專利名稱：一種用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，TCP (Transport Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)擁塞控制方法一直是 人們所研究的焦點(diǎn)。而自從TCP Reno方法提出以來(lái)，它被公認(rèn)為是一種效果不錯(cuò)的TCP擁 塞控制方法而沿用至今。雖然TCP Reno在城域網(wǎng)、局域網(wǎng)等短距離傳輸下有較好的效果， 但在一些特定廣域網(wǎng)環(huán)境下，比如跨區(qū)域、跨網(wǎng)段、甚至跨國(guó)環(huán)境，由于網(wǎng)絡(luò)具有普遍高丟 包率特性，受其影響TCP Reno的保守?fù)砣刂茩C(jī)制已逐漸突顯出其非適應(yīng)性，導(dǎo)致它在此 種環(huán)境下的傳輸性能急劇降低。TCP Reno方法目前包括慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳、快速恢復(fù)四種機(jī)制，是現(xiàn)有 的眾多擁塞控制方法的基礎(chǔ)。TCP擁塞控制方法經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究發(fā)展，出現(xiàn)了大量的改進(jìn) 和增強(qiáng)版本。然而其中大部分在TCP Reno四種機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)和增強(qiáng)版本的焦點(diǎn) 都集中在擁塞避免機(jī)制上。然而在高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下，TCP連接的絕大部分時(shí)間都將 處于快速恢復(fù)機(jī)制階段，因而針對(duì)高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境，如何改進(jìn)優(yōu)化TCP快速恢復(fù)機(jī)制 將成為帶寬利用率提升的關(guān)鍵。傳統(tǒng)TCP擁塞控制方法(如TCP Reno)在高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的低效性主要由 以下兩點(diǎn)問(wèn)題造成(1)丟包發(fā)生時(shí)保守的降窗機(jī)制傳統(tǒng)TCP在判定丟包發(fā)生時(shí)，將擁塞窗口減為原來(lái)的一半。在具有高丟包的網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境下，丟包現(xiàn)象比較密集，如果每一次丟包都將窗口減半，將使擁塞窗口以2為倍數(shù)乘性 減小，擁塞窗口始終遠(yuǎn)離目標(biāo)帶寬值而處在超低速傳輸狀態(tài)下。(2)快速恢復(fù)時(shí)期保守的包守恒機(jī)制傳統(tǒng)TCP每收一個(gè)重復(fù)ACK(ACKn0Wledgment，應(yīng)答)，則發(fā)送一新數(shù)據(jù)包，使網(wǎng)絡(luò) 上屬于該流的數(shù)據(jù)包保持不變，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包守恒。即當(dāng)發(fā)生丟包事件時(shí)，傳統(tǒng)TCP首先將速 率減為原先的一半，然后保持在這個(gè)速度發(fā)送數(shù)據(jù)包。這種保守包守恒機(jī)制同樣在丟包現(xiàn) 象頻繁時(shí)，使占據(jù)TCP連接絕大部分時(shí)間的快速恢復(fù)階段下的速率只一味的減小與持平， 而不會(huì)有任何地增長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制 方法，該方法以包丟失數(shù)量的增大作為降窗依據(jù)，同時(shí)采用積極地窗口增長(zhǎng)機(jī)制，使數(shù)據(jù)傳 輸在高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下獲得高吞吐率。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，發(fā)送方收 到重復(fù)ACK后所做處理包括以下兩個(gè)階段
1)發(fā)送方檢測(cè)到包丟失數(shù)量增大時(shí)，判定此時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁塞增強(qiáng)，計(jì)算擁塞門限值 congjhreshold以及根據(jù)丟包數(shù)增量計(jì)算出擁塞窗口的減小量ε，將擁塞窗口減少ε以 響應(yīng)擁塞；2)發(fā)送方檢測(cè)到包丟失數(shù)量不變或者減小時(shí)，通過(guò)判斷擁塞窗口與階段1)中所 計(jì)算擁塞門限值congjhreshold的大小關(guān)系來(lái)確定擁塞窗口所采取的增長(zhǎng)方式。擁塞門限值congjhreshold為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估擁塞點(diǎn)，取為當(dāng)前擁塞窗口 cwnd 與當(dāng)前擁塞門限值congjhreshold'的指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均，即cong_threshold = α X cong_threshold' +(1-α ) Xcwnd,其中α為平滑因子。擁塞窗口減小量ε的計(jì)算方法為
ε - mmicwnd -1, cwnd χ Iog2^ost-cnt + ^ + //))， LcwndJ其中l(wèi)ost_cnt為丟包數(shù)增量，即lost_cnt = Iosti-IostH,其中Iosti為當(dāng)前丟 包數(shù)，IostH為前一時(shí)間點(diǎn)i-Ι時(shí)刻的丟包數(shù)，μ為微調(diào)量且μ彡0，μ計(jì)算如下
γ π 、lost cnt、μ = β(1--^―)
cwnd其中β為微調(diào)因子，取值區(qū)間為W，l)。所述階段2)中，當(dāng)擁塞窗口小于擁塞門限值congjhreshold，則采用每收到一個(gè) 重復(fù)ACK擁塞窗口加1的乘性窗口調(diào)整機(jī)制，即以cwnd+Ι作為更新后的窗口 ；否則采用收
到一個(gè)窗口的重復(fù)ACK后擁塞窗口加1的加性窗口調(diào)整機(jī)制，即以cw^ +」；作為更新后
cwnd
的窗口。有益效果本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明在TCP的快速恢復(fù)機(jī)制階段，發(fā)送方每收到一個(gè) 重復(fù)ACK則判斷包丟失數(shù)是否增加，只有當(dāng)包丟失數(shù)增加時(shí)才降低擁塞窗口大小，否則根 據(jù)擁塞窗口與擁塞門限值大小關(guān)系采用相應(yīng)的窗口增長(zhǎng)機(jī)制。本發(fā)明通過(guò)包丟失數(shù)增量的 大小來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，依此擁塞窗口相應(yīng)減小適當(dāng)?shù)牧縼?lái)響應(yīng)擁塞，避免了擁塞窗 口直接減半的保守性。此外本方法使用擁塞門限值作為預(yù)估擁塞點(diǎn)來(lái)估計(jì)該高丟包環(huán)境下 的大致可用帶寬，在無(wú)包丟失數(shù)增加的情況下，擁塞門限值作為窗口調(diào)整機(jī)制的分隔點(diǎn)，當(dāng) 擁塞窗口小于門限值時(shí)，采用乘性窗口增長(zhǎng)機(jī)制，否則采用加性窗口增長(zhǎng)機(jī)制。本方法通過(guò) 積極地窗口增長(zhǎng)機(jī)制試探網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，能夠有效地適應(yīng)高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境，獲得較高 帶寬利用率。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)實(shí)施例。


圖1為本發(fā)明的流程圖。圖2為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)床測(cè)試環(huán)境拓?fù)鋱D。圖3為本發(fā)明TCP方法與TCP Reno在各種環(huán)境下的速率對(duì)比示意圖；其中分圖 a-i 分別是 2M，20ms、2M，IOOms、2M，500ms、4M，20ms、4M，IOOms、4M，500ms、10M，20ms、10M， IOOmsUOM, 500ms情況下的對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1 參見(jiàn)圖1，為本發(fā)明的流程圖。它是基于發(fā)送方的方法，過(guò)程如下在傳輸沒(méi)有結(jié) 束的情況下，發(fā)送方收到ACK，首先判斷是否為重復(fù)ACK，如非重復(fù)ACK，則按正常擁塞控制 (慢啟動(dòng)或擁塞避免)處理。其中，當(dāng)擁塞窗口小于慢啟動(dòng)門限時(shí)，發(fā)送方每收到一個(gè)ACK將 擁塞窗口加1 ；當(dāng)擁塞窗口大于慢啟動(dòng)門限時(shí)，發(fā)送方每一個(gè)RTT時(shí)間將擁塞窗口加1。如是 重復(fù)ACK，則進(jìn)入快速恢復(fù)機(jī)制階段。該階段首先判斷由SACI^SelectiveACKnowledgment， 選擇性確認(rèn))統(tǒng)計(jì)的丟包數(shù)是否增大，如是則重傳丟失的數(shù)據(jù)包，計(jì)算擁塞門限值，并根據(jù) 丟包數(shù)增量計(jì)算擁塞窗口減小量且依此降低擁塞窗口 ；否則比較擁塞窗口與門限值的大 小，如果擁塞窗口小于門限值，則將擁塞窗口加1進(jìn)行乘性窗口增長(zhǎng)，否則將擁塞窗口加
丄騰力口··。首先定義變量congjhreshold用于保存擁塞門限值。當(dāng)丟包數(shù)量增大時(shí)，門限值 取為當(dāng)前擁塞窗口與當(dāng)前門限值的指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均，即cong_threshold = α X cong_threshold+(1_ α ) Xcwnd, cwnd 為當(dāng)前擁塞窗口 ；其中α為平滑因子。當(dāng)丟包發(fā)生時(shí)，很可能是網(wǎng)絡(luò)由非擁塞到擁塞的拐點(diǎn)，將此 時(shí)的擁塞窗口作為門限值的調(diào)整依據(jù)并與之前門限值進(jìn)行指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均計(jì)算，得出新 的擁塞門限值。在具有高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)包丟失數(shù)的變化情況一定程度上反映了網(wǎng)絡(luò) 的擁塞狀況。當(dāng)包丟失數(shù)增加時(shí)本方法根據(jù)丟包數(shù)增量計(jì)算擁塞窗口減小量，進(jìn)行降窗 操作。假定第i時(shí)刻丟包數(shù)增加，此時(shí)丟包數(shù)為Iosti,前一時(shí)間點(diǎn)i-Ι時(shí)刻的丟包數(shù)為 Iosti+可知Iosti > lostH，因而丟包數(shù)增量lost_cnt = Iosti-IostH，此時(shí)擁塞窗口減 小量ε計(jì)算如下
ε - mmicwnd -1, cwnd χ Iog2^ost-cnt + ^ + //))， LcwndJ其中cwnd為當(dāng)前擁塞窗口，μ為微調(diào)量且μ彡O。L·」表示下取整操作?！坝?jì)算 如下
γ π 、lost cnt、μ = β(\--^―)
cwnd其中β為微調(diào)因子，它的取值區(qū)間為W，l)。丟包數(shù)增量越大，微調(diào)量越??；而擁 塞窗口越大，微調(diào)量越大。通過(guò)擁塞窗口減小量ε計(jì)算公式可知，ε隨lost_Cnt遞增，且當(dāng)lost_Cnt固定
In^f CTli
時(shí)，ε隨(^1!(1遞增。 -，為丟包數(shù)增量占已發(fā)數(shù)據(jù)包的比例，根據(jù)微調(diào)量μ的計(jì)算公
cwnd
式可知，當(dāng)該比例值較小時(shí)，將得到相對(duì)較大的微調(diào)量來(lái)獲得適當(dāng)?shù)摩胖?。?jì)算獲得ε之后，新的擁塞窗口值通過(guò)如下公式計(jì)算更新cwnd = cwnd- ε
5
隨著lost_Cnt增大，擁塞增強(qiáng)，擁塞窗口減小量ε也相應(yīng)增大，最終擁塞窗口下 調(diào)的幅度增大以響應(yīng)增強(qiáng)的擁塞?？焖倩謴?fù)機(jī)制階段當(dāng)發(fā)送方每收到一個(gè)重復(fù)ACK且包丟失數(shù)并未增加時(shí)，本發(fā)明 根據(jù)當(dāng)時(shí)擁塞窗口 cwnd與擁塞門限值congjhreshold的大小關(guān)系分別采用兩種擁塞窗口 增長(zhǎng)方式，如下
cwnd +1cwnd < cong threshold cwnd =
cwnd H---- cwnd > cong threshold
cwnd—如果擁塞窗口小于門限值，則采用每收到一個(gè)重復(fù)ACK擁塞窗口加1的乘性窗口 增長(zhǎng)調(diào)整機(jī)制，否則采用收到一個(gè)窗口的重復(fù)ACK后擁塞窗口加1的加性窗口增長(zhǎng)調(diào)整機(jī) 制。我們基于TCP Reno實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明方法，并在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。方法 中一些參數(shù)設(shè)置如下α = 0. 875，β = 0. 1。圖2是我們進(jìn)行測(cè)試用的實(shí)驗(yàn)床拓?fù)洵h(huán)境，其中cl，c2為客戶端，負(fù)責(zé)接收數(shù) 據(jù)；sl，s2為服務(wù)器端，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，si使用TCP Reno, s2使用本發(fā)明擁塞控制方法TCP CSU ；中間的WANem(開(kāi)源工具，可模擬廣域網(wǎng)帶寬、延時(shí)、丟包等特性，網(wǎng)址http//wanem. sourceforge. net/)為廣域網(wǎng)模擬器。cl從sl進(jìn)行傳統(tǒng)下載，c2從s2進(jìn)行加速下載，通 過(guò)WANem設(shè)置帶寬、延時(shí)與丟包率，測(cè)出TCP Reno以及TCP CSU在各種環(huán)境下的速率及速 率比如表1所示。表1廣域網(wǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)床測(cè)試結(jié)果
瓶頸帶寬時(shí)延丟包率TCP Reno 速率 (Mbps)TCP CSU速率 (Mbps)速率比2M0.10%1.981.991.0120ms2%1.751.961.125%1.111.941.7510%0.5091.793.520.10%1.951.971.01100ms2%0.6891.912.775%0.3821.854.8410%0.2051.145.56500ms0.10%0.5161.653.20
權(quán)利要求
一種用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，其特征在于，在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，發(fā)送方收到重復(fù)ACK后所做處理包括以下兩個(gè)階段1)發(fā)送方檢測(cè)到包丟失數(shù)量增大時(shí)，判定此時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁塞增強(qiáng)，計(jì)算擁塞門限值cong_threshold以及根據(jù)丟包數(shù)增量計(jì)算出擁塞窗口的減小量ε，將擁塞窗口減少ε以響應(yīng)擁塞；2)發(fā)送方檢測(cè)到包丟失數(shù)量不變或者減小時(shí)，通過(guò)判斷擁塞窗口與階段1)中所計(jì)算擁塞門限值cong_threshold的大小關(guān)系來(lái)確定擁塞窗口所采取的增長(zhǎng)方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，其特征在于， 擁塞門限值congjhreshold為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估擁塞點(diǎn)，取為當(dāng)前擁塞窗口 cwnd與當(dāng)前擁 塞門限值congjhreshold'的指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均，即cong_threshold = α X cong_threshold' + (1- α ) X cwnd, 其中α為平滑因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，其特征在于， 擁塞窗口減小量ε的計(jì)算方法為ε - mmicwnd -1, cwnd χ Iog2^ost-cnt + ^ + //))， LcwndJ其中l(wèi)ost_cnt為丟包數(shù)增量，即lost_cnt = Iosti-IostH，其中Iosti為當(dāng)前丟包數(shù)， Iostp1為前一時(shí)間點(diǎn)i_l時(shí)刻的丟包數(shù)，μ為微調(diào)量且μ彡0，μ計(jì)算如下 …lost cnt、μ 二 β(}--cwna其中β為微調(diào)因子，取值區(qū)間為W，1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，所述 階段2)中，當(dāng)擁塞窗口小于擁塞門限值congjhreshold，則采用每收到一個(gè)重復(fù)ACK擁塞 窗口加1的乘性窗口調(diào)整機(jī)制，即以cwnd+Ι作為更新后的窗口 ；否則采用收到一個(gè)窗口的重復(fù)ACK后擁塞窗口加1的加性窗口調(diào)整機(jī)制，即以cw^ +」；作為更新后的窗口。cwna
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境下的擁塞控制方法，發(fā)送方通過(guò)檢測(cè)包丟失數(shù)量是否增大來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)擁塞窗口。如檢測(cè)到包丟失數(shù)量增大，將根據(jù)丟包數(shù)增大程度計(jì)算出擁塞窗口的減小量，擁塞窗口通過(guò)減去該減小量大小的窗口來(lái)響應(yīng)擁塞；否則判斷擁塞窗口與擁塞門限值的大小關(guān)系來(lái)確定擁塞窗口所采取的增長(zhǎng)方式。本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象時(shí)，并不迅速降低擁塞窗口，而以包丟失數(shù)量的變化情況作為降窗依據(jù)，同時(shí)使用積極地窗口增長(zhǎng)機(jī)制試探網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。本方法能有效地適應(yīng)高丟包率廣域網(wǎng)環(huán)境，獲得較高帶寬利用率。
文檔編號(hào)H04L1/16GK101977151SQ201010538208
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者曾勇軍, 王偉平, 王建新, 董蘋蘋 申請(qǐng)人:中南大學(xué)