基于歷史連接參數(shù)的網絡擁塞改進算法研究

◆黎國華

基于歷史連接參數(shù)的網絡擁塞改進算法研究

◆黎國華

（梧州學院繼續(xù)教育學院 廣西 543002）

本文分析了“慢啟動”算法存在的問題，分析和提出了基于歷史連接參數(shù)的網絡擁塞改進算法，供相關讀者參考。

網絡擁塞；TCP；慢啟動

TCP擁塞控制機制[1]可以有效控制Internet擁塞崩潰[2]現(xiàn)象的發(fā)生，但它也有一些局限性，并不適用于所有的網絡。在TCP擁塞控制的關鍵算法中，“慢啟動”就是一個典型的算法。此算法在網絡擁塞、擁塞窗口控制和數(shù)據丟失方面應用效果比較好。

1 “慢啟動”算法存在的問題[3]

（1）在“慢啟動”階段，由于發(fā)送方無法預知瓶頸鏈路帶寬，致使擁塞窗口成倍增加；當ssthresh的值增加到較大時，發(fā)送窗口就會變大，使得數(shù)據包丟失二分之一；其次，TCP“慢啟動”會使 TCP頻繁使用“慢啟動”算法通信，造成網絡資源被占用以及導致時間延遲。

（2）“慢啟動”擁塞控制算法在WWW數(shù)據流服務時應用中，會造成網絡帶寬變窄、傳輸延遲等問題。

2 算法實現(xiàn)

針對“慢啟動”存在的問題，通過對初始參數(shù)的優(yōu)化，利用基于修改歷史連接參數(shù)的方法，改進令牌技術均勻發(fā)送初始窗口數(shù)據包的傳輸方式，通過設置“慢啟動”階段原始參數(shù)，提高 TCP的綜合性能。該算法可以使數(shù)據包均勻發(fā)送，擁塞參數(shù)得到緩存，達到盡可能避免網絡擁塞現(xiàn)象發(fā)生的目的。

此算法與TCP擁塞控制共享同樣信息，使相似的連接的擁塞參數(shù)能夠在緩存表中保存，存儲的數(shù)據主要是cwnd， ssthresh， RTT等；同時能夠將每個連接中的全部參數(shù)保存到對應的緩存記錄中，也可以利用歷史連接的參數(shù)值，當遇到類似的數(shù)據連接時，初始化新連接的參數(shù)，減少檢測網絡帶寬的時間，較好地避免傳輸延遲現(xiàn)象的發(fā)生。

因為緩存信息設置的初始窗口比一個數(shù)據包大，在數(shù)據傳輸如果不進行處理，會導致大量數(shù)據迅速注入網絡，造成網絡擁擠。為了避免大數(shù)據流擁塞網絡，將令牌控制算法加入發(fā)送方，將 RTT/ cwnd轉為令牌速度，使窗口中的傳輸數(shù)據包能均衡地傳輸，直到 ACK自動計時才開始傳輸。

此算法通過對發(fā)送方進行優(yōu)化，達到避免大數(shù)據流擁塞網絡的目的，算法實現(xiàn)如下：

首先，通過建立一個存放連接參數(shù)的緩存表，將目標主機地址、cwnd、ssthresh和RTT等信息進行保存。

其次，根據緩存表中存儲的歷史記錄，建立新的數(shù)據連接；如果兩者信息匹配，則從緩存表中提取對應緩存信息，初始化新連接參數(shù)，保持 ssthreth、 RTT兩個值不變；一個新連接是處于“慢啟動”階段還是擁塞避免階段，主要取決于 cwnd大小變化。如果處于“慢啟動”階段，則cwnd的值將減半；如處于擁塞避免階段，則cwnd的值變?yōu)閏wnd-1。

如果發(fā)送方檢測到cwnd的值減少，則將擁塞參數(shù)值暫存到緩存表中。為此，如果在緩存表中沒有檢測到數(shù)據連接的記錄，則將連接參數(shù)暫存到緩存表中；反之，只保存最后一次連接的狀態(tài)數(shù)據。因此我們可通過加權平均值的方法，將各個擁塞參數(shù)的初值計算并保存到存儲表中，以便在發(fā)送網絡擁堵時，充分利用最后一段時間內的連接信息來解決網絡擁塞問題。

網絡擁塞參數(shù)的保存時間直接反映出網絡擁塞程度，為此，要充分考慮網絡傳輸?shù)臅r間。

如在保存cwnd參數(shù)時，令：q＝now－timesave

cwndsave＝（1－f（α，q））×cwndcurr＋f（α，q）×cwndsave

根據上面的公式可以看出，當 q變無窮大時，f（α，q）接近0；如果α約等于0，表明新連接的擁塞參數(shù)受原來的擁塞參數(shù)影響比較大；反之，如果新連接的參數(shù)的值由歷史連接的參數(shù)確定的話，即α=0.2，那么，當網絡速度下降時，它的加權平均值約等于最后一次連接狀態(tài)的參數(shù)值。

一般情況下，初始化新建連接根據緩存信息參數(shù)的窗口會比一個數(shù)據包的值大，為了使初始窗口中的大數(shù)據不運行到網絡中，造成網絡擁塞，我們通過優(yōu)化令牌機制算法，使數(shù)據包在首個RTT內能勻速傳輸，使大數(shù)據流轉換為勻速傳輸?shù)臄?shù)據流。令牌實際上就是DMA傳輸空間，它是由網絡序列分配的。實際上，緩存表中的擁塞窗口大小確定著令牌的數(shù)量，令牌機制算法只在窗口初始時使用。采用令牌機制控制，可以通過一個令牌后發(fā)送一個數(shù)據包，實行大量傳輸數(shù)據包間隔發(fā)送，降低了數(shù)據突發(fā)性。

控制算法在檢測到暫存的數(shù)據包失效時，可以通過改變RTT取樣值來達到控制的目的。其基本思想是在擁塞發(fā)生之前就主動減少cwnd以降低負載，避免擁塞發(fā)生。初始算法設置rttmin=∞和rttmax=0；對于每個有效RTT樣本（即沒有經過數(shù)據重發(fā)）rtt，則rttmin={rttmin，rtt}和rttmax= max{rttmax，rtt}，每過兩個RTT后，若rtt<（rttmin+ rttmax）/2，則cwnd= min{awnd，cwnd}/4。通過這種控制方法，避免發(fā)生網絡擁塞，保證網絡運行平穩(wěn)。

3 總結

本文基于歷史連接參數(shù)的改進算法可以保證“慢啟動”比較短時間內完成，通過利用緩存表中存儲的ssthresh、rtt值，防止窗口出現(xiàn)大幅度波動。這種算法只涉及存儲器讀寫、比較等方面的優(yōu)化，在硬件中比較容易實現(xiàn)。

[1]蘇曉麗，鄭明春，孟強．多播擁塞控制研究進展[J]．通信學報，2003，24（5）：94-102.

[2]NAGLE J. Congestion Control in IP/TCP Internetworks， RFC 896[S]. 1984.

[3]鄧斌，成衛(wèi)青．基于改進慢啟動算法的大文件快速傳輸[J]．計算機應用研究，2019，37（3）：39-40.