異 構 網 絡 TCP 性 能 優 化 研 究

白曉東,　郭　菊

(1. 陽泉師范高等專科學校(電教中心), 山西 陽泉 045000; 2. 西南交通大學 經濟與管理學院， 成都 610031)

0　引　言

近年來，隨著計算機網絡技術的飛速發展，異構性在其所呈現的特性中變得越來越突出。為了靈活有效的開發、集成、制定和部署網絡業務，異構網絡的通信成為下一代網絡的發展趨勢[1-3]。目前為止，TCP/IP技術已經成功地應用于異構網絡的通信，IP技術和TCP協議已經成為下一代網絡技術的核心。TCP協議用于Internet的關鍵在于TCP擁塞控制[4-7]。對擁塞控制的研究主要有：Jacobson于1988年首次提出了擁塞避免(Congestion Avoidance)和慢啟動(Slow Start)算法；為了提高TCP傳輸的頑健性，1990年出現了Reno TCP版本；近幾年，又出現了NewReno、SACK等改進版本。迄今為止，TCP協議的傳輸性能在不斷地得到提升，同時也有多個改進版本應用于TCP擁塞控制算法[8-11]。

然而，在有線/無線網絡異構環境下[12-13]，對TCP性能增加技術只進行了初級階段的研究。不同網絡之間的路徑改變稱為垂直切換，常常存在于異構的網絡環境中，相同網絡內的路徑改變稱為水平切換[14-15]。就目前而言，對于異構環境中垂直切換下的TCP性能增強技術還需做進一步研究。

1　擁塞控制的改進設計

擁塞現象是指到達通信子網中某一部分的分組數量過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分乃至整個網絡性能下降的現象，嚴重時甚至會導致網絡通信業務陷入停頓，即出現死鎖現象，目前的擁塞控制不能較好的滿足實際通信的需求，以下將就其反饋進行改進。

1.1　端到端的反饋控制改進

根據丟失率來判斷某時刻無線網絡的網絡狀況，這是由于丟失率的連接吞吐量比利用RTT反饋信息的連接吞吐量要大。發送端的發送速率可表示為：

式中：Li和Twindow分別為傳輸窗口中第i幀的數據大小和數據發送出去的時間；P=Nresend/Nsend，其中Nresend和Nsend分別為需要重傳的幀數和傳輸窗口的大小。這里我們采用了低通濾波來避免QOS波動，其丟包率P的表達式為：

P=(1-a)P+ab

(1)

式中：a(0〈a〈1)為濾波參數，b為最新的丟包率。a值越小，就會使新值越接近原有的值；a值越大，則會越增強對最終結果的影響。參數a是丟包率的方式對網絡狀況自適應性的主要影響因素：如果a值過大，則對丟包率的反應較快，發生擁塞時，其反應較快，但是會造成傳輸速率的不必要抖動；如果a值過小，則對擁塞的反應較慢，不能及時地進行調整。因此，為了提高預測的準確性，a值的選取應該視情況而定，試驗中a=0.3時，適應能力最好。圖1為網絡負載估測模型。

圖1網絡負載估測模型

在圖1中設置了Ph和Pl兩個閾值。經過低通濾波器對丟包率P進行了平滑處理：如果P值小于Pl，則認為網絡處于空閑狀態；如果P值大于Ph，則認為網絡處于擁塞狀態；如果P值處于Ph和Pl之間，則認為網絡處于負載中。基于端到端自適應的反饋控制機制能夠很好降低包的丟失率和動態調整數據傳輸速率來適應網絡狀況。假設發送速率為R，發送端的最小速率和最大速率分別為MinRate和MaxRate，初始速率為IR，線性增量為AIR。

1.2　改進的TCP友好性擁塞控制

區分擁塞和非擁塞丟包是改進無線環境下TFRC性能的最基本的辦法，也是最直接的辦法。這種差錯率失真模型能夠分別對無線差錯丟包和擁塞丟包進行高精度的判決，其主要原因是它可以創建非常高的精確度。這里將一個丟包模式決議函數定義為：

F(x,r,k)=1-(k×x/r)

式中：k和x分別表示所有包中和丟失包中打了“out”標記的包占所有包的比例，而r則表示丟失包數占所有包數的比例。為了找到合適有效的判決因子，在實際的網絡情況中，需要對原始判決思路進行修正。

1.3　算法實現

與基于丟包的擁塞控制機制(如BIC和CUBIC)不同，Switch-TCP是通過計算期望值的吞吐量與實際吞吐量的，差值來估計網絡瓶頸處的可用帶寬。這樣Switch-TCP不用依靠丟包就能檢測到網絡擁塞，從而在丟包之前進行其基本思想：當期望的吞吐量與實際的吞吐量相差超過一定值時，就認為網絡擁塞程度嚴重，應該減小發送窗口；而當兩者之間的差小于一定值時，則認為連接沒有完全有效的利用帶寬，應該要增大發送窗口。圖2為改進的Switch-TCP算法流程圖。

2　實驗仿真研究

在圖3的網絡拓撲圖中，網絡2為快速網絡，網絡1和3為慢速網絡，并且快速網絡的帶寬是慢速網絡帶寬的8倍。該網絡拓撲由快速網絡和慢速網絡異構而成。

該網絡拓撲共有5個TCP 連接，整個過程的仿真時間為160 s。網絡中所有的TCP流全部從0時刻開始，在0～40 s內由路由器經慢速網絡1到達目的端。40 s時通過垂直切換的方式進入快速網絡2，在40～120 s內由路由器經快速網絡2到達目的端。120 s時再次以同樣的方式切換到慢速網絡3，160 s時仿真全部結束。

2.1　算法性能改進場景1

仿真采用了圖3的網絡拓撲，TCP1～TCP5為發送方，Sink1～Sink5為接受方。實驗中，TCP源端分別使用TCP Switch-TCP和TCP Reno算法。多個數據流存在的情況下Switch-TCP流的性能為此次仿真的考察目的。其主要性能指標包括擁塞窗口，用符號CWND表示；瞬時吞吐量，用符號Instant Throughput表示；丟包數，也可稱之為慢速切換暫態；和重傳率。

圖2Switch-TCP算法流程圖

圖3　網絡拓撲

2.1.1擁塞窗口

圖4和圖5分別為拓撲2的環境下，Reno和Switch-TCP的擁塞窗口變化值。由兩個圖的對比可得：在40～120 s的時間內，即快速網絡狀態下，Switch-TCP有很好的網絡可用資源的利用率。在相同通信量的情況下，Switch-TCP流發生的擁塞要明顯少于Reno流。同時，Switch-TCP流之間也能夠維持較高的擁塞窗口。這充分說明了Switch-TCP不僅能夠提高網絡可用資源的利用率，而且還能有效的控制了擁塞窗口的變化，同時減少擁塞的發生次數。

圖4　Reno擁塞窗口

圖5　Switch-TCP擁塞窗口

2.1.2瞬時吞吐量

圖6、7所示分別為Reno流和Switch-TCP流瞬時吞吐量。

圖6　Reno瞬時吞吐量

從兩圖的對比中，可以得出：

(1) 整個過程中，Reno流的瞬時吞吐量的波動較大，而Switch-TCP流的瞬時吞吐量不僅收斂性好，而且一直維持在一個較高值。

圖7　Switch-TCP瞬時吞吐量

(2) 由于Switch-TCP在控制擁塞窗口采用的機制存在很大的優勢，故在快速網絡狀態中，其瞬時吞吐量的波動范圍明顯高于Reno流，Reno流和Switch-TCP流的瞬時吞吐量的波動范圍分別為0～3.5 Mb/s和2～4 Mb/s。由此不僅減少了擁塞的發生次，同時也提高了網絡的利用率。

2.1.3重傳率

表1所示為Reno流與Switch-TCP流重傳率的對比，由該表可見：

(1) 多個數據流存在的情況下，Switch-TCP流和Reno流的平均重傳率分別為：9.252 017 2×10-4和29.638 824×10-4。與Reno數據流相比，Switch-TCP數據流的重傳率明顯要小。

(2) 這說明：Switch-TCP發送端能夠使不必要的重傳有效減少，從而有效降低發送端的能量消耗。

表1　Reno與Switch-TCP的重傳率

2.1.4丟包數

表2為Reno流與Switch-TCP流切換到慢速網絡階段的丟包統計表。該階段又稱之慢速切換暫態，是一段非常短的過程。由該表可見：由于Switch-TCP對切換到慢速網絡這一階段進行了擁塞窗口的控制，所以Reno數據流的丟包數是Switch-TCP數據流的8.5倍，分別為34packets和4packets。這一措施能夠大大降低數據流的丟包數，從而有效地減少了不必要的重傳，并提高了網絡的利用率。

表2　切換到慢速網絡階段的丟包數

2.2　算法性能改進場景2

依然采用圖3的網絡拓撲結構。只是TCP所采用的協議不同：除了TCP4和TCP5采用了Switch-TCP協議外，剩下的均采用了TCP Reno協議。以考察TCP Switch-TCP與Reno之間是否能夠友好的共存為此次實驗的主要目的。擁塞窗口和瞬時吞吐量為此次考察的主要性能指標，分別用符號CWND和Instant Throughput表示。

2.2.1擁塞窗口和瞬時吞吐量

圖8～10分別為拓撲2環境下的兩個數據流各性能指標的變化曲線圖。

圖8　Reno與Switch-TCP共存下的擁塞窗口

(1) 從圖8中可見，Reno數據流對網絡資源的競爭要稍稍弱于Switch-TCP數據流。

(2) 從圖10中可見，Reno數據流在瞬時吞吐量方面也稍稍遜色于Switch-TCP數據流。

(3) 從圖8和圖9的對比中可見，不僅Reno與Switch-TCP共存的窗口收斂性比Reno窗口的收斂性要好，而且Reno與Switch-TCP共存還可以緩解網絡的擁塞情況。因此，Switch-TCP數據流與Reno數據流具有友好的共存性。

圖9　Reno擁塞窗口

圖10　Reno與Switch-TCP共存下的瞬時吞吐量

3　結　語

在有線自身異構的網絡環境下，TCP進行切換時會產生一系列問題。本文將這些問題與TCP協議的優點相結合，提出了一種基于帶寬估計和雙重AIMD算法的改進的TCP擁塞控制機制。Switch-TCP具有實現簡單，系統額外開銷小等特點，在該設計方案中，不需要改變TCP端到端的語義，只需要在發送端進行部分修改足以。另外，在與TCP Reno算法同時使用時，除了能夠提高網絡資源的利用率之外，還能夠與TCP之間實現資源的公平競爭。通過理論分析和實驗數據可以得出：與TCP Reno相比，Switch-TCP不僅平均吞吐量和重傳率有了很大的改善：平均吞吐量提高了16.34%，重傳率約降低了2/3；且在快速和慢速切換態時也有很大的優勢：在慢速切換態時，Switch-TCP比TCP Reno降低了7/8的丟包數，在快速切換態時，Switch-TCP達到網絡最佳利用率的時間比TCP Reno大約早了4 s。

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