摘  要： 無線網(wǎng)絡(luò)存在高誤碼率,、帶寬變化大等特點(diǎn)，針對丟包類型多樣化,、擁塞控制中參數(shù)設(shè)置既盲目又單一化等問題,，提出了一種TCP Westwood（簡稱TCPW）的改進(jìn)算法TCP-NW，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中帶寬的利用率來區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞情況,，并據(jù)此對CWND（擁塞窗口）和SSTHRESH（慢啟動門限值）值進(jìn)行調(diào)整,。仿真實(shí)驗(yàn)表明，TCP-NW算法在網(wǎng)絡(luò)時延,、抖動,、吞吐量等方面表現(xiàn)穩(wěn)定，對于無線網(wǎng)絡(luò)TCP的傳輸性能有較大的改善,。

　　關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò),；帶寬估計；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,，擁塞的問題也日趨嚴(yán)重,，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，如果處理不當(dāng),，網(wǎng)絡(luò)通信就會嚴(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)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特性,，依然是一個重要的研究課題。

　　TCPW協(xié)議是針對無線特點(diǎn)而設(shè)計的,，相對于TCP Reno表現(xiàn)出了更好的性能,。但是在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中TCPW協(xié)議無法區(qū)分丟包類型，即擁塞丟包和無線丟包（在網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞時,，也會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象,，這時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衰弱或干擾,，把這種數(shù)據(jù)包丟失稱為無線丟包）,，而且在擁塞處理中，參數(shù)的調(diào)整沒有區(qū)分擁塞程度而作統(tǒng)一的處理,，這些問題導(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,，算法通過測算網(wǎng)絡(luò)中帶寬及帶寬利用率,，根據(jù)帶寬利用率來區(qū)分丟包類型并細(xì)化擁塞的不同場景，并據(jù)此對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算法是專門針對無線網(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TCP的傳輸性能[8]。TCPW也是由“慢啟動”,、“擁塞避免”,、“快速重傳”和“快速恢復(fù)”四個部分組成。

　　TCPW算法主要通過實(shí)時測量來估算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬值,，并利用帶寬估計值來調(diào)整CWND和SSTHRESH值以達(dá)到擁塞控制的目的,?；玖鞒淌牵ㄟ^持續(xù)不斷地監(jiān)測TCP目的端返回的ACK速率,，從而計算出單位時間內(nèi)TCP發(fā)送端發(fā)送的分組數(shù)目和數(shù)據(jù)包大小,，計算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計值[9-10]。當(dāng)出現(xiàn)擁塞收到3個重復(fù)ACK或RTO超時時,，SSTHRESH和CWND的賦值如下：

　　其中cuurent_bwe是帶寬估計值,，size 是數(shù)據(jù)包的大小，min_rtt_estimate是測量中的最小RTT,。

　　在收到3個重復(fù)ACK時,，CWND值設(shè)置為SSTHRESH的當(dāng)前值，而超時的情況下,，CWND值設(shè)置為1,。

　　TCPW算法的不足之處主要有以下幾個方面：

　　（1）TCPW算法無法區(qū)分丟包類型,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包時,，TCPW算法都會按照擁塞丟包來處理，而不區(qū)分是無線丟包還是擁塞丟包,。

　?。?）TCPW算法在處理丟包時具有盲目性且單一。主要體現(xiàn)在CWND和SSTHRESH值的調(diào)整上,，在出現(xiàn)丟包時,，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：

　　（1）計算網(wǎng)絡(luò)帶寬估計值

　　通過TCPW協(xié)議中的帶寬估計算法實(shí)時計算網(wǎng)絡(luò)中的帶寬估計值current_bwe,，引入一個變量bwe_max,，用于保存此過程中的current_bwe的最大值。

　?。?）計算網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率

　　根據(jù)（1）中計算出的current_bwe和bwe_max的值,，計算出網(wǎng)絡(luò)中的帶寬利用率。計算公式如式（2）所示：

　　其中,，current_bwe為當(dāng)前帶寬估計值,，bwe_max為當(dāng)前帶寬估計值中的最大值，α∈（0，1],。

　　由于網(wǎng)絡(luò)中帶寬利用率較低時，網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性較小,，如果網(wǎng)絡(luò)中此時出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包,，則認(rèn)定為出現(xiàn)了無線丟包。此算法中α∈（0,，1/4]時,，認(rèn)定為無線丟包。

　?。?）分別對不同情況下的丟包作出相應(yīng)處理

　　當(dāng)在無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包時,，根據(jù)計算出的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率來調(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重復(fù)的ACK和超時,，因此兩種情況下的調(diào)整如下：

　?、偈盏饺齻€重復(fù)ACK

　　當(dāng)出現(xiàn)無線丟包時（此時網(wǎng)絡(luò)并沒有發(fā)生擁塞），如果按照式（1）計算,，SSTHRESH值會過度減小,，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,，計算公式如式（2）,。

　　式（3）雖然避免了在帶寬利用率較低時將SSTHRESH值過度減小的問題，但是在帶寬利用率較高時,，依然存在此問題,。為了解決此問題，將α值進(jìn)行細(xì)化,，重新計算公式如式（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,；

　　}}

　　②RTO（重傳計時器）超時

　　當(dāng)TCP發(fā)送端每發(fā)送一個報文時,，為了防止數(shù)據(jù)包丟失,，TCP發(fā)送端會啟動一個重傳計時器，如果發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包在計時器超時前沒有收到該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)ACK,，就會重傳該數(shù)據(jù)報,，而此時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度要比收到3個重復(fù)ACK時嚴(yán)重，不論α如何取值,，此時統(tǒng)一設(shè)置CWND的值為1,，SSTHRESH值的計算公式如式（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TCP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TCP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)主要從端到端時延、抖動,、吞吐量以及不同鏈路丟包率下平均吞吐量4個方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比,。各個對比實(shí)驗(yàn)圖如圖2~圖4所示。

　　圖2中delay-TCPReno,、delay-TCPW,、delay-TCP-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood,、TCP-NW三種算法下時延大小的變化值,。從圖中可以看出TCP-NW算法下的時延值變化更加平滑，端到端的時延更小。

　　圖3中jitter-Reno,、delay-Westwood,、delay-TCP-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood,、TCP-NW三種算法下的網(wǎng)絡(luò)抖動的變化值,。從圖中可以看出TCP-NW算法下的抖動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TCP Reno,、TCP Westwood、TCP-NW 算法下得到的系統(tǒng)吞吐的大小,。通過仿真實(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TCP Reno,、TCP Westwood、TCP-NW三種算法進(jìn)行了平均吞吐量的對比,，如表1所示,。

　　表1中分別為TCP-Reno、TCPW,、TCP-NW算法在無線丟包率分別為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，并且隨著無線丟包率的升高,，TCP-NW平均吞吐量下降的程度最少,，說明了TCP-NW算法在一定程度上可以區(qū)分出無線丟包和擁塞丟包。

　　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線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中因無線丟包而過多減小CWND和SSTHRESH值的問題,，并可以在一定程度上區(qū)分無線丟包和擁塞丟包。在發(fā)生無線丟包時,，不至于過多減小發(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TCPW算法在無線網(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。通過實(shí)時計算網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬，根據(jù)帶寬的變化來區(qū)分不同的丟包類型以及在不同類型的丟包情況下對CWND和SSTHRESH值進(jìn)行調(diào)整,。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明,，與TCPW相比，TCP-NW算法在端到端時延,、抖動性,、系統(tǒng)吞吐量等方面性能都有提升，較大程度上提高了無線TCP的傳輸性能,。

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