復(fù)雜混合網(wǎng)絡(luò)中擁塞控制算法仿真實驗設(shè)計

姜雨菲，梁向陽

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院 新型網(wǎng)絡(luò)與檢測控制國家地方 聯(lián)合工程實驗室，陜西 西安 710021）

“計算機網(wǎng)絡(luò)”及其相關(guān)課程是教育部指定的計算機專業(yè)和信息類專業(yè)本科生和研究生的核心基礎(chǔ)課程[1]。課程以網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為框架展開，由于網(wǎng)絡(luò)概念一般比較抽象，學(xué)生難以理解，而實驗教學(xué)環(huán)節(jié)能很好地彌補這一缺陷。又由于實際的網(wǎng)絡(luò)實驗受到環(huán)境、規(guī)模的限制，采用仿真方法便成為最經(jīng)濟有效的課程教學(xué)實驗手段[2]。

TCP擁塞控制是“計算機網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中的一個重點和難點[3]。隨著當(dāng)前傳統(tǒng)的單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的復(fù)雜混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也對相關(guān)的實驗教學(xué)內(nèi)容提出了新的挑戰(zhàn)和要求。復(fù)雜混合網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制不僅是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵，同時又是實現(xiàn)各種服務(wù)的基礎(chǔ)和前提。本文基于NS3仿真平臺，以TCP擁塞控制為實驗?zāi)繕?biāo)，詳細論述了當(dāng)前普遍使用的多種TCP擁塞控制算法的仿真實現(xiàn)過程，并在多個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對各類算法的公平性以及友好性進行了實驗比較。

1 NS3仿真概述

NS3是一種基于 Linux的開源、免費的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，由于其能夠更符合實際地模擬現(xiàn)實世界中的各種網(wǎng)絡(luò)，因而其可靠性得到世界上眾多研究者和企業(yè)界的認可[4]。同時由于其適應(yīng)性非常廣泛，可以實現(xiàn)多類復(fù)雜混合的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境和拓撲環(huán)境，因而對“計算機網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)有著非常重要的輔助價值和現(xiàn)實意義。圖1為其可模擬的典型復(fù)雜混合網(wǎng)絡(luò)。

圖1 模擬真實環(huán)境中復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲

NS3仿真模塊基本涵蓋了網(wǎng)絡(luò)通信的所有層次，包括應(yīng)用層的各種分組產(chǎn)生器，傳輸層的 TCP和UDP，網(wǎng)絡(luò)層的IPv4和IPv6協(xié)議，鏈路層和物理層的點對點（PPP）、CSMA，以及 IEEE 802.11a/b/g/n和LTE協(xié)議等無線網(wǎng)絡(luò)。

2 實驗平臺的實現(xiàn)

NS3提供各種用于網(wǎng)絡(luò)模擬的應(yīng)用程序接口（application programming interface，API），可以在模擬腳本中調(diào)用這些 API來構(gòu)建自己的仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5-6]，其仿真的基本模型如圖2所示。

圖2 NS3基本模型

其中，Node類提供了用來管理模擬器中網(wǎng)絡(luò)組件表示的各種方法，包括應(yīng)用程序、協(xié)議棧、外接卡和驅(qū)動程序。Application類為仿真中的用戶級應(yīng)用程序提供了各種方法。在這些應(yīng)用程序中，發(fā)送方和接收方應(yīng)用程序都用于在仿真網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。Channel類用于描述通信子網(wǎng)對象，并提供一種方法來管理它們并將它們連接到節(jié)點。NetDevice類用于描述 NS3中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括 CsmaNetDevice、PointToPointNetDevice、Wi-FiNetDevice等。NetDevice類的主要功能是管理節(jié)點和連接信道對象。Topology Helper用于幫助連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通道，并幫助安排IP地址。

網(wǎng)絡(luò)中 Channel的傳輸方式主要包括點對點（PPP）、CSMA和無線。點對點仿真使用點對點協(xié)議（point-to-point protocol，PPP）傳輸分組。對于點對點信道來說，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類是PointToPointNetDevice，信道類是PointToPointChannel。構(gòu)建點對點網(wǎng)絡(luò)鏈路的核心代碼如圖3所示。

圖3 點對點網(wǎng)絡(luò)鏈路的核心代碼

CSMA網(wǎng)絡(luò)與PPP都屬于有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不同之處是 CSMA信道可以連接多個節(jié)點，如總線型網(wǎng)絡(luò)等，需要節(jié)點競爭信道使用權(quán)。其鏈路仿真構(gòu)建的核心代碼如圖4所示。

圖4 CSMA鏈路仿真構(gòu)建的核心代碼

無線網(wǎng)絡(luò)由一個接入點（access point，AP）和多個nWifi移動節(jié)點組成，無線鏈路仿真構(gòu)建的核心代碼如圖5所示。

在NS3仿真平臺上可以通過自主創(chuàng)建節(jié)點、配置信道屬性、創(chuàng)建信道并連接節(jié)點來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的建立。NS3的所有模塊都為用戶提供了豐富的助手類，可以屏蔽復(fù)雜操作的實現(xiàn)細節(jié)，從而降低了編寫模擬腳本的復(fù)雜度。

圖5 無線鏈路仿真構(gòu)建的核心代碼

3 TCP擁塞控制算法實驗案例

3.1 實驗場景設(shè)計與搭建

實驗場景如圖6所示，其中0—3,6—9節(jié)點可以同時作為發(fā)送端和接收端，4,5節(jié)點為交換路由節(jié)點，4～5鏈路為典型的瓶頸鏈路。傳輸方式是有線，通過設(shè)置節(jié)點發(fā)送速率和鏈路的傳輸時延，可模擬多種混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有較好的普適性。

圖6 4∶4啞鈴網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本文使用 NS-3.29版本，仿真環(huán)境為 Ubuntu 16.04。構(gòu)建圖6網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的主要代碼如圖7所示。

3.2 TCP擁塞控制算法的實現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)運行的某段時間，如果對網(wǎng)絡(luò)傳輸資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要發(fā)生變化，這種情況叫擁塞[7]。擁塞控制能防止過多的數(shù)據(jù)同一時間注入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，從而使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備資源或鏈路不致過載。擁塞控制常常是在TCP中實現(xiàn)的，因此也叫TCP擁塞控制。

NS3中TCP的屬性和trace變量都集中在以下3個核心類中。TcpSocket：這是一個虛類，主要定義了一些基本的TCP屬性；TcpSocketBase：窗口管理、擁塞控制等主要TCP算法都在這個類中實現(xiàn)；TcpL4Protocol：是與網(wǎng)絡(luò)層的接口，也負責(zé)TcpSocketBase對象。

圖7 圖6網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的主要代碼

實驗人員在仿真程序的頂部以及在為節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之前添加相應(yīng)代碼，就可以設(shè)置所需要的TCP擁塞控制算法。例如，設(shè)置Cubic擁塞控制算法如下：

擁塞控制算法的公平性和友好性一般是通過吞吐量的值來衡量的，而吞吐量的獲取需要套接字的屬性[8]。通過 Socket::CreateSocket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，其返回值就是一個套接字指針，其參數(shù)必須是ns3::SocketFactory對象，需要通過配置套接字指針把屬性和 TcpL4Protocol對象關(guān)聯(lián)在一起，采用的方法是通過配置系統(tǒng)函數(shù)Config::Set()，其核心代碼如下：

4 實驗及結(jié)果分析

4.1 擁塞控制算法理論驗證性實驗

NS3支持的擁塞控制算法有十多種之多，基本涵蓋了當(dāng)前所有常用的擁塞控制算法，包括NewReno、Cubic、Vegas、Yeah、Hybla等。對 NS3支持的主要TCP擁塞控制算法進行仿真，將仿真參數(shù)設(shè)置如下：鏈路帶寬 100 Mbps，時延 100 ms，仿真時間 250 s，丟包率0.000 001。去掉前50 s非穩(wěn)態(tài)區(qū)數(shù)據(jù)后的仿真實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 TCP擁塞控制算法的cwnd（網(wǎng)絡(luò)擁塞窗口）

下面兩小節(jié)將以其中兩個典型的擁塞控制算法NewReno和Cubic為例，進行驗證性分析。

4.1.1 NewReno擁塞控制算法的驗證性分析

NewReno是 Windows系統(tǒng)多個版本中采用的TCP擁塞控制算法[9]，也是大部分“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程中的教學(xué)事例算法，其核心思想涉及對擁塞控制窗口和慢啟動閾值的調(diào)節(jié)機制。

在慢啟動階段，發(fā)送端每收到了一個新的 ACK（確認字符），擁塞窗口就增加一個 MSS（最大數(shù)據(jù)段長度），擁塞窗口的計算方法為：

在擁塞避免階段，擁塞窗口的增長幅度相對于慢啟動階段有所放緩。窗口大小在一個RTT（往返時延）內(nèi)增加一個 MSS，從指數(shù)增加變成了線性增加。此時，發(fā)送端收到一個新ACK時，新?lián)砣翱诘挠嬎惴椒椋?/p>

RTO（重傳超時時間）超時、快速重傳與快速恢復(fù)時，擁塞事件可以由RTO超時和重復(fù)ACK引起。若發(fā)送方連續(xù)收到N（一般為3）個重復(fù)ACK，則發(fā)送方確定數(shù)據(jù)包丟失，它將立即重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，而不等待RTO超時，之后進入快速恢復(fù)階段。此時，慢啟動閾值的計算方法為：

截取圖 8(g)中 NewReno擁塞控制窗口變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)放大，如圖9所示。

圖9 NewReno算法擁塞控制窗口局部放大圖

由圖9可見，擁塞控制窗口在增加的時候有一個明顯的指數(shù)上升階段和一個線性上升階段，而當(dāng)發(fā)生重傳時，慢啟動閾值會降為當(dāng)前擁塞窗口的一半，并基于此進入擁塞避免階段。由此可見，該算法的仿真結(jié)果和理論分析完全一致[10]。

4.1.2 Cubic擁塞控制算法的驗證性分析

Cubic算法是在 Bic算法基礎(chǔ)上改進而來的，并被應(yīng)用在當(dāng)前多個Linux操作系統(tǒng)版本中[11]，也是較流行的一種擁塞控制算法，對其進行研究有助于理解Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性。

Cubic算法使用一個如下的三次立方函數(shù)來代替Bic算法中的窗口探測曲線，其擁塞窗口的計算方法為：

截取圖8(h)中Cubic擁塞控制窗口變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)放大，如圖10所示。

從圖 10可見，除了發(fā)生丟包重傳而使得擁塞控制窗口數(shù)值突然下降外，整個擁塞控制窗口的變化完全符合三次立方函數(shù)的變化趨勢，和理論分析完全一致[12]。

除了上述兩個典型的擁塞控制算法，文獻[13—25]也分別說明了其他算法仿真結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性。

圖10 Cubic算法擁塞控制窗口局部放大圖

4.2 擁塞控制算法的公平性實驗

公平性是TCP擁塞控制算法的重要特征之一，是指采用同一種擁塞控制算法的 TCP流對網(wǎng)絡(luò)共享資源（如瓶頸鏈路）的占用公平程度。對NS3內(nèi)支持的主要TCP擁塞控制算法進行公平性實驗仿真，每次仿真中，有4條采用相同擁塞控制算法的TCP流，2條基于高延時（100 ms）、高帶寬（100 Mb·s-1）的鏈路，2 條普通鏈路（2 ms，1 Mb·s-1），以各鏈路的吞吐量作為比較的指標(biāo)依據(jù)。其仿真結(jié)果如圖11所示。仿真時間為 250 s，丟包率為 0.000 001。

圖11 TCP擁塞控制算法不同鏈路吞吐量對比

仍以NewReno算法和Cubic算法為例進行分析說明。NewReno算法是 RTT敏感性算法，在網(wǎng)絡(luò)運行初期，低延遲的TCP流具有較小的RTT，因此其擁塞窗口增長很快，吞吐量激增，而當(dāng)高延遲TCP流的擁塞窗口也增長上來后，在網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤率不高的情況下，網(wǎng)絡(luò)帶寬的大小將決定對瓶頸鏈路的占用比例。由此可見，NewReno算法對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是較為敏感的，不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會有不同的性能特征，但同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的公平性卻非常好。而Cubic算法的擁塞窗口增長函數(shù)是由連續(xù)兩個擁塞事件之間的時間間隔決定的，與RTT無關(guān)[26]，這就使得Cubic算法在多個共享瓶頸鏈路的TCP流之間表現(xiàn)出良好的公平性，且不受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響。由此可見，采用Cubic的Linux操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境略差的情況下還可以保持相對優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

4.3 擁塞控制算法友好性實驗

友好性是TCP擁塞控制算法的另一個重要特征，是指采用不同擁塞控制算法的 TCP流之間對網(wǎng)絡(luò)共享資源（如瓶頸鏈路）的占用公平程度。下面以Cubic為基準(zhǔn)，實現(xiàn)其與其他擁塞控制算法的友好性對比實驗。每次仿真有4條TCP流，2條采用Cubic，2條采用其他算法，各鏈路的帶寬為 100 Mb·s-1，時延為 100 ms，仿真時間250 s，丟包率為0.000 001。其仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 Cubic算法與其他擁塞控制算法友好性對比

由圖12可見，在本實驗設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，Cubic具有較好的傳輸性，網(wǎng)絡(luò)吞吐量穩(wěn)定，且不會受其他TCP流的影響。由于每種擁塞控制算法的設(shè)計都有其適應(yīng)性范圍和條件，因此也可以得出，一些擁塞控制算法（如 NewReno、YeAH）在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境下與Cubic相比的友好性較差。

5 結(jié)語

文章采用NS3仿真工具，搭建了多種類TCP擁塞控制算法的啞鈴型混合網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，并詳細論述了實驗平臺實現(xiàn)的方法，包括拓撲構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)設(shè)置、協(xié)議棧和套接字的安裝、擁塞控制算法的配置等關(guān)鍵步驟。文章對多個擁塞控制算法進行了驗證性仿真實驗，并以NewReno和Cubic算法為例進行了理論分析對比。在此基礎(chǔ)上，對多個算法在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的公平性進行了仿真和結(jié)果分析，并以 Cubic為對象，仿真對比了該算法與其他擁塞控制算法的友好性。仿真結(jié)果符合理論分析，實驗設(shè)計成功，結(jié)果正確。該實驗方法和平臺不僅可以服務(wù)于本科生和研究生教學(xué)，也可以通過修改擁塞控制算法源代碼，產(chǎn)生新的擁塞控制算法，使其進一步成為可靠的研究性實驗平臺。