異 構(gòu) 網(wǎng) 絡(luò) TCP 性 能 優(yōu) 化 研 究

白曉東,　郭　菊

(1. 陽泉師范高等?？茖W(xué)校(電教中心), 山西 陽泉 045000; 2. 西南交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 成都 610031)

0　引　言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，異構(gòu)性在其所呈現(xiàn)的特性中變得越來越突出。為了靈活有效的開發(fā)、集成、制定和部署網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信成為下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢[1-3]。目前為止，TCP/IP技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信，IP技術(shù)和TCP協(xié)議已經(jīng)成為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心。TCP協(xié)議用于Internet的關(guān)鍵在于TCP擁塞控制[4-7]。對(duì)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(dòng)(Slow Start)算法；為了提高TCP傳輸?shù)念B健性，1990年出現(xiàn)了Reno TCP版本；近幾年，又出現(xiàn)了NewReno、SACK等改進(jìn)版本。迄今為止，TCP協(xié)議的傳輸性能在不斷地得到提升，同時(shí)也有多個(gè)改進(jìn)版本應(yīng)用于TCP擁塞控制算法[8-11]。

然而，在有線/無線網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)環(huán)境下[12-13]，對(duì)TCP性能增加技術(shù)只進(jìn)行了初級(jí)階段的研究。不同網(wǎng)絡(luò)之間的路徑改變稱為垂直切換，常常存在于異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路徑改變稱為水平切換[14-15]。就目前而言，對(duì)于異構(gòu)環(huán)境中垂直切換下的TCP性能增強(qiáng)技術(shù)還需做進(jìn)一步研究。

1　擁塞控制的改進(jìn)設(shè)計(jì)

擁塞現(xiàn)象是指到達(dá)通信子網(wǎng)中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理，以致引起這部分乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象，目前的擁塞控制不能較好的滿足實(shí)際通信的需求，以下將就其反饋進(jìn)行改進(jìn)。

1.1　端到端的反饋控制改進(jìn)

根據(jù)丟失率來判斷某時(shí)刻無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)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(fā)送端的發(fā)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(shù)據(jù)大小和數(shù)據(jù)發(fā)送出去的時(shí)間；P=Nresend/Nsend，其中Nresend和Nsend分別為需要重傳的幀數(shù)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(dòng)，其丟包率P的表達(dá)式為：

P=(1-a)P+ab

(1)

式中：a(0〈a〈1)為濾波參數(shù)，b為最新的丟包率。a值越小，就會(huì)使新值越接近原有的值；a值越大，則會(huì)越增強(qiáng)對(duì)最終結(jié)果的影響。參數(shù)a是丟包率的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)性的主要影響因素：如果a值過大，則對(duì)丟包率的反應(yīng)較快，發(fā)生擁塞時(shí)，其反應(yīng)較快，但是會(huì)造成傳輸速率的不必要抖動(dòng)；如果a值過小，則對(duì)擁塞的反應(yīng)較慢，不能及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。因此，為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，a值的選取應(yīng)該視情況而定，試驗(yàn)中a=0.3時(shí)，適應(yīng)能力最好。圖1為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載估測模型。

圖1網(wǎng)絡(luò)負(fù)載估測模型

在圖1中設(shè)置了Ph和Pl兩個(gè)閾值。經(jīng)過低通濾波器對(duì)丟包率P進(jìn)行了平滑處理：如果P值小于Pl，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)；如果P值大于Ph，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)；如果P值處于Ph和Pl之間，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)處于負(fù)載中?；诙说蕉俗赃m應(yīng)的反饋控制機(jī)制能夠很好降低包的丟失率和動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況。假設(shè)發(fā)送速率為R，發(fā)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(jìn)的TCP友好性擁塞控制

區(qū)分擁塞和非擁塞丟包是改進(jìn)無線環(huán)境下TFRC性能的最基本的辦法，也是最直接的辦法。這種差錯(cuò)率失真模型能夠分別對(duì)無線差錯(cuò)丟包和擁塞丟包進(jìn)行高精度的判決，其主要原因是它可以創(chuàng)建非常高的精確度。這里將一個(gè)丟包模式?jīng)Q議函數(shù)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(biāo)記的包占所有包的比例，而r則表示丟失包數(shù)占所有包數(shù)的比例。為了找到合適有效的判決因子，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況中，需要對(duì)原始判決思路進(jìn)行修正。

1.3　算法實(shí)現(xiàn)

與基于丟包的擁塞控制機(jī)制(如BIC和CUBIC)不同，Switch-TCP是通過計(jì)算期望值的吞吐量與實(shí)際吞吐量的，差值來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)瓶頸處的可用帶寬。這樣Switch-TCP不用依靠丟包就能檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而在丟包之前進(jìn)行其基本思想：當(dāng)期望的吞吐量與實(shí)際的吞吐量相差超過一定值時(shí)，就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞程度嚴(yán)重，應(yīng)該減小發(fā)送窗口；而當(dāng)兩者之間的差小于一定值時(shí)，則認(rèn)為連接沒有完全有效的利用帶寬，應(yīng)該要增大發(fā)送窗口。圖2為改進(jìn)的Switch-TCP算法流程圖。

2　實(shí)驗(yàn)仿真研究

在圖3的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，網(wǎng)絡(luò)2為快速網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)1和3為慢速網(wǎng)絡(luò)，并且快速網(wǎng)絡(luò)的帶寬是慢速網(wǎng)絡(luò)帶寬的8倍。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆煽焖倬W(wǎng)絡(luò)和慢速網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)而成。

該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔灿?個(gè)TCP 連接，整個(gè)過程的仿真時(shí)間為160 s。網(wǎng)絡(luò)中所有的TCP流全部從0時(shí)刻開始，在0～40 s內(nèi)由路由器經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)1到達(dá)目的端。40 s時(shí)通過垂直切換的方式進(jìn)入快速網(wǎng)絡(luò)2，在40～120 s內(nèi)由路由器經(jīng)快速網(wǎng)絡(luò)2到達(dá)目的端。120 s時(shí)再次以同樣的方式切換到慢速網(wǎng)絡(luò)3，160 s時(shí)仿真全部結(jié)束。

2.1　算法性能改進(jìn)場景1

仿真采用了圖3的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，TCP1～TCP5為發(fā)送方，Sink1～Sink5為接受方。實(shí)驗(yàn)中，TCP源端分別使用TCP Switch-TCP和TCP Reno算法。多個(gè)數(shù)據(jù)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(biāo)包括擁塞窗口，用符號(hào)CWND表示；瞬時(shí)吞吐量，用符號(hào)Instant Throughput表示；丟包數(shù)，也可稱之為慢速切換暫態(tài)；和重傳率。

圖2Switch-TCP算法流程圖

圖3　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.1.1擁塞窗口

圖4和圖5分別為拓?fù)?的環(huán)境下，Reno和Switch-TCP的擁塞窗口變化值。由兩個(gè)圖的對(duì)比可得：在40～120 s的時(shí)間內(nèi)，即快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，Switch-TCP有很好的網(wǎng)絡(luò)可用資源的利用率。在相同通信量的情況下，Switch-TCP流發(fā)生的擁塞要明顯少于Reno流。同時(shí)，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(wǎng)絡(luò)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(shí)減少擁塞的發(fā)生次數(shù)。

圖4　Reno擁塞窗口

圖5　Switch-TCP擁塞窗口

2.1.2瞬時(shí)吞吐量

圖6、7所示分別為Reno流和Switch-TCP流瞬時(shí)吞吐量。

圖6　Reno瞬時(shí)吞吐量

從兩圖的對(duì)比中，可以得出：

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

圖7　Switch-TCP瞬時(shí)吞吐量

(2) 由于Switch-TCP在控制擁塞窗口采用的機(jī)制存在很大的優(yōu)勢，故在快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中，其瞬時(shí)吞吐量的波動(dòng)范圍明顯高于Reno流，Reno流和Switch-TCP流的瞬時(shí)吞吐量的波動(dòng)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(fā)生次，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)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(duì)比，由該表可見：

(1) 多個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流相比，Switch-TCP數(shù)據(jù)流的重傳率明顯要小。

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

表1　Reno與Switch-TCP的重傳率

2.1.4丟包數(shù)

表2為Reno流與Switch-TCP流切換到慢速網(wǎng)絡(luò)階段的丟包統(tǒng)計(jì)表。該階段又稱之慢速切換暫態(tài)，是一段非常短的過程。由該表可見：由于Switch-TCP對(duì)切換到慢速網(wǎng)絡(luò)這一階段進(jìn)行了擁塞窗口的控制，所以Reno數(shù)據(jù)流的丟包數(shù)是Switch-TCP數(shù)據(jù)流的8.5倍，分別為34packets和4packets。這一措施能夠大大降低數(shù)據(jù)流的丟包數(shù)，從而有效地減少了不必要的重傳，并提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率。

表2　切換到慢速網(wǎng)絡(luò)階段的丟包數(shù)

2.2　算法性能改進(jìn)場景2

依然采用圖3的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。只是TCP所采用的協(xié)議不同：除了TCP4和TCP5采用了Switch-TCP協(xié)議外，剩下的均采用了TCP Reno協(xié)議。以考察TCP Switch-TCP與Reno之間是否能夠友好的共存為此次實(shí)驗(yàn)的主要目的。擁塞窗口和瞬時(shí)吞吐量為此次考察的主要性能指標(biāo)，分別用符號(hào)CWND和Instant Throughput表示。

2.2.1擁塞窗口和瞬時(shí)吞吐量

圖8～10分別為拓?fù)?環(huán)境下的兩個(gè)數(shù)據(jù)流各性能指標(biāo)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(shù)據(jù)流對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競爭要稍稍弱于Switch-TCP數(shù)據(jù)流。

(2) 從圖10中可見，Reno數(shù)據(jù)流在瞬時(shí)吞吐量方面也稍稍遜色于Switch-TCP數(shù)據(jù)流。

(3) 從圖8和圖9的對(duì)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(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。因此，Switch-TCP數(shù)據(jù)流與Reno數(shù)據(jù)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(shí)吞吐量

3　結(jié)　語

在有線自身異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，TCP進(jìn)行切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列問題。本文將這些問題與TCP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出了一種基于帶寬估計(jì)和雙重AIMD算法的改進(jìn)的TCP擁塞控制機(jī)制。Switch-TCP具有實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)額外開銷小等特點(diǎn)，在該設(shè)計(jì)方案中，不需要改變TCP端到端的語義，只需要在發(fā)送端進(jìn)行部分修改足以。另外，在與TCP Reno算法同時(shí)使用時(shí)，除了能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率之外，還能夠與TCP之間實(shí)現(xiàn)資源的公平競爭。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(tài)時(shí)也有很大的優(yōu)勢：在慢速切換態(tài)時(shí)，Switch-TCP比TCP Reno降低了7/8的丟包數(shù)，在快速切換態(tài)時(shí)，Switch-TCP達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最佳利用率的時(shí)間比TCP Reno大約早了4 s。

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