茹新宇1，劉淵2，陳偉2

　　（1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214151；2. 江南大學 數(shù)字媒體學院，江蘇 無錫 214122）

　　摘要：互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性和魯棒性離不開擁塞控制，然而目前TCP傳輸中廣泛使用的AIMD算法因窗口波動劇烈，致使丟包明顯、系統(tǒng)吞吐量及帶寬利用率偏低。為此提出了一種新的TCP擁塞窗口調(diào)整策略ACwnd。該策略依據(jù)RTT采樣值構(gòu)建正態(tài)分布函數(shù)式，動態(tài)更新下一擁塞窗口值，能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實時變化特點，具有不錯的響應(yīng)性。從數(shù)學角度對新策略的合理性與可行性進行了分析證明。NS3仿真結(jié)果表明新策略可有效穩(wěn)定窗口波動、增大發(fā)送速率、降低丟包率，同時對系統(tǒng)吞吐量及帶寬利用率的提高也有一定貢獻。

　　關(guān)鍵詞：擁塞窗口；策略；算法；機制；慢啟動門限閾值；NS3仿真

　　中圖分類號：TP393文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.022

　　引用格式：茹新宇，劉淵，陳偉.新TCP擁塞窗口調(diào)整策略［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（10）：77-80.

0引言

　　*基金項目：國家自然科學基金（61602213）；江蘇省自然科學基金（BK20151131）

　　1986年10月，因發(fā)生擁塞，LBL到UC Berkeley的吞吐量從32 kb/s 斷崖式下跌至40 b/s［1］，自此人們對擁塞控制展開了大量研究，先后提出了多種策略及算法，其中以TCP Tahoe和New Reno兩者影響較大。伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的到來，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型差異化、表現(xiàn)形式深入化，傳統(tǒng)的擁塞控制已略顯不足，原機制采用AIMD(Additive Increase Multiple Decrease)算法，易導致帶寬利用率低、流量波動大等［2］。而且根據(jù)接收端反饋信息判斷擁塞程度后采取相應(yīng)策略的方式具有一定的時間延遲，將導致源端不能及時準確地判斷擁塞狀況，加劇了網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。

　　由文獻［3］可知，無論有線還是無線網(wǎng)絡(luò)，往返延遲RTT（Round Trip Time）的變化能客觀反映當前網(wǎng)絡(luò)負載狀況，其變化適合作為擁塞反饋信息。為提升網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出一種新的TCP擁塞窗口調(diào)整策略，它基于RTT的正態(tài)分布統(tǒng)計模型［4］，依據(jù)其采樣值的變化特點判斷負載趨勢，運用正態(tài)分布概率函數(shù)，在擁塞避免(Congestion Avoidance)階段動態(tài)調(diào)整擁塞窗口值，改進了TCP擁塞控制的效果。

1擁塞控制的基本概念

　　1.1開環(huán)和閉環(huán)

　　由控制論觀點，擁塞控制可分為開環(huán)和閉環(huán)兩類。開環(huán)通過良好的設(shè)計規(guī)避問題出現(xiàn)，確保擁塞不發(fā)生，而閉環(huán)則建立在反饋環(huán)路上。閉環(huán)按反饋方式可分為顯式反饋和隱式反饋。顯式反饋由擁塞點將擁塞信號反饋給源端。而隱式反饋中，源端通過局部觀測推斷是否存在擁塞。對于互聯(lián)網(wǎng)這類復(fù)雜系統(tǒng)，閉環(huán)控制較合適。TCP擁塞控制采用基于窗口的端到端閉環(huán)控制，它通過反饋確認信號ACK來控制分組的發(fā)送。具體過程可分為擁塞檢測、信號反饋和窗口調(diào)整三個階段，其原理如圖1所示［5］。本文結(jié)合顯式反饋和隱式反饋之優(yōu)點，使用閉環(huán)控制實現(xiàn)擁塞窗口的動態(tài)調(diào)整。

　　1.2擁塞控制的四個階段

　　（1）慢啟動：cwnd<ssthresh，每一RTT cwnd(x)=2x；

　　（2）擁塞避免：cwnd≥ssthresh，每RTT cwnd=cwnd+1；

　　（3）快速重傳與恢復(fù)：收到三重復(fù)應(yīng)答(TD)ACK，重傳ACK指示數(shù)據(jù)包并重賦值，ssthresh=cwnd2，cwnd=ssthresh+3，而后繼續(xù)執(zhí)行步驟（2）；

　　（4）超時重傳：若重傳定時器RTO超時，源端再次進入慢啟動并重賦值，ssthresh=cwnd2，cwnd=1。

2新策略的基本思路與算法流程

　　2.1基本思路

　　據(jù)文獻［4］，在不同負載下，RTT采樣可被近似修正為正態(tài)分布。據(jù)此設(shè)想用當前窗口的RTT樣本值作為網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的反饋信號，預(yù)估即將發(fā)生的擁塞，從而達到主動調(diào)整擁塞窗口的目的。

　　新策略的基本思路為：當系統(tǒng)進入擁塞避免階段后，由樣本值構(gòu)建正態(tài)分布密度函數(shù)φ(x)，同時計算出μ±3σ作為后續(xù)運算上下限。積分求得正態(tài)分布函數(shù)F(x)值后代入新算法，即可預(yù)估下一擁塞窗口值。依次重復(fù)上述步驟，即可實現(xiàn)發(fā)送窗口的動態(tài)更新。

　　慢啟動及快速重傳與恢復(fù)階段后繼續(xù)執(zhí)行上述新算

　　法。超時重傳雖是小概率事件，但此時RTT較大，判斷為擁塞嚴重，立即執(zhí)行原超時重傳程序，直至再次進入擁塞避免階段后仍執(zhí)行上述新算法。

　　2.2算法流程

　　新TCP擁塞窗口調(diào)整策略的具體算法流程如圖2所示。

3新策略的具體實現(xiàn)與性能分析

　　3.1具體實現(xiàn)

　　設(shè)RTT=x，x∈(0,+∞)。進入擁塞避免階段后，以新算法取代原AIMD，具體實現(xiàn)細節(jié)如下：

　　（1）依據(jù)采樣值，計算樣本均值μ和樣本均方差σ：μ=1n·∑ni=1xi，σ=1n－1∑ni=1(xi－μ)2，(μ>3σ)；

　　（2）由μ和σ計算正態(tài)分布密度函數(shù)φ(x)，表達式為：φ(x)=12πσe－(x－μ)22σ2（即確定密度函數(shù)φ(x)的圖像位置及形狀）；

　　（3）據(jù)μ、σ和φ(x)積分求得正態(tài)分布函數(shù)F(x)，表達式為：F(x)=Φx－μσ=∫x0φ(t)dt≈∫μ+3σμ－3σφ(x)dx；

　　（4）由公式cwndn+1=cwndn·log21F(x)預(yù)估下一擁塞窗口值。

　　以上式中μ和σ為擁塞狀態(tài)因子，由RTT來調(diào)節(jié)，用以反映當前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。

　　3.2性能分析

　　3.2.1算法分析

　　（1）當x=μ時，F(xiàn)(x)=Φx－μσ=Φ(0)=0.5，log21F(x)=1,cwndn+1=cwndn·log21F(x)=cwndn，表示當前的RTT值與本次窗口的樣本均值完全相同，預(yù)估擁塞程度不變，無需調(diào)整擁塞窗口值；

　　（2）當x<μ時，F(xiàn)(x)=Φx－μσ<Φ(0)=0.5，log21F(x)>1，cwndn+1=cwndn·log21F(x)>cwndn，表示當前的RTT值比本次窗口的樣本均值有所減小，預(yù)估擁塞程度可能緩解了，可謹慎地適當增大擁塞窗口值；

　　(3）當x>μ時，F(xiàn)(x)=Φx－μσ>Φ(0)=0.5，log21F(x)<1,

　　cwndn+1=cwndn·log21F(x)<cwndn，表示當前的RTT值比本次窗口的樣本均值有所增大，預(yù)估擁塞程度可能加劇了，應(yīng)適度地嘗試減小擁塞窗口值。

　　綜上所述，x越小意味著此刻網(wǎng)絡(luò)越順暢，資源越空閑，為增加系統(tǒng)吞吐量、提高帶寬的有效利用率，可適當?shù)丶哟髶砣翱谥担岣邤?shù)據(jù)發(fā)送速率。反之，x越大則意味著網(wǎng)絡(luò)越遲滯，此刻發(fā)生擁塞的概率劇增，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，有必要嘗試減小擁塞窗口值，合理控制數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

　　3.2.2區(qū)間分析

　　當一分布服從正態(tài)分布規(guī)律時，根據(jù)分布函數(shù)性質(zhì)，對總體N(μ,σ2)在區(qū)間(－∞,+∞)取值概率查表知：

　　∵F(μ+σ)=Φμ+σ－μσ=Φ(1)=0.841 3

　　F(μ－σ)=Φ(μ－σ－μσ)=Φ(－1)=1－Φ(1)=1－0.841 3=0.158 7

　　∴F(μ－σ， μ+σ)=F(μ+σ)－F(μ－σ)

　　=0.841 3－0.158 7=0.682 6

　　同理可得：

　　F(μ－2σ，μ+2σ)=F(μ+2σ)－F(μ－2σ)=0.954 4

　　F(μ－3σ，μ+3σ)=F(μ+3σ)－F(μ－3σ)=0.997 4

　　往返延遲RTT分布區(qū)間的頻數(shù)如圖3所示。故在區(qū)間［μ－σ,μ+σ］、［μ－2σ,μ+2σ］和［μ－3σ,μ+3σ］內(nèi)取值的概率分別為68.26%、95.44%和99.74%。RTT采樣值落在(－∞,μ－3σ)∪(μ+3σ,+∞)區(qū)間內(nèi)是小概率事件，而它出現(xiàn)在［μ－3σ,μ+3σ］之間概率極大。因此研究樣本在［μ－3σ,μ+3σ］內(nèi)的正態(tài)分布情況是合理的，新算法的積分區(qū)間選擇［μ－3σ,μ+3σ］具有可行性。

4仿真與驗證

　　本文采用NS3.24［6］網(wǎng)絡(luò)仿真器，在Ubuntu16.04平臺下搭建了一高度可調(diào)節(jié)、可多次使用的實驗環(huán)境，用以驗證新策略的有效性。拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，S1~Sn、D1~Dn分別為發(fā)送端和接收端，接入帶寬6 Mb/s，延時4 ms，瓶頸鏈路帶寬為1.5 Mb/s，延時60 ms，門限閾值取系統(tǒng)推薦值64 KB。另設(shè)節(jié)點緩存為50個分組，源端以每分組1 KB大小連續(xù)發(fā)送10 Mb/s FTP單向數(shù)據(jù)流，路由R1、R2則采用FIFO隊列管理算法。這里從不同時間段的多組擁塞窗口值、丟包率、吞吐量及鏈路帶寬四個方面，采用圖表形式分別對新ACwnd、原New Reno及TCP Tahoe三種策略進行實驗比對，具體討論如下。

　　如表1所示，從擁塞避免階段開始，新策略由返回的RTT樣本值建立正態(tài)分布統(tǒng)計概型，計算得到正態(tài)分布函數(shù)值，據(jù)此主動預(yù)估下一擁塞窗口開啟值。故其具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力，并極大地減輕了原AIMD算法的窗口抖動“癥狀”，改善和平滑了突發(fā)流量沖擊，使數(shù)據(jù)包可平緩“適度”地進入網(wǎng)絡(luò)，也間接提升了TCP流整個生命期的擁塞窗口平均值，可同時實現(xiàn)更多的服務(wù)類型與更好的服務(wù)質(zhì)量。

　　從圖5可明顯看出，由于新策略的擁塞窗口均值較大，有效地緩解了異常流量波動，其丟包率理應(yīng)降低，這點也符合公式p=0.76w2［7］（其中p為平均丟包率，w為平均擁塞窗口值）。

　　圖5不同策略下，丟包數(shù)隨發(fā)送量變化比較

　　新策略通過提前預(yù)估并合理開啟發(fā)送窗口值，使源端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率基本滿足系統(tǒng)可用資源，從而有效減少了不必要的丟包，平緩了窗口速率抖動。限制“適度”的流量進入網(wǎng)絡(luò)，避免了不必要的分組丟失及“盲目”重傳。由圖5可見，隨著源端發(fā)送數(shù)據(jù)包的增加，ACwnd的丟包數(shù)略少于原New Reno和TCP Tahoe。新策略丟包率更低，比原策略優(yōu)化明顯。可見新策略對丟包率的降低也起了積極作用。

　　表2顯示，采樣初期，新策略ACwnd吞吐量穩(wěn)步上升且波動不大，并最終趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)略好于原New Reno策略。而TCP Tahoe則在吞吐量方面劣勢明顯，且抖動頻繁。可見新策略還對系統(tǒng)吞吐量的提高與穩(wěn)定也有一定貢獻。

　　不同策略下，帶寬大小比較如圖6所示。

　　從圖6可看出，新策略的鏈路帶寬增長明顯。這歸咎于新算法具有較大的發(fā)送窗口，較低的丟包率，使得丟包或超時重傳明顯減少，鏈路帶寬被充分利用，故新策略有效提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。不同時間段不同策略下，鏈路帶寬值的比較見表3。

　　由于新策略ACwnd在帶寬資源的分配處理上遠優(yōu)于New Reno，也略高于TCP Tahoe，故其可滿足更多的服務(wù)作業(yè)需求，實現(xiàn)共享網(wǎng)絡(luò)資源的目的。

　　綜上所述，新策略在擁塞窗口平均值、丟包率、系統(tǒng)吞吐量及帶寬利用率四個方面對系統(tǒng)性能均有一定程度的改善，圖表數(shù)據(jù)也表明新策略效果明顯優(yōu)于原策略，能較好地實現(xiàn)高效穩(wěn)定的擁塞避免過程。

　　5結(jié)論

　　本文針對目前TCP協(xié)議中廣泛使用的AIMD算法的缺陷，提出了一種新的TCP擁塞窗口調(diào)整策略ACwnd。新策略依據(jù)RTT正態(tài)分布特性構(gòu)建函數(shù)關(guān)系式，并主動預(yù)測下一擁塞窗口值，可實現(xiàn)發(fā)送速率的自動更新，具有不錯的實時響應(yīng)性。文中還通過數(shù)學方式證明了新策略的可行性與合理性。文末的NS3仿真也驗證了新策略可有效增加擁塞窗口平均值、減少丟包率，對系統(tǒng)吞吐量及帶寬利用率也有一定貢獻。但該策略對于無線傳輸中的誤碼及信道衰減丟包適應(yīng)性較差，系統(tǒng)吞吐量和帶寬利用率下降明顯。因此后期將增加丟包區(qū)分策略，使之具有更好的適應(yīng)性，以期進一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

參考文獻

　　［1］ JACOBSON V. Congestion avoidance and control［J］. ACM Computer Communication Review, 1988,18(4):314-329.

　　［2］ CHIU D M，JAIN R. Analysis of the increase and decrease algorithms for congestion avoidance in computer networks［J］. Computer Networks and ISDN Systems,1989,17(1):1-14.

　　［3］ 趙偉豐．基于RTT的端到端網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究［D］.天津:天津大學,2014.

　　［4］ ELTETO T, MOLNAR S．On the distribution of roundtrip delays in TCP/IP networks［C］.Proceedings of the 24th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks, 1999:102-105.

　　［5］ 李學淵.基于TCP/IP擁塞控制的算法研究［J］. 艦船電子工程，2005,25(6):88-89.

　　［6］ 張登銀，張保峰．新型網(wǎng)絡(luò)模擬器NS-3研究［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展,2009,19(11):80-84.

　　［7］ MORRIS R. Scalable TCP congestion control［J］.Proceedings of IEEE INFOCOM 2000, IEEE Computer Society, 1970,3(5):1176-1183.