（计算机应用技术专业论文）基于tcp+vegas的拥塞控制算法优化研究.pdf

俐嬲 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明的部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研 究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要 帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 乒名敏 厶年石月沈日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：黪孙师签名：产撩开碡 g 月z 2 _ n 基于t c p v e g a s 的拥塞控制算法优化研究 摘要 计算机网络发展到今天，已经成为一个非常庞大的非线性复杂系统， 用户数量和系统的规模巨大且一直在不断增长，异构异质的网络不断融合 发展，网络中的资源被越来越多的用户所共享使用，网络拥塞问题变得越 来越严重。如何引进与改进更多、更合理的拥塞控制机制及拥塞控制算法 对网络的稳定运行至关重要，所以网络拥塞控制研究对提高t c p 性能具有 十分重要的理论意义和很高的实际应用价值。论文以传统的t c p 拥塞控制 为研究切入点，重点研究无线卫星网络环境下t c pv e g a s 拥塞控制算法， 进而提出两种改进的算法o c a a 与o f r a ，并整合形成t c pv e g a s r c ，经 性能测试，较原算法有了一定的性能优越性，提高了网络中t c p 性能。 首先，针对v e g a s 拥塞避免算法存在由于参数0 【、1 3 的值设置固定而不 能适应网络状况的变化以及在高封包错误率时链路利用率下降的问题，提 出了一种改进算法o c a a ，o c a a 算法对网络通信状况进行分解，针对不 同的网络通信状况，采用不同的拥塞控制策略。对o c a a 算法与原有拥塞 避免算法c a 算法进行对比测试，主要从窗口数、分组数、吞吐量三个指 标比较两种算法的性能。通过实验说明o c a a 获得了更高地网络吞吐量和 链路利用率，提高t c p 性能。 其次，针对v e g a s 快速重传算法f r 的不足，提出了一种改进算法 o f r a ，针对发送端接收到新a c k 包、接收到3 个重复的a c k 包与超时 三种情况分别采用不同的拥塞控制策略。实验表明，o f r a 算法比f r 算 法更优，达到了提高t c p 性能的目的。 最后，对改进的算法o c a a 与o f r a 进行整合得到t c pv e g a s r c 算 法，进行性能测试，分析其性能表现，经过测试对比分析，t c pv e g a s r e 比原算法t c pv e g a s 在网络性能上有更好地表现。 关键词：计算机网络传输控制协议拥塞控制拥塞控制算法 t c p 性能 i i r e s e a r c ho fc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m o p t i m i z a t i o nb a s e do nt c pv e g a s a b s t r a c t t o d a yc o m p u t e rn e t w o r kh a sb e c o m eah u g en o n l i n e a rc o m p l e xs y s t e m ，t h e s y s t e ms i z ea n dn u m b e ro fu s e r sa r eh u g ea n ds t i l lg r o w i n g ，h e t e r o g e n e o u s d e v e l o p m e n to ft h ec o n t i n u o u si n t e g r a t i o no fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，l i m i t e d n e t w o r kr e s o u r c e sa r es h a r e db ym o r ea n dm o r eu s e r s ，n e t w o r kc o n g e s t i o n i s s u e sb e c o m ee v e nm o r es e r i o u s h o wt oi m p r o v ew i t ht h ei n t r o d u c t i o no fm o r e a n dm o r er a t i o n a la n dc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m sr u n n i n go nt h en e t w o r k s s t a b i l i t yi se s s e n t i a l ，n e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lt oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c e o nav e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dh i g hv a l u e p a p e r st ot h e t r a d i t i o n a lt c pc o n g e s t i o nc o n t r o le n t r yp o i n tf o rr e s e a r c h ，f o c u s i n go nw i r e l e s s s a t e l l i t en e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t c pv e g a sc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ，a n d p r o p o s e dt w oi m p r o v e da l g o r i t h m so c a a a n dt h eo f r a ，a n di n t e g r a t e df o r m t c pv e g a s - r e ，t h r o u g hp e r f o r m a n c et e s t i n g ，t h a nt h eo r i g i n a la l g o r i t h m w i t h s o m ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s ，a n di m p r o v e sn e t w o r k p e r f o r m a n c ei nt c e f i r s to fa l l ，f o rt h ev e g a sc o n g e s t i o na v o i d a n c ea l g o r i t h m se x i s ta s0 【，p p a r a m e t e ri sf i x e d ，c a nn o ta d a p tt oc h a n g e si nn e t w o r kc o n d i t i o n sa n di nh i g h p a c k e t e r r o rr a t ed e c r e a s e dw h e nt h el i n k u t i l i z a t i o np r o b l e m ，a ni m p r o v e d i i i a l g o r i t h mo c a a ，t od e c o m p o s eo nt h ec o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n s ，f o rd i f f e r e n t n e t w o r kt r a f f i cc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n tc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s o nt h eo c a a a l g o r i t h ma n dt h eo r i g i n a lc aa l g o r i t h mc o n g e s t i o na v o i d a n c ea l g o r i t h m s c o m p a r i s o nt e s t ，m a i n l yf r o mt h ew i n d o wn u m b e r , g r o u pn u m b e r , u s e dt o e v a l u a t et h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo ft w oa l g o r i t h m s o c a ao b t a i n e db y e x p e r i m e n ts h o w se v e nh i g h e rn e t w o r kt h r o u g h p u ta n dl i n ku t i l i z a t i o n ，a n d i m p r o v et c pp e r f o r m a n c e s e c o n d ，t h ef a s tr e t r a n s m i ta l g o r i t h mf o rv e g a sf r ，t h ep a p e rp r o p o s e sa n i m p r o v e da l g o r i t h mo f r a ，r e c e i v e st h en e wa c k f o rs e n d i n gp a c k e t s ，r e c e i v e d t h r e ed u p l i c a t ea c kp a c k e t sa n do v e r t i m ew e r et h r e ec a s e sw i t hd i f f e r e n t c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，o f r aa l g o r i t h mi sb e t t e r t h a nt h ef r a l g o r i t h mt oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo f i m p r o v i n gt c pp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ei m p r o v e da l g o r i t h mt oi n t e g r a t eo c a aa n do f r a t og e tt c p v e g a s r ea l g o r i t h m ，p e r f o r m a n c et e s t i n g ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t e s t e d c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t c pv e g a s r ei sb e t t e rt h a nt c pv e g a si nt h en e t w o r k p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c o m p u t e rn e t w o r k ；t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ；c o n g e s t i o n c o n t r o l ；c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ；t c pp e r f o r m a n c e i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景。l 1 2 研究意义与内容2 1 2 1 研究意义2 1 2 2 研究内容2 1 3 论文组织3 第二章t c p 相关技术研究5 2 1t c p 概j 述5 2 1 1t c p 协议5 2 1 2 影响t c p 性能的因素。5 2 1 3t c p 性能评价标准一6 2 2t c p 拥塞控制简介7 2 3 典型t c p 版本1 0 2 ：；1t c pt a h o e 1l 2 3 2t c pr e n o 11 2 3 3t c pn e w r e n o 1 2 2 ：；4t c ps a c k 1 2 2 3 5t c pv e g a s 13 2 4 本章小结1 3 第三章t c pv e g a s 算法的改进与仿真分析1 4 3 1 研究背景1 4 3 2t c p v e g a s 拥塞控制算法相关研究一1 4 3 3v e g a s 算法优化15 v 3 3 1o c a a 算法一：15 3 3 2o f r a 算法17 3 4 改进算法o c a a 与o f r a 的性能测试与分析。2 l 3 4 1 拥塞避免算法测试比较2 1 3 4 2 快速重传算法测试比较。2 6 3 5 本章小结3 0 第四章t c pv e g a s r c 性能测试与分析。3 1 4 1 引言3 1 4 2 网络仿真软件n s 2 3 1 4 3 性能测试与分析3 3 4 3 1r t t 3 4 4 3 2 瓶颈带宽3 5 4 3 3 临时掉线。3 6 4 3 4 无线信号衰落3 7 4 4 本章小结3 8 第五章总结与展望3 9 5 1 总结3 9 5 2 展望4 0 参考文献4 l 致谢4 5 攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 6 v l 1 1 研究背景 第一章绪论 在当今信息社会发展中，计算机网络【l 】是由计算机技术与现代通信技术相结合而形 成的产物，它已经成为衡量一个国家信息化水平最重要的基础设施之一。计算机网络在 科学、教育、文化传播、医疗卫生、政治、军事、金融、商业、交通、电信等领域的作 用日益增大，人们越来越离不开计算机网络，对它的依赖性r 益增强。人们建立了许许 多多各种各样的专家系统和信息系统，使得各种资源高度集中于计算机中，并通过计算 机网络来接收和处理这些信息，实现相互间的资源共享。利用网络平台交流信息及以网 络方式获取信息已经成为当今信息社会的重要手段之一。随着网络的共享性、开放性、 互联程度的不断扩大，尤其是h 2 t e n l e t 2 】的出现，计算机网络对社会的影响也越来越大， 小到个人电子邮件，大到跨国公司视频会议等等，无不体现了网络对人类生活的重要性， 人们的生活已经离不开网络。同时，随着各种新业务的兴起，比如电子商务、电子公务、 电子教学、网上银行、数字货币、电子政务以及各种专用网的建设等等【3 4 1 ，都与计算机 网络息息相关。 随着互联网【5 6 】的飞速发展，互联网应用和用户都在快速地增长，人们对网络的需求 越来越大，对网络服务质量【7 】的要求也越来越高，能否为网络中的用户提供高质量的网 络服务成为t c p 性能的一个关键问题。在r f c 7 9 3 8 】中t c p 协议中只有流控制( f l o w c o n t r 0 1 ) ，而没有拥塞控制 9 1 ( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) ，接收端利用t c p 报头将接收能力 通知发送端。这样的控制机制由于没有考虑网络的传输能力，只考虑了接收端的接收能 力，从而导致了网络拥塞崩溃 1 0 , l l 】( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) 的发生。在1 9 8 6 年1 0 月份， 美国l b l 到u cb e r k e l e y 由于拥塞崩溃的发生【1 2 】，数据吞吐量从3 2 k b i t s 跌落到4 0 b i t s ， 导致网络性能严重下降。为了提高网络性能，在t c p 中增加了的拥塞控制机制。从此 之后，许多研究机构在拥塞控制领域开展了大量的研究工作【1 3 1 7 1 。 针对网络t c p 性能问题，论文从拥塞控制机制着手，重点研究拥塞控制算法：一 是改进拥塞避免算法；二是改进快速重传算法，以期提高网络中t c p 性能。 亘查兰塑查兰堕鲨奎墨至：! 篁选g 垒墨竺塑窒垫型苎鲞垄丝堡壅 1 2 研究意义与内容 1 2 1 研究意义 i n t e m e t 的建立和发展始终离不开传输控制协议网际协议【l8 】( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o f i n t e r n e tp r o t o c o l ，t c p i p ) ，虽然t c p i p 不是国际标准，但它在计算机网络体 系结构中占据着非常重要的地位，已经成为业界事实上的标准。t c p i p 协议在互联网中 如此重要，使得下层网络对t c p 协议的支撑性受到广泛关注【1 9 ，2 0 1 。在i n t e m e t 中，t c p 流的比重占了所有网络流量的9 0 以上【2 1 1 ，使得t c p 流的行为在很大程度上主导了网 络流量的行为。早期的t c p 协议只有基于滑动窗口的差错控制和流量控制机制，而没 有拥塞控制机制，从而容易发生网络拥塞。当网络发生拥塞时，延迟会增加，致使t c p 发送端不得不重发数据报文段。在最糟糕的情况下，重发报文将使网络拥塞更加恶化， 并导致拥塞崩溃。如果t c p 中不引入拥塞控制机制，就会严重影响网络性能，导致网 络性能下降。因此，引进更多、更合理的拥塞控制机制对网络的稳定运行至关重要，网 络拥塞控制研究对提高t c p 性能具有非常重要的意义。 近年来，随着网络通信技术的不断发展，卫星网络 2 2 】也越来越多地融入到现代通信 网络当中来。然而，由于卫星网络具有很高的封包错误率和较长的往返时延，较为严重 的影响了传统t c p 拥塞控制算法的性能，降低了网络的可用性，尤其是降低了t c p 性 能。针对计算机技术与现代通信技术所形成的计算机网络具有异构性、动态性、复杂 性等特点，通过研究t c p 拥塞控制机制，改进t c p 拥塞控制算法，达到提高t c p 流在 网络中平均吞吐量、降低时延的目标，取得更好地网络性能效果。卫星网络对t c p 流 的平均吞吐量、时延等性能指标提出了更高的要求。网络拥塞控制机制中的拥塞避免与 快速重传可以避免因为传送得太快而使网络发生拥塞，减小网络中发生拥塞的可能性， 快速重传需要重传的数据报文段，从而提高网络性能。 综上所述，为了实现网络中t c p 性能具有较高的网络吞吐量，较低的时延的目标， 论文以传统的t c p 拥塞控制为研究切入点、t c pv e g a s 2 4 2 5 】为基础，重点研究其中的拥 塞避免和快速重传算法，进而分别提出相应的优化算法，实现提高网络中t c p 性能的 预期目标。因此本文的研究具有一定的理论意义和科研价值。 1 2 2 研究内容 本论文主要的研究内容是： ( 1 ) 针对v e g a s 拥塞避免算法存在由于参数0 【、p 的值设置固定而不能适应网络状 2 况的变化以及在高封包错误率时链路利用率下降的问题，提出了一种改进的拥塞避免算 法，以期达到优化网络中t c p 性能的目标。 ( 2 ) 针对v e g a s 快速重传算法的不足，提出了一种改进的快速重传算法。对发送 端接收到新a c k 包、接收到3 个重复的a c k 包、超时三种情况分别采用不同的拥塞控 制策略。 ( 3 ) 在t c pv e g a s 基础上，对改进的拥塞避免算法与快速重传算法进行整合，形 成一个新的t c p 版本t c pv e g a s i c 算法，并对其进行性能测试，分析其性能表现。 研究内容如图1 1 所示： n s 2 平台 图1 - 1 研究内容结构图 f i g 1 - 1t h ef r a m e w o r ko fr e s e a r c hc o n t e n t 论文工作主要研究了t c p 拥塞控制机制与典型的拥塞控制算法，针对v e g a s 拥塞控 制算法，提出了改进的拥塞避免算法和快速重传算法，并分别对两个改进的算法进行性 能测试，然后在t c pv e g a s 基础上整合改进的拥塞避免算法和快速重传算法，得到一个 新的t c pv e g a s r e 算法，对比t c pv e g a s 进行相关性能测试并分析测试结果。 1 3 论文组织 全文的组织结构如下： 第一章介绍论文主要的研究背景，研究的意义和内容，概述论文主要的工作和成 果。 第二章主要介绍了t c p 相关技术的基本知识，包括t c p 协议、影响t c p 性能的 因素、t c p 性能的评价标准，并且介绍了t c p 拥塞控制机制及典型的t c p 版本，总结 它们使用的拥塞控制算法并分析其优缺点。 第三章主要以t c pv e g a s 为基础，重点研究其中的拥塞避免算法和快速重传算法， 3 进而分别提出相应的优化算法。针对v e g a s 拥塞避免算法存在由于参数q 、p 的值设置 固定而不能适应网络状况的变化以及在高封包错误率时链路利用率下降的问题，提出了 一种改进的拥塞避免算法，可自动调整0 【、b 的值，实现拥塞窗口随网络状况变化而动 态调整；针对v e g a s 快速重传算法的不足，提出了一种改进的快速重传算法，对发送端 接收到新a c k 包、接收到3 个重复的a c k 包、超时三种情况分别采用不同的拥塞控制 策略。对两个改进的算法主要从窗口数、分组数、吞吐量三个指标与原算法进行性能比 较。 第四章在研究n s 2 源码的基础上，将改进的两个算法整合形成一个新的t c p 版本 t c p v e g a s r c 算法，在网络模拟器中进行了扩展，分别在不同的r 盯、不同的瓶颈带宽、 临时掉线、无线信号衰落等影响t c p 性能的情况下，进行性能测试，分析吞吐量等性 能指标。给出了原算法与改进算法的性能指标的比较，并分析了比较结果。 第五章对本文的工作成果做了总结以及对下一步工作的展望。 4 2 1t c p 概述 第二章t c p 相关技术研究 t c p 是目前互联网中最重要的传输层协议，在互联网中9 0 以上的业务量都是使用 t c p 来传送的；同时，t c p 也是端到端拥塞控制的主要组成部分【2 6 ，2 7 1 。本章着重论述 t c p 相关基础知识，主要涉及t c p 协议、影响t c p 性能的因素、t c p 性能评价标准、 t c p 拥塞控制机制、t c p 拥塞控制算法及典型的t c p 版本。t c p i p 是目前使用最广泛 的一组通信协议。t c p 主要功能包括：将自应用程序收到的信息分成许多较小的数据区 段、提供连接导向的服务、提供可靠性的服务、提供应用程序之间的流量控制，并依照 网络的状况进行拥塞控制。 2 1 1t c p 协议 传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 在保障网络通信性能方面起 着十分重要的作用。它为网络应用提供可靠的数据传输服务，是一种面向连接的端到端 的传输层协议【2 8 1 。t c p 最初的j 下式定义是在r f c 7 9 3 t 8 】中给出的，只有流控制机制而没 有拥塞控制控制机制。随着网络的发展，新的网络应用的不断出现，t c p 中的错误也逐 渐地被检测出来，在r f c l l 2 2 2 9 1 和r f c l 3 2 3 t 3 0 1 中对相关内容进行了错误修补并对一些 需求进行了功能扩展。 在网络层口协议的基础上，t c p 协议向应用层用户提供全双工、可靠性数据流传 输。两个应用进程之间可以通过建立一条传输连接来实现顺序、不重复、无差错和无报 文丢失的流传输。在完成一次进程数据交互时，释放传输连接。t c p 协议【l 】具有以下特 点：( 1 ) 面向连接服务；( 2 ) 高可靠性；( 3 ) 支持流传输；( 4 ) 全双工通信；( 5 ) 提供 流量控制与拥塞控制；( 6 ) 传输连接的可靠建立与释放。 2 1 2 影响t c p 性能的因素 计算机网络在我们当今信息社会中应用十分广泛，良好的t c p 性能能为用户提供 更好的服务，提高用户满意度。然而在实际的网络应用中存在很多因素会影响到t c p 性能，主要有往返时延r t t 、瓶颈带宽、临时掉线、无线信号衰落、封包错误率p e r 、 慢启动阀值、计时器粒度、传送的封包大小、网络的队列管理机制、网络是否对t c p 提供支持、有线无线的网络环境等。论文重点考察前五个因素，在后文第三章与第四章 5 的性能测试中，主要考虑这5 个因素。下面简要介绍前5 个因素： ( 1 ) 往返时延r t t ( r o u n dt r i pt i m e s ，r t t ) ：也称平均传送时间或回路响应时延。 表示从发送端发送数据报文开始，到发送端接收到来自接收端的确认( 接收端接收到数 据报文后便立即发送确认) ，总共经历的时延。在计算机网络中它是一个重要的影响t c p 性能的因素。 ( 2 ) 瓶颈带宽( b o t t l e n e c kb a n d w i d t h ) ：是指当一条路径中没有其它背景流量时， 网络链路能够提供的最大吞吐量。瓶颈带宽的大小制约着计算机网络中t c p 的性能， 尤其是当多个连接共享一定的网络带宽时容易造成网络拥塞。 ( 3 ) 临时掉线：由于无线终端的移动性而造成其与基站之间在短时间内无法正常 通信的状态。临时掉线时间的长短无疑会影响t c p 的性能。 ( 4 ) 无线信号衰落：是因随参信道引起的接收信号相位与幅度的随机变化。根据 这种随机变化的速度不同，可分为慢衰落和快衰落。变化速度越快，则衰落深度越深。 ( 5 ) 封包错误率( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) ：网络传送中出现错误的封包数与总传 送封包数的比值。高封包错误率会比较严重的影响t c p 性能。 2 1 3t c p 性能评价标准 在计算机网络中，一般考虑从吞吐量、c p u 利用率和时延这三个方面来对t c p 的 处理性能【3 l 】进行评价。吞吐量就是指在单位时间内处理完成的包括发送和接收的比特 数，这是最基本的t c p 性能评价标准。c p u 使用开销在传统的协议处理中基本上是 1 h z b i t ，当网络带宽超过1 0 g b p s 时，c p u 显然不堪重负。所以，c p u 的利用率是评价 t c p 处理性能的重要标准之一。网络技术飞速发展，网络吞吐量越来越高，系统处理经 过存储总线和i o 总线的事务也越来越频繁，这样必然会造成很大的时延。另外，分布 式应用所跨越的广域网( w i d e a r e an e t w o r k ，w a n ) 都存在时延，而一个应用的完成往 往需要多次交互，这样网络所带来的时延也比较严重，同时时延也会影响到c p u 利用 率和吞吐量，因此时延也是衡量t c p 性能的重要指标。 、 上述三个标准从不同的角度对t c p 协议处理性能做评价，吞吐量和c p u 使用率属 于整体性能指标，主要是针对系统处理；而延时属于局部范围的性能评价指标，主要针 对具体的应用数据流。由于论文的工作是在p c 机上通过网络模拟软件n s 2 研究t c p 性能，所以论文主要是从吞吐量和时延这两个方面来衡量t c p 的性能，c p u 利用率不 在论文考虑范围内。后文进行性能测试主要从拥塞窗口数量、a c k 分组数与吞吐量这 6 三个性能指标来比较算法性能的优劣。 2 2t c p 拥塞控制简介 网络拥塞是指当网络中存在过多的数据包导致网络的传输性能下降的情况。当发生 网络拥塞时，会导致网络运行不正常：吞吐量下降、时延增大、数据丢失，网络传输性 能受到影响，严重时甚至会发生拥塞崩溃( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 现象【l o , l i 】，致使网络无 法正常工作。拥塞崩溃一般发生在网络负载增加导致网络效率降低的时候。在1 9 8 6 年 1 0 月最初观察到这种现象，美国l b l 到u cb e r k e l e y 由于拥塞崩溃的发生【1 2 1 ，数据吞 吐量从3 2 k b i t s 跌落到4 0 b i t s ，导致网络性能严重下降。f l o y d 等专家通过多年的研究， 把拥塞崩溃总结为以下四种：传统的拥塞崩溃、数据包分段导致的拥塞崩溃、未传送数 据包引起的拥塞崩溃、日益增长的控制信息流造成的拥塞崩溃等【1 9 】。 省 j n o w o 瓜l o a dn e t w o 噍l o a d 图2 - i 网络负载与吞吐量及往返时延的关系 f i g 2 - 1t h r o u g h p u ta n di u t 勰n e t w o r kl o a dc h a n g e s 可用图2 1 来描述网络拥塞现象。当网络负载较小时，网络负载与吞吐量呈线性关 系，吞吐量随着网络负载的增加而增加，如图2 1 左图所示。往返时延随着网络负载的 增加而缓慢增长，如图2 - i 右图所示。当网络负载达到网络容量时，往返时延急剧增加， 而吞吐量增长缓慢，称这一点为膝点( k n e e ) 。当网络负载超过一定量时，路由器就开 始丢包，吞吐量急剧下降，称这一点为崖点( c l i f r ) ，如图2 1 所示。拥塞控制技术机制 包括两种策略：拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 与拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 。 拥塞避免的目的是避免发生网络拥塞，使网络运行在膝点附近；而拥塞控制的目标是使 网络从拥塞中尽快恢复过来，使得网络运行在崖点的左侧区域【3 2 】，尽量避免拥塞崩溃的 发生。拥塞避免尽量保证网络维持在高吞吐量、低往返时延的状态，是一种预防措施， 7 一般而言，t c p 的拥塞控制方法 3 3 主要可以分为慢启动( s l o ws t a r t ) 阶段、拥塞 避免( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 阶段、快速重传( f a s tr e t r a n s m i s s i o n ) 阶段、快速恢复( f a s t r e c o v e r y ) 阶段及超时重传( t i m e o u tr e t r a n s m i s s i o n ) 阶段。t c p 利用a c k 检测网络 的状况并提供可靠性的服务，在调整发送端的传送速度时，则以慢启动阀值( s l o ws t a r t t h r e s h o l d ，s s t h r e s h ) 与拥塞窗口c w n d 的值来区分慢启动( s l o ws t a r t ) 或拥塞避免 ( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) ，如公式( 2 1 ) 所示： ic w n d ( o + l ，c w n d ( t ) s s t h r e s h ；s l o ws t a r tp h a s e l1 c w 耐( t + t r ) 2 唧硼( t 卜磊蒜, i f c w n d ( t ) 净s s s h ； ( 2 - 1 ) l c o n g e s t i 。na v o i d a i l c ep h a s e 当c w n d 的值小于s s t h r e s h 时，t c p 处于慢启动阶段( s l o ws t a r tp h a s e ) 。在这个阶 段中，每收到一个a c k ，w i n d o w 的值便会加1 ，因此每经过一个r r t 时间，w i n d o w 的值便会变成上一个r t t 时w i n d o w 值的2 倍。在这个阶段c w n d 的值会以指数的方式 ( 2 的倍数) 增加。当c w n d 的值大于s s t h r e s h 时，t c p 处于拥塞避免阶段( c o n g e s t i o n a v o i d a n c ep h a s e ) 。在这个阶段，c w n d 的值以线性方式增加，大约每经过一个i m ，c w n d 的值才会增加一个s e g m e n t ，以避免c w n d 增加太快而发生封包遗失。若检测到封包遗 失或t i m e o u t 时，则t c p 的发送端会将s s t h r e s h 值设为发生拥塞时的w i n d o w 值的一半， 重设c w n d 的值，接着使用s l o ws t a r t 重新传送遗失的封包。 8 t c p 的发送端利用a c k 来确认封包是否被接收端收到。当一个封包到达接收端时， 接收端会根据封包的号码返回一个a c k ( a c k n o w l e d g e ) ，表示这个封包已经被收到，并 触发发送端再送出新的封包，这个机制就称为自时钟机制( s e l f c l o c k i n g ) 。若收到非连 续的封包时，则返回号码相同的a c k ，称为重复的a c k ( d u p l i c a t e a c k ) 。t c p 使用a c k 以及重传的方法来提供可靠性的传输服务。 t c p 拥塞控制机制主要包括四个算法：慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传算法 与快速恢复算法，现分别作简单的介绍： 慢启动算法：慢启动与拥塞避免算法被t c p 发送端用来控制正在向网络中传输的 数据量。它要求发送端向网络传送数据时，在不清楚网络环境的情况下，需要先对网络 情况进行探测以确定可用流量，避免突然传送大量数据而使网络拥塞。最初使用的t c p k 由于没有拥塞控制机制，在启用一个连接时会向网络中发送大量的数据包，路由器缓存 空间极易被耗尽，发生网络拥塞现象，使得时延增大、数据丢失，导致t c p 吞吐量急 剧下降。由于不清楚当前网络资源的使用状况，因此新建立的t c p 连接只能逐渐增加 每次发送的数据量，而不能在一开始就发送大量的数据包，否则会造成网络拥塞。当建 立新的t c p 连接时，拥塞窗口的值初始化为一个数据包大小，t c p 发送端按拥塞窗口 大小向网络中发送数据。当t c p 发送端每收到一个a c k 时，拥塞窗口加1 ，因此拥塞 窗口的大小随往返时延呈指数方式增长，t c p 发送端向网络中发送的数据量将会急剧增 加。图2 2 展示了慢启动和拥塞避免两个算法之间的关系。 s s t h r e s h = e w n 2 t i m , ：o u t 图2 - 2 慢启动和拥塞避免 f i g 2 - 2s l o ws t a r ta n dc o n g e s t i o na v o i d a n c e 拥塞避免算法：如果t c p 发送端接收到3 个相同的a c k 包，则认为有数据包丢失， 9 oci。船olio等 ili氛o dwc 发生了网络拥塞，网络性能受到了影响。t c p 拥塞控制进入拥塞避免阶段，把慢启动阀 值调整为当i i 拥塞窗口大小的一半。如果发生超时，为了避免网络发生拥塞崩溃，把拥 塞窗口被置l ，因为超时是比t c p 发送端接收到3 个相同的a c k 包更严重的情况。如 果拥塞窗口的值大于慢启动阀值，t c p 拥塞控制机制执行拥塞避免算法，在每收到一个 a c k 包时拥塞窗口的大小增大1 c w n d 个数据包，那么在一个往返时延i m 内拥塞窗口 的值增加1 。因此在拥塞避免阶段，拥塞窗口的大小以线性方式增长。 n 兽 案 曼 呈 薹 基 霉 t i m e 图2 - 3 快速重传和快速恢复 f i g 2 - 3f a s tr e t r a n s m i ta n df a s tr e c o v e r y 快速重传和快速恢复可以用图2 3 来描述，快速重传是t c p 发送端用来探测或者修 复数据丢失的算法，它以收到的重复a c k 为推断基础。通常以收到三个重复的a c k 作 为一个数据段已经丢失的标志。当t c p 发送端接收到三个相同的a c k 包时，不必等待 超时发生，发送端重新传送丢失的数据包，把慢启动阀值设为当前拥塞窗口大小的一半， 并把拥塞窗口减为原来的一半。在快速重传算法发送了推断已丢失的数据段之后，快速 恢复算法支配了新数据的发送，直到一个非重复的a c k 包到达。快速恢复是基于管道 模型【3 5 】的算法，遵守数据包守恒原则。只有当网络中的旧数据包被接收端接收到后，发 送端才能发送新数据包进入网络，即网络中传输的数据包数量在同一时间段内是恒定不 变的。如果在网络中能够严格遵守数据包守恒原则，那么将会很少发生网络拥塞，更不 会发生网络崩溃了。从本质上来说，t c p 中引入网络拥塞控制机制的目的就是找到违反 该原则的地方并对它进行修正。 2 3 典型t c p 版本 当应用程序有数据需要传送到网络上去时，为了希望能和网络上其他的t c p 联机共 享带宽并避免造成网络拥塞，t c p 通过拥塞控制机制来控制允许传送到网络上的数据 1 0 量。换句话说，t c p 的传输性能效果直接受到t c p 的拥塞控制机制的影响，因此按照 拥塞控制方法的不同，现行使用的t c p 分为t a h o e 、r e n o 、n e w r e n o 、v e g a s 、s a c k 等五个版本。它们之间的演进关系可以用图2 4 来表示。 图2 4 简单的t c p 版本演进图 f i g 2 - 4t c pv e r s i o no ft h ee v o l u t i o no fs i m p l eg r a p h 2 3 1t c pt a h o e t c p 早期的版本称之为呦o e 【3 6 3 7 1 。t a h o e 具备t c p 的基本结构，包括慢启动、拥 塞避免以及恢复遗失封包的方法。t c p 在t a h o e 这个版本中加入了快速重传的方法。快 速重传使用d u p l i c a t ea c k 作为重