TCP Performance with BER

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惟俞
6 years ago
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1 改善弱网络探索移动互联网下弱网络处理方式

3 个人介绍 07 年华南理工大学毕业 10 年加入腾讯, 开发 S60v3 手中邮 10 年末成为微信的第一批程序员, 开发 s60v3 版本微信 12 年末专注于跨平台中间件开发信令网络 (STN), 内容分发网络 (CDN) 统计 / 监控, 日志, 网络协议, 网络安全等 ( 兼容 ios/mac,android/linux, Windows/Windows Phone/UWP, BB10)

4 大纲移动网络介绍业界方案快速重传我们的方案传输层弱网络 HARQ 应用层

5 物理层架构 DNS MS BSN SGSN GGSN GGSN 互联网手机无线网络核心网络 WAP 网关网站 BSN SGSN GGSN 负责处理一个移动电话和网络交换子系统之间的通信流量和信令负责在它的地理位置服务区域内从移动台接收或向其发送数据包负责在 GPRS 网络和外部包交换网络之间的互联

6 MS 和 BSN 间的问题误码率高环境电波丢包率高信号问题不稳定的延迟用户数量不稳定的带宽基站距离用户距离远用户过多信令分配用户数量误码包丢包拥塞控制用户移动误码包基站切换

7 Akimai 数据分析 July2010 TCP 丢包差别在 1% 丢包的定义 : SACK DUP ACK 超时重传统计数据连接成功后和实际使用情况有差别

8 误码率 Bit Error Rate BER = 10-5 BER = 10-6 Throughput (pkts/sec) Success Probability Transfer time of 5000 pkts. in secs Wireless link has a bandwidth of 0.8 Mb and delay of 100 ms. Source: HALA ELAARAG - Improving TCP Performance over Mobile Networks ACM Computing Surveys, Vol. 34, N0 3, Sep 2002, pp `

9 误码率 Bit Error Rate 移动互联网 :10-4 到 10-6 有线以太网 :10-12 光纤 :10-15 BER: k 数据出现 1bit 错误设定 MTU 为 1500 PER: 1.5% TCP/IP 直接丢弃误码包原始无线链路的 BER 为 10-4

10 业界方案弱网络定义 : 和 BSN 间丢包和误码率更高的情况

11 HARQ Hybrid Automatic Repeat request ARQ 自动重传请求 FEC 前向纠错编码 HARQ 是 3GPP 的标准方案

12 TCP 快速重传 Sender Receiver FR & FACK 算法触发条件 Packet Loss SND.FACK SND.UNACK > 3*MSS Dup ACK 1 Dup ACK 2 Dup ACK 3 Retransmits without waiting for timeout. 或者 SND.DUP_ACKS == 3

13 总结减小重传成本 (SACK, FEC) 尽早发现重传 (DUP ACK, FACK, RTO, NACK) 增加并发度尽量准确避免拥堵 ( 丢包和拥堵的区分 )

14 开发者可控的部分服务器 - 应用层 - 协议和程序服务器 - 传输层 -TCP 参数客户端 - 应用层 - 协议和程序

15 TCP 可优化参数 TCP Tail Loss Probe & Early retransmit TCP Westwood+ 等拥塞协议 TCP F-RTO TCP Hybrid Slow Start TCP FAST OPEN TCP INIT CWND TCP INIT RTO TCP Thin Stream( 和 ER 冲突 ) TCP PRR

16 TCP 丢包的恢复方式 Google WEB YouTube 尾包丢失是首包丢失的两倍丢包请求耗时是非丢包请求 10 倍

17 TLP 原理 1. PTO 触发尾包重传 2. 尾包的 ACK 带上 SACK 信息 3. SACK 触发 FACK 快速重传和恢复 4. 避免了 RTO 导致的慢启动和延迟

18 TLP 对重传补充 #losses scoreboard after TLP ACKed mechanism A A A L A A A A TLP loss detection outcome All repaired A A L L A A L S Early retransmit All repaired A L L L A L L S Early retransmit All repaired L L L L L L L S FACK fast recovery >=5 L...L S FACK fast recovery All repaired All repaired

19 TLP 效果 Mobile only 6% 减小的图片搜索延迟. 10% 减小 RTO 重传.

20 TLP 在腾讯的实践

21 TCP 一些思考虽然 TCP 不断改进下, 越来越适合移动互联网但从 RFC 制定到 Kernel 层实现到用户覆盖很漫长新特性 (NACK & FEC) 接纳慢别开蹊径的 QUIC

22 QUIC Quick UDP Internet Connection 1. RFC 6298 (RTO computation) 2. FACK Loss Recovery (paper) 3. RFC 3782, RFC 6582 (NewReno Fast Recovery) 4. TLP (draft) 5. RFC 5827 (Early Retransmit) with Delay Timer 6. RFC 5827 (F-RTO) 7. RFC 6937 (Proportional Rate Reduction) 8. TCP Cubic (draft) with optional RFC 5681 (Reno) 9. Hybrid Slow Start (paper) 10. FEC & NACK 11. Head of line block RTT Connect 13. Sprout-EWMA (congestion control)

23 QUIC 可以说 QUIC 就是为移动互联网量身定做 QUIC 十分合适做可复用连接由于互联网 NAT 实现问题, 不合适做长连接 PUSH 通道来源 :Quic_toy

24 应用层策略通用策略小数据大数据复合连接合理的超时减少数据量协议合并合包发送业务重试网络敏感重试相对超时 ( 读 / 写 ) 绝对超时首包读写动态超时 PB Zlib 图片 webp hecv 低成本重传有损上传有损下载发图事务型

25 发图 - 复合连接 1. ip1+port1 0s 连接,10s 超时 2. ip2+port2 4s 连接,14s 超时 3. ip3+port3 8s 连接,18s 超时任一连接成功, 关闭其他连接连接成功率提升 5% 更快找到可用链路和 IP 轮转

26 发图 - 协议合并耗时 = T1 + T2 耗时 = T1 (20% FASTER)

27 发图 - 低成本重传分包降低包大小增加并发包头损耗流式确认粒度策略灵活单线程

28 发图 - 渐进式图片 JPG 支持不完整数据的解码利用这个特性, 可以增加弱网络下的可用性 JPEG 渐进式在编码的时候计算开销大约是基线式的 3-5 倍, 两者编码出来的文件大小基本相同基线式图片渐进式图片除了 JPEG 2000, 支持渐进式解码的图片, 我们都可以用来做有损服务

29 发图 - 有损上传 1. 发送渐进式图片 2. 服务器接收数据且回复数据确认包 3. 当数据足够时候 (50%), 回复发送成功确认包 4. 发送方继续补充数据网络正常, 数据完整网络异常, 认为已发成功 5. 服务器通知接收者

30 发图 - 有损上传数据效果 : 客户端总体失败率降低 10.39% 2g 环境客户端总体失败率降低达 14.49% 失败率对比

31 发图 - 有损下载

32 小数据 - 数据量的影响来源 :Effect of Packet Size on Loss Rate and Delay in Wireless Links 延迟受数据量影响丢包受数据量影响 (BER) 丢包会增加延迟 (link layer 重传 )

33 事务 - 数据量的影响爱立信超时信令回收信令分配耗时高上传或者下载超过阈值信道会跳变

34 事务 - 多种超时任务超时首包超时包包超时 DNS 超时连接超时读写超时一般而言, 单独超时是最慢的 ( 例如 RTO) DNS 连接发送接收多种超时, 更迅速的发现问题 ( 例如 TLP)

35 事务 - 其他超时包包超时每次读取或发送的间隔包包超时获取 sock snd buf 内未发数据 ios: 动态超时根据网络情况, 调整其他超时的系数或绝对值 getsockopt 读取 SO_NWRITE Android: ioctl 读取 SIOCOUTQ

36 引用文献 Balakrishnan, Hari, et al. "Improving TCP/IP performance over wireless networks." Acm Conf on Mobile Computing & Networking 2013:2-11. HALA ELAARAG - Improving TCP Performance over Mobile Networks ACM Computing Surveys, Vol. 34, N0 3, Sep 2002, pp ` Mikko V. J. Heikkinen, and Arthur W. Berger. "Comparison of User Traffic Characteristics on Mobile- Access versus Fixed-Access Networks." International Conference on Passive and Active Measurement 2012: Cheng, Yuchung, et al. "Tail Loss Probe (TLP): An Algorithm for Fast Recovery of Tail Losses." (2013).

37 引用文献 Elaarag, Hala. "Improving TCP performance over mobile networks." Acm Computing Surveys 34.3(2013): Korhonen, J., and Y. Wang. "Effect of packet size on loss rate and delay in wireless links." 3(2005): Vol. 3. Iyengar J, Swett I. QUIC Loss Recovery And Congestion Control[J]

38 Mars 跨平台开源组件 STN- 信令网络, 小数据传输 CDN- 数据分发网络, 大数据传输 XLOG- 高性能客户端日志组件

39 联系我们微信终端开发公众号

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穨control.PDF TCP congestion control yhmiu Outline Congestion control algorithms Purpose of RFC2581 Purpose of RFC2582 TCP SS-DR 1998 TCP Extensions RFC1072 1988 SACK RFC2018 1996 FACK 1996 Rate-Halving 1997 OldTahoe