一種自適應(yīng)比例系數(shù)的TCP擁塞控制策略*

陶 洋，杜軍恒，武 俊

(重慶郵電大學 軟件技術(shù)中心，重慶400065)

21世紀以來，計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了突飛猛進的發(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)帶來了巨大的負擔，從而引發(fā)了嚴重的網(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、擴展性強等特點。它能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實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)的負擔自適應(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，因為這些策略的好壞對擁塞控制機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)。

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，這種策略嚴重地浪費了網(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 cwnd值達到 ssthresh（慢開始門限值）時，此后進入擁塞避免階段，發(fā)送端的cwnd每經(jīng)過一個 RTT（往返時延）就增加一個 MSS的大小（而不管在時間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 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，后來人們對其進行了改進，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，當接收端收到M1和 M2后，就發(fā)出確認ACK2和ACK3。現(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，但發(fā)出的是重復(fù)的ACK3（不能發(fā)送ACK5，因為ACK5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)置為當前的擁塞窗口值的1/2。當網(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。

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(00.8，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。

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)仿真軟件對未改進的策略與改進后的策略進行了仿真對比。本文使用的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖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。在上面的拓撲圖中，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是新舊策略包到達率和端到端延時比較，可以看到，新策略的到達率比原策略大，這是因為新策略可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的好壞動態(tài)調(diào)整乘法比例因子。當網(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)負擔，因此數(shù)據(jù)包到達的可能性提高，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，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。

[1]王云濤，方建安，張曉輝，等.基于TCP Vegas的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制改進算法[J].計算機應(yīng)用研究，2009，26(12)：56-58.

[2]Yang Ming，Hang Fuyan.AIMD-based congestion control for layered multicast[S].IEEE.2002，02：833-837.

[3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]徐雷鳴，龐博，趙耀.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電大學出版社，2003.