任金霞，王水泉，溫春暉

　　（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 34100）

       摘要：互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，給人們生活帶來極大便捷，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的問題——網(wǎng)絡(luò)擁塞。TCPW是一種基于端到端帶寬估計(jì)的擁塞控制機(jī)制，沿用了TCP Reno在慢啟動(dòng)初始化階段設(shè)置慢啟動(dòng)閾值方法。提出了一種慢啟動(dòng)改進(jìn)算法，在擁塞避免階段采用一種新的機(jī)制設(shè)置cwnd和ssthresh值，減少了慢啟動(dòng)時(shí)間，通過NS2仿真結(jié)果表明改進(jìn)算法在吞吐量、延時(shí)及丟包率等方面都有一定的改善。

　　關(guān)鍵詞：慢啟動(dòng)；擁塞避免；擁塞控制；吞吐量

　　中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.019

　　引用格式：任金霞，王水泉，溫春暉.一種改進(jìn)的TCPW算法在擁塞控制中的應(yīng)用［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：63-65.

0引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，盡管當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷提高，新的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的涌現(xiàn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量劇增以致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，延時(shí)、吞吐量及其他網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指數(shù)下降，網(wǎng)絡(luò)資源利用率降低，難以保證網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。所以解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題極其重要。

　　TCP擁塞控制模型是基于1988年JACOBSON和KAREL提出的TCP Reno 模型。TCP Westwood(TCPW)算法基本思想是通過監(jiān)測(cè)發(fā)送端接收確認(rèn)應(yīng)答速率的端到端帶寬估計(jì)機(jī)制［1］ 。TCPW保留了基本的TCP控制協(xié)議的原則［2］和流控制、擁塞控制及錯(cuò)誤控制機(jī)制。流控制用于限制傳輸速率使其與接收端緩存大小相匹配。擁塞控制限制發(fā)送速率與鏈路容量相一致。因此，TCP利用擁塞窗口值（cwnd）控制發(fā)送端報(bào)文段數(shù)量的傳送。TCP連接建立后進(jìn)入慢啟動(dòng)階段［3］，在這個(gè)階段發(fā)送端的擁塞窗口值呈指數(shù)增加，直至增加到預(yù)設(shè)值慢啟動(dòng)閾值（ssthresh）。此后，進(jìn)入擁塞避免階段，在此期間發(fā)送端線性增加擁塞窗口值。丟包發(fā)生后，慢啟動(dòng)閾值設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口值的一半重新進(jìn)入慢啟動(dòng)。由于慢啟動(dòng)階段沒有固定的慢啟動(dòng)閾值，當(dāng)其設(shè)置太小時(shí)，發(fā)送端很快停止擁塞窗口指數(shù)增長(zhǎng)，需要用很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到最優(yōu)的擁塞窗口值。

　　本文提出了一種改進(jìn)的慢啟動(dòng)算法，發(fā)送端可以快速增加擁塞窗口值，縮短慢啟動(dòng)時(shí)間。在擁塞避免階段根據(jù)帶寬估計(jì)的變化，設(shè)置不同的擁塞窗口值，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

1TCPW算法原理分析

　　擁塞控制的研究目的不是完全避免擁塞，而是研究怎樣的擁塞程度是合適的。TCP是可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［4］，采用分組交換技術(shù)提高鏈路帶寬利用率，也就是說路由器隊(duì)列緩存如果是滿的，則網(wǎng)絡(luò)利用率最高，但傳輸延遲大；隊(duì)列始終是空的或者不滿，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率低，傳輸延遲小。所以擁塞控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)利用率和傳輸延遲的綜合性能指標(biāo)的最優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能，保證網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和魯棒性。

　　1.1TCPW原理

　　TCPW是基于帶寬估計(jì)擁塞，不接收網(wǎng)絡(luò)的任何顯式擁塞反饋。由源端決定數(shù)據(jù)發(fā)送速率，逐漸增加數(shù)據(jù)發(fā)送速率，直到反饋信號(hào)表明達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)容量。當(dāng)丟包發(fā)生后，發(fā)送端基于帶寬估計(jì)值重新設(shè)置擁塞窗口值和慢啟動(dòng)閾值。

　　1.2端到端的帶寬估計(jì)

　　TCPW算法主要思想是通過監(jiān)測(cè)發(fā)送端ACK確認(rèn)應(yīng)答的接收速率實(shí)時(shí)估計(jì)帶寬［56］，當(dāng)發(fā)送端在t2接收到一個(gè)ACK應(yīng)答時(shí)表明相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)d2已經(jīng)被TCP連接的接收端成功接收。這種帶寬估計(jì)算法如下：

　　BWE=αbk-1+(1-α)［（bk+bk-1）/2］

　　其中，bk為樣本帶寬，bk=dk/Δtk;Δtk=tk-tk-1;tk、tk-1分別為第k、k-1個(gè)ACK到達(dá)時(shí)刻；α=（2l-Δtk）(2l+Δtk);l為低通濾波截止頻率。

　　1.3擁塞窗口值和慢啟動(dòng)閾值設(shè)置

　　假設(shè)發(fā)送端帶寬估計(jì)值為BWE，TCPW在慢啟動(dòng)階段和擁塞避免階段保持和TCP Reno一致，分別為指數(shù)和線性增加［7］。在如下情況網(wǎng)絡(luò)發(fā)生丟包：(1)發(fā)送端收到三個(gè)重復(fù)ACK應(yīng)答;(2)定時(shí)器超時(shí)。

　　（1）發(fā)送端收到三個(gè)重復(fù)ACK應(yīng)答后算法如下：

　　if receiving 3ACKS

　　set ssthresh=(BWE*RTTmin)/seg_size

　　and if (cwnd>ssthresh)

　　then set cwnd=ssthresh

　　enter congestion phase

　　其中seg_size為報(bào)文段大小。

　　（2）定時(shí)器超時(shí)算法

　　TCP擁塞控制算法的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念［8］是基于端到端。網(wǎng)絡(luò)被視為“黑箱”TCP源端。

　　2算法的改進(jìn)

　　2.1慢啟動(dòng)改進(jìn)算法

　　作為擁塞控制算法的重要部分，慢啟動(dòng)可以有效控制初始化連接時(shí)發(fā)送端的數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)量。本文采用一種新的方法在慢啟動(dòng)初始化階段設(shè)置慢啟動(dòng)閾值和擁塞窗口值,通過兩個(gè)連續(xù)應(yīng)答所確認(rèn)的字節(jié)數(shù)探測(cè)鏈路帶寬。

　　其中，ELC為鏈路容量，Acked為每一個(gè)應(yīng)答所確認(rèn)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，Δtk=tk-tk-1為兩個(gè)應(yīng)答之間的時(shí)間間隔。每接收到一個(gè)新的應(yīng)答時(shí)采用移動(dòng)平均法更新ELC,計(jì)算如式（2）所示：

　　ELC=(1－α)ELCi+αELCi－1（2）

　　α=0.9

　　慢啟動(dòng)閾值設(shè)置如式（3）所示：

　　ssthresh=ELCRTTmin（3）

　　其中，RTT為往返時(shí)延（從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)到發(fā)送端接收到確認(rèn)應(yīng)答的時(shí)間間隔），通過鏈路容量計(jì)算的ssthresh值為初始化慢啟動(dòng)提供準(zhǔn)確值。由此可見，該慢啟動(dòng)閾值不是一個(gè)常數(shù)，隨連接狀態(tài)改變。

　　此外，本文提出了一種“快速啟動(dòng)”通過帶寬利用率增加擁塞窗口在慢啟動(dòng)階段發(fā)送新的報(bào)文段前，檢查當(dāng)前擁塞窗口值和上一個(gè)RTT。算法描述如下：

　　if last RTT<RTTest && cwnd<ssthresh

　　then cwnd=cwnd+(ssthresh DIV cwnd)

　　else cwnd=cwnd+1

　　其中，RTTest為往返時(shí)延估計(jì)值。

　　2.2擁塞避免算法改進(jìn)

　　在TCP擁塞控制中，擁塞窗口值是決定字節(jié)數(shù)發(fā)送速率的重要因素。連接建立時(shí)設(shè)置為最大報(bào)文段(MSS)，每收到一個(gè)ACK應(yīng)答，擁塞窗口值倍增，直到cwnd>ssthresh進(jìn)入擁塞避免階段。在擁塞避免階段每收到一個(gè)ACK應(yīng)答擁塞窗口值，cwnd=cwnd+1/cwnd，直到擁塞發(fā)生。本文提出的改進(jìn)算法流程圖如圖1所示。

　　通過當(dāng)前時(shí)刻帶寬估計(jì)值與前一時(shí)刻帶寬估計(jì)值之比預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)設(shè)置擁塞窗口值，調(diào)整數(shù)據(jù)包發(fā)送速率。算法描述如下：

　　congestion avoidance

　　slow start is

　　over(cwnd>ssthresh)

　　every ACK;

　　estimate BWE=ELC;

　　set BWE=BWcurrent;

　　BWr=BWcurrent/BWprevious;

　　if(BWr>1.5)

　　cwnd=cwnd+1/cwnd;

　　else if (BWr<1)

　　cwnd=cwnd;

　　until (timeout or3ACKS)

　　BWcurrent為接收到新的ACK的當(dāng)前帶寬，BWprevious為接收到新的ACK之前的帶寬值。

3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

　　混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，節(jié)點(diǎn)S0、S1為TCP發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)R0、R1為路由節(jié)點(diǎn)，D0、D1為TCP接收端。節(jié)點(diǎn)S0與R1、S1與R0、R2與D0、R2與D1之間鏈路延時(shí)為3 ms,帶寬為20 Mb/s，R0與R1之間為瓶頸鏈路，鏈路時(shí)延為10 ms、帶寬為5 Mb/s，R2與D1為無線連接。仿真時(shí)間設(shè)置為45 s。

　　3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　改進(jìn)算法與TCPW和TCP NewReno的網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖3所示。可見改進(jìn)算法在吞吐量上較TCPW和TCP NewReno都有一定的提高。圖4是基于每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間延時(shí)的比較，可以看出改進(jìn)算法縮短了延遲時(shí)間。圖5為網(wǎng)絡(luò)丟包變化隨仿真時(shí)間對(duì)比，可以看出仿真剛開始一段時(shí)間改進(jìn)算法比TCPW算法丟包量大，但在15 s后丟包數(shù)量略小于對(duì)比算法。

4結(jié)論

　　本文針對(duì)TCPW算法的不足之處，提出了一種在慢啟動(dòng)和擁塞避免階段的改進(jìn)算法，加快了慢啟動(dòng)進(jìn)程，在擁塞避免階段合理地設(shè)置擁塞窗口值和慢啟動(dòng)閾值。通過大量實(shí)驗(yàn)表明，與原算法相比本文提出的算法在吞吐量、丟包率、時(shí)延等各方面的性能都得到了提高，優(yōu)于TCPW算法，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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