TCP拥塞控制研究 硕士论文

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1、TCP 拥塞控制研究拥塞控制研究摘要：摘要：拥塞控制已成为确保Internet稳定性、鲁棒性的关键因素。由于TCP协议 总是认为丢包是网络拥塞所造成的，使得其在高误码率的无线信道中性能下降 较大。提出一种无线网络中TCP的拥塞控制算法。应用该算法，源节点能够在发 生拥塞时迅速降低发送速率，以缓解拥塞；也能在无线信道丢包时，迅速重传， 避免网络资源浪费。仿真结果表明，该算法能够较好地适应无线环境，使TCP的 性能提高大约5一18。针对目前TCP拥塞控制机制中存在的实际问题，提出 了一种新的拥塞控制机制，包括COS-Slow-Start和A-AIMD两种改进策略。NS2 仿真实验结果表明，该机制能

2、有效地减少分组的丢失、平缓突发流量的冲击， 并可增加带宽的有效利用率。 关键词：关键词：TCP拥塞控制 慢启动 拥塞窗口 门限阈值 往返延迟时间 超时重传 NS2仿真 无线TCP 拥塞控制算法 吞吐量 丢包率TCPTCP congestioncongestion controlcontrol researchresearchAbstractAbstract：The congestion control is a most important protocol which improves the internet S stability and robustness. A new conges

3、tion control algorithm for TCP in wireless network is proposed In this algorithm，the source can reduce its sending rate when congestion occurs， and quickly retransmit when packets drop due to wireless channe1Simulation results show that the algorithm works well in wireless environmentand the perform

4、ance of TCP is improved by from 5 to 18The current standard TCP congestion control mechanism an d its actual problem are investigated A new variant congestion control scheme comprehends COSSlowStart and A-AIMD are presented。Finally,NS2 simulation results show that it can significantly reduce both pa

5、cket losses and traffic burstiness，and increase the bandwidth utilization ratio. TCP performs poorly in high bit error rate wireless channel because of the assumption that packets loss is always a sign of congestion KeyKey wordswords：TCP congestion control；slow-start；cwnd；ssthresh；round- trip time(R

6、TT)；retransmission timeout(RTO)；NS2 simulation；WTCP；algorithm； Throughput；Packets；drop；rat0 0 引言引言随着Internet迅速发展，网络在过去几十年里经历了爆炸式的增长。由于资 源容量和处理能力有限，使得拥塞问题日益严重，拥塞现象已成为制约网络发 展的瓶颈。1986年lO月，由于拥塞崩溃的发生，美国LBL到UC Berkeley的数据 吞吐量从32 Kbps跌落到4O bps。为了保证Internet稳定发展，人们对拥塞控 制展开了大量的研究，先后提出了多种算法。最初由VJacobson提出的TCP

7、ahoe 采用了“慢启动”和“拥塞避免”机制。TCP Reno在此基础上增加了“快 速重传”和“快速恢复”。TCP NewReno则是对Reno中“快速恢复”算法的有效 补充。TCP SAcK使用了“选择性重复”策略，通过动态应答反馈给发送端一份完整的信息来确定分组丢失，这也仅在一定程度上解决了多个分组的丢失问题。 TCP Vegas虽然在分组丢失前对路由进行检测，测到即将发生的丢包就线性降低 速率，从而限制窗口的指数增长，但仍无法避免一个窗口中多个分组的丢失， 并在一定程度上降低了网络性能。随着通信网络技术的发展，无线通信和移动 计算的需求在持续地增长，无线网络在未来因特网中无疑将扮演极为重

8、要的角 色。无线局域网、蓝牙、移动通信、Adhoc网络等无线网络技术极大地推动着 无线和移动因特网技术的发展。但是无线网络呈现的特性使得传统传输控制协 议TCP由于设计本身的局限，无法良好地服务无线网络，改进传统的TCP以适应 无线网络环境便成为国际上的一个研究热点。 目前的TCP拥塞控制大多采用和式增加积式减少 Additive Increase Multiplicative Decrease(AIMD)算法，其主要优点是能快速地获得网络中的可 用资源。而当网络拥塞程度加剧时，又能急剧降低数据发送速率，迅速减轻网 络拥塞。但也正因为如此，致使其窗口速率波动较大，资源利用率不高(通常只 有75

9、左右)。针对上述现象，本文首先分析了现有的拥塞控制机制及出现的问 题，然后提出了一种新的拥塞控制机制(包括COSSlowStart和AAIMD两种 改进策略)。最后通过网络仿真软件NS2对新策略进行了仿真。实验结果表明它 能有效地改善网络性能。传统TCP把所有的分组丢失简单归因于网络拥塞策略的 盲目性，严重恶化了无线环境中TCP的性能。无线链路的特性主要表现在很高的 链路误码率、有限的带宽、较大的时延和时延抖动、终端的移动性、能源消耗 约束等方面。要实现理想的控制策略，一方面在可能的前提下要尽量减少误码 丢包、避免重传；另一方面要能区分无线误码造成的数据丢失和网络拥塞造成 的数据丢失，采取不同

10、的控制策略。目前，关于无线TCP拥塞控制算法的成果有 很多，如文献13。它们虽然提高TCP的性能，但大多引入了接收方、基站或 者数据链路层的反馈，增加了实现的复杂度。本文提出的TCP拥塞控制算法较为 简单，由于是在TCP Reno上作的改进，故称之为Modified Reno(简称MReno)。 NS一2仿真表明：MReno能够较好地适应无线环境，提高TCP的性能。1 1 现有的拥塞控制机制现有的拥塞控制机制据统计，由于本地缓存溢出Internet网关会丢弃约10的数据包，而互联 网中95 以上的数据流量是通过TCP传送的0 。为了保证Internet的稳定性， TCP拥塞控制采用了较保守的A

11、IMD算法，它可分以下4个步骤(如图1所示 ，其中 MSS为最大分组长度)： 当拥塞窗口(cwnd)小于门限阈值(ssthresh)时，采用 慢启动机制来获得网络可用带宽。收到每个应答包后，cwnd=cwnd+1； 当 cwnd大于ssthresh时，进入拥塞避免状态，并尽可能地重新探测网络可用带宽。 收到每个应答包后，cwnd=cwnd+lcwnd； 当收到三组重复应答返回报文 ACK时，采用快速重传机制重发ACK指示的数据包，并利用快速恢复机制对cwnd 和ssthmsh重新赋值，避免进入慢启动阶段，ssthresh=cwnd2； 当重传定时 器retransmission timeout

12、(RTO) 超时时，不得不再次进入慢启动阶段。这种基于窗口的端到端拥塞控制机制对temet上大批量文件传输等尽量做 好型服务具有较好的适应性，但在现代网络高带宽低延迟的环境下，它已被证 明是极其低效的。一个典型的例子脚：有一条72 Gbps的链路，设I 是100 ms，TCP数据包大小是1500byte，TCP流的发送窗口峰值可达80000。当一次分组 丢失后，发送窗口减半，那么发送端需要40 000个I 时间来恢复到它丢失前的 发送速率，约需要近70分钟时间。这意味着链路将在相当长的一段时间得不到 充分利用。 速率增长过慢减少过快是AIMD的主要问题。针对以上问题，研究人员尝试性地 提出了一

13、些新的TCP改进算法，典型的有Scalable-TCP，HighSpeed-TCPFAST- TCPt6 等，但各具优势。2 2 新的拥塞控制机制新的拥塞控制机制有统计表明，“慢启动”对短生命期连接较重要，而“拥塞避免”对长生命 期连接更重要。为了有效地提高短生命期连接的传送效率并改善长生命期连接 的启动和丢包重发过程，本文分别从慢启动和AIMD两个方面对原有的拥塞控制 机制 进行改进。 21 COS-Slow-Start 首先，我们提出一种基于余弦函数的新的慢启动策略：COS-Slow-Start。定 义拥塞窗口cwnd从1个分组开始，以余弦函数的增长方式来逐步执行慢启动过程 (如图2所示)

14、。为了便于分析，我们以ssthresh2为界，把慢启动分成前后两 个半程，并假设慢启动阶段所有分组在往返延迟时间I内都正确返回应答报(ACK)， 所有RTT均相等。由图2可以看出，由于原TCP慢启动拥塞窗口cwnd从1开始以2的 指数幂增长方式来探测网络可用带宽。cwndJ达门限阏值ssthresh将耗费多个 往返延迟时间RTT，使得发送窗口远小于路径带宽延迟乘积，这样短生命期连接 的可用带宽利用率较低。同时，由于拥塞窗口按指数增长，后半程 (cwndssthresh2)递增太快，这在一定程度上增加了丢包风险。而瞬间发送 过多的分组，往往导致瓶颈链路阻塞严重，引发多个分组丢弃。接着超时重传的拥

15、塞退避机制可能导致网络的全局同步，引起整个网络的流量负载和排队延 迟的抖动，使得TCP性能大幅下降。而采用了新的慢启动算法COS-Slow-Start后，前半程(cwndtr时，采用上述所提出的改进后的慢启动算法，见上文表达式)； 当 ssthresh-cwnda时(如图2所示)，则采用标准的TCP拥塞避免算法， cwnd=cwnd+1/cwnd.a为调节因子。理论上d取值越小，cwnd上升曲线由慢启动过 渡到拥塞避免阶段越平稳。但仃过小会使得cwnd上升曲线在慢启动阶段末端过 于平缓(因cwnd曲线斜率为0)，反而影响到向拥塞避免阶段的平稳过渡。经实验 我们取a=2。 22 A-AMID根据

16、文献】引入一种可调参数的AIMD(a，b)算法A-AIMD，当a、b取不同值时可得到不同的拥塞控制机制。显然若取较小的加性因子am乘性因子b时，可 大幅度降低窗口发送速率的波动，充分利用网络资源(如a=15，b=18时，资 源利用率可达9375)。然而较小的a、b却难以快速获得网络可用资源，且当 拥塞程度加剧时，与原TCP相比，窗口的发送速率下降较慢，不能迅速缓解拥塞。 基于上述原因，我们把整个AIMD分成暂时态S1和稳定态S2，设： 条件1 当窗口速率的波动w 时，系统转至暂时态S1； 条件2 当窗口速率的波动w时，系统转至稳定态S2。 Aw为窗口发送速率的波动量，6为状态迁移门限因子。 由图3可知， 整个拥塞控制机制有3种工作状态： 基于COSSlowStart的慢 启动态S0，基于AIMD(al，b1)的暂时态S1和基于AIMD(a2，b2)的稳定态 S2。a1b1以及a2，b2的选取满足条件：口=3b(