Page 416 - 《软件学报》2024年第4期

1994 软件学报 2024 年第 35 卷第 4 期

is emphatically analyzed. Subsequently, according to the design principle, the TACK mechanism, a feasible ACK mechanism based on
demand, is elaborated, and relative concepts are systematically clarified. Finally, several meaningful research directions are provided
according to the challenges encountered by the ACK mechanism based on demand.
Key words: transmission protocol; acknowledgment mechanism; congestion control; loss recovery; acknowledgment on demand

随着网络条件和应用需求的不断演进, 针对传输控制 (transmission control) 相关的研究如雨后春笋般持续涌
现, 40 年来仍然经久不衰. 传输控制, 是指在计算机网络中控制报文在主机到主机之间进行传输的过程. 传输控制
的基本性能指标是高吞吐和低时延, 主要通过拥塞控制 (congestion control) 和丢包恢复 (loss recovery) 等功能模块
实现 [1] . 例如, 拥塞控制决定报文传输的快慢, 直接影响传输控制的性能; 丢包恢复决定报文传输的鲁棒性, 间接影
响传输控制的性能 [2−7] .
在传输控制中, 不论是拥塞控制还是丢包恢复, 都依赖于数据收发的双方之间同步必要的信息. 这种通过目的
主机 (即数据接收方)(数据报文的传送方向为从源主机到目的主机, ACK 报文的传送方向为目的主机到源主机. 本
文中, 源主机也称为 (数据) 发送方, 目的主机也称为 (数据) 接收方. 因此, ACK 报文的传送方向是从 (数据) 接收
方到 (数据) 发送方) 向源主机 (即数据发送方) 反馈信息的方式, 则称为确认机制 (acknowledgment mechanism). 在
过去, 确认机制作为传输控制的反馈模块, 受到的关注过少, 20 世纪 90 年代后很少有大的改动. 这是因为, 在传输
控制的过程中, 业务数据往往在源主机到目的主机的路径 (即正向路径) 上传输, 故人们通常关注正向路径的数据
报文传输性能, 却很少关心反向路径 (即目的主机到源主机) 上确认 (acknowledgment, ACK) 报文的传输.
然而, 现代新型业务如高性能计算、分布式 AI、实时音视频通话、4K/8K 无线投屏、直播、云虚拟现实
(cloud VR)、云游戏等持续涌现, 网络数据爆炸性增长, 在多样化的业务需求和动态变化的网络条件下, 传输控制
高吞吐、低时延的目标能否达成, 往往与确认机制如何设计息息相关. 例如, 发生拥塞时, 拥塞控制模块依赖 ACK
及时、准确地反馈连接状态, 从而精准地调整发送速率; 发生丢包时, 丢包恢复模块依赖 ACK 及时、全面地通知
包到达信息, 从而高效地进行丢包重传.
本文是业界首个针对数据传输协议确认机制进行系统性研究和分析的工作. 本文将系统地梳理传输控制中确
认机制的发展历程, 对比分析现有的确认机制的特点, 并结合下一代传输控制的演进思路, 提出按需确认机制的系
统性设计理论. 最后, 总结并讨论确认机制的未来研究方向.

1 问题与挑战

多样化的业务需求和动态变化的网络条件, 对主机到主机之间的数据传输提出了更高的要求. 在这种情况下,
传输控制中的确认机制设计将面临以下挑战.
(1) 带宽适应性
从卫星通信网、蜂窝网、无线局域网、云际网到数据中心网络, 数据传输的链路带宽 (bandwidth) 可能从几
十 Kb/s, 增长到几十 Gb/s 乃至 100 Gb/s [8,9] . 若数据接收方 (即目的主机) 每接收到固定数目的数据报文后, 回复一
个 ACK 报文, 则 ACK 报文的数目将随着带宽线性增长, 可能导致较大的计算开销和通信开销. 因此, 确认机制的
设计应该考虑其带宽适应性.
(2) 时延适应性
数据中心网络的往返时延 (round-trip time, RTT) 可能低至微秒级, 云际网的往返时延可以达到百毫秒级, 而卫
星通信网络的往返时延可能高达秒级 [10−12] . 若数据接收方每隔固定的时间周期 (记为 α ) 回复一个 ACK 报文, 则
可能导致反馈严重滞后 (例如 α ≫ RTT ), 导致传输控制效率低下. 因此, 确认机制的设计应该考虑其时延适应性.
(3) 抖动适应性
抖动包括带宽抖动和时延抖动. 不论是有线网络还是无线网络, 抖动都是客观存在的. 以无线网络为例, 在数
据传输过程中, 无线空口的可用带宽抖动剧烈, 每一毫秒都在变化, 主要原因是无线信号易受同频和临频信号的干
扰 [13] ; 同时, 无线网络传输端到端时延抖动也很剧烈. 主要原因是无线网络链路层会重传因信号干扰丢失的报文,
链路层的重传在上层的传输层看来, 结果就是时延倍增和抖动. 带宽和时延的抖动, 将会直接影响 ACK 反馈信息