摘 要： 無線網(wǎng)絡(luò)存在高誤碼率、帶寬變化大等特點，針對丟包類型多樣化、擁塞控制中參數(shù)設(shè)置既盲目又單一化等問題，提出了一種TCP Westwood（簡稱TCPW）的改進(jìn)算法TCP-NW，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中帶寬的利用率來區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞情況，并據(jù)此對CWND（擁塞窗口）和SSTHRESH（慢啟動門限值）值進(jìn)行調(diào)整。仿真實驗表明，TCP-NW算法在網(wǎng)絡(luò)時延、抖動、吞吐量等方面表現(xiàn)穩(wěn)定，對于無線網(wǎng)絡(luò)TCP的傳輸性能有較大的改善。
關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)；帶寬估計；擁塞控制；網(wǎng)絡(luò)仿真
0 引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中信息量急劇增長，擁塞的問題也日趨嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，如果處理不當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)通信就會嚴(yán)重受阻，使網(wǎng)絡(luò)處于一種接近癱瘓的狀態(tài)。作為網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的傳輸協(xié)議TCP為網(wǎng)絡(luò)中的用戶提供了可信和健壯的端到端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，同時該協(xié)議一直備受大多數(shù)學(xué)者的關(guān)注，并取得了很多研究成果。如參考文獻(xiàn)[1]中提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于跨層優(yōu)化的擁塞控制算法；參考文獻(xiàn)[2]提出了基于背景流量變換的組播擁塞控制算法；參考文獻(xiàn)[3]中提出了一種高性能的TCP友好擁塞控制算法；參考文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于自同步原則的擁塞控制方法；參考文獻(xiàn)[5]中提出一種基于雙包探測技術(shù)的TCP Westwood算法；參考文獻(xiàn)[6]提出一種基于非線性窗口增長的TCPW改進(jìn)算法；參考文獻(xiàn)[7]中提出了一種Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于區(qū)分服務(wù)的擁塞控制機(jī)制。這些算法都對TCP的擁塞控制機(jī)制從不同的方面作出了改進(jìn)，但如何使得TCP協(xié)議更好地適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特性，依然是一個重要的研究課題。
TCPW協(xié)議是針對無線特點而設(shè)計的，相對于TCP Reno表現(xiàn)出了更好的性能。但是在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中TCPW協(xié)議無法區(qū)分丟包類型，即擁塞丟包和無線丟包（在網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞時，也會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，這時丟包原因往往由外界環(huán)境因素引起，使得網(wǎng)絡(luò)本身傳輸信道的信號衰弱或干擾，把這種數(shù)據(jù)包丟失稱為無線丟包），而且在擁塞處理中，參數(shù)的調(diào)整沒有區(qū)分擁塞程度而作統(tǒng)一的處理，這些問題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能受到影響。本文根據(jù)TCPW協(xié)議存在的不足，提出了一種基于TCP的改進(jìn)算法TCP-NW，算法通過測算網(wǎng)絡(luò)中帶寬及帶寬利用率，根據(jù)帶寬利用率來區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞的不同場景，并據(jù)此對CWND和SSTHRESH值進(jìn)行調(diào)整。仿真實驗表明該算法在一定程度上可以區(qū)分丟包類型及擁塞程度，較大程度上提高了TCP性能。
1 TCPW擁塞控制算法分析
TCPW算法是專門針對無線網(wǎng)絡(luò)提出的一種擁塞控制算法，是在TCP Reno版本上改進(jìn)而得，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)丟包時TCP的傳輸性能[8]。TCPW也是由“慢啟動”、“擁塞避免”、“快速重傳”和“快速恢復(fù)”四個部分組成。
TCPW算法主要通過實時測量來估算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬值，并利用帶寬估計值來調(diào)整CWND和SSTHRESH值以達(dá)到擁塞控制的目的。基本流程是，通過持續(xù)不斷地監(jiān)測TCP目的端返回的ACK速率，從而計算出單位時間內(nèi)TCP發(fā)送端發(fā)送的分組數(shù)目和數(shù)據(jù)包大小，計算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計值[9-10]。當(dāng)出現(xiàn)擁塞收到3個重復(fù)ACK或RTO超時時，SSTHRESH和CWND的賦值如下：
其中cuurent_bwe是帶寬估計值，size 是數(shù)據(jù)包的大小，min_rtt_estimate是測量中的最小RTT。
在收到3個重復(fù)ACK時，CWND值設(shè)置為SSTHRESH的當(dāng)前值，而超時的情況下，CWND值設(shè)置為1。
TCPW算法的不足之處主要有以下幾個方面：
（1）TCPW算法無法區(qū)分丟包類型。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包時，TCPW算法都會按照擁塞丟包來處理，而不區(qū)分是無線丟包還是擁塞丟包。
（2）TCPW算法在處理丟包時具有盲目性且單一。主要體現(xiàn)在CWND和SSTHRESH值的調(diào)整上，在出現(xiàn)丟包時，不管丟包原因也不分擁塞程度，單純減小窗口值，降低數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，這種處理會使得網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率大幅度下降。
2 TCP-NW算法原理
針對TCPW算法的不足，提出了一種改進(jìn)算法TCP-NW，TCP-NW算法的步驟如下：
（1）計算網(wǎng)絡(luò)帶寬估計值
通過TCPW協(xié)議中的帶寬估計算法實時計算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計值current_bwe，引入一個變量bwe_max，用于保存此過程中的current_bwe的最大值。
（2）計算網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率
根據(jù)（1）中計算出的current_bwe和bwe_max的值，計算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬利用率。計算公式如式（2）所示：
其中，current_bwe為當(dāng)前帶寬估計值，bwe_max為當(dāng)前帶寬估計值中的最大值，α∈（0，1]。
由于網(wǎng)絡(luò)中帶寬利用率較低時，網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性較小，如果網(wǎng)絡(luò)中此時出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包，則認(rèn)定為出現(xiàn)了無線丟包。此算法中α∈（0，1/4]時，認(rèn)定為無線丟包。
（3）分別對不同情況下的丟包作出相應(yīng)處理
當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包時，根據(jù)計算出的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率來調(diào)整CWND和SSTHRESH值的大小。由于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下丟包的原因主要有三個重復(fù)的ACK和超時，因此兩種情況下的調(diào)整如下：
①收到三個重復(fù)ACK
當(dāng)出現(xiàn)無線丟包時（此時網(wǎng)絡(luò)并沒有發(fā)生擁塞），如果按照式（1）計算，SSTHRESH值會過度減小，CWND進(jìn)而減小，從而降低了數(shù)據(jù)發(fā)送速率，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，改進(jìn)后的重新計算公式如式（3）所示：
其中，α為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，計算公式如式（2）。
式（3）雖然避免了在帶寬利用率較低時將SSTHRESH值過度減小的問題，但是在帶寬利用率較高時，依然存在此問題。為了解決此問題，將α值進(jìn)行細(xì)化，重新計算公式如式（4）所示：
算法偽代碼如下：
if（receive 3 dupacks）{
if（0<α≤1/4）{
null}
if（1/4<α≤1/2）{
ssthresh=current_bwe*（1-α）/size/8；
cwnd=ssthresh+3MSS；
}
if（1/2<α≤1）{
ssthresh=1/2*current_bwe/size/8；
cwnd=ssthresh+3MSS；
}}
②RTO（重傳計時器）超時
當(dāng)TCP發(fā)送端每發(fā)送一個報文時，為了防止數(shù)據(jù)包丟失，TCP發(fā)送端會啟動一個重傳計時器，如果發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包在計時器超時前沒有收到該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)ACK，就會重傳該數(shù)據(jù)報，而此時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度要比收到3個重復(fù)ACK時嚴(yán)重，不論α如何取值，此時統(tǒng)一設(shè)置CWND的值為1，SSTHRESH值的計算公式如式（5）所示：
算法偽代碼如下：
if（RTO timeout）{
if（1/4<α<1/2）{
ssthresh=current_bwe*（1-α）/size/8；
cwnd=1；}
if（α≤1/4）{null；}
if（1/2<α<3/4）{
ssthresh=current_bwe*α/size/8；
cwnd=1；}
if（3/4<α≤1）{
ssthresh=1/2*current_bwe*（1-α）/size/8；
cwnd=1；
}}
3 TCP-NW算法的仿真實驗結(jié)果分析
3.1 仿真實驗環(huán)境
仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點N0、N1為TCP發(fā)送端，節(jié)點R0、R1為中間路由節(jié)點，節(jié)點N2、N3為TCP接收端。節(jié)點N0到R0之間、節(jié)點N1到R0之間、節(jié)點R1到N2和節(jié)點R1到N3之間建立延時為3 ms、帶寬為10 Mb/s的雙向鏈路。在節(jié)點R0和R1之間建立延時為2 ms、帶寬為5 Mb/s的雙向鏈路，此鏈路作為瓶頸鏈路。節(jié)點N0向節(jié)點N2發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點N1向節(jié)點N3發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點N0和節(jié)點N2之間建立TCP背景業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)為FTP數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包大小為 1 000 packets。仿真實驗在仿真模擬工具NS2（Network Simulator Version2）下進(jìn)行，NS2的版本為NS2.35[11]。
3.2 仿真實驗結(jié)果分析
實驗主要從端到端時延、抖動、吞吐量以及不同鏈路丟包率下平均吞吐量4個方面進(jìn)行實驗結(jié)果的對比。各個對比實驗圖如圖2~圖4所示。
圖2中delay-TCPReno、delay-TCPW、delay-TCP-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW三種算法下時延大小的變化值。從圖中可以看出TCP-NW算法下的時延值變化更加平滑，端到端的時延更小。
圖3中jitter-Reno、delay-Westwood、delay-TCP-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW三種算法下的網(wǎng)絡(luò)抖動的變化值。從圖中可以看出TCP-NW算法下的抖動值變化幅度更加平滑，證明了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
圖4中throughput-Reno、throughput-Westwood、throughput-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW 算法下得到的系統(tǒng)吞吐的大小。通過仿真實驗結(jié)果可以看出，TCP-NW算法下的系統(tǒng)吞吐量最大。
為了更好地驗證TCP-NW算法對于丟包類型的區(qū)分，分別在不同鏈路誤碼率實驗環(huán)境下對TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW三種算法進(jìn)行了平均吞吐量的對比，如表1所示。
表1中分別為TCP-Reno、TCPW、TCP-NW算法在無線丟包率分別為1%、2%、3%、4%的鏈路下的系統(tǒng)平均吞吐量，從中可以看出TCP-NW算法不同鏈路丟包率的情況下平均吞吐量最高，并且隨著無線丟包率的升高，TCP-NW平均吞吐量下降的程度最少，說明了TCP-NW算法在一定程度上可以區(qū)分出無線丟包和擁塞丟包。
綜合仿真實驗結(jié)果表明，本文改進(jìn)的TCP-NW算法能有效地改善無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中因無線丟包而過多減小CWND和SSTHRESH值的問題，并可以在一定程度上區(qū)分無線丟包和擁塞丟包。在發(fā)生無線丟包時，不至于過多減小發(fā)送速率，從而更加充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，很大程度上提高TCP的傳輸性能。
4 結(jié)論
本文針對TCPW算法在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的不足之處，提出了一種改進(jìn)的TCP-NW擁塞控制算法。通過實時計算網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬，根據(jù)帶寬的變化來區(qū)分不同的丟包類型以及在不同類型的丟包情況下對CWND和SSTHRESH值進(jìn)行調(diào)整。通過仿真實驗表明，與TCPW相比，TCP-NW算法在端到端時延、抖動性、系統(tǒng)吞吐量等方面性能都有提升，較大程度上提高了無線TCP的傳輸性能。
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