UDT拥塞控制算法

导语

我们知道，TCP是通过AIMD算法来控制发送速度的．UDT使用类似的算法来调整数据包的发送周期

SND：

UDT发送周期，即每个数据包之间的间隔时间，初始值为０．
UDT每隔10毫秒都会调整它的发送速度，当收到ACK消息时，会提升发送速度，而当收到NAK（UDT数据包ACK的一种格式，表示不会对某个数据包进行ACK）时则减少发送速度．
另一种情况则是发生了超时，此时按情况调整，可以不减少。

• 注意包发送周期与包间时间是不一样的．发送周期＝（发送花费的时间＋包间时间）

CWND：

UDT的滑动窗口，表示正在传输中的数据包，其初始大小为２，会根据ACK返回的信息更新其窗口大小值，需要注意的是要避免大小为0的情况出现（永远发送不出数据包，也不会收到ACK），CWND可以跟接收方的缓存大小保持一致。

SYN：

UDT调整发送速率的固定周期，一般为１０ｍｓ。
UDT拥塞控制包含两个阶段，慢启动阶段和常规发送阶段，每个连接建立之初处于慢启动阶段，当发生丢包或者滑动窗口CWND已满时，进入常规发送阶段．并且UDT中所有的数据包应当具有相同的大小。

对包（packet pair）：

发送方会连续发送两个相同大小的数据包，接收方接收到时，会根据包间隔来计算出链路带宽。
在发送端，UDT每发送１６个数据包就会发送一次对包，即第１６，１７号数据包成为一个对包，由于在只有１６号数据包，没有１７号数据包时（或１７号包很晚才发），接收方计算间隔时间会出现非常大的值，此时链路带宽会出现比较大的波动，所以UDT采用中值过滤法来避免这种情况。

对包窗口：

一个大小为N的循环链表，接收方维护了最近N个对包的对包间隔窗口，N可以是任意数值，越大需要的内存和ＣＰＵ消耗越高，在UDT中N=64，每次都会使用最新的间隔时间来替换掉最老的间隔时间，接收方使用中值过滤法来去除噪音，UDT计算出对包窗口中的中值，所有大于中值8倍，或者小于中值1/8的数据都会被忽略掉，然后再计算余下有效的间隔时间的平均值，带宽就通过平均值来计算出来

B = 包大小 / 平均间隔时间  

对包窗口内的间隔时间，全部初始化设置为1秒（安全，考虑低带宽的情况），接收方对链路大小进行评估后，将评估值ｂ通过ACK返回给发送方。
发送方接收到新的评估值ｂ后，使用如下公式更新已有带宽值B（能处理10到1/10倍的错误数据）：

B = B * 0.875 + b * 0.125

RTT：

往返时延，UDT采用一种叫做ACK子序列的方式来计算RTT，接收方记录下发送的ACK时间和序号，然后等发送方返回ACK2（ACK的ACK）时，根据ACK2中携带的ACK序号，计算ACK2的到达时间和ACK的发送时间，即可得出RTT．计算公式如下，RTT表示已有值，rtt表示新计算出来的值

RTT = RTT * 0.875 + rtt * 0.125RTTVar = RTTVar * 0.875 + abs(RTT - rtt)) * 0.125

RTT通过ACK返回给发送方，RTTVar保存在本地，发送方收到新的RTT值时也通过上述公式更新其RTT值，RTTVar表示RTT的差值，用于计算RTO。

RTO：

重传超时，UDT中最小值为100ms

RTO = RTT + 4 * RTTVar 

• 注意几种情况：
  
  • 如果接收方收到数据包就立即ACK，那么RTT可以在发送方通过 ACK到达时间 - 数据包发送时间 计算出来，此时不需要 ACK2
  • 如果接收方只在每个SYN时间内ACK，那么　RTO = RTT + 4 * RTTVar + SYN
  • UDT中是用ExpCount来表示连续超时次数，此时　RTO = ExpCount * ( RTT + 4 * RTTVar ) + SYN

AS包接收速率：

接收方记录了最近Ｎ个数据包之间的间隔(我们叫它接收时间窗口，大小为Ｎ)，跟对包技术不同的是，对包只记录第16，17个数据包之间的时间间隔，包接收速率AS计算公式如下

AS = 1 / 平均间隔时间

在计算平均间隔时间时同样需要采用中值过滤法来过滤噪声，去除大于中值8倍和小于中值1／8的数据，然后计算平均值。

ACK 事件：

负责修改AS，SND，和CWND．
之前说到，拥塞控制算法有两个阶段，慢启动和常规阶段．在慢启动阶段中，SND初始化为0，CWND初始化为2，当每次ACK到达时设置为已经发送出的数据包总数，当收到NAK包，或者已发送的数据包总量达到CWND最大值时退出慢启动阶段。在慢启动的末期，SND包发送间隔设置为 1 / 包接收速率

SND = 1 / AS

之后进入常规阶段，常规阶段会调整通过调整 inc 这个参数来调整SND，增量 inc 通过下面公式算出

if (B <= C)        inc = 1/MSS;else         inc = max(10^(ceil(log10((B-C)*MSS*8))) * Beta/MSS, 1/MSS);    

B：链路带宽，C：当前发送速率，即C = 1 / SND = AS，MSS：MSS = MTU - UDP/UDT头大小，通常为1400，Beta：常量 0.0000015
B和C的单位都是 包数量 / 每秒，如果是以 字节 / 每秒为单位，那么可以去除MSS，算出增量 inc 后，SND和CWND通过下面公式更新：

SND = ( SND * SYN ) / ( SND * INC + SYN )CWND = AS * (RTT + SYN ) + 16

在常规阶段，每个SYN周期内，SND只能被更新1次。

NAK事件：

在此我们要知道一个拥塞周期的概念，拥塞周期就是在收到的NAK中数据包序号比已发出的最大数据包序号LastDecSeq还要大时开始，持续到下一个拥塞周期开始时结束。举例：

LastDecSeq=0     NAK       NAK          LastDecSeq=100      NAK  |----------------60---------80---------------100------------140------->   

在一开始时 LastDecSeq = 0， 当收到NAK(60)时，判断有NAK发生，进入拥塞周期，将LastDecSeq=100，然后进行降速处理
在收到NAK(80)时，查看LastDecSeq ，发现LastDecSeq比当前NAK序号大，说明还在同一个拥塞周期内，NAK(60)已经进行过降速处理，此时仍降速，幅度调小
发送方持续发送数据包，当收到NAK(140)时，发现NAK序号比LastDecSeq大，进入下一个拥塞周期，进行降速处理，幅度恢复正常

降速算法：

降速算法中用到4个参数，参数名以及他们的初始值分别如下：

AvgNAKNum = 1 ： 拥塞周期内收到的NAK数量的平均值  NAKCount = 1 ：当前拥塞周期内收到的NAK数量  DecCount = 0 ：发送速率在当前拥塞周期内已经被降速的次数  LastDecSeq = 初始化序列号-1   

If this NAK starts a new congestion period{increase SND = SND * 1.125;Update AvgNAKNum;Reset NAKCount to 1;Compute DecRandom to a random (uniform distribution) number between 1 and AvgNAKNum;Reset DecCount to 1;Reset Update LastDecSeq;Stop.}If (DecCount <= 5) and (NAKCount == DecCount * DecRandom){Update SND period: SND = SND * 1.125;Increase DecCount by 1;}Update LastDecSeq and NAKCount.

DecRandom是一个位于1 和 周期内平均NAK数量 AvgNAKNum 之间的随机数，比如DecRandom=2，UDT就会在第1，2，4，6个NAK时进行降速，每次降速1 / 8， 但是因为每个周期内发送速率降速不能超过1 / 2 ，否则就变成AIMD了，所以在收到第6个NAK时就开始不进行降速了。

重传：

RTO是一个定时器，只会被ACK和NAK重置，RTO事件会触发重传和降速，当RTO次数超过一定阈值时，就可以认为链接已经断开了。.

GIT ：[https://github.com/ktlifeng/udt-java] (https://github.com/ktlifeng/udt-java)