對TCP/IP計算機網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究

余學(xué)杰

摘 要： 為提升計算機的網(wǎng)絡(luò)性能，更好地避免擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，需要對其進行必要的技術(shù)控制。鑒于此，對基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法進行分析。在TCP擁塞控制中主要采用TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種方法，其中TCP New Reno對快速恢復(fù)算法進行了改進，通過對TCP協(xié)議中的Reno進行可視化處理，實行對網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效管理。而IP擁塞控制方法則分為FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型，通過隊列調(diào)度管理方式實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效管理。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)擁塞； 優(yōu)化技術(shù)； 控制技術(shù)； TCP/IP協(xié)議

中圖分類號： TN711?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0038?03

Research on TCP / IP computer network congestion control

YU Xue?jie

（Office of Computer Teaching and Research， Beijing University of Chinese Medicine， Beijing 100029， China）

Abstract： To enhance the performance of the computer network and avoid the occurrence of the congestion phenomenon， it is necessary to carry out the effective technical control. In view of this， the network congestion control methods based on TCP/ IP protocol are analyzed. Four methods of TCP Tahoe， TCP Reno， TCP New Reno and TCP Sack are used for TCP congestion control； in which fast recovery algorithm was improved by means of TCP New Reno. The visualization processing can be performed through the Reno in TCP protocol to implement the effective management of network congestion. The IP congestion control method can be divided into FIFO， FQ/WFQ， RED and ECN to realize the effective management of network congestion by queue scheduling management pattern.

Keywords： network congestion； optimization technique； control technology； TCP/IP protocol

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)存儲空間、帶寬容量、處理器自身性能以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理等都有可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象發(fā)生，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)信息包接收延誤、丟棄概率增加、上層應(yīng)用系統(tǒng)的性能降低等?，F(xiàn)階段，TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)采用的主要數(shù)據(jù)流，因此，目前對網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究主要集中在互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議上?，F(xiàn)在比較典型的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機制是應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、基于TCP的擁塞控制方法和用于端系統(tǒng)以及基于IP的擁塞控制方法。本文主要闡述了TCP擁塞控制和IP擁塞控制的幾種常見算法，通過對比分析指出這些算法的優(yōu)缺點，并對這些網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法進行優(yōu)化升級。

1 網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因分析

網(wǎng)絡(luò)擁塞主要是指用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求量超過了現(xiàn)有的容量，從而造成過載狀態(tài)。因為在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，勢必會在某一些通信子網(wǎng)中存在較多的分組，這樣就會降低網(wǎng)絡(luò)的通信性能，也就是網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。當(dāng)計算機傳輸?shù)酵ㄐ抛泳W(wǎng)中的分組數(shù)量在標(biāo)準(zhǔn)容量范圍內(nèi)，這些數(shù)據(jù)信息將會全部送達目的地，而且送到的數(shù)量與發(fā)送的數(shù)量成比例。但是，一旦網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量急劇增加，造成路由器癱瘓，就會出現(xiàn)分組丟失，并且會導(dǎo)致情況持續(xù)惡化。在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量不斷增加的同時，擁塞范圍也會持續(xù)擴張，以至于幾乎沒有分組能夠送達。造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因主要有以下幾個方面：

1.1 存儲空間限制

網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸端口都有一定的存儲空間，如果輸入數(shù)據(jù)流增多，就需要暫時保留在存儲空間內(nèi)等待輸出。此時如果端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率低于數(shù)據(jù)包的到達速率，存儲空間就會由于傳送不及時而被占滿，此時后面到達的數(shù)據(jù)包就會被丟棄。雖然可以通過增加存儲空間緩解輸出端口的壓力，但是伴隨著存儲空間的無線增加會造成數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過程中雖然已經(jīng)超時，但是源端仍然會因這些數(shù)據(jù)包在傳輸過程中被丟棄而要求重發(fā)，這樣不僅嚴(yán)重降低了互聯(lián)網(wǎng)的工作效率，而且還會使網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

1.2 帶寬容量的限制

根據(jù)香農(nóng)理論，信息源的發(fā)送速率必須小于或者等于信息通道的容量，此時網(wǎng)絡(luò)才能正常運行。但是如果網(wǎng)絡(luò)帶寬容量無法滿足高速數(shù)據(jù)流的輸入，即源端帶寬大于鏈路帶寬時，會造成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中積壓，形成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

1.3 處理器性能的局限性

處理器性能無法滿足高速鏈路的需求，影響其工作效率，從而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。除此以外，在互聯(lián)網(wǎng)中由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不合理等原因也會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)擁塞過程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞過程圖

2 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究

控制網(wǎng)絡(luò)擁塞是一項系統(tǒng)工程，僅僅從某一方面入手無法有效地控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，有時甚至?xí)又負砣虼吮仨毎丫W(wǎng)絡(luò)擁塞當(dāng)作是一個復(fù)雜的系統(tǒng)進行深入研究。從控制論的角度出發(fā)，可以將網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制當(dāng)作一個反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要輸入網(wǎng)絡(luò)擁塞的各種信息，而輸出的則是端系統(tǒng)對發(fā)包速率的調(diào)整，此時端系統(tǒng)的發(fā)包速率影響著網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度。下面主要從TCP和IP兩個方面分析網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的算法研究。

2.1 TCP擁塞控制方法

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protcol，TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。該協(xié)議主要是為廣域網(wǎng)設(shè)計，提供可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，通過帶重傳的肯定確認技術(shù)實現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?。因?對于TCP的擁塞控制一直都是網(wǎng)絡(luò)擁塞研究的重點內(nèi)容。

傳統(tǒng)的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是基于Van Jacobson提出的 “擁塞避免”算法、“慢啟法”算法以及一個用于估計周轉(zhuǎn)RTT的算法等?？梢哉f這些算法為后期TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)，以至于后期的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究都是在這些算法上進行的升級和改進。目前主要有TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種類型。TCP Tahoe分為加性增和乘性減、慢啟動以及快速重傳三個部分。加性增和乘性減主要是通過對擁塞窗口值增加或者減少的方式實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制；而慢啟動則是在數(shù)據(jù)發(fā)送的初始化階段對數(shù)據(jù)包進行慢速率的發(fā)送，但以指數(shù)的速度快速增加其發(fā)送速率來避免初始化階段由于發(fā)送窗口過小造成的帶寬浪費；而快速重傳則主要針對丟失包，在不必等到重傳超時的情況下就可以立即發(fā)送。TCP Reno可以說是TCP Tahoe的升級優(yōu)化，與TCP Tahoe相比TCP Reno擁有快速恢復(fù)功能，可以將擁塞窗口減半從而進入擁塞避免階段；TCP New Reno則更加避免了TCP Reno在快速恢復(fù)階段出現(xiàn)的重傳超時，更好地提升網(wǎng)絡(luò)性能；TCP Sack是在檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞的丟失包后，對這些數(shù)據(jù)進行選擇確認后有選擇性的重傳。TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法比較見表1。

表1 TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&TCP Tahoe＼&建立了TCP擁塞控制的基礎(chǔ)，避免了擁塞崩潰的發(fā)生＼&沒有快速恢復(fù)，輕度時，

擁塞窗口減小，降低吞吐量＼&TCP Reno＼&增加了快速恢復(fù)，輕度擁塞時保持較高的擁塞窗口＼&檢測到丟包，重傳所有

丟失與檢測到所有丟失包＼&TCP New Reno＼&利用一個ACK確認部分發(fā)送窗口，避免過多的重傳＼&在高速網(wǎng)絡(luò)中不能

有效利用帶寬＼&TCP Sack＼&檢測到擁塞時，選擇性的重傳包，避免不必要的重傳＼&需要修改TCP接收端，

實現(xiàn)復(fù)雜＼&]

2.2 IP擁塞控制方法

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（Internet Protcol，IP）主要是為計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中的通信而設(shè)計的一種協(xié)議，因此可以說，在互聯(lián)網(wǎng)中IP規(guī)定了計算機在互聯(lián)網(wǎng)上進行通信時所遵守的規(guī)則。典型的IP擁塞控制方法包括FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型。先入先出原則（First Input First Output，F(xiàn)IFO），顧名思義就是對先到達的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先服務(wù)，被廣泛用于隊列調(diào)度的管理方式中；FQ和WFQ，即公平排隊原則（Fair Queuing）和加權(quán)公平排隊原則（Weighted Fair Queuing），通過識別對話例如數(shù)據(jù)流的形式，并將其按照對話形式進行分組，確保傳輸容量被這些獨立的對話公平分享，加權(quán)公平排隊可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時自動穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)運行，減少分組重發(fā)；隨機檢測算法（Random Early Detection，RED）包括監(jiān)控隊列長度和丟棄數(shù)據(jù)包兩個部分，主要是通過對路由器中的數(shù)據(jù)包隊列長度進行實時監(jiān)控，在發(fā)生空間占滿之前隨機的將一些數(shù)據(jù)包丟棄，從而減少進入輸出端口的數(shù)據(jù)信息量；顯示擁塞指示算法（Explicit Congestion Notifcation，ECN），在發(fā)送端可以更好地得到擁塞通告，避免不必要的丟包事件發(fā)生。IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法見表2。

表2 IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&FIFO＼&簡單且易于實現(xiàn)＼&會導(dǎo)致全局同步和

公平性問題＼&FQ和WFQ＼&可實現(xiàn)鏈路的公平分配＼&需要維護每個數(shù)據(jù)流的

狀態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜＼&RED＼&早期預(yù)測擁塞，有利于

處理突發(fā)數(shù)據(jù)流＼&參數(shù)確定較難，而且

穩(wěn)定性存在問題＼&ECN＼&通過標(biāo)記，不是丟包通知

擁塞，避免不必要的丟包＼&不兼容ECN的連接，會忽略通告信息。通告信息本身可能丟失＼&]

2.3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

通過以上分析，可以看出TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是對在端系統(tǒng)中，對信源進行有效控制，在擁塞發(fā)生和控制過程中會產(chǎn)生一定的延遲，很有可能傳遞擁塞信息反饋在數(shù)據(jù)傳輸完成后才到達發(fā)送源端。而IP則主要集中在網(wǎng)絡(luò)中，通過感知網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生采取必要的控制措施，可以區(qū)分不同的發(fā)送源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過隊列調(diào)度方法實現(xiàn)對帶寬的公平使用，因此，適用于短期的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較見表3。

3 結(jié) 語

綜上所述，TCP/IP是為廣域網(wǎng)設(shè)計的，其目的是為了解決Internet的穩(wěn)定性、易定性、各流之間享用帶寬的公平性、使用效率及擁塞控制等問題，從而為Internet提供可靠、健壯的端到端通信。因此TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制就成了擁塞控制研究的重點問題。本文通過對比分析TCP和IP擁塞控制的方法，可以看出這些擁塞控制方法都是基于傳統(tǒng)的控制理論衍生出來的，在發(fā)展過程中雖然有所改進，但是自身都會存在一定的局限性，因此缺乏一套系統(tǒng)完善的理論分析工具進行指導(dǎo)。希望今后在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究中引入智能控制理論，解決好擁塞算法分布性、復(fù)雜性以及對性能等方面的要求，從而取得突破性的進展。

表3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

[＼&TCP擁塞控制＼&IP擁塞控制＼&實現(xiàn)位置＼&端系統(tǒng)＼&網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部＼&延遲＼&較大＼&無＼&不同數(shù)據(jù)流間的公平性＼&難以實現(xiàn)＼&可以實現(xiàn)＼&長期擁塞＼&可以處理＼&無法處理＼&短期擁塞＼&可以處理＼&較好處理＼&]

參考文獻

[1] 趙晨.基于無線網(wǎng)絡(luò)的TCP跨層擁塞控制機制[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2011.

[2] 邵永剛.基于主動隊列管理的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[3] 孫旭.基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法研究[D].濟南：山東科技大學(xué)，2011.

[4] 尹翔.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣刂品椒ㄑ芯縖D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[5] 王宏偉.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中主動隊列管理算法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6] 夏仲平，蔣澤軍，王麗芳，等.對Windows TCP/IP協(xié)議棧的一種簡化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：93?96.

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞過程圖

2 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究

控制網(wǎng)絡(luò)擁塞是一項系統(tǒng)工程，僅僅從某一方面入手無法有效地控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，有時甚至?xí)又負砣?，因此必須把網(wǎng)絡(luò)擁塞當(dāng)作是一個復(fù)雜的系統(tǒng)進行深入研究。從控制論的角度出發(fā)，可以將網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制當(dāng)作一個反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要輸入網(wǎng)絡(luò)擁塞的各種信息，而輸出的則是端系統(tǒng)對發(fā)包速率的調(diào)整，此時端系統(tǒng)的發(fā)包速率影響著網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度。下面主要從TCP和IP兩個方面分析網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的算法研究。

2.1 TCP擁塞控制方法

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protcol，TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。該協(xié)議主要是為廣域網(wǎng)設(shè)計，提供可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，通過帶重傳的肯定確認技術(shù)實現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼?對于TCP的擁塞控制一直都是網(wǎng)絡(luò)擁塞研究的重點內(nèi)容。

傳統(tǒng)的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是基于Van Jacobson提出的 “擁塞避免”算法、“慢啟法”算法以及一個用于估計周轉(zhuǎn)RTT的算法等?？梢哉f這些算法為后期TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)，以至于后期的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究都是在這些算法上進行的升級和改進。目前主要有TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種類型。TCP Tahoe分為加性增和乘性減、慢啟動以及快速重傳三個部分。加性增和乘性減主要是通過對擁塞窗口值增加或者減少的方式實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制；而慢啟動則是在數(shù)據(jù)發(fā)送的初始化階段對數(shù)據(jù)包進行慢速率的發(fā)送，但以指數(shù)的速度快速增加其發(fā)送速率來避免初始化階段由于發(fā)送窗口過小造成的帶寬浪費；而快速重傳則主要針對丟失包，在不必等到重傳超時的情況下就可以立即發(fā)送。TCP Reno可以說是TCP Tahoe的升級優(yōu)化，與TCP Tahoe相比TCP Reno擁有快速恢復(fù)功能，可以將擁塞窗口減半從而進入擁塞避免階段；TCP New Reno則更加避免了TCP Reno在快速恢復(fù)階段出現(xiàn)的重傳超時，更好地提升網(wǎng)絡(luò)性能；TCP Sack是在檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞的丟失包后，對這些數(shù)據(jù)進行選擇確認后有選擇性的重傳。TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法比較見表1。

表1 TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&TCP Tahoe＼&建立了TCP擁塞控制的基礎(chǔ)，避免了擁塞崩潰的發(fā)生＼&沒有快速恢復(fù)，輕度時，

擁塞窗口減小，降低吞吐量＼&TCP Reno＼&增加了快速恢復(fù)，輕度擁塞時保持較高的擁塞窗口＼&檢測到丟包，重傳所有

丟失與檢測到所有丟失包＼&TCP New Reno＼&利用一個ACK確認部分發(fā)送窗口，避免過多的重傳＼&在高速網(wǎng)絡(luò)中不能

有效利用帶寬＼&TCP Sack＼&檢測到擁塞時，選擇性的重傳包，避免不必要的重傳＼&需要修改TCP接收端，

實現(xiàn)復(fù)雜＼&]

2.2 IP擁塞控制方法

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（Internet Protcol，IP）主要是為計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中的通信而設(shè)計的一種協(xié)議，因此可以說，在互聯(lián)網(wǎng)中IP規(guī)定了計算機在互聯(lián)網(wǎng)上進行通信時所遵守的規(guī)則。典型的IP擁塞控制方法包括FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型。先入先出原則（First Input First Output，F(xiàn)IFO），顧名思義就是對先到達的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先服務(wù)，被廣泛用于隊列調(diào)度的管理方式中；FQ和WFQ，即公平排隊原則（Fair Queuing）和加權(quán)公平排隊原則（Weighted Fair Queuing），通過識別對話例如數(shù)據(jù)流的形式，并將其按照對話形式進行分組，確保傳輸容量被這些獨立的對話公平分享，加權(quán)公平排隊可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時自動穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)運行，減少分組重發(fā)；隨機檢測算法（Random Early Detection，RED）包括監(jiān)控隊列長度和丟棄數(shù)據(jù)包兩個部分，主要是通過對路由器中的數(shù)據(jù)包隊列長度進行實時監(jiān)控，在發(fā)生空間占滿之前隨機的將一些數(shù)據(jù)包丟棄，從而減少進入輸出端口的數(shù)據(jù)信息量；顯示擁塞指示算法（Explicit Congestion Notifcation，ECN），在發(fā)送端可以更好地得到擁塞通告，避免不必要的丟包事件發(fā)生。IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法見表2。

表2 IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&FIFO＼&簡單且易于實現(xiàn)＼&會導(dǎo)致全局同步和

公平性問題＼&FQ和WFQ＼&可實現(xiàn)鏈路的公平分配＼&需要維護每個數(shù)據(jù)流的

狀態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜＼&RED＼&早期預(yù)測擁塞，有利于

處理突發(fā)數(shù)據(jù)流＼&參數(shù)確定較難，而且

穩(wěn)定性存在問題＼&ECN＼&通過標(biāo)記，不是丟包通知

擁塞，避免不必要的丟包＼&不兼容ECN的連接，會忽略通告信息。通告信息本身可能丟失＼&]

2.3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

通過以上分析，可以看出TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是對在端系統(tǒng)中，對信源進行有效控制，在擁塞發(fā)生和控制過程中會產(chǎn)生一定的延遲，很有可能傳遞擁塞信息反饋在數(shù)據(jù)傳輸完成后才到達發(fā)送源端。而IP則主要集中在網(wǎng)絡(luò)中，通過感知網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生采取必要的控制措施，可以區(qū)分不同的發(fā)送源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過隊列調(diào)度方法實現(xiàn)對帶寬的公平使用，因此，適用于短期的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較見表3。

3 結(jié) 語

綜上所述，TCP/IP是為廣域網(wǎng)設(shè)計的，其目的是為了解決Internet的穩(wěn)定性、易定性、各流之間享用帶寬的公平性、使用效率及擁塞控制等問題，從而為Internet提供可靠、健壯的端到端通信。因此TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制就成了擁塞控制研究的重點問題。本文通過對比分析TCP和IP擁塞控制的方法，可以看出這些擁塞控制方法都是基于傳統(tǒng)的控制理論衍生出來的，在發(fā)展過程中雖然有所改進，但是自身都會存在一定的局限性，因此缺乏一套系統(tǒng)完善的理論分析工具進行指導(dǎo)。希望今后在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究中引入智能控制理論，解決好擁塞算法分布性、復(fù)雜性以及對性能等方面的要求，從而取得突破性的進展。

表3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

[＼&TCP擁塞控制＼&IP擁塞控制＼&實現(xiàn)位置＼&端系統(tǒng)＼&網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部＼&延遲＼&較大＼&無＼&不同數(shù)據(jù)流間的公平性＼&難以實現(xiàn)＼&可以實現(xiàn)＼&長期擁塞＼&可以處理＼&無法處理＼&短期擁塞＼&可以處理＼&較好處理＼&]

參考文獻

[1] 趙晨.基于無線網(wǎng)絡(luò)的TCP跨層擁塞控制機制[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2011.

[2] 邵永剛.基于主動隊列管理的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[3] 孫旭.基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法研究[D].濟南：山東科技大學(xué)，2011.

[4] 尹翔.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣刂品椒ㄑ芯縖D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[5] 王宏偉.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中主動隊列管理算法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6] 夏仲平，蔣澤軍，王麗芳，等.對Windows TCP/IP協(xié)議棧的一種簡化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：93?96.

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞過程圖

2 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究

控制網(wǎng)絡(luò)擁塞是一項系統(tǒng)工程，僅僅從某一方面入手無法有效地控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，有時甚至?xí)又負砣?，因此必須把網(wǎng)絡(luò)擁塞當(dāng)作是一個復(fù)雜的系統(tǒng)進行深入研究。從控制論的角度出發(fā)，可以將網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制當(dāng)作一個反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要輸入網(wǎng)絡(luò)擁塞的各種信息，而輸出的則是端系統(tǒng)對發(fā)包速率的調(diào)整，此時端系統(tǒng)的發(fā)包速率影響著網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度。下面主要從TCP和IP兩個方面分析網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的算法研究。

2.1 TCP擁塞控制方法

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protcol，TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。該協(xié)議主要是為廣域網(wǎng)設(shè)計，提供可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，通過帶重傳的肯定確認技術(shù)實現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?。因?對于TCP的擁塞控制一直都是網(wǎng)絡(luò)擁塞研究的重點內(nèi)容。

傳統(tǒng)的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是基于Van Jacobson提出的 “擁塞避免”算法、“慢啟法”算法以及一個用于估計周轉(zhuǎn)RTT的算法等?？梢哉f這些算法為后期TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)，以至于后期的TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究都是在這些算法上進行的升級和改進。目前主要有TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種類型。TCP Tahoe分為加性增和乘性減、慢啟動以及快速重傳三個部分。加性增和乘性減主要是通過對擁塞窗口值增加或者減少的方式實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制；而慢啟動則是在數(shù)據(jù)發(fā)送的初始化階段對數(shù)據(jù)包進行慢速率的發(fā)送，但以指數(shù)的速度快速增加其發(fā)送速率來避免初始化階段由于發(fā)送窗口過小造成的帶寬浪費；而快速重傳則主要針對丟失包，在不必等到重傳超時的情況下就可以立即發(fā)送。TCP Reno可以說是TCP Tahoe的升級優(yōu)化，與TCP Tahoe相比TCP Reno擁有快速恢復(fù)功能，可以將擁塞窗口減半從而進入擁塞避免階段；TCP New Reno則更加避免了TCP Reno在快速恢復(fù)階段出現(xiàn)的重傳超時，更好地提升網(wǎng)絡(luò)性能；TCP Sack是在檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞的丟失包后，對這些數(shù)據(jù)進行選擇確認后有選擇性的重傳。TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法比較見表1。

表1 TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&TCP Tahoe＼&建立了TCP擁塞控制的基礎(chǔ)，避免了擁塞崩潰的發(fā)生＼&沒有快速恢復(fù)，輕度時，

擁塞窗口減小，降低吞吐量＼&TCP Reno＼&增加了快速恢復(fù)，輕度擁塞時保持較高的擁塞窗口＼&檢測到丟包，重傳所有

丟失與檢測到所有丟失包＼&TCP New Reno＼&利用一個ACK確認部分發(fā)送窗口，避免過多的重傳＼&在高速網(wǎng)絡(luò)中不能

有效利用帶寬＼&TCP Sack＼&檢測到擁塞時，選擇性的重傳包，避免不必要的重傳＼&需要修改TCP接收端，

實現(xiàn)復(fù)雜＼&]

2.2 IP擁塞控制方法

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（Internet Protcol，IP）主要是為計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中的通信而設(shè)計的一種協(xié)議，因此可以說，在互聯(lián)網(wǎng)中IP規(guī)定了計算機在互聯(lián)網(wǎng)上進行通信時所遵守的規(guī)則。典型的IP擁塞控制方法包括FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型。先入先出原則（First Input First Output，F(xiàn)IFO），顧名思義就是對先到達的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先服務(wù)，被廣泛用于隊列調(diào)度的管理方式中；FQ和WFQ，即公平排隊原則（Fair Queuing）和加權(quán)公平排隊原則（Weighted Fair Queuing），通過識別對話例如數(shù)據(jù)流的形式，并將其按照對話形式進行分組，確保傳輸容量被這些獨立的對話公平分享，加權(quán)公平排隊可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時自動穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)運行，減少分組重發(fā)；隨機檢測算法（Random Early Detection，RED）包括監(jiān)控隊列長度和丟棄數(shù)據(jù)包兩個部分，主要是通過對路由器中的數(shù)據(jù)包隊列長度進行實時監(jiān)控，在發(fā)生空間占滿之前隨機的將一些數(shù)據(jù)包丟棄，從而減少進入輸出端口的數(shù)據(jù)信息量；顯示擁塞指示算法（Explicit Congestion Notifcation，ECN），在發(fā)送端可以更好地得到擁塞通告，避免不必要的丟包事件發(fā)生。IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法見表2。

表2 IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法

[類型＼&優(yōu)點＼&缺點＼&FIFO＼&簡單且易于實現(xiàn)＼&會導(dǎo)致全局同步和

公平性問題＼&FQ和WFQ＼&可實現(xiàn)鏈路的公平分配＼&需要維護每個數(shù)據(jù)流的

狀態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜＼&RED＼&早期預(yù)測擁塞，有利于

處理突發(fā)數(shù)據(jù)流＼&參數(shù)確定較難，而且

穩(wěn)定性存在問題＼&ECN＼&通過標(biāo)記，不是丟包通知

擁塞，避免不必要的丟包＼&不兼容ECN的連接，會忽略通告信息。通告信息本身可能丟失＼&]

2.3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

通過以上分析，可以看出TCP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法主要是對在端系統(tǒng)中，對信源進行有效控制，在擁塞發(fā)生和控制過程中會產(chǎn)生一定的延遲，很有可能傳遞擁塞信息反饋在數(shù)據(jù)傳輸完成后才到達發(fā)送源端。而IP則主要集中在網(wǎng)絡(luò)中，通過感知網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生采取必要的控制措施，可以區(qū)分不同的發(fā)送源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過隊列調(diào)度方法實現(xiàn)對帶寬的公平使用，因此，適用于短期的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較見表3。

3 結(jié) 語

綜上所述，TCP/IP是為廣域網(wǎng)設(shè)計的，其目的是為了解決Internet的穩(wěn)定性、易定性、各流之間享用帶寬的公平性、使用效率及擁塞控制等問題，從而為Internet提供可靠、健壯的端到端通信。因此TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制就成了擁塞控制研究的重點問題。本文通過對比分析TCP和IP擁塞控制的方法，可以看出這些擁塞控制方法都是基于傳統(tǒng)的控制理論衍生出來的，在發(fā)展過程中雖然有所改進，但是自身都會存在一定的局限性，因此缺乏一套系統(tǒng)完善的理論分析工具進行指導(dǎo)。希望今后在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究中引入智能控制理論，解決好擁塞算法分布性、復(fù)雜性以及對性能等方面的要求，從而取得突破性的進展。

表3 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制比較

[＼&TCP擁塞控制＼&IP擁塞控制＼&實現(xiàn)位置＼&端系統(tǒng)＼&網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部＼&延遲＼&較大＼&無＼&不同數(shù)據(jù)流間的公平性＼&難以實現(xiàn)＼&可以實現(xiàn)＼&長期擁塞＼&可以處理＼&無法處理＼&短期擁塞＼&可以處理＼&較好處理＼&]

參考文獻

[1] 趙晨.基于無線網(wǎng)絡(luò)的TCP跨層擁塞控制機制[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2011.

[2] 邵永剛.基于主動隊列管理的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[3] 孫旭.基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法研究[D].濟南：山東科技大學(xué)，2011.

[4] 尹翔.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣刂品椒ㄑ芯縖D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[5] 王宏偉.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中主動隊列管理算法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6] 夏仲平，蔣澤軍，王麗芳，等.對Windows TCP/IP協(xié)議棧的一種簡化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：93?96.