基于tcp协议网络拥塞控制算法设计

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1、基于TCP协议网络拥塞控制算法设计　　摘要：通过对以往经典的TCP拥塞控制算法的总结和对比，从信道利用率、通信稳定性和公平性三方面出发，设计了一个改进的TCP拥塞控制算法。利用数学建模方法，简化并模拟实际的网络通信，运用数理统计和概率论的知识分别得出经典拥塞控制算法和改进拥塞控制算法实验结果的数学期望和方差，从信道利用率、通信稳定性和公平性三方面进行对比，证明改进算法的有效性。关键词：拥塞控制；拥塞窗口；门限值中图分类号：TP312文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2014）001005603作者简介作者简介：吕冠桥（1987-），男，华北计算技术研究所硕士研究生，研究方向

2、为数据建模统计分析；柳寒冰（1978-），女，华北计算技术研究所博士研究生，研究方向为网络分布式计算；邓晓红（1978-），女，华北计算技术研究所工程师，研究方向为分布式空间数据库。0引言9随着计算机网络和通信技术的快速发展，在更好地服务于大众的同时，也对网络通信性能提出了更高要求。在某段时间内，网络中要求传输过多的分组时，网络性能开始下降，这种情况即称为拥塞。简单地说就是当用户对网络资源的需求超过了网络所能提供的可用资源时的一种状态，即对资源需求的总和大于系统可用资源。单纯地增加网络资源并不能解决拥塞问题，这是因为拥塞本身是一个动态问题，它不可能只靠静态的方案来解决，而需要协议能够在网络

3、出现拥塞时保证网络通信的正常运行。目前对互联网进行的拥塞控制主要是依靠在源端执行的TCP拥塞控制机制。TCP是Internet运输层上面向连接的运输层协议，也是目前应用最广泛的传输控制协议，拥塞控制机制是其核心。随着主机数量的增多和数据通信量的加大，网络中存在过多的分组时，网络性能会明显下降，产生资源竞争，导致网络出现拥塞，如处理不及时，通信会严重受阻，效率低下，类似日常生活中交通拥塞的现象，而且会形成恶性循环。人们力求极大地提高网络利用率，即在现有通信网络中增加数据量，但由于网络资源的限制，出现拥塞不可避免，便形成这样一对矛盾。因此，拥塞控制机制应运而生。1传统TCP拥塞控制算法1.1T

4、CPTahoe算法TCPTahoe是TCP的早期版本，它包括了最基本的TCP拥塞控制算法，由“慢启动”、“拥塞避免”和“快速重传”三部分组成。“快速重传”根据3个重复的确认分组来判断分组丢失的出现，从而减少等待“重传时钟”超时的过程，提高了分组的传输效率。除此之外，Tahoe9对往返时间的计算也作了相应改进，以便更准确地设定超时重传的时间。TCPTahoe拥塞控制算法，起始阶段采用慢启动，通过线性增加速率探测网络。当网络发生拥塞时，则迅速递减它的速率。连接开始时，发送端接收到一个确认帧，窗口就加1（单位），然后开始下一次的传输。因此拥塞窗口随着传输次数按指数规律增长。当拥塞窗口增长到门限值

5、时，就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。网络出现拥塞时，拥塞窗口重新置1，执行慢开始算法。假定初始的门限窗口值为16（单位），且发送窗口仅受拥塞窗口的限制，若发送窗口到达24（单位）时发生超时重传，则根据乘法减小原则（新的门限值=0.5*当前发送窗口值），发送窗口到达24（单位）后将门限窗口值更新为12（单位）。利用TCPTahoe算法实现的拥塞控制实例如图1所示。图1TCPTahoe算法实现的拥塞控制实例1.2TCPReno算法TCPReno在TCPTahoe的基础上增加了“快速恢复”算法来提高拥塞恢复效率。当发送端收到一定数量的重复ACK之后，即进入“快速恢复”阶段。源端在

6、接收到足够多的重复ACK之后，用接着到来的重复ACK触发新数据分组的发送。只有在接收到新发分组的ACK后，源端才退出“快速恢复”阶段。Reno的“快速恢复”优化了单个分组数据窗口。9TCPReno拥塞控制算法和TCPTahoe算法大体类似，但做了一些改进，就是当网络发生拥塞时，窗口设为初始阶段窗口值的一半，直接进入拥塞避免阶段。TCPReno版本增加了“快速重传”算法、“快速恢复”算法，避免了当网络拥塞不够严重时采用“慢启动”算法而造成过大地减小发送窗口尺寸的现象。假定初始的门限窗口值为16（单位），且发送窗口仅受拥塞窗口的限制，若发送窗口到达24时发生超时重传，则根据乘法减小原则（新的门

7、限值=0.5*当前发送窗口值），发送窗口到达24（单位）后将门限窗口值更新为12（单位）。利用TCPReno算法实现的拥塞控制实例如图2所示。图2TCPReno算法实现的拥塞控制实例1.3其它拥塞控制算法随后还有一些拥塞控制算法出现，典型的有TCPNewReno算法、TCPSACKSack算法和TCPVegas算法。TCPNewReno算法对Reno算法作了一些小改进，以消除有多个分组从同一数据窗口丢失时对重传定时器的等