摘 要： 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在高誤碼率、帶寬變化大等特點(diǎn),，針對(duì)丟包類型多樣化,、擁塞控制中參數(shù)設(shè)置既盲目又單一化等問(wèn)題，提出了一種TCP Westwood（簡(jiǎn)稱TCPW）的改進(jìn)算法TCP-NW,，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中帶寬的利用率來(lái)區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞情況,，并據(jù)此對(duì)CWND（擁塞窗口）和SSTHRESH（慢啟動(dòng)門(mén)限值）值進(jìn)行調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)表明,，TCP-NW算法在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,、抖動(dòng)、吞吐量等方面表現(xiàn)穩(wěn)定,，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)TCP的傳輸性能有較大的改善,。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；帶寬估計(jì),；擁塞控制,；網(wǎng)絡(luò)仿真
0 引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)中信息量急劇增長(zhǎng)，擁塞的問(wèn)題也日趨嚴(yán)重,，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí),，如果處理不當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)通信就會(huì)嚴(yán)重受阻,，使網(wǎng)絡(luò)處于一種接近癱瘓的狀態(tài),。作為網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的傳輸協(xié)議TCP為網(wǎng)絡(luò)中的用戶提供了可信和健壯的端到端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，同時(shí)該協(xié)議一直備受大多數(shù)學(xué)者的關(guān)注,，并取得了很多研究成果,。如參考文獻(xiàn)[1]中提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于跨層優(yōu)化的擁塞控制算法；參考文獻(xiàn)[2]提出了基于背景流量變換的組播擁塞控制算法,；參考文獻(xiàn)[3]中提出了一種高性能的TCP友好擁塞控制算法,；參考文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于自同步原則的擁塞控制方法；參考文獻(xiàn)[5]中提出一種基于雙包探測(cè)技術(shù)的TCP Westwood算法,；參考文獻(xiàn)[6]提出一種基于非線性窗口增長(zhǎng)的TCPW改進(jìn)算法,；參考文獻(xiàn)[7]中提出了一種Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于區(qū)分服務(wù)的擁塞控制機(jī)制。這些算法都對(duì)TCP的擁塞控制機(jī)制從不同的方面作出了改進(jìn),，但如何使得TCP協(xié)議更好地適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特性,，依然是一個(gè)重要的研究課題。
TCPW協(xié)議是針對(duì)無(wú)線特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的,，相對(duì)于TCP Reno表現(xiàn)出了更好的性能,。但是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中TCPW協(xié)議無(wú)法區(qū)分丟包類型,，即擁塞丟包和無(wú)線丟包（在網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞時(shí),，也會(huì)出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，這時(shí)丟包原因往往由外界環(huán)境因素引起,，使得網(wǎng)絡(luò)本身傳輸信道的信號(hào)衰弱或干擾,，把這種數(shù)據(jù)包丟失稱為無(wú)線丟包），而且在擁塞處理中,，參數(shù)的調(diào)整沒(méi)有區(qū)分擁塞程度而作統(tǒng)一的處理,，這些問(wèn)題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能受到影響。本文根據(jù)TCPW協(xié)議存在的不足,，提出了一種基于TCP的改進(jìn)算法TCP-NW,，算法通過(guò)測(cè)算網(wǎng)絡(luò)中帶寬及帶寬利用率，根據(jù)帶寬利用率來(lái)區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞的不同場(chǎng)景,，并據(jù)此對(duì)CWND和SSTHRESH值進(jìn)行調(diào)整,。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法在一定程度上可以區(qū)分丟包類型及擁塞程度，較大程度上提高了TCP性能,。
1 TCPW擁塞控制算法分析
TCPW算法是專門(mén)針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出的一種擁塞控制算法,，是在TCP Reno版本上改進(jìn)而得,，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)丟包時(shí)TCP的傳輸性能[8]。TCPW也是由“慢啟動(dòng)”,、“擁塞避免”,、“快速重傳”和“快速恢復(fù)”四個(gè)部分組成。
TCPW算法主要通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)估算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬值,，并利用帶寬估計(jì)值來(lái)調(diào)整CWND和SSTHRESH值以達(dá)到擁塞控制的目的,。基本流程是,，通過(guò)持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)TCP目的端返回的ACK速率,，從而計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)TCP發(fā)送端發(fā)送的分組數(shù)目和數(shù)據(jù)包大小，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計(jì)值[9-10],。當(dāng)出現(xiàn)擁塞收到3個(gè)重復(fù)ACK或RTO超時(shí)時(shí),，SSTHRESH和CWND的賦值如下：
其中cuurent_bwe是帶寬估計(jì)值，size 是數(shù)據(jù)包的大小,，min_rtt_estimate是測(cè)量中的最小RTT,。
在收到3個(gè)重復(fù)ACK時(shí)，CWND值設(shè)置為SSTHRESH的當(dāng)前值,，而超時(shí)的情況下,，CWND值設(shè)置為1。
TCPW算法的不足之處主要有以下幾個(gè)方面：
?。?）TCPW算法無(wú)法區(qū)分丟包類型,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包時(shí)，TCPW算法都會(huì)按照擁塞丟包來(lái)處理,，而不區(qū)分是無(wú)線丟包還是擁塞丟包,。
（2）TCPW算法在處理丟包時(shí)具有盲目性且單一,。主要體現(xiàn)在CWND和SSTHRESH值的調(diào)整上,，在出現(xiàn)丟包時(shí)，不管丟包原因也不分擁塞程度,，單純減小窗口值,，降低數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，這種處理會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率大幅度下降,。
2 TCP-NW算法原理
針對(duì)TCPW算法的不足,，提出了一種改進(jìn)算法TCP-NW，TCP-NW算法的步驟如下：
?。?）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)值
通過(guò)TCPW協(xié)議中的帶寬估計(jì)算法實(shí)時(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計(jì)值current_bwe,，引入一個(gè)變量bwe_max，用于保存此過(guò)程中的current_bwe的最大值,。
?。?）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率
根據(jù)（1）中計(jì)算出的current_bwe和bwe_max的值,，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬利用率。計(jì)算公式如式（2）所示：
其中,，current_bwe為當(dāng)前帶寬估計(jì)值,，bwe_max為當(dāng)前帶寬估計(jì)值中的最大值，α∈（0,，1],。
由于網(wǎng)絡(luò)中帶寬利用率較低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性較小,，如果網(wǎng)絡(luò)中此時(shí)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包,，則認(rèn)定為出現(xiàn)了無(wú)線丟包。此算法中α∈（0,，1/4]時(shí),，認(rèn)定為無(wú)線丟包。
?。?）分別對(duì)不同情況下的丟包作出相應(yīng)處理
當(dāng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包時(shí),，根據(jù)計(jì)算出的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率來(lái)調(diào)整CWND和SSTHRESH值的大小。由于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下丟包的原因主要有三個(gè)重復(fù)的ACK和超時(shí),，因此兩種情況下的調(diào)整如下：
?、偈盏饺齻€(gè)重復(fù)ACK
當(dāng)出現(xiàn)無(wú)線丟包時(shí)（此時(shí)網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有發(fā)生擁塞），如果按照式（1）計(jì)算,，SSTHRESH值會(huì)過(guò)度減小,，CWND進(jìn)而減小，從而降低了數(shù)據(jù)發(fā)送速率,，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬,，改進(jìn)后的重新計(jì)算公式如式（3）所示：
其中，α為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率,，計(jì)算公式如式（2）,。
式（3）雖然避免了在帶寬利用率較低時(shí)將SSTHRESH值過(guò)度減小的問(wèn)題，但是在帶寬利用率較高時(shí),，依然存在此問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題,，將α值進(jìn)行細(xì)化,，重新計(jì)算公式如式（4）所示：
算法偽代碼如下：
if（receive 3 dupacks）{
if（0<α≤1/4）{
null}
if（1/4<α≤1/2）{
ssthresh=current_bwe*（1-α）/size/8；
cwnd=ssthresh+3MSS,；
}
if（1/2<α≤1）{
ssthresh=1/2*current_bwe/size/8,；
cwnd=ssthresh+3MSS；
}}
?、赗TO（重傳計(jì)時(shí)器）超時(shí)
當(dāng)TCP發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí),，為了防止數(shù)據(jù)包丟失,，TCP發(fā)送端會(huì)啟動(dòng)一個(gè)重傳計(jì)時(shí)器，如果發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包在計(jì)時(shí)器超時(shí)前沒(méi)有收到該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)ACK,，就會(huì)重傳該數(shù)據(jù)報(bào),，而此時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度要比收到3個(gè)重復(fù)ACK時(shí)嚴(yán)重，不論α如何取值,，此時(shí)統(tǒng)一設(shè)置CWND的值為1,，SSTHRESH值的計(jì)算公式如式（5）所示：
算法偽代碼如下：
if（RTO timeout）{
if（1/4<α<1/2）{
ssthresh=current_bwe*（1-α）/size/8；
cwnd=1,；}
if（α≤1/4）{null,；}
if（1/2<α<3/4）{
ssthresh=current_bwe*α/size/8；
cwnd=1,；}
if（3/4<α≤1）{
ssthresh=1/2*current_bwe*（1-α）/size/8,；
cwnd=1；
}}
3 TCP-NW算法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境
仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。節(jié)點(diǎn)N0,、N1為T(mén)CP發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)R0,、R1為中間路由節(jié)點(diǎn),，節(jié)點(diǎn)N2、N3為T(mén)CP接收端,。節(jié)點(diǎn)N0到R0之間,、節(jié)點(diǎn)N1到R0之間、節(jié)點(diǎn)R1到N2和節(jié)點(diǎn)R1到N3之間建立延時(shí)為3 ms,、帶寬為10 Mb/s的雙向鏈路,。在節(jié)點(diǎn)R0和R1之間建立延時(shí)為2 ms、帶寬為5 Mb/s的雙向鏈路,，此鏈路作為瓶頸鏈路,。節(jié)點(diǎn)N0向節(jié)點(diǎn)N2發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)N1向節(jié)點(diǎn)N3發(fā)送數(shù)據(jù),，節(jié)點(diǎn)N0和節(jié)點(diǎn)N2之間建立TCP背景業(yè)務(wù),，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)為FTP數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包大小為 1 000 packets,。仿真實(shí)驗(yàn)在仿真模擬工具NS2（Network Simulator Version2）下進(jìn)行,，NS2的版本為NS2.35[11]。
3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)主要從端到端時(shí)延,、抖動(dòng),、吞吐量以及不同鏈路丟包率下平均吞吐量4個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。各個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖如圖2~圖4所示。
圖2中delay-TCPReno,、delay-TCPW,、delay-TCP-NW分別為T(mén)CP Reno、TCP Westwood,、TCP-NW三種算法下時(shí)延大小的變化值,。從圖中可以看出TCP-NW算法下的時(shí)延值變化更加平滑，端到端的時(shí)延更小,。
圖3中jitter-Reno,、delay-Westwood、delay-TCP-NW分別為T(mén)CP Reno,、TCP Westwood,、TCP-NW三種算法下的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的變化值。從圖中可以看出TCP-NW算法下的抖動(dòng)值變化幅度更加平滑,，證明了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,。
圖4中throughput-Reno、throughput-Westwood,、throughput-NW分別為T(mén)CP Reno,、TCP Westwood、TCP-NW 算法下得到的系統(tǒng)吞吐的大小,。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,，TCP-NW算法下的系統(tǒng)吞吐量最大。
為了更好地驗(yàn)證TCP-NW算法對(duì)于丟包類型的區(qū)分,，分別在不同鏈路誤碼率實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)TCP Reno,、TCP Westwood、TCP-NW三種算法進(jìn)行了平均吞吐量的對(duì)比,，如表1所示,。
表1中分別為T(mén)CP-Reno、TCPW,、TCP-NW算法在無(wú)線丟包率分別為1%,、2%、3%,、4%的鏈路下的系統(tǒng)平均吞吐量,，從中可以看出TCP-NW算法不同鏈路丟包率的情況下平均吞吐量最高，并且隨著無(wú)線丟包率的升高,，TCP-NW平均吞吐量下降的程度最少,，說(shuō)明了TCP-NW算法在一定程度上可以區(qū)分出無(wú)線丟包和擁塞丟包。
綜合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文改進(jìn)的TCP-NW算法能有效地改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中因無(wú)線丟包而過(guò)多減小CWND和SSTHRESH值的問(wèn)題，并可以在一定程度上區(qū)分無(wú)線丟包和擁塞丟包,。在發(fā)生無(wú)線丟包時(shí),，不至于過(guò)多減小發(fā)送速率,，從而更加充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，很大程度上提高TCP的傳輸性能,。
4 結(jié)論
本文針對(duì)TCPW算法在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的不足之處,，提出了一種改進(jìn)的TCP-NW擁塞控制算法。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬,，根據(jù)帶寬的變化來(lái)區(qū)分不同的丟包類型以及在不同類型的丟包情況下對(duì)CWND和SSTHRESH值進(jìn)行調(diào)整,。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，與TCPW相比,，TCP-NW算法在端到端時(shí)延,、抖動(dòng)性、系統(tǒng)吞吐量等方面性能都有提升,，較大程度上提高了無(wú)線TCP的傳輸性能,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張永敏，徐偉強(qiáng),，黃炯,，等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)能型功率控制與擁塞控制的跨層優(yōu)化[J].軟件學(xué)報(bào)，2013,，24（4）：900-914.
[2] 陶益坤,，朱艷琴，羅喜召.基于背景流變化特征的組播擁塞控制算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,，2012,，29（2）：48-50.
[3] UTSUMI S， ZABIR S M S. A new high-performance TCP friendly congestion control over wireless networks[J]. Journal of Network and Computer Applications,，2014,，41（3）：369-378.
[4] HU W， XIAO G. Self-clocking principle for congestion control in the Internet[J]. Automatica,，2012,，48（2）：425-429.
[5] 袁鵬飛，鄭濤,，楊李冬,，等.一種基于CAPPROBE帶寬估計(jì)的TCP Westwood算法[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014,，54（4）：469-476.
[6] 趙文波,，孫小科，馬草川.基于非線性窗口增長(zhǎng)的TCP Westwood改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,，2011,，31（9）：2344-2348.
[7] 俞浚，白光偉，沈航.IEEE 802.16 Mesh網(wǎng)基于區(qū)分服務(wù)的擁塞控制機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,，2014,，31（9）：2811-2814.
[8] SHETH A M， PATEL K D,， CHAUDHARI J P,， et al. Analysis of TCP Westwood NR protocol in congested and lossy network[J]. International Journal of Engineering and Technology， 2013,，3（4）：477-482.
[9] CASETTI C,， GERLA M， MASCOLO S,， et al. TCP Westwood： end-to-end congestion control for wired/wireless networks [J]. Wireless Networks,， 2002， 8（5）：467-479.
[10] GERLA M,， SANADIDI M Y,， WANG R， et al. TCP Westwood： congestion window control using bandwidth estimation[C]. Global Telecommunications Conference,， 2001. IEEE,， 2001：1698-1702.
[11] UCB/LBNL/VINT. Network simulator ns（version2） [EB/OL].（2010-12-19）[2014-11-10]. http：//www.isi.edu/nsnam/ns.