TCP擁塞控制仿真軟件的設(shè)計(jì)及其在教學(xué)中的應(yīng)用探索

摘 要：本研究針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)面寬、抽象性強(qiáng)以及算法和協(xié)議學(xué)習(xí)困難等問題，提出了自主設(shè)計(jì)專用仿真軟件輔助教學(xué)的方法。通過對(duì)TCP擁塞控制算法原理的分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款TCP擁塞控制仿真軟件，并將其應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)實(shí)踐中。調(diào)查問卷和測(cè)驗(yàn)成績(jī)均表明，與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，采用TCP擁塞控制仿真軟件教學(xué)可以顯著改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);TCP擁塞控制;仿真軟件;教學(xué)實(shí)踐

我們所處的時(shí)代是以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化是這個(gè)時(shí)代最大的特征。今天的互聯(lián)網(wǎng)無疑是有史以來由人類創(chuàng)造、精心設(shè)計(jì)的最大系統(tǒng)，數(shù)以億計(jì)的計(jì)算機(jī)、通信鏈路和交換機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中相交相連。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是大學(xué)本科計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程。該課程以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為總綱，系統(tǒng)、分層次地講述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，重點(diǎn)講解互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議族及其工作原理。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)面寬、理論性強(qiáng)，涉及許多錯(cuò)綜復(fù)雜、彼此交織的概念、協(xié)議和技術(shù)。作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教師，如何讓學(xué)生深刻、系統(tǒng)地理解相關(guān)知識(shí)，是一個(gè)需要深入探討的課題。

TCP協(xié)議作為TCP/IP協(xié)議族中最重要的協(xié)議之一，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重點(diǎn)知識(shí)。TCP擁塞控制算法原理是TCP協(xié)議工作原理中最抽象的部分。在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，不能直接觀察到TCP擁塞控制算法的工作過程，而且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，缺乏必要的感性認(rèn)識(shí)，從而增加了學(xué)習(xí)難度。仿真軟件具有靈活、直觀等特點(diǎn)，在教學(xué)過程中采用仿真軟件，配合課堂知識(shí)講授，可以改善學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，提高教學(xué)效率。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，仿真軟件的使用得到了廣大教師的重視。李向麗等教師探討了網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS的工作原理，并將其應(yīng)用于IP協(xié)議的教學(xué)實(shí)踐中。此后，李向麗又將網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)踐教學(xué)改革中。趙欣探索了基于網(wǎng)絡(luò)模擬軟件Packet Tracer的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)改革實(shí)踐方案。這些教學(xué)探索采用的網(wǎng)絡(luò)仿真或網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，都有其特定的應(yīng)用領(lǐng)域，并非專為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)而設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡?、協(xié)議仿真和通信量仿真等，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)模擬軟件Packet Trace是由思科系統(tǒng)公司發(fā)布的工具軟件，為學(xué)習(xí)思科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作提供專用的網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境。本研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款TCP擁塞控制仿真軟件，并將其應(yīng)用在課堂教學(xué)實(shí)踐中，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論知識(shí)。

一、TCP擁塞控制算法原理

TCP擁塞控制算法通過維護(hù)一個(gè)擁塞窗口來進(jìn)行擁塞控制。其基本原則是：只要網(wǎng)絡(luò)中沒有出現(xiàn)擁塞，就將擁塞窗口值增大，以便發(fā)送更多的數(shù)據(jù);一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，就將擁塞窗口值減小，以減少發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。

RFC5681中規(guī)定了TCP擁塞控制的四個(gè)算法：慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)。慢開始算法和擁塞避免算法是TCP的強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)部分?？熘貍魉惴ê涂旎謴?fù)算法是TCP的建議實(shí)現(xiàn)部分。

RFC5681要求TCP維持擁塞窗口值和慢開始門限值兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)發(fā)送方的最大報(bào)文段長(zhǎng)度（SMSS，Sender Maximum Segment Size）的值，RFC5681規(guī)定初始擁塞窗口值為2～4個(gè)SMSS的長(zhǎng)度。

（一）慢開始算法

在慢開始階段，TCP進(jìn)程每收到一個(gè)ACK報(bào)文段，就將擁塞窗口值增大至多一個(gè)SMSS值。即：擁塞窗口值+=min（N，SMSS），其中的N指剛收到的ACK報(bào)文段所確認(rèn)的字節(jié)數(shù)。當(dāng)擁塞窗口值大于或等于慢開始門限時(shí)，TCP就退出慢開始算法，執(zhí)行擁塞避免算法。

（二）擁塞避免算法

在擁塞避免階段，每經(jīng)過一個(gè)往返傳播時(shí)延（RTT，round-trip time），TCP擁塞窗口值增大約一個(gè)SMSS值。關(guān)于擁塞窗口值的計(jì)算方法，RFC5681建議每收到一個(gè)新的ACK報(bào)文段時(shí)，計(jì)算擁塞窗口值+=SMSS×（SMSS/cwnd）。當(dāng)TCP觀察到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，就會(huì)退出擁塞避免算法。

TCP可以通過多種方式觀察網(wǎng)絡(luò)擁塞。當(dāng)TCP發(fā)送方因超時(shí)重傳事件檢測(cè)到報(bào)文段丟失時(shí)，TCP便認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生。慢開始門限值必須被設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口值的一半，并且不小于2個(gè)SMSS值，即：慢開始門限值=max（當(dāng)前擁塞窗口值/2，2×SMSS）。設(shè)置慢開始門限值后，TCP將擁塞窗口值設(shè)置為1個(gè)SMSS值，并重新開始執(zhí)行慢開始算法。

（三）快重傳算法

RFC5681建議TCP接收方收到一個(gè)亂序的報(bào)文段時(shí)，立即發(fā)送一個(gè)重復(fù)的ACK報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)，以快速通知TCP發(fā)送方自己收到了亂序的報(bào)文段，提示TCP發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了某些問題。

（四）快恢復(fù)算法

由于采用了快重傳算法，TCP發(fā)送方可能會(huì)收到多個(gè)重復(fù)的ACK報(bào)文段。RFC5681建議收到3個(gè)重復(fù)的ACK時(shí)，TCP發(fā)送方就判定丟包事件產(chǎn)生，并執(zhí)行快恢復(fù)算法，不必再等待超時(shí)重傳事件。

快恢復(fù)算法執(zhí)行時(shí)，設(shè)置慢開始門限=max（當(dāng)前擁塞窗口值/2，2×SMSS），然后設(shè)置擁塞窗口值=慢開始門限+3×SMSS?？旎謴?fù)算法執(zhí)行后，TCP重新開始執(zhí)行擁塞避免算法。

二、TCP擁塞控制仿真軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

TCP擁塞控制仿真軟件用Python語言，采用多線程的方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。多個(gè)線程分別用來仿真TCP擁塞控制算法、模擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)用戶交互和數(shù)據(jù)展示。

（一）主線程

主線程負(fù)責(zé)啟動(dòng)TCP仿真線程和網(wǎng)絡(luò)模擬線程。此外，主線程基于Python Tkinter庫實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。圖形用戶界面中包括五個(gè)按鈕，用戶可以利用這些按鈕手動(dòng)開始或結(jié)束仿真、暫停或繼續(xù)仿真、產(chǎn)生超時(shí)重傳事件、產(chǎn)生3個(gè)重復(fù)ACK事件以及查閱軟件使用說明。主線程還利用Python Matplotlib庫，以折線圖的形式繪制歷史擁塞窗口值，并實(shí)時(shí)刷新圖表。

（二）TCP仿真線程

TCP仿真線程由主線程啟動(dòng)后，模擬TCP的發(fā)送方和接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。假設(shè)TCP發(fā)送方接收窗口足夠大，根據(jù)當(dāng)前擁塞窗口值設(shè)定發(fā)送窗口值，發(fā)送數(shù)據(jù)，并以報(bào)文段為單位，將發(fā)送的數(shù)據(jù)以動(dòng)畫的形式在圖形用戶界面上展示，方便用戶觀察當(dāng)前擁塞窗口值。

TCP仿真線程還接收網(wǎng)絡(luò)擁塞事件，包括超時(shí)重傳事件和3個(gè)重復(fù)ACK事件。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)擁塞事件后，TCP仿真線程暫停數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，根據(jù)當(dāng)前的擁塞窗口值和事件種類選擇計(jì)算方法，計(jì)算慢開始門限值和新的擁塞窗口值，并將計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果通過彈窗顯示，方便用戶學(xué)習(xí)和計(jì)算。待用戶確認(rèn)后，TCP仿真程序繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)行下一輪仿真。

TCP仿真線程根據(jù)擁塞控制算法，執(zhí)行慢開始算法或擁塞避免算法，接收并響應(yīng)擁塞事件，實(shí)時(shí)計(jì)算擁塞窗口值，并將擁塞窗口值發(fā)送給主線程，以實(shí)現(xiàn)主線程中擁塞窗口折線圖的實(shí)時(shí)更新。

（三）網(wǎng)絡(luò)模擬線程

網(wǎng)絡(luò)模擬線程由主線程啟動(dòng)后，根據(jù)初始參數(shù)、當(dāng)前擁塞窗口值、仿真程序時(shí)間以及隨機(jī)數(shù)，模擬計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并以綠色、黃色和紅色三種顏色在圖形用戶界面上展示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。其中，綠色代表網(wǎng)絡(luò)通暢、黃色代表網(wǎng)絡(luò)輕度擁塞、紅色代表網(wǎng)絡(luò)重度擁塞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕度擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模擬線程以隨機(jī)概率產(chǎn)生3個(gè)重復(fù)ACK事件;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重度擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模擬線程以隨機(jī)概率產(chǎn)生丟包事件。待TCP仿真線程處理擁塞事件后，網(wǎng)絡(luò)模擬線程將網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)至通暢狀態(tài)，然后根據(jù)新的參數(shù)，繼續(xù)模擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。

三、TCP擁塞控制仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用和效果

在教學(xué)中采用TCP擁塞控制仿真軟件，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

直觀展示數(shù)據(jù)發(fā)送過程。能夠直觀地展示TCP擁塞控制算法對(duì)擁塞窗口的控制，以及依據(jù)擁塞窗口值控制數(shù)據(jù)發(fā)送的過程。

仿真驗(yàn)證擁塞控制算法。能夠仿真并驗(yàn)證慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)算法，滿足課堂教學(xué)驗(yàn)證TCP擁塞控制算法的需求。

動(dòng)態(tài)模擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。能夠動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，利用隨機(jī)事件控制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)，并能模擬網(wǎng)絡(luò)丟包等事件。

實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示擁塞窗口變化。在捕獲到超時(shí)重傳事件和收到3個(gè)重復(fù)ACK事件時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算慢開始門限值和擁塞窗口值，并以圖形方式直觀展示擁塞窗口值的變化趨勢(shì)。

為了更好地了解TCP擁塞控制仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用效果，本研究在部分班級(jí)采用了TCP擁塞控制仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，其他班級(jí)仍然采用傳統(tǒng)方式教學(xué)，然后設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，進(jìn)行了課堂測(cè)驗(yàn)，并對(duì)問卷結(jié)果和測(cè)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行了分析。

TCP擁塞控制算法掌握程度調(diào)查對(duì)比如表1所示，課堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)對(duì)比如表2所示：

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，采用TCP擁塞控制仿真軟件教學(xué)后，學(xué)生對(duì)算法的掌握程度和課堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)，均有較大程度提高。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中采用專門設(shè)計(jì)的仿真軟件輔助教學(xué)是非常有必要的。采用仿真軟件教學(xué)，學(xué)生可以直接觀察網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法的工作過程，驗(yàn)證理論知識(shí)，彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)過程抽象、枯燥的缺點(diǎn)。調(diào)查問卷和測(cè)驗(yàn)成績(jī)均表明，采用仿真軟件教學(xué)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，改善學(xué)習(xí)效果。后續(xù)將考慮在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的其他關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)仿真軟件，并應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中。

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責(zé)編：桃 子