任金霞，王水泉，溫春暉
（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 34100）
摘要：互聯網的快速發展，給人們生活帶來極大便捷，同時也帶來了嚴重的問題——網絡擁塞。TCPW是一種基于端到端帶寬估計的擁塞控制機制，沿用了TCP Reno在慢啟動初始化階段設置慢啟動閾值方法。提出了一種慢啟動改進算法，在擁塞避免階段采用一種新的機制設置cwnd和ssthresh值，減少了慢啟動時間，通過NS2仿真結果表明改進算法在吞吐量、延時及丟包率等方面都有一定的改善。
關鍵詞：慢啟動；擁塞避免；擁塞控制；吞吐量
中圖分類號：TP393文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.019
引用格式：任金霞，王水泉，溫春暉.一種改進的TCPW算法在擁塞控制中的應用［J］.微型機與應用，2017,36（4）：63-65.
0引言
隨著互聯網技術的迅速發展，盡管當前網絡帶寬不斷提高，新的互聯網應用程序的涌現，導致網絡流量劇增以致網絡發生擁塞，延時、吞吐量及其他網絡質量指數下降，網絡資源利用率降低，難以保證網絡參數。所以解決網絡擁塞問題極其重要。
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測發送端接收確認應答速率的端到端帶寬估計機制［1］ 。TCPW保留了基本的TCP控制協議的原則［2］和流控制、擁塞控制及錯誤控制機制。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）控制發送端報文段數量的傳送。TCP連接建立后進入慢啟動階段［3］，在這個階段發送端的擁塞窗口值呈指數增加，直至增加到預設值慢啟動閾值（ssthresh）。此后，進入擁塞避免階段，在此期間發送端線性增加擁塞窗口值。丟包發生后，慢啟動閾值設置為當前擁塞窗口值的一半重新進入慢啟動。由于慢啟動階段沒有固定的慢啟動閾值，當其設置太小時，發送端很快停止擁塞窗口指數增長，需要用很長時間才能達到最優的擁塞窗口值。
本文提出了一種改進的慢啟動算法，發送端可以快速增加擁塞窗口值，縮短慢啟動時間。在擁塞避免階段根據帶寬估計的變化，設置不同的擁塞窗口值，從而提高網絡的吞吐量。
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是可靠的數據傳輸協議［4］，采用分組交換技術提高鏈路帶寬利用率，也就是說路由器隊列緩存如果是滿的，則網絡利用率最高，但傳輸延遲大；隊列始終是空的或者不滿，導致網絡帶寬利用率低，傳輸延遲小。所以擁塞控制的目標是實現網絡利用率和傳輸延遲的綜合性能指標的最優化，提高網絡的整體性能，保證網絡的長期穩定性和魯棒性。
1.1TCPW原理
TCPW是基于帶寬估計擁塞，不接收網絡的任何顯式擁塞反饋。由源端決定數據發送速率，逐漸增加數據發送速率，直到反饋信號表明達到了網絡容量。當丟包發生后，發送端基于帶寬估計值重新設置擁塞窗口值和慢啟動閾值。
1.2端到端的帶寬估計
TCPW算法主要思想是通過監測發送端ACK確認應答的接收速率實時估計帶寬［56］，當發送端在t2接收到一個ACK應答時表明相應的數據字節數d2已經被TCP連接的接收端成功接收。這種帶寬估計算法如下：
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ACK到達時刻；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閾值設置
假設發送端帶寬估計值為BWE，TCPW在慢啟動階段和擁塞避免階段保持和TCP Reno一致，分別為指數和線性增加［7］。在如下情況網絡發生丟包：(1)發送端收到三個重復ACK應答;(2)定時器超時。
（1）發送端收到三個重復ACK應答后算法如下：
if receiving 3ACKS
set ssthresh=(BWE*RTTmin)/seg_size
and if (cwnd>ssthresh)
then set cwnd=ssthresh
enter congestion phase
其中seg_size為報文段大小。
（2）定時器超時算法
TCP擁塞控制算法的基礎設計理念［8］是基于端到端。網絡被視為“黑箱”TCP源端。
2算法的改進
2.1慢啟動改進算法
作為擁塞控制算法的重要部分，慢啟動可以有效控制初始化連接時發送端的數據包發送數量。本文采用一種新的方法在慢啟動初始化階段設置慢啟動閾值和擁塞窗口值,通過兩個連續應答所確認的字節數探測鏈路帶寬。
其中，ELC為鏈路容量，Acked為每一個應答所確認的數據包數量，Δtk=tk-tk-1為兩個應答之間的時間間隔。每接收到一個新的應答時采用移動平均法更新ELC,計算如式（2）所示：
ELC=(1－α)ELCi+αELCi－1（2）
α=0.9
慢啟動閾值設置如式（3）所示：
ssthresh=ELCRTTmin（3）
其中，RTT為往返時延（從發送端發送數據到發送端接收到確認應答的時間間隔），通過鏈路容量計算的ssthresh值為初始化慢啟動提供準確值。由此可見，該慢啟動閾值不是一個常數，隨連接狀態改變。
此外，本文提出了一種“快速啟動”通過帶寬利用率增加擁塞窗口在慢啟動階段發送新的報文段前，檢查當前擁塞窗口值和上一個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為往返時延估計值。
2.2擁塞避免算法改進
在TCP擁塞控制中，擁塞窗口值是決定字節數發送速率的重要因素。連接建立時設置為最大報文段(MSS)，每收到一個ACK應答，擁塞窗口值倍增，直到cwnd>ssthresh進入擁塞避免階段。在擁塞避免階段每收到一個ACK應答擁塞窗口值，cwnd=cwnd+1/cwnd，直到擁塞發生。本文提出的改進算法流程圖如圖1所示。
通過當前時刻帶寬估計值與前一時刻帶寬估計值之比預測網絡狀態，動態設置擁塞窗口值，調整數據包發送速率。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的當前帶寬，BWprevious為接收到新的ACK之前的帶寬值。
3仿真實驗及結果分析
3.1實驗環境設置
混合網絡環境下仿真拓撲結構如圖2所示，節點S0、S1為TCP發送端，節點R0、R1為路由節點，D0、D1為TCP接收端。節點S0與R1、S1與R0、R2與D0、R2與D1之間鏈路延時為3 ms,帶寬為20 Mb/s，R0與R1之間為瓶頸鏈路，鏈路時延為10 ms、帶寬為5 Mb/s，R2與D1為無線連接。仿真時間設置為45 s。
3.2實驗結果及分析
改進算法與TCPW和TCP NewReno的網絡吞吐量如圖3所示。可見改進算法在吞吐量上較TCPW和TCP NewReno都有一定的提高。圖4是基于每個數據包傳輸時間延時的比較，可以看出改進算法縮短了延遲時間。圖5為網絡丟包變化隨仿真時間對比，可以看出仿真剛開始一段時間改進算法比TCPW算法丟包量大，但在15 s后丟包數量略小于對比算法。
4結論
本文針對TCPW算法的不足之處，提出了一種在慢啟動和擁塞避免階段的改進算法，加快了慢啟動進程，在擁塞避免階段合理地設置擁塞窗口值和慢啟動閾值。通過大量實驗表明，與原算法相比本文提出的算法在吞吐量、丟包率、時延等各方面的性能都得到了提高，優于TCPW算法，有一定的實用價值。
參考文獻
［1］ MASCOLO S, CASETTI C, GERLA M, et al. TCP Westwood: bandwidth estimation for enhanced transport over wireless links［C］. International Conference on Mobile Computing and NETWORKING, 2001:287-297.
［2］ AFANSYEV A, TILLEY N, REIHER P, et al. Hosttohost congestion control for TCP［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2010, 12(3):304-342.
［3］ MASCOLO S, VACIRCA F. The effect of reverse traffic on the performance of new tcp congestion control algorithm［J］. Pfldnet’06 Nara, 2006, 129(5):219-224.
［4］ 王志明, 曾孝平, 劉學,等. 一種異構網絡TCP擁塞控制算法［J］. 電子與信息學報, 2016, 38(4)780-786.
［5］ GRIECO L A, MASCOLO S. TCP Westwood and easy RED to improve fairness in highspeed networks［C］. Proceedings of the 7th IFIP/IEEE International Workshop on Protocols for High SpeedNetworks.SpringerVerlag, 2002:130-146.
［6］ PARVEZ N, MAHANTI A, WILLIAMSON C. TCP NewReno: slowbutsteady or impatient［J］. IEEE International Conference on Communications, 2006,ICC’06,2006, 2(2):716-722.
［7］ GAMBHAVA B, KOTHARI N J, DASGUPTA K S. Analysis of RTO caused by retransmission loss to combat channel noise［J］. International Journal of Computer Applications, 2010, 1(8):5-9.
［8］ KALRA S, KALRA B, AGRAWAL N, et al. Updated congestion control algorithm for TCP throughput improvement in wired and wireless network［J］. Global Journal of Computer Science&Technology,2010(4):248-252.