摘  要： 互聯(lián)網業(yè)務的快速發(fā)展使得網絡擁塞日益嚴重,，因此如何減輕網絡擁塞也就成為當前研究的熱點。針對這一問題,，首先敘述了TCP擁塞控制的基本原理及其相關算法,；然后對擁塞控制算法進行了詳細分析并提出了自適應比例系數(shù)的新策略；最后對新策略進行NS2仿真,。仿真結果表明,，新方法提高了包投遞率，降低了端到端時延,。
關鍵詞： 擁塞控制,；自適應；NS2

    21世紀以來,，計算機網絡發(fā)生了突飛猛進的發(fā)展,，各種新業(yè)務在互聯(lián)網上的應用也越來越廣泛，這就給帶寬有限的網絡帶來了巨大的負擔,，從而引發(fā)了嚴重的網絡擁塞問題,。
    TCP是互聯(lián)網上應用極其廣泛的基于滑動窗口的擁塞控制協(xié)議。它使用了一種可靠的設計思路,，這種思路具有較為簡單,、擴展性強等特點。它能夠依據(jù)網絡的實際具體情況自動地調整擁塞窗口的大小,，使得TCP數(shù)據(jù)的發(fā)送能夠依據(jù)網絡的負擔自適應地變化,。但近年來，互聯(lián)網上的用戶越來越多,，業(yè)務量也隨之增加,，網絡擁塞問題亦越來越嚴重。因此,，人們對擁塞控制的研究重視程度亦越來越高,，先后提出了許多新的算法，如TCP Tahoe,、TCP Reno,、TCP New-Reno,、TCP sack、TCP Vegas[1],。這些算法著重研究了快重傳和快恢復機制,，而慢開始和擁塞避免并無過多涉及。但慢啟動和擁塞避免亦不能忽視,，因為這些策略的好壞對擁塞控制機制的影響同樣是巨大的,。針對該問題，本文提出了一種自適應比例系數(shù)的擁塞控制策略,。
1 TCP擁塞控制原理及相關算法
    互聯(lián)網擁塞控制主要由傳輸層完成,，它通過改變一些主要的參數(shù)來降低發(fā)送端數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。這些參數(shù)主要包括擁塞窗口cwnd(發(fā)送端一次最多發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個數(shù))和慢開始門限ssthresh(慢開始階段與擁塞避免階段的分界點),。
    早期的擁塞控制協(xié)議中,，發(fā)送端每發(fā)送一個報文就必須收到接收端返回的ACK后才能發(fā)送下一個報文。發(fā)送端在等待接收端發(fā)送ACK的期間內不發(fā)送任何報文,；當報文丟失時,，必須等到計時器超時后才能重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。顯然,，這種策略嚴重地浪費了網絡的帶寬,，網絡傳輸數(shù)據(jù)的效率極其低下。
    現(xiàn)在使用的擁塞控制協(xié)議采用了AMID[2]控制算法,，能夠達到較好的擁塞控制效果,，提高了網絡數(shù)據(jù)的傳輸效率，這種策略一般分為4個階段[3],，具體如下：

    （1）慢開始階段,。在TCP建立連接之初，如果發(fā)送方將cwnd設置為較大值,，發(fā)送方有可能將較大的數(shù)據(jù)字節(jié)全部注入到網絡中,，但此時并不清楚網絡的狀況，因此就有可能引起網絡擁塞,。經實際證明,，最好的方法是試探一下，即由小到大逐漸增大發(fā)送端的cwnd數(shù)值,。通常發(fā)送方在開始發(fā)送數(shù)據(jù)報文段時將cwnd設置為一個最大的MSS數(shù)值，發(fā)送方每接收到接收方發(fā)來的一個ACK,，就把cwnd增加一個值,，直到cwnd增加到ssthresh（慢開始門限值），此時進入擁塞避免階段,，采取擁塞避免算法,。在采取擁塞避免算法之前,，擁塞窗口cwnd的值以指數(shù)方式增長。
    （2）擁塞避免階段,。當cwnd值達到ssthresh（慢開始門限值）時,，此后進入擁塞避免階段，發(fā)送端的cwnd每經過一個RTT（往返時延）就增加一個MSS的大?。ǘ还茉跁r間RTT內收到了幾個接收端發(fā)送的ACK）,。這樣，發(fā)送端cwnd就不再像慢開始階段那樣進行指數(shù)增長 ,，而是按線性規(guī)律增長（稱為加法增大）,，這比慢開始算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。在沒有丟包之前,，該策略將一直持續(xù)下去,。當假定cwnd的數(shù)值增長到N（N=24）時，網絡出現(xiàn)超時（表明網絡擁塞了）,。ssthresh置為N/2(為發(fā)送窗口數(shù)值的一半,，這種算法稱為乘法減小)，cwnd重置為1,，并執(zhí)行慢開始算法,。當cwnd=12時改為執(zhí)行擁塞避免算法，擁塞窗口按線性規(guī)律增長,，每經過一個RTT就增加一個MSS的大小,。
    （3）快重傳階段。前面的慢開始和擁塞避免算法是在TCP早期使用的擁塞控制算法,，后來人們對其進行了改進,，因此就有了快重傳和快恢復。假設發(fā)送端發(fā)送了M1～M4這4個報文段,，當接收端收到M1和M2后,，就發(fā)出確認ACK2和ACK3。現(xiàn)假定M3丟失了,，接收端收到下一個M4,，發(fā)現(xiàn)其序號不對，但仍收下放在接收緩存中,，同時發(fā)出確認,，但發(fā)出的是重復的ACK3（不能發(fā)送ACK5，因為ACK5表示M4和M3都已經收到了）,。這樣發(fā)送端知道現(xiàn)在可能是網絡出現(xiàn)的擁塞造成了分組丟失或是M3仍滯留在網絡中某處,，還需經過較長的時延才能到達接收端。發(fā)送端接著發(fā)送M5和M6,，接收端收到了M5和M6后,，還要分別發(fā)出重復的ACK3,。這樣發(fā)送端共接收到了4個ACK3，其中3個是重復,。如果快重傳算法規(guī)定,，當發(fā)送端連續(xù)收到3個重復的ACK時即可斷定有分組丟失了，就應立即重傳丟失的報文而不必繼續(xù)等待為M3設置的重傳計時器超時,。由此可知,，快重傳并非取消重傳計時器，而是在某些情況下更早地重傳丟失的報文段,。
    （4）快恢復階段,。與快重傳配合使用的還有快恢復算法，當不使用快恢復算法時,，發(fā)送端若發(fā)現(xiàn)網絡出現(xiàn)擁塞就將擁塞窗口置為1,，然后執(zhí)行慢開始算法。但這樣做的缺點是網絡不能很快地恢復到正常狀態(tài),?？旎謴退惴梢暂^好地解決這一問題。當發(fā)送端連續(xù)接收到3個重復的ACK時,，就采用乘法減小設置ssthresh,，與慢開始不同的是cwnd設置為ssthresh+3×MSS，然后執(zhí)行擁塞避免算法,，這樣可以使網絡快速恢復到正常水平（與cwnd設置為1相比）,，大大地提高了網絡的吞吐量。
    TCP擁塞控制算法效果圖如圖1所示,。

2 乘法減小及其存在問題
    當假定cwnd的數(shù)值增長到N（N=24）時,，網絡出現(xiàn)超時（表明網絡擁塞了）。ssthresh置為N/2,，ssthresh的新數(shù)值為12,，這種算法稱為“乘法減小”。進一步說,，“乘法減小”是指不論在慢開始階段還是擁塞避免階段,，只要出現(xiàn)一次超時（即出現(xiàn)一次網絡擁塞），就將慢開始門限值ssthresh設置為當前的擁塞窗口值的1/2,。當網絡頻繁出現(xiàn)擁塞時,，ssthresh值就會下降得很快，以大大減少注入到網絡中的分組數(shù),。但是網絡擁塞極其頻繁時,，這種固定比例的減小策略就會存在問題，這種減小力度不夠大，仍會造成網絡十分擁堵,，甚至使得網絡發(fā)生崩潰；當網絡很少出現(xiàn)擁塞時,，這種固定的減小策略會使得注入網絡的分組數(shù)不夠多,，從而造成網絡帶寬得不到充分利用，造成網絡資源的浪費,。
3 一種新的變比例因子的乘法減小策略
    針對固定比例因子的“乘法減小”策略容易出現(xiàn)的一些問題,，本文提出了一種新的變比例因子的策略，其主要思路是在數(shù)據(jù)傳送初期設置4個參數(shù)：3個時間參數(shù)t1,、t2,、△t和比例因子p，依據(jù)3個時間參數(shù)的變化來動態(tài)調整比例因子p的大小,，從而使得比例因子p根據(jù)網絡的狀況自適應地變化,。
    具體思路：引入3個時間參數(shù)a、b,、c和p(0<p<1),。t1是上次超時的時間，t2是本次超時的時間,，△t是本次超時與上次超時的時間差,，p是減小比例系數(shù)并賦初值為0.5。當出現(xiàn)超時時,，比較t2-t1與△t的大小,，(1)若t2-t1<△t，判斷p是否小于0.2,，如果p<0.2,，則p的值大小不變，且將t2-t的值賦給△t,，將t2的值賦給t1,；否則將p-0.2的值賦給p，將t2-t的值賦給△t,，將t2的值賦給t1,；(2)若t2-t1≥△t，判斷p是否小于0.8,，如果p>0.8,，則p的值大小不變，將t2-t的值賦給△t,，t2的值賦給t1,，否則將p+0.2的值賦給p，t2-t的值賦給△t，且將t2的值賦給t1,。新策略的算法描述大致如下,。
t1=初值；
t2=初值,；
p=0.5 ,；
if(超時)
{
    t2=getcurrenttime();
    if(t2-t1>=△t)
      {
        if(p>0.8)
        {
            p=0.9;
            ssthresh=(int)p×cwnd；
            △t=t2-t1;
            t1=t2;
        }
        else
        {
            p+= 0.2,；
            ssthresh=(int)p×cwnd,；
            △t=t2-t1;
            t1=t2;
        }
    }
    else
    {
        if(p<0.2)
        {
            p=0.1；
            ssthresh=(int)p×cwnd,；
            △t=t2-t1;
            t1=t2;
        }
        else
        {
            p-=0.2,；
            ssthresh=(int)p×cwnd；
            △t=t2-t1;
            t1=t2;
        }
    }
}
    本文所提出的動態(tài)變化系數(shù)策略如上所述,，新策略可以根據(jù)網絡狀態(tài)的好壞動態(tài)地調整系數(shù)p的大小,。
4 仿真
4.1 仿真場景
    為了證明新策略的有效性，本文使用NS2[4]網絡仿真軟件對未改進的策略與改進后的策略進行了仿真對比,。本文使用的網絡拓撲圖如圖2所示,。
    圖2中，s1,、s2為發(fā)送端,，t1、t2為干路的路由器,，r1,、r2為接收端。在上面的拓撲圖中,，建立了兩條鏈路,，一條為s1將數(shù)據(jù)通過干路路由器轉發(fā)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到r1,；另一條為s2將數(shù)據(jù)通過干路路由器轉發(fā),，將數(shù)據(jù)發(fā)送到r2。兩條鏈路均采用基于TCP的FTP連接,，傳輸速率為10 Mb/s,，延遲為2 ms，分組大小為1 000 B,。干路路由器t1,、t2之間構成瓶頸鏈路，傳輸速率為1.5 Mb/s,，延遲為50 ms,。

4.2 仿真結果分析
    圖3,、圖4是新舊策略包到達率和端到端延時比較，可以看到,，新策略的到達率比原策略大,，這是因為新策略可以根據(jù)網絡狀態(tài)的好壞動態(tài)調整乘法比例因子。當網絡發(fā)生擁擠時,，新策略降低乘法因子,，減少數(shù)據(jù)包的發(fā)送，減小網絡負擔,，因此數(shù)據(jù)包到達的可能性提高，封包端到端時延減小,。

    本文闡述了擁塞控制原理及算法并對算法做出了一些改進,，提出了自適應比例因子乘法減小策略。通過NS2仿真分析可知,，這種策略明顯提高了網絡的性能,。
參考文獻
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