高時延混合網(wǎng)絡擁塞控制仿真實驗設計

馬琛璐， 唐俊勇

（西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院，西安710021）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡技術(shù)在能源裝備、工業(yè)互聯(lián)、邊緣與云計算中的發(fā)展與融合，極大地促進了智能化生產(chǎn)、運維服務和供應鏈的集成。傳統(tǒng)單一的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足高速發(fā)展的網(wǎng)絡環(huán)境，隨之產(chǎn)生的是由有線、WiFi、無線傳感、LTE和衛(wèi)星網(wǎng)絡等多種異構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)合而成的混合網(wǎng)絡［1-2］，作為一種新型網(wǎng)絡形式，以其覆蓋面廣、網(wǎng)絡兼容性好和轉(zhuǎn)發(fā)靈活等優(yōu)勢，被廣泛應用在各個領域。混合網(wǎng)絡由于具備有線、無線信道和高速、低速網(wǎng)絡結(jié)合的特點，決定了其各鏈路的延遲并不均衡，尤其是存在衛(wèi)星網(wǎng)絡這種高時延鏈路，使得網(wǎng)絡帶寬被低時延鏈路大量搶占，不僅造成了混合鏈路傳輸不公平，還導致與高時延鏈路所在的全部路徑傳輸利用率不足。解決高時延混合網(wǎng)絡的傳輸不均衡問題成為近年來研究的熱點。

目前研究主要是提出新的擁塞控制算法［3-5］來解決傳統(tǒng)TCP協(xié)議在混合網(wǎng)絡中的傳輸問題，在解決高時延混合網(wǎng)絡傳輸?shù)墓叫院团c其他擁塞機制共存的友好性問題上取得較好的效果，并開始應用在相應的傳輸環(huán)境中。其中TCP Hybla［6］算法以其明顯的優(yōu)越被應用在高延遲衛(wèi)星網(wǎng)絡中。避免了以TCP NewReno為代表的丟包觸發(fā)機制激進的數(shù)據(jù)發(fā)送模式，從而占用高延時鏈路帶寬的不公平性；提高了以TCP Vegas［7］為代表的延遲擁塞機制的響應靈敏性，較好地解決了高時延混合網(wǎng)絡各鏈路傳輸?shù)牟挥押眯浴?/p>

TCP Hybla已經(jīng)應用在實際環(huán)境中，現(xiàn)實中混合網(wǎng)絡的搭建費用昂貴且TCP擁塞控制理論復雜抽象，難以直觀地在課堂教學中表現(xiàn)出來。針對這些問題，本文利用NS-3（Network Simulator-3）［8］網(wǎng)絡仿真軟件靈活、便捷地設計高時延混合網(wǎng)絡仿真實驗，在節(jié)約實驗成本的基礎上，采用NS-3中的追蹤機制和流量監(jiān)測機制高效，便捷地將TCP擁塞控制中擁塞窗口（Congestion Window，CWND）和吞吐量（Throughput）的變化過程記錄下來，并通過模塊調(diào)用以文件的形式保存，便于進行實驗研究。

相較于傳統(tǒng)的教學實驗在擁塞控制部分黑板式教學［9-10］的缺陷，NS-3能夠針對高時延混合網(wǎng)絡的各鏈路時延不同的特點，觀察在混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機制與TCP Hybla機制的性能優(yōu)劣以及細節(jié)變化，突破了原有實驗教學難以直觀分析抽象難懂的TCP理論的局限性。同時，該實驗可用于混合網(wǎng)絡的相關(guān)教學和研究，并可進一步開展TCP擁塞控制協(xié)議的一系列實驗教學。

1 NS-3仿真實驗平臺

1.1 NS-3仿真軟件簡介

NS-3旨在提高實驗效率，節(jié)省實驗成本，通過忽略底層細節(jié)進行大規(guī)模網(wǎng)絡的相關(guān)研究，縮小現(xiàn)實網(wǎng)絡與實驗結(jié)果的差距。利用該軟件進行混合網(wǎng)絡的擁塞控制相關(guān)教學實驗，可以幫助學生更好的理解理論知識，并有助于相關(guān)研究人員對新的網(wǎng)絡協(xié)議進行實驗和驗證，方便研究人員及時對新的協(xié)議進行改進、調(diào)整。該軟件用于實驗教學中，可有效提升教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生獨立思維能力。

圖1所示為NS-3仿真［11］實驗平臺的基本搭建流程，根據(jù)相關(guān)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)編寫模塊源碼，若滿足仿真需求直接運行腳本文件，否則根據(jù)需求修改合適的源碼和模塊，并重新編譯運行，并將仿真結(jié)果以文件的形式輸出，收集相應的數(shù)據(jù)，對仿真結(jié)果進行分析。

圖1 NS-3仿真平臺的基本搭建流程

1.2 NS-3實驗平臺搭建

本文采用NS-3中的Internet模塊設計傳輸層TCP協(xié)議性能分析仿真實驗［12］。在仿真中需要為網(wǎng)絡中的各節(jié)點設置相應的參數(shù)，在NS-3中節(jié)點被視為裸機，需要添加相應的網(wǎng)卡、TCP／IP協(xié)議棧以及Application。圖2所示為NS-3中的Internet模塊架構(gòu)。

圖2 NS-3中Internet模塊架構(gòu)

各模塊的具體含義：

Internet 在NS-3中的TCP／IP協(xié)議棧，包含了所有傳輸層以及網(wǎng)絡層的協(xié)議算法，是網(wǎng)絡仿真的核心模塊；

TcpSocket 主要用來定義基本的TCP屬性，是一個虛擬類變量；

TcpSocketBase TCP協(xié)議的擁塞控制和窗口管理算法的核心類，是NS-3中實現(xiàn)擁塞控制仿真模擬的關(guān)鍵；

TcpTx 獲取TcpSocketBase產(chǎn)生的Tx trace變量，并接收應用層傳遞的數(shù)據(jù)分組；

TcpRx 通過TcpL4Protocol接收來自網(wǎng)絡層的Rx trace變量；

TcpL4Protocol 用于創(chuàng)建TcpSocketBase對象，是傳輸層與網(wǎng)絡層的接口，負責把TcpTx產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡層。

在NS-3中，當仿真程序開始時，由客戶端應用程序通過配置了跟蹤變量的SendApplication協(xié)議發(fā)送TCP分組，傳遞給Internet模塊的TcpSocket類，通過與IP地址對應的端口號中的TcpTx變量繼續(xù)發(fā)送TCP分組，在TcpL4Protocol創(chuàng)建的TcpSocketBase類的擁塞機制控制下，將下層所能容納的最大TCP分組傳遞下去，最終在接收端回調(diào)函數(shù)的作用下，通過配置接收跟蹤變量TcpRx將所接收的分組信息回傳給PacketSink。

2 TCP Hybla算法原理分析

在異構(gòu)網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡資源的可用性通過CWND來探測評估。理想狀態(tài)下（即不丟包），每當發(fā)送方發(fā)送一個最大報文段（Maximum Segment Size，MSS），接收方會反饋一個確認號（Acknowledge character，ACK）作為響應。標準的TCP擁塞控制算法TCP NewReno在慢啟動（Slow Start，SS）階段，CWND 值呈指數(shù)變化，而在擁塞避免（Congestion Avoid，CA）階段，CWND值呈線性變化。

為便于觀察往返時延（Round-Trip Time，RTT）的變化對擁塞窗口的影響，將TCP NewReno的離散動態(tài)模型進行連續(xù)化處理，得到CWND隨時間變化的評估模型式：［13］

式中：tλ＝ RTT lbλ；λ 為慢啟動閾值（Slow Start Threshold，ssthresh），也是進入CA階段的起點。由此可以看出，在TCP NewReno中受RTT的影響，較長的RTT會使W（t）減小，使CWND數(shù)量減少，降低吞吐量。為使較長的RTT獲得與短的RTT相同的吞吐量，TCP Hybla算法原理通過平衡因子ρ使CWND擺脫對RTT的依賴，使得在高時延的網(wǎng)絡中，TCP Hybla仍然具有良好的性能。

其中ρ＝RTT／RTT0，RTT0默認為25 ms，在NS中默認為50 ms。引入平衡因子ρ后的TCP Hybla的CWND 表達式［14］為：

由BH（t）＝WH（t）／RTT 可得TCP Hybla的動態(tài)吞吐量模型［15-16］：

從式（2）、（3）可以看出，TCp Hybla算法的CWND和吞吐量與RTT無關(guān)，只與RTT0這一參考常量相關(guān)。

此外，由式（1）、（2）對比可知，在高時延的網(wǎng)絡中，TCP Hybla比TCP NewReno算法更容易獲得更大的CWND，也可更快地獲得較高的吞吐量。這表明，在相同傳輸時間下，TCP Hybla擁有更好的調(diào)控性能，同時也說明了TCP Hybla更適用于包含衛(wèi)星網(wǎng)絡在內(nèi)的高時延的混合網(wǎng)絡。

3 基于NS-3的仿真實驗

為了驗證TCP Hybla算法原理優(yōu)于傳統(tǒng)的TCP NewReno算法并提供其吞吐量和CWND變化的相關(guān)實驗結(jié)果，本文使用NS-3模擬器進行仿真。仿真網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示，由8個節(jié)點和R1，R2兩個路由組成的啞鈴狀混合網(wǎng)絡拓撲。

圖3 混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

啞鈴狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)符合混合網(wǎng)絡多鏈路共享瓶頸帶寬的特點，可有效地模擬混合網(wǎng)絡有線、無線并存爭用網(wǎng)絡帶寬的情況。其各鏈路結(jié)構(gòu)具體仿真參數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

仿真的主要目的是通過追蹤機制和流量監(jiān)測機制追蹤數(shù)據(jù)來觀察TCP NewReno以及TCP Hybla算法的吞吐量及CWND的變化，以此驗證TCP Hybla算法在高時延混合網(wǎng)絡中的公平性、友好性及響應靈敏性。在NS-3中添加追蹤和流量監(jiān)測機制設置高時延混合網(wǎng)絡仿真場景的基本流程為：

（1）搭建高時延混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；

（2）為各網(wǎng)絡節(jié)點設置變量屬性和參數(shù)，具體參數(shù)見表1；

（3）分配IP地址給各個節(jié)點；

（4）配置MyApp函數(shù)，并添加Trace變量用于記錄CWND的變化；

（5）為追蹤變量設置回調(diào)函數(shù)，將CWND的變化以文件的形式保存下來；

（6）添加流量監(jiān)測和事件調(diào)度函數(shù)，統(tǒng)計相同時間間隔內(nèi)?；旌暇W(wǎng)絡各鏈路吞吐量變化；

（7）為各個節(jié)點設置運行的始末時間，實時調(diào)控各鏈路的流量。

完成上述設計流程，可以建立一個完整的高時延混合網(wǎng)絡場景用于實驗教學，使學生可以更好地理解復雜抽象的TCP擁塞控制機制，并通過修改仿真時間、信道時延等仿真參數(shù)以獲得不同的仿真結(jié)果。通過設置追蹤變量和流量監(jiān)測機制將仿真結(jié)果進行相關(guān)計算并寫入相關(guān)的文件中，利用Oringin軟件對仿真結(jié)果繪圖分析。

4 實驗結(jié)果分析

為直觀觀察TCP NewReno以及TCP Hybla算法的吞吐量及CWND的變化并評估TCP Hybla的性能，采用7．5 Mb／s的瓶頸帶寬和1 Mb／s的4條支路帶寬，并設置時延為2．5 ms的3條鏈路和時延為100 ms的一條高時延鏈路，構(gòu)造混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，模擬高時延衛(wèi)星鏈路和普通網(wǎng)絡鏈路的狀態(tài)。

在RTT 分別為25、50、100、200 ms的狀態(tài)下，由TCP Hybla理論可得CWND隨時間變化的趨勢如圖4所示。

圖4 理論Hybla算法CWND

理論上是每經(jīng)過一個傳輸輪次增大發(fā)送窗口數(shù)，而NS-3仿真中發(fā)送窗口數(shù)量由具體仿真的網(wǎng)絡容量決定，在NS-3中仿真可得TCP Hybla的CWND隨時間變化的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 NS-3仿真Hybla算法CWND

仿真結(jié)果表明，在高時延混合網(wǎng)絡里，TCP Hybla算法不會受RTT的影響而降低CWND，而且隨著RTT的增大，CWND越大，仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本一致。

4.1 單個TCP算法場景：Hybla公平性

時延差異是混合網(wǎng)絡的一個重要特點，主要影響TCP擁塞控制算法的公平性，本節(jié)利用啞鈴網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)評估Hybla算法和NewReno算法，為了確保公平性，仿真設定在丟包率為零（即僅有擁塞丟包）的理想狀態(tài)下，4條TCP流同時啟動，共享瓶頸帶寬，仿真時間持續(xù)50 s。

圖6為在NewReno算法下，3條低時延流與1條高時延流的對比，可以清晰的看到，從啟動開始，1、2、3號低時延流快速搶占瓶頸鏈路，分別占帶寬的0．27、0．28、0．30，幾乎均分瓶頸鏈路，而4號高時延流的帶寬幾乎為零。從圖中可以看出，只有當1、2、3號流逐漸減小，并趨于穩(wěn)態(tài)時，4號流才有機會分享帶寬，并且緩慢的增長，直到最后1，2，3號流均穩(wěn)定在吞吐量為0．30附近，4號高時延流的吞吐量才增長到0．11。恰好驗證了在標準的TCP擁塞協(xié)議下，較大的RTT會遭受TCP連接的嚴重懲罰，體現(xiàn)了NewReno算法在不同RTT的鏈路下的不公平性。

圖6 New Reno算法不同時延吞吐量

為了驗證Hybla算法不受RTT影響的特性，與圖6的標準TCP擁塞控制協(xié)議進行對比，圖7是在Hybla算法下，4條TCP流同時啟動的吞吐量分布情況，由對比可見，4號高時延流一開始就快速搶占帶寬，同時1、2、3號低時延流均逐漸減小，吞吐量都保持在0．28～0．325之間，并在第10 s快速的達到吞吐量為0．25的穩(wěn)定狀態(tài)。而4號高時延流在第10 s時也迅速增長至0．25，并在10 s之后逐漸穩(wěn)定在0．26附近。

圖7 Hybla算法不同時延吞吐量

這是由于Hybla算法里的擁塞系數(shù)ρ，使得Hybla算法公平地擺脫了RTT的依賴，大大優(yōu)化了因受RTT困擾而處于劣勢的高時延鏈路的性能，這也表明了在高時延鏈路中Hybla算法的公平性更好。

圖8則是為體現(xiàn)Hybla算法的優(yōu)越性，設置仿真時間為150 s，在1、2、3號低時延流啟動20 s后，逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)時再啟動4號高時延流。由圖可見，4號高時延流并未打破原有3條流的穩(wěn)定狀態(tài)，而是快速增長至吞吐量為0．25附近，與其他3條流一起趨于穩(wěn)定，并均分帶寬。

圖8 Hybla穩(wěn)態(tài)吞吐量

4.2 兩個TCP算法場景：Hybla靈敏性及友好性

圖9 為容錯率為0．1%，時延為100 ms的高時延鏈路中TCP Hybla算法和TCP Vegas算法的CWND變化，可見在高時延鏈路中TCP Hybla的CWND發(fā)送量遠高于TCP Vegas算法，由此可說明，在高時延鏈路中，TCP Hybla的響應靈敏性。

圖9 TCP Vegas和TCP Hybla算法CWND

為反映TCP Hybla算法的混合網(wǎng)絡中與其他算法之間的友好性，在混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中令1、2、3號低時延流為TCP NewReno，4號高時延流分別為TCP Hybla和TCP Vegas，將2次運行結(jié)果進行對比，如圖10所示。雖然TCP Vegas在高時延鏈路中的性能低于TCP Hybla，但是帶寬并沒有被完全搶占，稍低于適應高時延鏈路的TCP Hybla，約占20%，而TCP Hybla和TCP NewReno算法均穩(wěn)定在25%左右，這恰好說明了TCP Hybla算法友好性。

圖10 不同TCP算法的吞吐量

5 結(jié) 語

本文對在NS-3中搭建高時延混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)仿真的過程進行了詳細描述，在仿真過程中運用追蹤機制和流量監(jiān)測機制對仿真結(jié)果進行輸出保存。實驗不僅仿真了TCP Hybla算法在高時延混合網(wǎng)絡中的吞吐量和CWND的變化，還設計實驗對TCP Hybla在混合網(wǎng)絡中的公平性，友好性以及響應靈敏性進行了評估，仿真結(jié)果與理論貼合度較高，實驗設計成功?？稍诖藢嶒灥幕A上進一步進行混合網(wǎng)絡的研究與教學工作以及一系列相關(guān)的TCP擁塞控制教學實驗設計。