TCP Westwood(TCPW)協(xié)議[1]是專門針對無線網(wǎng)絡應用環(huán)境而提出的傳輸控制協(xié)議，它是在TCP Reno協(xié)議的基礎上修改而來的。TCPW通過估算網(wǎng)絡的可用帶寬，對擁塞窗口(cwnd)和慢啟動閾值(ssthresh)進行優(yōu)化控制，在一定程度上改善了傳統(tǒng)TCP協(xié)議在發(fā)生數(shù)據(jù)丟包時所導致的網(wǎng)絡帶寬利用率下降的問題[2]。然而，TCPW算法無法區(qū)分網(wǎng)絡丟包的原因，在高誤碼率、頻繁移動的無線網(wǎng)絡環(huán)境下，往往會由于較多的無線丟包而頻繁調用網(wǎng)絡擁塞控制算法，降低了網(wǎng)絡帶寬利用率[3]。

    本文提出一種基于TCPW協(xié)議的改進擁塞控制算法TCPW-J,該算法根據(jù)當前網(wǎng)絡的帶寬估計值的變化情況來推斷網(wǎng)絡丟包發(fā)生的最可能原因，使網(wǎng)絡控制協(xié)議能夠對擁塞情況作出更加準確的判斷，減少在不必要情況下調用網(wǎng)絡擁塞控制算法的次數(shù)。經(jīng)過分析和仿真實驗的驗證，表明TCPW-J能夠較為有效地判斷丟包的原因，提高了TCPW算法對網(wǎng)絡帶寬的利用率。
1 TCPW-J算法
1.1 設計思想
    網(wǎng)絡擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡狀態(tài)，網(wǎng)絡擁塞會導致數(shù)據(jù)包丟失、時延增加、吞吐量下降等現(xiàn)象[4]?；谶@些因素，在網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)下得到的帶寬估計值(BWE)比正常情況下的要小很多。另一方面，由于無線網(wǎng)絡誤碼率較高等原因而導致的數(shù)據(jù)丟包具有偶然性，并不影響往返時延(RTT)，因此發(fā)生無線丟包時，所計算出來的BWE值相對于正常情況下并不會產(chǎn)生較大變化。
   基于以上事實和分析，提出的TCPW-J算法對BWE進行持續(xù)觀測，得到TCP連接在一段時間內的BWE變化范圍，并劃分網(wǎng)絡擁塞情況等級。根據(jù)計算的網(wǎng)絡擁塞等級，推斷當前網(wǎng)絡的擁塞情況，并做出恰當?shù)恼{整。
1.2 算法實現(xiàn)
    TCPW-J算法持續(xù)計算BWE并記錄其最大和最小值，得到BWE的變化范圍，即：
    
     結合式(1)、式(2)，可以看出A∈[0,1]表示了當前帶寬估計值與歷史變化情況相比的大小程度，間接地反映了網(wǎng)絡的擁塞情況。式(2)中的A越小，表明當前網(wǎng)絡帶寬已經(jīng)處于較好的情況，網(wǎng)絡擁塞的可能性較小或趨于穩(wěn)定；反之，A越大則表明網(wǎng)絡擁塞的可能性越大或程度越高。這里將A劃分成三個等級，其等級L越高則表明擁塞可能性越大。
    L=1  A∈[0,0.25]2  A∈(0.25,0.5]3  A∈(0.5,1]
    根據(jù)上述劃分的擁塞等級范圍,對TCPW的擁塞控制算法進行改進。
    新的擁塞控制算法用偽代碼描述如下：
    (1) 收到新的ACK之后
         if (L==1||L==2)    
                     /*網(wǎng)絡擁塞可能性較小或輕度擁塞*/
        if(cwnd>ssthresh)    /*擁塞避免*/
                 cwnd=cwnd+1/cwnd;
            else        /*慢啟動*/
                 cwnd=cwnd+1;
             endif
        else            /*網(wǎng)絡擁塞可能性較大*/
        ssthresh=(BWE*RTTmin)/seg_size;
             if(cwnd>ssthresh)        
                 cwnd=cwnd+(1/cwnd)/2;
                              /*減慢cwnd增長速度*/
             else
                 cwnd=cwnd+1;
             endif
       endif
    (2) 收到重復的ACK之后
      if(3 DUPACKs are received)
           if (L==1)        /*網(wǎng)絡擁塞可能性較小*/
        快速重傳;
        if(cwnd>ssthresh)    /*擁塞避免*/
                 cwnd=cwnd+1/cwnd;
             else            /*保持慢啟動*/
                 cwnd=cwnd+1;
             endif
    else if(L==2)    /*網(wǎng)絡擁塞呈現(xiàn)擁塞趨勢*/
             快速重傳;
             快速恢復;
     else if(L==3)    /*網(wǎng)絡擁塞可能性較大*/
             ssthresh=(BWE*RTTmin)/seg_size;
                 if(cwnd>ssthresh)
                     cwnd=ssthresh;
                 endif
            endif
        endif
2 仿真結果與分析
    采用OPNET Modeler 14.5仿真平臺對New Reno、TCPW以及TCP-J算法在混合鏈路上進行仿真,如圖1所示。

    在圖1中模擬了一個作為數(shù)據(jù)源的服務器子網(wǎng)(Server Subnet)、一個數(shù)據(jù)訪問子網(wǎng)(Client Subnet)以及IP云（IP Cloud)作為兩者之間傳輸數(shù)據(jù)的混合鏈路。配置FTP服務用于模擬連續(xù)的TCP數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)TP文件大小為50 MB，數(shù)據(jù)包延遲為0.1 s，兩個子網(wǎng)之間是瓶頸鏈路，最大傳輸速率為10 Mb/s，模擬時間為12 min。
2.1不同誤碼率下的吞吐量分析
     表1中給出了三種算法分別在不同誤碼率環(huán)境下的吞吐量統(tǒng)計結果?？梢院芮逦乜吹剑谡`碼率較高的環(huán)境下，TCPW-J的吞吐量明顯高于New Reno和TCPW算法。而且隨著誤碼率的提高，TCPW-J相對于TCPW的吞吐量的提升更加明顯，其原因在于TCPW-J算法能夠有效地區(qū)分擁塞丟包和無線丟包，減少了不必要的擁塞窗口調整次數(shù)，提高了帶寬的利用率。

    在測試友好性的過程中,建立兩個不同的TCP流，分別運行New Reno和TCPW-J協(xié)議。表2給出了這兩種算法在不同誤碼率環(huán)境下的平均吞吐量對比結果。從結果中可以看出，TCPW-J對New Reno是友好的。

    本文在TCPW的基礎之上提出了改進算法TCPW-J，根據(jù)帶寬估計值BWE的變化情況劃分擁塞等級，以推測最可能導致丟包的原因，區(qū)分無線丟包和擁塞丟包。仿真實驗結果表明，TCPW-J算法在誤碼率較高的無線網(wǎng)絡環(huán)境下，不僅表現(xiàn)出了更高的網(wǎng)絡帶寬利用率吞吐量，而且保持了良好的公平性和友好性。
參考文獻
[1] CLAUDIO C, MARIO G, SAVERIO M,    et al. TCP westwood: end-to-end congestion control for wired/wireless  networks[J]. Wireless Networks Journal, 2002(8):467-469.
[2] LOW SH, PAGANINI F, DOYLE J C. Internet congestion control [J]. IEEE Control Systems Magazine, 2002,22(1):28-43.
[3] CHEN J, PAGANINI F, WANG R. Fluid-flow analysis of  TCP westwood with RED[A]. Proceedings of the IEEE  GLOBECOM 2003, 2003:4064-4068.
[4] (美)STEVENS W R著.TCP/IP詳解，卷1：協(xié)議[M].  范建華,等譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2000:226-243.
[5] JAIN R, CHIU D, HAWE W. A quantitative measure of  fairness and discrimination for resource allocation in shared  systems[Z]. DEC Research Report TR-301.1984.