摘 要： 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)擁塞日益嚴(yán)重，因此如何減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞也就成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。針對這一問題，首先敘述了TCP擁塞控制的基本原理及其相關(guān)算法；然后對擁塞控制算法進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了自適應(yīng)比例系數(shù)的新策略；最后對新策略進(jìn)行NS2仿真。仿真結(jié)果表明，新方法提高了包投遞率，降低了端到端時延。
關(guān)鍵詞： 擁塞控制；自適應(yīng)；NS2
21世紀(jì)以來，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用也越來越廣泛，這就給帶寬有限的網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)，從而引發(fā)了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。
TCP是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用極其廣泛的基于滑動窗口的擁塞控制協(xié)議。它使用了一種可靠的設(shè)計思路，這種思路具有較為簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。它能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際具體情況自動地調(diào)整擁塞窗口的大小，使得TCP數(shù)據(jù)的發(fā)送能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)自適應(yīng)地變化。但近年來，互聯(lián)網(wǎng)上的用戶越來越多，業(yè)務(wù)量也隨之增加，網(wǎng)絡(luò)擁塞問題亦越來越嚴(yán)重。因此，人們對擁塞控制的研究重視程度亦越來越高，先后提出了許多新的算法，如TCP Tahoe、TCP Reno、TCP New-Reno、TCP sack、TCP Vegas[1]。這些算法著重研究了快重傳和快恢復(fù)機(jī)制，而慢開始和擁塞避免并無過多涉及。但慢啟動和擁塞避免亦不能忽視，因?yàn)檫@些策略的好壞對擁塞控制機(jī)制的影響同樣是巨大的。針對該問題，本文提出了一種自適應(yīng)比例系數(shù)的擁塞控制策略。
1 TCP擁塞控制原理及相關(guān)算法
互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制主要由傳輸層完成，它通過改變一些主要的參數(shù)來降低發(fā)送端數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。這些參數(shù)主要包括擁塞窗口cwnd(發(fā)送端一次最多發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個數(shù))和慢開始門限ssthresh(慢開始階段與擁塞避免階段的分界點(diǎn))。
早期的擁塞控制協(xié)議中，發(fā)送端每發(fā)送一個報文就必須收到接收端返回的ACK后才能發(fā)送下一個報文。發(fā)送端在等待接收端發(fā)送ACK的期間內(nèi)不發(fā)送任何報文；當(dāng)報文丟失時，必須等到計時器超時后才能重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。顯然，這種策略嚴(yán)重地浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)的帶寬，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的效率極其低下。
現(xiàn)在使用的擁塞控制協(xié)議采用了AMID[2]控制算法，能夠達(dá)到較好的擁塞控制效果，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率，這種策略一般分為4個階段[3]，具體如下：
（1）慢開始階段。在TCP建立連接之初，如果發(fā)送方將cwnd設(shè)置為較大值，發(fā)送方有可能將較大的數(shù)據(jù)字節(jié)全部注入到網(wǎng)絡(luò)中，但此時并不清楚網(wǎng)絡(luò)的狀況，因此就有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。經(jīng)實(shí)際證明，最好的方法是試探一下，即由小到大逐漸增大發(fā)送端的cwnd數(shù)值。通常發(fā)送方在開始發(fā)送數(shù)據(jù)報文段時將cwnd設(shè)置為一個最大的MSS數(shù)值，發(fā)送方每接收到接收方發(fā)來的一個ACK，就把cwnd增加一個值，直到cwnd增加到ssthresh（慢開始門限值），此時進(jìn)入擁塞避免階段，采取擁塞避免算法。在采取擁塞避免算法之前，擁塞窗口cwnd的值以指數(shù)方式增長。
（2）擁塞避免階段。當(dāng)cwnd值達(dá)到ssthresh（慢開始門限值）時，此后進(jìn)入擁塞避免階段，發(fā)送端的cwnd每經(jīng)過一個RTT（往返時延）就增加一個MSS的大?。ǘ还茉跁r間RTT內(nèi)收到了幾個接收端發(fā)送的ACK）。這樣，發(fā)送端cwnd就不再像慢開始階段那樣進(jìn)行指數(shù)增長 ，而是按線性規(guī)律增長（稱為加法增大），這比慢開始算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。在沒有丟包之前，該策略將一直持續(xù)下去。當(dāng)假定cwnd的數(shù)值增長到N（N=24）時，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)超時（表明網(wǎng)絡(luò)擁塞了）。ssthresh置為N/2(為發(fā)送窗口數(shù)值的一半，這種算法稱為乘法減小)，cwnd重置為1，并執(zhí)行慢開始算法。當(dāng)cwnd=12時改為執(zhí)行擁塞避免算法，擁塞窗口按線性規(guī)律增長，每經(jīng)過一個RTT就增加一個MSS的大小。
（3）快重傳階段。前面的慢開始和擁塞避免算法是在TCP早期使用的擁塞控制算法，后來人們對其進(jìn)行了改進(jìn)，因此就有了快重傳和快恢復(fù)。假設(shè)發(fā)送端發(fā)送了M1～M4這4個報文段，當(dāng)接收端收到M1和M2后，就發(fā)出確認(rèn)ACK2和ACK3?，F(xiàn)假定M3丟失了，接收端收到下一個M4，發(fā)現(xiàn)其序號不對，但仍收下放在接收緩存中，同時發(fā)出確認(rèn)，但發(fā)出的是重復(fù)的ACK3（不能發(fā)送ACK5，因?yàn)锳CK5表示M4和M3都已經(jīng)收到了）。這樣發(fā)送端知道現(xiàn)在可能是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞造成了分組丟失或是M3仍滯留在網(wǎng)絡(luò)中某處，還需經(jīng)過較長的時延才能到達(dá)接收端。發(fā)送端接著發(fā)送M5和M6，接收端收到了M5和M6后，還要分別發(fā)出重復(fù)的ACK3。這樣發(fā)送端共接收到了4個ACK3，其中3個是重復(fù)。如果快重傳算法規(guī)定，當(dāng)發(fā)送端連續(xù)收到3個重復(fù)的ACK時即可斷定有分組丟失了，就應(yīng)立即重傳丟失的報文而不必繼續(xù)等待為M3設(shè)置的重傳計時器超時。由此可知，快重傳并非取消重傳計時器，而是在某些情況下更早地重傳丟失的報文段。
（4）快恢復(fù)階段。與快重傳配合使用的還有快恢復(fù)算法，當(dāng)不使用快恢復(fù)算法時，發(fā)送端若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞就將擁塞窗口置為1，然后執(zhí)行慢開始算法。但這樣做的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)不能很快地恢復(fù)到正常狀態(tài)。快恢復(fù)算法可以較好地解決這一問題。當(dāng)發(fā)送端連續(xù)接收到3個重復(fù)的ACK時，就采用乘法減小設(shè)置ssthresh，與慢開始不同的是cwnd設(shè)置為ssthresh+3×MSS，然后執(zhí)行擁塞避免算法，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)到正常水平（與cwnd設(shè)置為1相比），大大地提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
TCP擁塞控制算法效果圖如圖1所示。
2 乘法減小及其存在問題
當(dāng)假定cwnd的數(shù)值增長到N（N=24）時，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)超時（表明網(wǎng)絡(luò)擁塞了）。ssthresh置為N/2，ssthresh的新數(shù)值為12，這種算法稱為“乘法減小”。進(jìn)一步說，“乘法減小”是指不論在慢開始階段還是擁塞避免階段，只要出現(xiàn)一次超時（即出現(xiàn)一次網(wǎng)絡(luò)擁塞），就將慢開始門限值ssthresh設(shè)置為當(dāng)前的擁塞窗口值的1/2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻繁出現(xiàn)擁塞時，ssthresh值就會下降得很快，以大大減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。但是網(wǎng)絡(luò)擁塞極其頻繁時，這種固定比例的減小策略就會存在問題，這種減小力度不夠大，仍會造成網(wǎng)絡(luò)十分擁堵，甚至使得網(wǎng)絡(luò)發(fā)生崩潰；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很少出現(xiàn)擁塞時，這種固定的減小策略會使得注入網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)不夠多，從而造成網(wǎng)絡(luò)帶寬得不到充分利用，造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。
3 一種新的變比例因子的乘法減小策略
針對固定比例因子的“乘法減小”策略容易出現(xiàn)的一些問題，本文提出了一種新的變比例因子的策略，其主要思路是在數(shù)據(jù)傳送初期設(shè)置4個參數(shù)：3個時間參數(shù)t1、t2、△t和比例因子p，依據(jù)3個時間參數(shù)的變化來動態(tài)調(diào)整比例因子p的大小，從而使得比例因子p根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況自適應(yīng)地變化。
具體思路：引入3個時間參數(shù)a、b、c和p(0<p<1)。t1是上次超時的時間，t2是本次超時的時間，△t是本次超時與上次超時的時間差，p是減小比例系數(shù)并賦初值為0.5。當(dāng)出現(xiàn)超時時，比較t2-t1與△t的大小，(1)若t2-t1<△t，判斷p是否小于0.2，如果p<0.2，則p的值大小不變，且將t2-t的值賦給△t，將t2的值賦給t1；否則將p-0.2的值賦給p，將t2-t的值賦給△t，將t2的值賦給t1；(2)若t2-t1≥△t，判斷p是否小于0.8，如果p>0.8，則p的值大小不變，將t2-t的值賦給△t，t2的值賦給t1，否則將p+0.2的值賦給p，t2-t的值賦給△t，且將t2的值賦給t1。新策略的算法描述大致如下。
t1=初值；
t2=初值；
p=0.5 ；
if(超時)
{
t2=getcurrenttime();
if(t2-t1>=△t)
{
if(p>0.8)
{
p=0.9;
ssthresh=(int)p×cwnd；
△t=t2-t1;
t1=t2;
}
else
{
p+= 0.2；
ssthresh=(int)p×cwnd；
△t=t2-t1;
t1=t2;
}
}
else
{
if(p<0.2)
{
p=0.1；
ssthresh=(int)p×cwnd；
△t=t2-t1;
t1=t2;
}
else
{
p-=0.2；
ssthresh=(int)p×cwnd；
△t=t2-t1;
t1=t2;
}
}
}
本文所提出的動態(tài)變化系數(shù)策略如上所述，新策略可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的好壞動態(tài)地調(diào)整系數(shù)p的大小。
4 仿真
4.1 仿真場景
為了證明新策略的有效性，本文使用NS2[4]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對未改進(jìn)的策略與改進(jìn)后的策略進(jìn)行了仿真對比。本文使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。
圖2中，s1、s2為發(fā)送端，t1、t2為干路的路由器，r1、r2為接收端。在上面的拓?fù)鋱D中，建立了兩條鏈路，一條為s1將數(shù)據(jù)通過干路路由器轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到r1；另一條為s2將數(shù)據(jù)通過干路路由器轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到r2。兩條鏈路均采用基于TCP的FTP連接，傳輸速率為10 Mb/s，延遲為2 ms，分組大小為1 000 B。干路路由器t1、t2之間構(gòu)成瓶頸鏈路，傳輸速率為1.5 Mb/s，延遲為50 ms。
4.2 仿真結(jié)果分析
圖3、圖4是新舊策略包到達(dá)率和端到端延時比較，可以看到，新策略的到達(dá)率比原策略大，這是因?yàn)樾虏呗钥梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的好壞動態(tài)調(diào)整乘法比例因子。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁擠時，新策略降低乘法因子，減少數(shù)據(jù)包的發(fā)送，減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，因此數(shù)據(jù)包到達(dá)的可能性提高，封包端到端時延減小。
本文闡述了擁塞控制原理及算法并對算法做出了一些改進(jìn)，提出了自適應(yīng)比例因子乘法減小策略。通過NS2仿真分析可知，這種策略明顯提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。
參考文獻(xiàn)
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