢包和时延变化作为判断链路拥塞的依据，并通过智能传输历史学习算法，对与TCP连接传输的历史信息进行统计分析，准确识别丢包的原因，是因为拥塞丢包，还是因为非拥塞产生的随机性丢包。在发生随机性丢包时，TCP发送窗口大小固定不变，以防止发送速率急剧下降，避免链路拥塞问题。在拥塞判断的条件下，利用传输历史智能学习算法，准确判断传输路径的最大可用带宽，以调整TCP的最大传输速率。在发生链路拥塞时，结合发送窗口的历史信息，选择合适的回退窗口值。

4 基于学习的TCP加速技术在网络文件传输中的应用

目前，一方面，基于TCP协议的文件传输非常普遍；另一方面，跨网的大数据文件传输容易受到网络环境影响，传输效率低。因此，虽然未来仍然要使用TCP协议传输数据，但必须解决数据传输效率问题。首先，提高文件吞吐量、带宽利用率、文件传输加速比。文件传输吞吐量是指单位时间内成功传输的数据量，是衡量传输速率的指标；带宽利用率是指文件传输吞吐量与物理带宽的比值，用于衡量带宽利用程度的指标；文件传输加速比是指在使用TCP加速技术前后两个文件传输吞吐量的比值，用于衡量加速效果。利用基于学习的TCP加速器，能极大地提高传输速度，提高文件吞吐量、带宽利用率、文件传输加速比等。其次，提高远距离、大数据文件的传输效率[3]。一般来说，远距离大数据文件传输的时延为21—200ms，丢包率为5‰，全程物理带宽瓶颈为100Mbps。使用基于学习的TCP加速技术，能够大大地提高传输吞吐量和带宽利用率和传输加速比。例如，5GB的文件数据传输时间能够从50分钟减少到5分钟，40GB的文件数据传输时间从7个多小时减少到45分钟。

[1]谢希仁.计算机网络(第五版)[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]彭娜.并行TCP在广域网加速系统中的研究与实现[D].长沙:中南大学,2009.

[3]张亚生,彭华,谷聚娟.卫星TCP加速技术研究[J].无线电通信技术,2010(5).

[4]文宏,向德生等.Fast TCP协议研究及性能分析[J].计算机工程与应用,2006(11).

责任编辑 仇大勇

TP393

A

1674－5787（2016）06－0150－02

10.13887/j.cnki.jccee.2016（6）.44

2016-09-25

刘丹(1982—)，女，四川西充人，硕士，讲师，研究方向：计算机科学与技术、软件工程。