基于帶寬估計的TCPW改進算法

金林珠，庫流亨

(1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081；2.華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

TCP Westwood(TCPW)協(xié)議[1]是專門針對無線網(wǎng)絡應用環(huán)境而提出的傳輸控制協(xié)議，它是在TCP Reno協(xié)議的基礎上修改而來的。TCPW通過估算網(wǎng)絡的可用帶寬，對擁塞窗口(cwnd)和慢啟動閾值(ssthresh)進行優(yōu)化控制，在一定程度上改善了傳統(tǒng)TCP協(xié)議在發(fā)生數(shù)據(jù)丟包時所導致的網(wǎng)絡帶寬利用率下降的問題[2]。然而，TCPW算法無法區(qū)分網(wǎng)絡丟包的原因，在高誤碼率、頻繁移動的無線網(wǎng)絡環(huán)境下，往往會由于較多的無線丟包而頻繁調(diào)用網(wǎng)絡擁塞控制算法，降低了網(wǎng)絡帶寬利用率[3]。

本文提出一種基于TCPW協(xié)議的改進擁塞控制算法TCPW-J,該算法根據(jù)當前網(wǎng)絡的帶寬估計值的變化情況來推斷網(wǎng)絡丟包發(fā)生的最可能原因，使網(wǎng)絡控制協(xié)議能夠?qū)砣闆r作出更加準確的判斷，減少在不必要情況下調(diào)用網(wǎng)絡擁塞控制算法的次數(shù)。經(jīng)過分析和仿真實驗的驗證，表明TCPW-J能夠較為有效地判斷丟包的原因，提高了TCPW算法對網(wǎng)絡帶寬的利用率。

1 TCPW-J算法

1.1 設計思想

網(wǎng)絡擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡狀態(tài)，網(wǎng)絡擁塞會導致數(shù)據(jù)包丟失、時延增加、吞吐量下降等現(xiàn)象[4]。基于這些因素，在網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)下得到的帶寬估計值(BWE)比正常情況下的要小很多。另一方面，由于無線網(wǎng)絡誤碼率較高等原因而導致的數(shù)據(jù)丟包具有偶然性，并不影響往返時延(RTT)，因此發(fā)生無線丟包時，所計算出來的BWE值相對于正常情況下并不會產(chǎn)生較大變化。

基于以上事實和分析，提出的TCPW-J算法對BWE進行持續(xù)觀測，得到TCP連接在一段時間內(nèi)的BWE變化范圍，并劃分網(wǎng)絡擁塞情況等級。根據(jù)計算的網(wǎng)絡擁塞等級，推斷當前網(wǎng)絡的擁塞情況，并做出恰當?shù)恼{(diào)整。

1.2 算法實現(xiàn)

TCPW-J算法持續(xù)計算BWE并記錄其最大和最小值，得到BWE的變化范圍，即：

再根據(jù)最新的BWE估算值，得到當前網(wǎng)絡帶寬估計值與最大值之間的差值在變化范圍中所占的比率：

結(jié)合式(1)、式(2)，可以看出 A∈[0,1]表示了當前帶寬估計值與歷史變化情況相比的大小程度，間接地反映了網(wǎng)絡的擁塞情況。式(2)中的A越小，表明當前網(wǎng)絡帶寬已經(jīng)處于較好的情況，網(wǎng)絡擁塞的可能性較小或趨于穩(wěn)定；反之，A越大則表明網(wǎng)絡擁塞的可能性越大或程度越高。這里將A劃分成三個等級，其等級L越高則表明擁塞可能性越大。

根據(jù)上述劃分的擁塞等級范圍,對TCPW的擁塞控制算法進行改進。

新的擁塞控制算法用偽代碼描述如下：

(1)收到新的ACK之后

(2)收到重復的ACK之后

2 仿真結(jié)果與分析

采用 OPNET Modeler 14.5仿真平臺對 New Reno、TCPW以及TCP-J算法在混合鏈路上進行仿真,如圖1所示。

圖1 模擬網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在圖1中模擬了一個作為數(shù)據(jù)源的服務器子網(wǎng)(Server Subnet)、一個數(shù)據(jù)訪問子網(wǎng)(Client Subnet)以及 IP云（IP Cloud)作為兩者之間傳輸數(shù)據(jù)的混合鏈路。配置FTP服務用于模擬連續(xù)的TCP數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)TP文件大小為50 MB，數(shù)據(jù)包延遲為0.1 s，兩個子網(wǎng)之間是瓶頸鏈路，最大傳輸速率為10 Mb/s，模擬時間為12 min。

2.1 不同誤碼率下的吞吐量分析

表1中給出了三種算法分別在不同誤碼率環(huán)境下的吞吐量統(tǒng)計結(jié)果。可以很清晰地看到，在誤碼率較高的環(huán)境下，TCPW-J的吞吐量明顯高于New Reno和TCPW算法。而且隨著誤碼率的提高，TCPW-J相對于TCPW的吞吐量的提升更加明顯，其原因在于TCPW-J算法能夠有效地區(qū)分擁塞丟包和無線丟包，減少了不必要的擁塞窗口調(diào)整次數(shù)，提高了帶寬的利用率。

表1 不同誤碼率環(huán)境下的平均吞吐量對比 (kb/s)

圖2中給出了TCPW和TCPW-J算法在誤碼率為3%的環(huán)境下吞吐量的對比結(jié)果。容易看出，TCPW-J的吞吐量比TCPW提高了不少，傳輸效率更高。

2.2 公平性和友好性分析

在圖1的模擬網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，同時建立5對TCP傳輸流，用于對比三種算法的公平性。公平性系數(shù)采用Jain公式[5]來計算，其定義為：

圖2 鏈路誤碼率3%時吞吐量對比結(jié)果

其中，xi表示第 i個連接的吞吐量，n為連接數(shù),F(x)越接近1則表明公平性越好。圖3中顯示了三種算法在相同誤碼率條件下的公平性系數(shù)對比，可以看出，TCPW-J的公平性與New Reno、TPCW算法相近，都具有良好的公平性。

圖3 不同鏈路延遲條件下的公平系數(shù)對比

在測試友好性的過程中,建立兩個不同的TCP流，分別運行New Reno和TCPW-J協(xié)議。表2給出了這兩種算法在不同誤碼率環(huán)境下的平均吞吐量對比結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，TCPW-J對New Reno是友好的。

表2 不同誤碼率環(huán)境下的平均吞吐量比較 kb/s

本文在TCPW的基礎之上提出了改進算法TCPWJ，根據(jù)帶寬估計值BWE的變化情況劃分擁塞等級，以推測最可能導致丟包的原因，區(qū)分無線丟包和擁塞丟包。仿真實驗結(jié)果表明，TCPW-J算法在誤碼率較高的無線網(wǎng)絡環(huán)境下，不僅表現(xiàn)出了更高的網(wǎng)絡帶寬利用率吞吐量，而且保持了良好的公平性和友好性。

[1]CLAUDIO C,MARIO G,SAVERIO M,et al.TCP westwood:end-to-end congestion control for wired/wireless networks[J].Wireless Networks Journal,2002(8):467-469.

[2]LOW SH,PAGANINI F,DOYLE J C.Internet congestion control[J].IEEE Control Systems Magazine,2002,22(1):28-43.

[3]CHEN J,PAGANINI F,WANG R.Fluid-flow analysis of TCP westwood with RED[A].Proceedings of the IEEE GLOBECOM 2003,2003:4064-4068.

[4](美)STEVENS W R著.TCP/IP詳解，卷 1：協(xié)議[M].范建華,等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2000:226-243.

[5]JAIN R,CHIU D,HAWE W.A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared systems[Z].DEC Research Report TR-301.1984.