一種適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的TCP New Vegas算法

馮立波，潘麗靜，楊潤標，羅桂蘭，張 梅

（大理學院數(shù)學與計算機學院，云南大理 671003）

一種適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的TCP New Vegas算法

馮立波，潘麗靜，楊潤標，羅桂蘭，張 梅

（大理學院數(shù)學與計算機學院，云南大理 671003）

TCP Vegas是運輸層的一種可靠算法，但是在無線網(wǎng)絡(luò)中不能最高效率的占用網(wǎng)路帶寬，使得數(shù)據(jù)傳輸受到限制，不適合在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸。對TCP Vegas算法進行改進，提出了一種適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的TCP New Vegas算法。該算法將diff控制在兩個動態(tài)門限值a，b之間，根據(jù)a，b兩個動態(tài)門限值的設(shè)定，可有效的提高算法的擁塞窗口及吞吐量。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)為仿真背景，對該算法進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，改進后的TCP New Vegas算法具有較大的擁塞窗口和較高的吞吐量，更適合應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);TD-SCDMA;TCP;TCP New Vegas

TCP是應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議，它是一種面向連接的、可靠的、面向字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。但是目前存在著許多除計算機網(wǎng)絡(luò)外的其它網(wǎng)絡(luò)，例如移動通信網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、紅外、藍牙傳輸?shù)取?〕。如何使得這些網(wǎng)絡(luò)之間能夠相互傳輸數(shù)據(jù)，是目前學術(shù)界研究的熱點之一。文獻〔2-3〕針對TCP Vegas算法的擁塞控制進行了改進，文章〔4〕提出了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制算法。文章〔5〕也提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的處理方法。第三代移動通信TD-SCDMA技術(shù)是中國最大運營商中國移動采取的技術(shù)〔6〕，文章〔7-8〕對第四代移動通信系統(tǒng)模型進行分析與研究。本文以TD-SCDMA技術(shù)為載體，對基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的TCP Vegas算法進行改進設(shè)計，提出了TCP New Vegas算法，并仿真實現(xiàn)。

TCP最初是為有線網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的，在TCP算法中，發(fā)送端判斷網(wǎng)絡(luò)狀況需要依據(jù)接收端的ACK信息，如果發(fā)送端判斷網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了丟包，就會降低發(fā)送率〔9〕。其中TCP Reno算法是當前最常使用的擁塞控制協(xié)議，在TCP Reno算法的基礎(chǔ)之上，國內(nèi)外的許多研究者又提出了一些新的改進，試圖優(yōu)化TCP Reno算法的性能，其中的Vegas算法是在1994年由L.S.Brakmo等提出的一種基于測量的TCP算法〔10〕。該算法使用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐禃r間（RTT）來判斷網(wǎng)絡(luò)的狀況，并利用兩個參數(shù)：預期傳輸速率（Expected）和實際傳輸速率（Actual）來控制擁塞窗口（cwnd）的大小，以此來進行擁塞控制最大可能的使用帶寬。但是該算法需要網(wǎng)絡(luò)帶寬穩(wěn)定維持在較高水平，而TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)容易受傳輸環(huán)境的影響〔11-12〕，帶寬經(jīng)常產(chǎn)生較大幅度的改變，無法滿足Vegas算法的要求，不能最大程度的使用網(wǎng)絡(luò)資源，不適合在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用〔13〕。因此，本文基于擁塞控制對Vegas算法改進，實現(xiàn)擁塞窗口的自適應(yīng)調(diào)整，并在NS2中仿真，仿真結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)丟包率增大的情況下，New Vegas算法的擁塞窗口可以及時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整到最大；吞吐量隨丟包率的增大而降低，但總體水平依然高于相同丟包率下的Vegas算法。

1 TCP算法簡介

1.1 TCP Reno算法TCP Reno算法是當前最常使用的擁塞控制算法，TCP擁塞控制常采用4種控制機制：慢啟動（slow start，SS）、擁塞避免（congestion avoidance，CA）、快速重傳（fast retransmit，F(xiàn)R）、快速恢復（fast recovery，F(xiàn)R）。這4個算法是可以相互轉(zhuǎn)換的，轉(zhuǎn)換方式如圖1所示。其中：設(shè)ssthresh為當前擁塞窗口的一半，cwnd為ssthresh加3個報文段大小，重傳丟失的報文段。

圖1 Reno算法

1.2 New Reno算法New Reno算法是比較經(jīng)典的基于“快速恢復”和“快速重傳”階段的改進算法，該算法的提出者是S.Floyd和T.Henderson。核心思想為：當網(wǎng)絡(luò)處于“快速恢復”階段時，為了完成重傳所有丟失的數(shù)據(jù)包，發(fā)送端會不斷的重發(fā)丟失報文段，直到同一窗口中丟失的所有數(shù)據(jù)都恢復完，發(fā)送端才退出“快速恢復”階段。

New Reno算法通過PartialACK和ACK的優(yōu)先性來解決同一個窗口中多個數(shù)據(jù)包丟失的問題，判斷出結(jié)束“快速重傳”的正確時機。

1.3 TCP Vegas算法TCP Vegas是在1994年由L.S.Brakmo等提出的一種基于測量的TCP算法。算法主要描述如下：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當發(fā)送端收到一個確認幀ACK時，先計算期望流量和實際流量的差值（diff），計算完成之后與門限值a和b（在初期自行設(shè)定，其中bb，說明擁塞窗口過大，有造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能，因此通過減小擁塞窗口cwnd的大小來降低傳送速率；如果diff

1.4 TCP Westwood算法2002年，Claudio Casetti等提出TCP Westwood方法。Westwood同樣是一種基于測量的TCP算法。在Westwood算法中，發(fā)送端根據(jù)收到的ACK速率，估算網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，將估計結(jié)果作為是否調(diào)整擁塞窗口的依據(jù)來避免發(fā)生擁塞。如果發(fā)生了擁塞，發(fā)送端將調(diào)整擁塞窗口的大小，修改慢啟動閥值。

2 TCP New Vegas算法

2.1 TCP Vegas算法思想TCP Vegas是一種基于測量的TCP算法。算法思想如下：首先計算diff的值，計算方法如式（1）所示。

BaseRTT取所有RTT中的最小值。其擁塞窗口調(diào)整策略如下：

在Vegas算法中增加了RTT供發(fā)送端判斷網(wǎng)絡(luò)狀況，對擁塞控制階段進行了優(yōu)化，擁塞窗口的調(diào)整策略有利于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

2.2改進基本思想TCP Vegas算法的主要特點是增加使用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐禃r間（RTT）來判斷網(wǎng)絡(luò)的狀況，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當發(fā)送端收到一個確認幀ACK時，先計算期望流量和實際流量的差值（diff），計算完成之后與門限值a和b（在初期自行設(shè)定，其中b

2.3 TCP New Vegas算法由于固定的a，b使算法存在限制性，對帶寬的要求較高，所以提出改進算法TCP New Vegas，改變兩個門限值a，b的固定設(shè)置，將a，b設(shè)置為可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)改變大小，具體算法如下。

當網(wǎng)絡(luò)處于擁塞避免時，首先使用公式（1）計算diff值，與原算法采用相同的處理辦法，進行與a，b的數(shù)值比較，比較之后需要更具體地比較結(jié)果的不同，進一步判斷網(wǎng)絡(luò)狀況，發(fā)送端做出發(fā)送調(diào)整。與原算法不同的是：

若diff大于b，進一步比較網(wǎng)絡(luò)當前吞吐量與上一數(shù)據(jù)包往返時間內(nèi)的吞吐量，若當前吞吐量小于上一數(shù)據(jù)包往返時間的吞吐量，發(fā)送端判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況并不是最好，則需要將擁塞窗口a和b同時減少1，若當前吞吐量大于上一數(shù)據(jù)包往返時間的吞吐量，說明網(wǎng)絡(luò)狀況良好，可以承受當前發(fā)送速率，發(fā)送端不需要減小擁塞窗口的大小。

若diff的大小在a值和b值之間，進一步比較網(wǎng)絡(luò)當前吞吐量與上一數(shù)據(jù)包往返時間的吞吐量，若呈現(xiàn)增長趨勢，說明網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸正常，將擁塞窗口a值和b值同時增加1；若呈現(xiàn)減小趨勢，說明網(wǎng)絡(luò)承受能力已達穩(wěn)定狀態(tài)，保持擁塞窗口不發(fā)生改變。

若diff小于a，同樣進一步比較網(wǎng)絡(luò)當前吞吐量與上一數(shù)據(jù)包往返時間的吞吐量，若呈現(xiàn)增長趨勢，說明網(wǎng)絡(luò)狀況良好，擁塞窗口增加3，若出現(xiàn)減小趨勢，查看a值的大小，如果大于3，則可能是因為a值偏大導致的diff小于a，所以將a，b同時減小1，保持擁塞窗口不改變，如果a不大于3，再將擁塞窗口增加1。

2.4流程圖按照2.3所述算法思想，改進后的TCP New Vegas算法流程圖描繪如圖2所示。

圖2 TCP New Vegas算法流程圖

3 算法仿真

在NS2中對改進后的算法和原算法的性能進行比較分析。

3.1仿真環(huán)境在NS2中建立仿真環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 NS2中網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

其中Node（1）、Node（2）、Node（3）和Node（4）之間為有線鏈路，帶寬1 Gbps，時延分別是1 ms、2 ms、1 ms，網(wǎng)關(guān)與Node（4）之間的帶寬為2 Mbps。

在節(jié)點（1）和（2）之間創(chuàng)建帶寬為10 Mb，延時20 ms、DropTail隊列類型的雙向鏈接。其它節(jié)點之間的鏈路建立與此代碼相似。RTT=150 ms，采樣時間設(shè)為20 s。

3.2仿真結(jié)果取擁塞窗口、吞吐量為性能指標，通過改變丟包率改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，圖4為丟包率分別取0.000 8、0.002、0.005和0.01時，兩種算法的擁塞窗口比較。

圖4 不同丟包率下?lián)砣翱谡{(diào)整情況

從圖中可發(fā)現(xiàn)：進入快速重傳階段后，擁塞窗口開始增大，在2 s時，擁塞窗口達到最大，之后進入擁塞避免階段，在發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)確認之后，進入快速重傳階段，擁塞窗口開始增大，在擁塞窗口到達10左右時，出現(xiàn)擁塞避免，4 s時開始進入快速恢復階段，在每個快速恢復階段，改進后的New Vegas算法總能很快的達到最大擁塞窗口，并穩(wěn)定維持一定時間，顯示明顯的性能提升，相比較于（1）和（2），在丟包率增大的情況下，擁塞窗口的穩(wěn)定值出現(xiàn)了降低，這是因為擁塞窗口的變化是隨著網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整的，改進后New Vegas算法的調(diào)整速度和效果比原Vegas算法要優(yōu)秀。在相同的時間段中，改進后的New Vegas算法總能很快的達到最大擁塞窗口，并穩(wěn)定維持一定時間，在丟包率逐漸增大的情況下，擁塞窗口的總體穩(wěn)定值都出現(xiàn)了降低，在擁塞窗口隨著網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整的過程中，改進后New Vegas算法的調(diào)整速度比原Vegas算法快。而且丟包率越高，New Vegas算法的優(yōu)勢越明顯，證實了New Vegas算法更適合丟包率較高的網(wǎng)絡(luò)。

下面分析在不同丟包率的情況中，兩種算法的吞吐量比較，分別設(shè)置丟包率為0.000 8、0.002、0.005和0.01，見圖5。

圖5 不同丟包率下吞吐量比較

從圖中可以看出，在0 s到3 s之間，吞吐量的提升比較平緩，在3 s到5 s之間，吞吐量提升比較迅速，在5 s之前兩種算法的吞吐量基本重合，沒有出現(xiàn)太大的差異，在5 s之后，改進后New Vegas算法在總體上吞吐量較高，而且截止到測試時間，一直表現(xiàn)出穩(wěn)定的優(yōu)勢。整體吞吐量都呈現(xiàn)下降趨勢，在相同測試時間中，改進后New Vegas算法吞吐量要高于原算法的吞吐量。

針對New Vegas算法的仿真結(jié)果，將上述不同丟包率下的吞吐量數(shù)據(jù)進行匯總，并使用gnuplot繪圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 TCP New Vegas算法吞吐量統(tǒng)計圖

將4種丟包率情況下的New Vegas算法的吞吐量進行比較，從中可以看出，丟包率升高，吞吐量隨之降低，但是在相同丟包率情況下，改進后的New Vegas算法總體吞吐量高于原算法，而且丟包率越大，效果越明顯，可見改進后的New Vegas算法能夠更好的適應(yīng)丟包率較高的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

文章以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)TD-SCDMA作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的實驗環(huán)境，對TCP Vegas算法進行改進，提出來TCP New Vegas算法，并在NS網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下進行了仿真實現(xiàn)。改進后的算法采用不固定的門限值a，b，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時狀況進行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的擁塞窗口和吞吐量。在實際網(wǎng)絡(luò)連接和傳輸中，TD-SCDMA往往容易受到環(huán)境影響，出現(xiàn)高丟包率、低帶寬現(xiàn)象，而TCP New Vegas算法的擁塞窗口的調(diào)整速度更快，適應(yīng)能力更強，所以更適合在諸如TD-SCD?MA和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用。

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（責任編輯 袁 霞）

A New TCP New Vegas Algorithm Applicable for the Heterogeneous Networks

FENG Libo,PAN Lijing,YANG Runbiao,LUO Guilan,ZHANG Mei
（College of Mathematics and Computer,Dali University,Dali,Yunnan 671003,China）

TCP Vegas is a reliable algorithm in the transport layer.In virtue of the data transmission restricted in wireless network bandwidth,it is not suitable for transmission in the wireless network.A TCP New Vegas algorithm which is applicable to heterogeneous networks is presented based on TCP Vegas algorithm.The algorithm controls the diff two dynamic threshold methods a,b.According to the two set a dynamic threshold method,it can effectively improve the algorithm of congestion window and throughput.The algorithm simulation experiment was carried out for background simulation of wireless sensor networks access to the third generation mobile communication network.The simulation results show that the improved TCP New Vegas algorithm has larger congestion window and higher throughput.It is more suitable for application in heterogeneous network data transmission.

heterogeneous networks;wireless sensor network;TD-SCDMA;TCP;TCP New Vegas

TP393

A

1672-2345（2014）06-0010-05

10.3969∕j.issn.1672-2345.2014.06.004

云南省教育廳科研基金資助項目（2012C065）

2014-01-08

2014-01-15

馮立波，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究.