高時延混合網絡擁塞控制仿真實驗設計

馬琛璐， 唐俊勇

（西安工業大學計算機科學與工程學院，西安710021）

0 引 言

隨著網絡技術在能源裝備、工業互聯、邊緣與云計算中的發展與融合，極大地促進了智能化生產、運維服務和供應鏈的集成。傳統單一的網絡結構已經無法滿足高速發展的網絡環境，隨之產生的是由有線、WiFi、無線傳感、LTE和衛星網絡等多種異構網絡結合而成的混合網絡［1-2］，作為一種新型網絡形式，以其覆蓋面廣、網絡兼容性好和轉發靈活等優勢，被廣泛應用在各個領域。混合網絡由于具備有線、無線信道和高速、低速網絡結合的特點，決定了其各鏈路的延遲并不均衡，尤其是存在衛星網絡這種高時延鏈路，使得網絡帶寬被低時延鏈路大量搶占，不僅造成了混合鏈路傳輸不公平，還導致與高時延鏈路所在的全部路徑傳輸利用率不足。解決高時延混合網絡的傳輸不均衡問題成為近年來研究的熱點。

目前研究主要是提出新的擁塞控制算法［3-5］來解決傳統TCP協議在混合網絡中的傳輸問題，在解決高時延混合網絡傳輸的公平性和與其他擁塞機制共存的友好性問題上取得較好的效果，并開始應用在相應的傳輸環境中。其中TCP Hybla［6］算法以其明顯的優越被應用在高延遲衛星網絡中。避免了以TCP NewReno為代表的丟包觸發機制激進的數據發送模式，從而占用高延時鏈路帶寬的不公平性；提高了以TCP Vegas［7］為代表的延遲擁塞機制的響應靈敏性，較好地解決了高時延混合網絡各鏈路傳輸的不友好性。

TCP Hybla已經應用在實際環境中，現實中混合網絡的搭建費用昂貴且TCP擁塞控制理論復雜抽象，難以直觀地在課堂教學中表現出來。針對這些問題，本文利用NS-3（Network Simulator-3）［8］網絡仿真軟件靈活、便捷地設計高時延混合網絡仿真實驗，在節約實驗成本的基礎上，采用NS-3中的追蹤機制和流量監測機制高效，便捷地將TCP擁塞控制中擁塞窗口（Congestion Window，CWND）和吞吐量（Throughput）的變化過程記錄下來，并通過模塊調用以文件的形式保存，便于進行實驗研究。

相較于傳統的教學實驗在擁塞控制部分黑板式教學［9-10］的缺陷，NS-3能夠針對高時延混合網絡的各鏈路時延不同的特點，觀察在混合網絡結構中，傳統的TCP擁塞控制機制與TCP Hybla機制的性能優劣以及細節變化，突破了原有實驗教學難以直觀分析抽象難懂的TCP理論的局限性。同時，該實驗可用于混合網絡的相關教學和研究，并可進一步開展TCP擁塞控制協議的一系列實驗教學。

1 NS-3仿真實驗平臺

1.1 NS-3仿真軟件簡介

NS-3旨在提高實驗效率，節省實驗成本，通過忽略底層細節進行大規模網絡的相關研究，縮小現實網絡與實驗結果的差距。利用該軟件進行混合網絡的擁塞控制相關教學實驗，可以幫助學生更好的理解理論知識，并有助于相關研究人員對新的網絡協議進行實驗和驗證，方便研究人員及時對新的協議進行改進、調整。該軟件用于實驗教學中，可有效提升教學質量，培養學生獨立思維能力。

圖1所示為NS-3仿真［11］實驗平臺的基本搭建流程，根據相關網絡結構編寫模塊源碼，若滿足仿真需求直接運行腳本文件，否則根據需求修改合適的源碼和模塊，并重新編譯運行，并將仿真結果以文件的形式輸出，收集相應的數據，對仿真結果進行分析。

圖1 NS-3仿真平臺的基本搭建流程

1.2 NS-3實驗平臺搭建

本文采用NS-3中的Internet模塊設計傳輸層TCP協議性能分析仿真實驗［12］。在仿真中需要為網絡中的各節點設置相應的參數，在NS-3中節點被視為裸機，需要添加相應的網卡、TCP／IP協議棧以及Application。圖2所示為NS-3中的Internet模塊架構。

圖2 NS-3中Internet模塊架構

各模塊的具體含義：

Internet 在NS-3中的TCP／IP協議棧，包含了所有傳輸層以及網絡層的協議算法，是網絡仿真的核心模塊；

TcpSocket 主要用來定義基本的TCP屬性，是一個虛擬類變量；

TcpSocketBase TCP協議的擁塞控制和窗口管理算法的核心類，是NS-3中實現擁塞控制仿真模擬的關鍵；

TcpTx 獲取TcpSocketBase產生的Tx trace變量，并接收應用層傳遞的數據分組；

TcpRx 通過TcpL4Protocol接收來自網絡層的Rx trace變量；

TcpL4Protocol 用于創建TcpSocketBase對象，是傳輸層與網絡層的接口，負責把TcpTx產生的數據傳遞給網絡層。

在NS-3中，當仿真程序開始時，由客戶端應用程序通過配置了跟蹤變量的SendApplication協議發送TCP分組，傳遞給Internet模塊的TcpSocket類，通過與IP地址對應的端口號中的TcpTx變量繼續發送TCP分組，在TcpL4Protocol創建的TcpSocketBase類的擁塞機制控制下，將下層所能容納的最大TCP分組傳遞下去，最終在接收端回調函數的作用下，通過配置接收跟蹤變量TcpRx將所接收的分組信息回傳給PacketSink。

2 TCP Hybla算法原理分析

在異構網絡中，網絡資源的可用性通過CWND來探測評估。理想狀態下（即不丟包），每當發送方發送一個最大報文段（Maximum Segment Size，MSS），接收方會反饋一個確認號（Acknowledge character，ACK）作為響應。標準的TCP擁塞控制算法TCP NewReno在慢啟動（Slow Start，SS）階段，CWND 值呈指數變化，而在擁塞避免（Congestion Avoid，CA）階段，CWND值呈線性變化。

為便于觀察往返時延（Round-Trip Time，RTT）的變化對擁塞窗口的影響，將TCP NewReno的離散動態模型進行連續化處理，得到CWND隨時間變化的評估模型式：［13］

式中：tλ＝ RTT lbλ；λ 為慢啟動閾值（Slow Start Threshold，ssthresh），也是進入CA階段的起點。由此可以看出，在TCP NewReno中受RTT的影響，較長的RTT會使W（t）減小，使CWND數量減少，降低吞吐量。為使較長的RTT獲得與短的RTT相同的吞吐量，TCP Hybla算法原理通過平衡因子ρ使CWND擺脫對RTT的依賴，使得在高時延的網絡中，TCP Hybla仍然具有良好的性能。

其中ρ＝RTT／RTT0，RTT0默認為25 ms，在NS中默認為50 ms。引入平衡因子ρ后的TCP Hybla的CWND 表達式［14］為：

由BH（t）＝WH（t）／RTT 可得TCP Hybla的動態吞吐量模型［15-16］：

從式（2）、（3）可以看出，TCp Hybla算法的CWND和吞吐量與RTT無關，只與RTT0這一參考常量相關。

此外，由式（1）、（2）對比可知，在高時延的網絡中，TCP Hybla比TCP NewReno算法更容易獲得更大的CWND，也可更快地獲得較高的吞吐量。這表明，在相同傳輸時間下，TCP Hybla擁有更好的調控性能，同時也說明了TCP Hybla更適用于包含衛星網絡在內的高時延的混合網絡。

3 基于NS-3的仿真實驗

為了驗證TCP Hybla算法原理優于傳統的TCP NewReno算法并提供其吞吐量和CWND變化的相關實驗結果，本文使用NS-3模擬器進行仿真。仿真網絡結構如圖3所示，由8個節點和R1，R2兩個路由組成的啞鈴狀混合網絡拓撲。

圖3 混合網絡結構

啞鈴狀網絡結構符合混合網絡多鏈路共享瓶頸帶寬的特點，可有效地模擬混合網絡有線、無線并存爭用網絡帶寬的情況。其各鏈路結構具體仿真參數見表1。

表1 網絡結構仿真參數

仿真的主要目的是通過追蹤機制和流量監測機制追蹤數據來觀察TCP NewReno以及TCP Hybla算法的吞吐量及CWND的變化，以此驗證TCP Hybla算法在高時延混合網絡中的公平性、友好性及響應靈敏性。在NS-3中添加追蹤和流量監測機制設置高時延混合網絡仿真場景的基本流程為：

（1）搭建高時延混合網絡結構；

（2）為各網絡節點設置變量屬性和參數，具體參數見表1；

（3）分配IP地址給各個節點；

（4）配置MyApp函數，并添加Trace變量用于記錄CWND的變化；

（5）為追蹤變量設置回調函數，將CWND的變化以文件的形式保存下來；

（6）添加流量監測和事件調度函數，統計相同時間間隔內。混合網絡各鏈路吞吐量變化；

（7）為各個節點設置運行的始末時間，實時調控各鏈路的流量。

完成上述設計流程，可以建立一個完整的高時延混合網絡場景用于實驗教學，使學生可以更好地理解復雜抽象的TCP擁塞控制機制，并通過修改仿真時間、信道時延等仿真參數以獲得不同的仿真結果。通過設置追蹤變量和流量監測機制將仿真結果進行相關計算并寫入相關的文件中，利用Oringin軟件對仿真結果繪圖分析。

4 實驗結果分析

為直觀觀察TCP NewReno以及TCP Hybla算法的吞吐量及CWND的變化并評估TCP Hybla的性能，采用7．5 Mb／s的瓶頸帶寬和1 Mb／s的4條支路帶寬，并設置時延為2．5 ms的3條鏈路和時延為100 ms的一條高時延鏈路，構造混合網絡結構，模擬高時延衛星鏈路和普通網絡鏈路的狀態。

在RTT 分別為25、50、100、200 ms的狀態下，由TCP Hybla理論可得CWND隨時間變化的趨勢如圖4所示。

圖4 理論Hybla算法CWND

理論上是每經過一個傳輸輪次增大發送窗口數，而NS-3仿真中發送窗口數量由具體仿真的網絡容量決定，在NS-3中仿真可得TCP Hybla的CWND隨時間變化的仿真結果如圖5所示。

圖5 NS-3仿真Hybla算法CWND

仿真結果表明，在高時延混合網絡里，TCP Hybla算法不會受RTT的影響而降低CWND，而且隨著RTT的增大，CWND越大，仿真結果與理論結果基本一致。

4.1 單個TCP算法場景：Hybla公平性

時延差異是混合網絡的一個重要特點，主要影響TCP擁塞控制算法的公平性，本節利用啞鈴網絡結構評估Hybla算法和NewReno算法，為了確保公平性，仿真設定在丟包率為零（即僅有擁塞丟包）的理想狀態下，4條TCP流同時啟動，共享瓶頸帶寬，仿真時間持續50 s。

圖6為在NewReno算法下，3條低時延流與1條高時延流的對比，可以清晰的看到，從啟動開始，1、2、3號低時延流快速搶占瓶頸鏈路，分別占帶寬的0．27、0．28、0．30，幾乎均分瓶頸鏈路，而4號高時延流的帶寬幾乎為零。從圖中可以看出，只有當1、2、3號流逐漸減小，并趨于穩態時，4號流才有機會分享帶寬，并且緩慢的增長，直到最后1，2，3號流均穩定在吞吐量為0．30附近，4號高時延流的吞吐量才增長到0．11。恰好驗證了在標準的TCP擁塞協議下，較大的RTT會遭受TCP連接的嚴重懲罰，體現了NewReno算法在不同RTT的鏈路下的不公平性。

圖6 New Reno算法不同時延吞吐量

為了驗證Hybla算法不受RTT影響的特性，與圖6的標準TCP擁塞控制協議進行對比，圖7是在Hybla算法下，4條TCP流同時啟動的吞吐量分布情況，由對比可見，4號高時延流一開始就快速搶占帶寬，同時1、2、3號低時延流均逐漸減小，吞吐量都保持在0．28～0．325之間，并在第10 s快速的達到吞吐量為0．25的穩定狀態。而4號高時延流在第10 s時也迅速增長至0．25，并在10 s之后逐漸穩定在0．26附近。

圖7 Hybla算法不同時延吞吐量

這是由于Hybla算法里的擁塞系數ρ，使得Hybla算法公平地擺脫了RTT的依賴，大大優化了因受RTT困擾而處于劣勢的高時延鏈路的性能，這也表明了在高時延鏈路中Hybla算法的公平性更好。

圖8則是為體現Hybla算法的優越性，設置仿真時間為150 s，在1、2、3號低時延流啟動20 s后，逐漸進入穩定狀態時再啟動4號高時延流。由圖可見，4號高時延流并未打破原有3條流的穩定狀態，而是快速增長至吞吐量為0．25附近，與其他3條流一起趨于穩定，并均分帶寬。

圖8 Hybla穩態吞吐量

4.2 兩個TCP算法場景：Hybla靈敏性及友好性

圖9 為容錯率為0．1%，時延為100 ms的高時延鏈路中TCP Hybla算法和TCP Vegas算法的CWND變化，可見在高時延鏈路中TCP Hybla的CWND發送量遠高于TCP Vegas算法，由此可說明，在高時延鏈路中，TCP Hybla的響應靈敏性。

圖9 TCP Vegas和TCP Hybla算法CWND

為反映TCP Hybla算法的混合網絡中與其他算法之間的友好性，在混合網絡結構中令1、2、3號低時延流為TCP NewReno，4號高時延流分別為TCP Hybla和TCP Vegas，將2次運行結果進行對比，如圖10所示。雖然TCP Vegas在高時延鏈路中的性能低于TCP Hybla，但是帶寬并沒有被完全搶占，稍低于適應高時延鏈路的TCP Hybla，約占20%，而TCP Hybla和TCP NewReno算法均穩定在25%左右，這恰好說明了TCP Hybla算法友好性。

圖10 不同TCP算法的吞吐量

5 結 語

本文對在NS-3中搭建高時延混合網絡結構仿真的過程進行了詳細描述，在仿真過程中運用追蹤機制和流量監測機制對仿真結果進行輸出保存。實驗不僅仿真了TCP Hybla算法在高時延混合網絡中的吞吐量和CWND的變化，還設計實驗對TCP Hybla在混合網絡中的公平性，友好性以及響應靈敏性進行了評估，仿真結果與理論貼合度較高，實驗設計成功。可在此實驗的基礎上進一步進行混合網絡的研究與教學工作以及一系列相關的TCP擁塞控制教學實驗設計。