高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)擁塞控制仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬琛璐， 唐俊勇

（西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安710021）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在能源裝備、工業(yè)互聯(lián)、邊緣與云計(jì)算中的發(fā)展與融合，極大地促進(jìn)了智能化生產(chǎn)、運(yùn)維服務(wù)和供應(yīng)鏈的集成。傳統(tǒng)單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，隨之產(chǎn)生的是由有線、WiFi、無(wú)線傳感、LTE和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合而成的混合網(wǎng)絡(luò)［1-2］，作為一種新型網(wǎng)絡(luò)形式，以其覆蓋面廣、網(wǎng)絡(luò)兼容性好和轉(zhuǎn)發(fā)靈活等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。混合網(wǎng)絡(luò)由于具備有線、無(wú)線信道和高速、低速網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的特點(diǎn)，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(luò)這種高時(shí)延鏈路，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬被低時(shí)延鏈路大量搶占，不僅造成了混合鏈路傳輸不公平，還導(dǎo)致與高時(shí)延鏈路所在的全部路徑傳輸利用率不足。解決高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)的傳輸不均衡問(wèn)題成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

目前研究主要是提出新的擁塞控制算法［3-5］來(lái)解決傳統(tǒng)TCP協(xié)議在混合網(wǎng)絡(luò)中的傳輸問(wèn)題，在解決高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓叫院团c其他擁塞機(jī)制共存的友好性問(wèn)題上取得較好的效果，并開(kāi)始應(yīng)用在相應(yīng)的傳輸環(huán)境中。其中TCP Hybla［6］算法以其明顯的優(yōu)越被應(yīng)用在高延遲衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。避免了以TCP NewReno為代表的丟包觸發(fā)機(jī)制激進(jìn)的數(shù)據(jù)發(fā)送模式，從而占用高延時(shí)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(jī)制的響應(yīng)靈敏性，較好地解決了高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)各鏈路傳輸?shù)牟挥押眯浴?/p>

TCP Hybla已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中，現(xiàn)實(shí)中混合網(wǎng)絡(luò)的搭建費(fèi)用昂貴且TCP擁塞控制理論復(fù)雜抽象，難以直觀地在課堂教學(xué)中表現(xiàn)出來(lái)。針對(duì)這些問(wèn)題，本文利用NS-3（Network Simulator-3）［8］網(wǎng)絡(luò)仿真軟件靈活、便捷地設(shè)計(jì)高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，在節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上，采用NS-3中的追蹤機(jī)制和流量監(jiān)測(cè)機(jī)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(guò)程記錄下來(lái)，并通過(guò)模塊調(diào)用以文件的形式保存，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

相較于傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)在擁塞控制部分黑板式教學(xué)［9-10］的缺陷，NS-3能夠針對(duì)高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)的各鏈路時(shí)延不同的特點(diǎn)，觀察在混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機(jī)制與TCP Hybla機(jī)制的性能優(yōu)劣以及細(xì)節(jié)變化，突破了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以直觀分析抽象難懂的TCP理論的局限性。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)可用于混合網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)教學(xué)和研究，并可進(jìn)一步開(kāi)展TCP擁塞控制協(xié)議的一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 NS-3仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 NS-3仿真軟件簡(jiǎn)介

NS-3旨在提高實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，通過(guò)忽略底層細(xì)節(jié)進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，縮小現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差距。利用該軟件進(jìn)行混合網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更好的理解理論知識(shí)，并有助于相關(guān)研究人員對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，方便研究人員及時(shí)對(duì)新的協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)、調(diào)整。該軟件用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可有效提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思維能力。

圖1所示為NS-3仿真［11］實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本搭建流程，根據(jù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)編寫(xiě)模塊源碼，若滿足仿真需求直接運(yùn)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(yùn)行，并將仿真結(jié)果以文件的形式輸出，收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖1 NS-3仿真平臺(tái)的基本搭建流程

1.2 NS-3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文采用NS-3中的Internet模塊設(shè)計(jì)傳輸層TCP協(xié)議性能分析仿真實(shí)驗(yàn)［12］。在仿真中需要為網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，在NS-3中節(jié)點(diǎn)被視為裸機(jī)，需要添加相應(yīng)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(luò)層的協(xié)議算法，是網(wǎng)絡(luò)仿真的核心模塊；

TcpSocket 主要用來(lái)定義基本的TCP屬性，是一個(gè)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(shí)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(yīng)用層傳遞的數(shù)據(jù)分組；

TcpRx 通過(guò)TcpL4Protocol接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的Rx trace變量；

TcpL4Protocol 用于創(chuàng)建TcpSocketBase對(duì)象，是傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層的接口，負(fù)責(zé)把TcpTx產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。

在NS-3中，當(dāng)仿真程序開(kāi)始時(shí)，由客戶端應(yīng)用程序通過(guò)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(guò)與IP地址對(duì)應(yīng)的端口號(hào)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(jī)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(guò)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(luò)中，網(wǎng)絡(luò)資源的可用性通過(guò)CWND來(lái)探測(cè)評(píng)估。理想狀態(tài)下（即不丟包），每當(dāng)發(fā)送方發(fā)送一個(gè)最大報(bào)文段（Maximum Segment Size，MSS），接收方會(huì)反饋一個(gè)確認(rèn)號(hào)（Acknowledge character，ACK）作為響應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)的TCP擁塞控制算法TCP NewReno在慢啟動(dòng)（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(shí)延（Round-Trip Time，RTT）的變化對(duì)擁塞窗口的影響，將TCP NewReno的離散動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行連續(xù)化處理，得到CWND隨時(shí)間變化的評(píng)估模型式：［13］

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

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

由BH（t）＝WH（t）／RTT 可得TCP Hybla的動(dòng)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(wú)關(guān)，只與RTT0這一參考常量相關(guān)。

此外，由式（1）、（2）對(duì)比可知，在高時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)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(shí)間下，TCP Hybla擁有更好的調(diào)控性能，同時(shí)也說(shuō)明了TCP Hybla更適用于包含衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的高時(shí)延的混合網(wǎng)絡(luò)。

3 基于NS-3的仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文使用NS-3模擬器進(jìn)行仿真。仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)和R1，R2兩個(gè)路由組成的啞鈴狀混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖3 混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

啞鈴狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合混合網(wǎng)絡(luò)多鏈路共享瓶頸帶寬的特點(diǎn)，可有效地模擬混合網(wǎng)絡(luò)有線、無(wú)線并存爭(zhēng)用網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況。其各鏈路結(jié)構(gòu)具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

仿真的主要目的是通過(guò)追蹤機(jī)制和流量監(jiān)測(cè)機(jī)制追蹤數(shù)據(jù)來(lái)觀察TCP NewReno以及TCP Hybla算法的吞吐量及CWND的變化，以此驗(yàn)證TCP Hybla算法在高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)中的公平性、友好性及響應(yīng)靈敏性。在NS-3中添加追蹤和流量監(jiān)測(cè)機(jī)制設(shè)置高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景的基本流程為：

（1）搭建高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

（2）為各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置變量屬性和參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1；

（3）分配IP地址給各個(gè)節(jié)點(diǎn)；

（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(shè)置回調(diào)函數(shù)，將CWND的變化以文件的形式保存下來(lái)；

（6）添加流量監(jiān)測(cè)和事件調(diào)度函數(shù)，統(tǒng)計(jì)相同時(shí)間間隔內(nèi)。混合網(wǎng)絡(luò)各鏈路吞吐量變化；

（7）為各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置運(yùn)行的始末時(shí)間，實(shí)時(shí)調(diào)控各鏈路的流量。

完成上述設(shè)計(jì)流程，可以建立一個(gè)完整的高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生可以更好地理解復(fù)雜抽象的TCP擁塞控制機(jī)制，并通過(guò)修改仿真時(shí)間、信道時(shí)延等仿真參數(shù)以獲得不同的仿真結(jié)果。通過(guò)設(shè)置追蹤變量和流量監(jiān)測(cè)機(jī)制將仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)計(jì)算并寫(xiě)入相關(guān)的文件中，利用Oringin軟件對(duì)仿真結(jié)果繪圖分析。

4 實(shí)驗(yàn)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(píng)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(shè)置時(shí)延為2．5 ms的3條鏈路和時(shí)延為100 ms的一條高時(shí)延鏈路，構(gòu)造混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模擬高時(shí)延衛(wèi)星鏈路和普通網(wǎng)絡(luò)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(shí)間變化的趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 理論Hybla算法CWND

理論上是每經(jīng)過(guò)一個(gè)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(luò)容量決定，在NS-3中仿真可得TCP Hybla的CWND隨時(shí)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(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)里，TCP Hybla算法不會(huì)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(gè)TCP算法場(chǎng)景：Hybla公平性

時(shí)延差異是混合網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)，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(luò)結(jié)構(gòu)評(píng)估Hybla算法和NewReno算法，為了確保公平性，仿真設(shè)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(shí)啟動(dòng)，共享瓶頸帶寬，仿真時(shí)間持續(xù)50 s。

圖6為在NewReno算法下，3條低時(shí)延流與1條高時(shí)延流的對(duì)比，可以清晰的看到，從啟動(dòng)開(kāi)始，1、2、3號(hào)低時(shí)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(hào)高時(shí)延流的帶寬幾乎為零。從圖中可以看出，只有當(dāng)1、2、3號(hào)流逐漸減小，并趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)，4號(hào)流才有機(jī)會(huì)分享帶寬，并且緩慢的增長(zhǎng)，直到最后1，2，3號(hào)流均穩(wěn)定在吞吐量為0．30附近，4號(hào)高時(shí)延流的吞吐量才增長(zhǎng)到0．11。恰好驗(yàn)證了在標(biāo)準(zhǔn)的TCP擁塞協(xié)議下，較大的RTT會(huì)遭受TCP連接的嚴(yán)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(shí)延吞吐量

為了驗(yàn)證Hybla算法不受RTT影響的特性，與圖6的標(biāo)準(zhǔn)TCP擁塞控制協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，圖7是在Hybla算法下，4條TCP流同時(shí)啟動(dòng)的吞吐量分布情況，由對(duì)比可見(jiàn)，4號(hào)高時(shí)延流一開(kāi)始就快速搶占帶寬，同時(shí)1、2、3號(hào)低時(shí)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(dá)到吞吐量為0．25的穩(wěn)定狀態(tài)。而4號(hào)高時(shí)延流在第10 s時(shí)也迅速增長(zhǎng)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(shí)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?cái)[脫了RTT的依賴，大大優(yōu)化了因受RTT困擾而處于劣勢(shì)的高時(shí)延鏈路的性能，這也表明了在高時(shí)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(shè)置仿真時(shí)間為150 s，在1、2、3號(hào)低時(shí)延流啟動(dòng)20 s后，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)再啟動(dòng)4號(hào)高時(shí)延流。由圖可見(jiàn)，4號(hào)高時(shí)延流并未打破原有3條流的穩(wěn)定狀態(tài)，而是快速增長(zhǎng)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(gè)TCP算法場(chǎng)景：Hybla靈敏性及友好性

圖9 為容錯(cuò)率為0．1%，時(shí)延為100 ms的高時(shí)延鏈路中TCP Hybla算法和TCP Vegas算法的CWND變化，可見(jiàn)在高時(shí)延鏈路中TCP Hybla的CWND發(fā)送量遠(yuǎn)高于TCP Vegas算法，由此可說(shuō)明，在高時(shí)延鏈路中，TCP Hybla的響應(yīng)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(luò)中與其他算法之間的友好性，在混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中令1、2、3號(hào)低時(shí)延流為T(mén)CP NewReno，4號(hào)高時(shí)延流分別為T(mén)CP Hybla和TCP Vegas，將2次運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。雖然TCP Vegas在高時(shí)延鏈路中的性能低于TCP Hybla，但是帶寬并沒(méi)有被完全搶占，稍低于適應(yīng)高時(shí)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(shuō)明了TCP Hybla算法友好性。

圖10 不同TCP算法的吞吐量

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)在NS-3中搭建高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，在仿真過(guò)程中運(yùn)用追蹤機(jī)制和流量監(jiān)測(cè)機(jī)制對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行輸出保存。實(shí)驗(yàn)不僅仿真了TCP Hybla算法在高時(shí)延混合網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量和CWND的變化，還設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)TCP Hybla在混合網(wǎng)絡(luò)中的公平性，友好性以及響應(yīng)靈敏性進(jìn)行了評(píng)估，仿真結(jié)果與理論貼合度較高，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成功。可在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行混合網(wǎng)絡(luò)的研究與教學(xué)工作以及一系列相關(guān)的TCP擁塞控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。