摘 要： 無線網絡存在高誤碼率、帶寬變化大等特點，針對丟包類型多樣化、擁塞控制中參數設置既盲目又單一化等問題，提出了一種TCP Westwood（簡稱TCPW）的改進算法TCP-NW，該算法根據網絡中帶寬的利用率來區分丟包類型并細化擁塞情況，并據此對CWND（擁塞窗口）和SSTHRESH（慢啟動門限值）值進行調整。仿真實驗表明，TCP-NW算法在網絡時延、抖動、吞吐量等方面表現穩定，對于無線網絡TCP的傳輸性能有較大的改善。
關鍵詞： 無線網絡；帶寬估計；擁塞控制；網絡仿真
0 引言
隨著網絡技術飛速發展，網絡中信息量急劇增長，擁塞的問題也日趨嚴重，網絡出現擁塞時，如果處理不當，網絡通信就會嚴重受阻，使網絡處于一種接近癱瘓的狀態。作為網絡廣泛使用的傳輸協議TCP為網絡中的用戶提供了可信和健壯的端到端網絡數據通信服務，同時該協議一直備受大多數學者的關注，并取得了很多研究成果。如參考文獻[1]中提出了一種無線傳感器網絡中基于跨層優化的擁塞控制算法；參考文獻[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[3]中提出了一種高性能的TCP友好擁塞控制算法；參考文獻[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[5]中提出一種基于雙包探測技術的TCP Westwood算法；參考文獻[6]提出一種基于非線性窗口增長的TCPW改進算法；參考文獻[7]中提出了一種Mesh網絡中基于區分服務的擁塞控制機制。這些算法都對TCP的擁塞控制機制從不同的方面作出了改進，但如何使得TCP協議更好地適應無線網絡環境特性，依然是一個重要的研究課題。
TCPW協議是針對無線特點而設計的，相對于TCP Reno表現出了更好的性能。但是在無線網絡環境中TCPW協議無法區分丟包類型，即擁塞丟包和無線丟包（在網絡沒有出現擁塞時，也會出現丟包的現象，這時丟包原因往往由外界環境因素引起，使得網絡本身傳輸信道的信號衰弱或干擾，把這種數據包丟失稱為無線丟包），而且在擁塞處理中，參數的調整沒有區分擁塞程度而作統一的處理，這些問題導致網絡性能受到影響。本文根據TCPW協議存在的不足，提出了一種基于TCP的改進算法TCP-NW，算法通過測算網絡中帶寬及帶寬利用率，根據帶寬利用率來區分丟包類型并細化擁塞的不同場景，并據此對CWND和SSTHRESH值進行調整。仿真實驗表明該算法在一定程度上可以區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絡提出的一種擁塞控制算法，是在TCP Reno版本上改進而得，在一定程度上提高了網絡出現丟包時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”四個部分組成。
TCPW算法主要通過實時測量來估算網絡中的帶寬值，并利用帶寬估計值來調整CWND和SSTHRESH值以達到擁塞控制的目的。基本流程是，通過持續不斷地監測TCP目的端返回的ACK速率，從而計算出單位時間內TCP發送端發送的分組數目和數據包大小，計算出網絡中的帶寬估計值[9-10]。當出現擁塞收到3個重復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 是數據包的大小，min_rtt_estimate是測量中的最小RTT。
在收到3個重復ACK時，CWND值設置為SSTHRESH的當前值，而超時的情況下，CWND值設置為1。
TCPW算法的不足之處主要有以下幾個方面：
（1）TCPW算法無法區分丟包類型。當網絡中出現丟包時，TCPW算法都會按照擁塞丟包來處理，而不區分是無線丟包還是擁塞丟包。
（2）TCPW算法在處理丟包時具有盲目性且單一。主要體現在CWND和SSTHRESH值的調整上，在出現丟包時，不管丟包原因也不分擁塞程度，單純減小窗口值，降低數據的發送速率，這種處理會使得網絡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，提出了一種改進算法TCP-NW，TCP-NW算法的步驟如下：
（1）計算網絡帶寬估計值
通過TCPW協議中的帶寬估計算法實時計算網絡中的帶寬估計值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。
（2）計算網絡帶寬利用率
根據（1）中計算出的current_bwe和bwe_max的值，計算出網絡中的帶寬利用率。計算公式如式（2）所示：
其中，current_bwe為當前帶寬估計值，bwe_max為當前帶寬估計值中的最大值，α∈（0，1]。
由于網絡中帶寬利用率較低時，網絡擁塞的可能性較小，如果網絡中此時出現了數據丟包，則認定為出現了無線丟包。此算法中α∈（0，1/4]時，認定為無線丟包。
（3）分別對不同情況下的丟包作出相應處理
當在無線網絡出現數據丟包時，根據計算出的網絡帶寬利用率來調整CWND和SSTHRESH值的大小。由于在網絡環境下丟包的原因主要有三個重復的ACK和超時，因此兩種情況下的調整如下：
①收到三個重復ACK
當出現無線丟包時（此時網絡并沒有發生擁塞），如果按照式（1）計算，SSTHRESH值會過度減小，CWND進而減小，從而降低了數據發送速率，浪費網絡帶寬，改進后的重新計算公式如式（3）所示：
其中，α為當前網絡的帶寬利用率，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值進行細化，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TCP發送端每發送一個報文時，為了防止數據包丟失，TCP發送端會啟動一個重傳計時器，如果發送端發送的數據包在計時器超時前沒有收到該數據包的確認ACK，就會重傳該數據報，而此時出現網絡擁塞的程度要比收到3個重復ACK時嚴重，不論α如何取值，此時統一設置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算法的仿真實驗結果分析
3.1 仿真實驗環境
仿真網絡的拓撲結構如圖1所示。節點N0、N1為TCP發送端，節點R0、R1為中間路由節點，節點N2、N3為TCP接收端。節點N0到R0之間、節點N1到R0之間、節點R1到N2和節點R1到N3之間建立延時為3 ms、帶寬為10 Mb/s的雙向鏈路。在節點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。節點N0向節點N2發送數據，節點N1向節點N3發送數據，節點N0和節點N2之間建立TCP背景業務，數據通信業務為FTP數據流，數據包大小為 1 000 packets。仿真實驗在仿真模擬工具NS2（Network Simulator Version2）下進行，NS2的版本為NS2.35[11]。
3.2 仿真實驗結果分析
實驗主要從端到端時延、抖動、吞吐量以及不同鏈路丟包率下平均吞吐量4個方面進行實驗結果的對比。各個對比實驗圖如圖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三種算法下的網絡抖動的變化值。從圖中可以看出TCP-NW算法下的抖動值變化幅度更加平滑，證明了網絡的穩定性。
圖4中throughput-Reno、throughput-Westwood、throughput-NW分別為TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW 算法下得到的系統吞吐的大小。通過仿真實驗結果可以看出，TCP-NW算法下的系統吞吐量最大。
為了更好地驗證TCP-NW算法對于丟包類型的區分，分別在不同鏈路誤碼率實驗環境下對TCP Reno、TCP Westwood、TCP-NW三種算法進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分出無線丟包和擁塞丟包。
綜合仿真實驗結果表明，本文改進的TCP-NW算法能有效地改善無線網絡環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分無線丟包和擁塞丟包。在發生無線丟包時，不至于過多減小發送速率，從而更加充分利用網絡帶寬，很大程度上提高TCP的傳輸性能。
4 結論
本文針對TCPW算法在無線網絡環境中存在的不足之處，提出了一種改進的TCP-NW擁塞控制算法。通過實時計算網絡中的可用帶寬，根據帶寬的變化來區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值進行調整。通過仿真實驗表明，與TCPW相比，TCP-NW算法在端到端時延、抖動性、系統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。
參考文獻
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