基于自适应拥塞避免算法的无线TCP性能改进研究

刘俊

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

基于自适应拥塞避免算法的无线TCP性能改进研究

刘俊

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172）

针对无线环境下TCP性能恶化的问题，在研究分析一种自适应拥塞避免算法的基础上，提出一种基于该算法的无线TCP改进机制。该机制引入拥塞丢包与误码丢包的判决因子，能针对无线误码的判断采取更为准确的发送速率调整机制，很大程度上实现了拥塞控制与差错控制的分离，从而提升了无线TCP的性能改善。仿真结果表明，基于自适应拥塞避免算法的TCP改进机制性能得到显著优化。

传输控制协议；无线环境；拥塞窗口；拥塞避免；差错控制

越来越多的用户开始选择通过手机、平板电脑、笔记本等便携终端实现移动计算，获取移动信息服务和互联网接入服务，多元的用户需求日益促进无线业务的发展，由WiFi、移动通信、卫星通信、Ad hoc等无线技术构筑的无线网络日益成为人们日常生活必不可少的组成部分。然而，与有线网络相比，无线网络的高误码率、高移动性、有限供电与有限带宽，使得原为有线网络设计的TCP协议性能恶化，其核心问题是TCP缺乏网络自适应性，不能根据网络链路质量的动态变化而准确调整发送速率。

近年来，产生了一些有意义的基于参数自适应的无线TCP改进机制。文献[1]提出根据某种特定的队列管理模式，进行基于参数自适应调节的准确丢包区分，并通过反馈机制影响TCP 的窗口调控；文献[2]利用802.11MAC参数的可调整性和TCP控制报文的作用，提出依据TCP报文控制段采用不同的MAC传输参数实现WLAN环境的自适应算法，以提高TCP传输效率；文献[3]提出一种适用于TCP端对端前向纠错的自适应算法，能自适应地根据网络丢包率、往返时延等参数调整前向纠错的冗余信息度，克服TCP在无线环境下的缺陷；文献[4]针对Vegas无线网络慢启动过早结束和拥塞避免阶段拥塞出现在反向链路上导致吞吐量下降的问题，提出一种改进算法TCP Vegas-P，可进行较准确的RTT估计，提升了Vegas在无线网络的性能。

本文基于文献[5]的自适应拥塞避免算法，找出无线环境下，拥塞误码丢包与无线误码丢包的判决参数，并通过仿真确定参数合理取值，取得了无线TCP性能的改善。

1 自适应拥塞避免算法分析

TCP是保证网络数据发送可靠性的协议，它以拥塞窗口、接收窗口、超时计时器、分组响应应答（ACK）等关键参数进行数据传输的控制，在网络通畅与网络拥塞之间不断调整发送速率。假设接收窗口不予考虑，则数据的发送速率以拥塞窗口的大小决定。

传统TCP数据发送速率的调整主要分为两个阶段。第一个阶段称为慢启动阶段，每收到一个ACK，拥塞窗口即增加1个TCP段，拥塞窗口以指数增长的速度快速占用网络可用带宽，以提高网络的利用率；为避免数据发送方过快的发送速度引起网络拥塞的过快出现，延缓或阻止网络拥塞的出现，在慢启动阶段结束后，进入第二个阶段拥塞避免阶段，采用拥塞避免算法，采取线性的拥塞窗口增长策略，每收到一个ACK，拥塞窗口仅增长a/cwnd，即一个完整的发送窗口完成后，拥塞窗口增长a个TCP段，在标准TCP中，a固定为1，称为加性因子；在到达网络容量极限时，会根据是超时还是三次重传而重新进入慢启动阶段或拥塞避免阶段；不断重复以上阶段构成了TCP算法的拥塞窗口调整机制。

在拥塞避免阶段，随着拥塞窗口的增长，一直维持一个固定的加性因子显然不符合网络的实际情况，在接近网络拥塞或逼近网络带宽极限时，拥塞窗口的增长应不断以向下的方式调整，从而避免数据发送速率（拥塞窗口）的剧烈振荡，现有TCP的问题之一即在于拥塞周期过小，一定程度上引起频繁的拥塞窗口调整，导致网络带宽资源的浪费。

文献[5]提出的TCP_LN算法是一种基于网络链路动态情况的拥塞窗口自适应算法，构造拥塞避免阶段拥塞窗口加性因子增长曲线算法如式（1）。

与传统TCP拥塞避免阶段刚性的拥塞窗口加性因子固定相比，该算法随着拥塞窗口的加大，加性因子逐渐减少，反之，加性因子以较大步距增大，实现了加性因子自适应算法。从而，其拥塞避免阶段拥塞窗口算法如式（2）。

式中，cwnd(n)为收到第n个ACK时的拥塞窗口，cwnd(n+1)为收到第n+1个ACK时的拥塞窗口。

该算法的优点是随着网络拥塞的逼近，其探测网络容量余量的数据发送速率增长幅度更为柔和，避免了快速抵达网络极限引起的频繁拥塞窗口调整，拥塞周期明显加大，并可通过β进行调整。

文献[5]仿真实践证明，在同样的有线条件下，选取合适的β值，TCP_LN算法较传统TCP算法性能得到明显改善。

2 基于自适应拥塞避免算法的无线TCP改进机制

无线网络环境下，传统TCP之所以难以区分误码丢包与拥塞丢包的关键原因是在现有拥塞窗口调整参数中，难以引入一个判断依据，实现针对不同丢包类型的差异化拥塞窗口调整机制，而简单采用有线网络下TCP拥塞控制机制必然导致无线带宽资源的浪费。

TCP_LN算法在有效避免有线环境下网络带宽浪费的同时，也对无线环境下拥塞丢包与误码丢包的区分提供了裁决机制。

在无线环境下，误码的原因多种多样，误码率比有线环境高得多。因此，若采用传统TCP算法，对待拥塞与误码，均启动拥塞控制算法，会严重导致稀缺的无线带宽资源进一步浪费。

若采用TCP_LN算法，引入a(x)为判断依据，如式（3）。

式中，γ取值在0～1之间，可根据实验数据选取合理数值。为叙述方便，新的无线TCP性能改进机制称为TCP_LN_W。

当a(x)处于γ以上的高位时，说明拥塞窗口还有较大增长余地，即网络发生拥塞的可能性较小，若发生丢包，多因为无线链路误码造成；当a(x)处于γ以下的低位时，说明拥塞窗口增长余地非常有限，即网络发生拥塞的可能性较大，若发生丢包，多因为网络带宽耗尽造成。

针对无线误码丢包，不进行拥塞窗口的调整，继续维持发送速率现状，也不调整重传时钟等TCP参数；针对拥塞丢包，采用传统TCP算法进行拥塞窗口的调整，实现网络性能的自愈。

TCP_LN_W避免了传统TCP无法区分网络拥塞丢包与无线误码丢包的严重缺陷，能实现无线环境下的TCP性能改进。

TCP_LN_W具体算法描述如下：

（1）慢启动阶段采用传统TCP指数增长算法，若发生丢包，仅重传丢包数据，不调整拥塞窗口与重传定时器等参数；

（2）拥塞避免阶段，首先进行a(x)的计算，并进行如下判断：

①a(x)≥γ，若发生丢包，仅重传丢包数据，不调整拥塞窗口与重传定时器等参数。

②a(x)＜γ，若发生丢包，采用传统TCP拥塞控制算法。

3 无线TCP改进机制仿真分析

采用NS2[6]进行算法仿真与性能验证。构造误码率分别为5%和10%的无线链路，在该无线链路上考察传统TCP与TCP_LN_W的性能。

3.1 拥塞窗口对比分析

TCP_LN_W的核心是改善传统TCP在无线误码环境下对网络情况误判导致的发送速率过于频繁的抖动。图1、图2显示，在不同的误码环境下，传统TCP发送窗口呈现频繁抖动，平均发送速率受到严重影响，而TCP_LN_W的发送速率调整明显少于传统TCP，说明因误码丢报而导致的发送速率调整得到有效改善。

图1 误码率为5%下的拥塞窗口比较Fig.1 The congestion window comparison of BER 5%

图2进一步说明，随着误码环境的恶化，TCP_ LN_W发送窗口呈现更明显的优势，拥塞窗口的调整更多是由于网络拥塞而导致，而避免了传统所有的误码丢包均启动拥塞控制的问题。

图2 误码率为10%下的拥塞窗口比较Fig.2 The congestion window comparison of BER 10%

3.2 吞吐量对比分析

吞吐量比较仿真结果如图3、图4。

图3 误码率为5%下的吞吐量性能比较Fig.3 The throughput performance comparison of BER 5%

图4 误码率为10%下的吞吐量性能比较Fig.4 The throughput performance comparison of BER 10%

从图3、图4中可看出，无论在哪种误码环境中，与传统TCP相比，TCP_LN_W吞吐量性能均获得明显改善。在误码率为5%的误码环境中，TCP_ LN_W吞吐量得到7%左右的提升，而在误码率为10%的误码环境中，TCP_LN_W吞吐量得到18%左右的提升。显然，TCP_LN_W避免了大量的误码误判，很大程度上实现了拥塞丢包与误码丢包的区分，从而能分别采取拥塞控制与差错控制，仿真结果与本文第二部分的理论分析相符。

4 结语

TCP_LN_W算法基于自适应拥塞避免算法，引入判决因子γ，通过判决因子的变化很大程度上实现了无线误码环境下传统TCP的性能改善，建立了拥塞丢包与误码丢包的裁决机制。仿真结果表明，该算法有效避免了传统TCP因丢包误判断而导致发送窗口过于频繁的调整，提升了无线环境的数据传输吞吐量。

References)

[1]叶进，王建新，龚皓.无线/有线网络中基于自适应丢包区分的TCP 改进[J].通信学报，2007，28(5)：5-21.YE Jin,WANG Jian-xin,GONG Hao.Improved TCP based on adaptive loss differentiation algorithm over wiredwireless networks.Journal on Communications,2007,28(5):5-21.(in Chinese)

[2]谢红刚，易本顺.一种基于TCP控制报文的MAC层自适应算法[J].计算机应用,2008,28（1）:39-41.XIE Hong-gang,YI Ben-shun.MAC-layer adaptation algorithm based on TCP control segment for wireless LANs.Computer Applications,2008,28（1）:39-41.(in Chinese)

[3]王建忠,唐红.自适应前向纠错增强TCP在无线链路上性能研究[J].计算机应用,2008,28（10）:2597-2599.WANG Jian-zhong,TANG Hong.Research on improving TCP performance over wireless links by adaptive FEC.Computer Applications,2008,28（10）:2597-2599.(in Chinese)

[4]李鹏,陈元琰,罗晓曙.无线异构网络环境中基于拥塞状态区分的TCP Vegas改进算法[J].计算机应用,2010,30（2）:309-311.LI Peng,CHEN Yuan-yan,LUO Xiao-shu.TCP Vegas-P:Enhanced TCP Vegas congestion control algorithm based on congestion status differentiation over wireless heterogeneous network.Computer Applications,2010,30（2）:309-311.(in Chinese)

[5]刘俊.拥塞窗口自适应的TCP拥塞避免算法[J].计算机应用,2011,31（6）:1472-1475.LIU Jun.TCP congestion avoidance algorithm based on adaptive congestion window.Computer Applications,2011,31（6）:1472-1475.(in Chinese)

[6]Nsnam Sourceforge Project.The Network Simlator2[EB/OL].[2010-12-10].http://nsnam.isi.edu/nanam/.

The research on wireless TCP performance improvement based on adaptive congestion avoidance algorithm

LIU Jun
（Dept.of Electronics and Communications Technology,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen P.R.China.518172）

According to the TCP performance deterioration problems in the wireless environment,an adaptive congestion avoidance algorithm is researched and a wireless TCP improvement mechanism is put forward.The mechanism introduces a judgment factor of congestion packet loss and wireless packet loss,takes more accurate transmission rate adjustment mechanism according the wireless error judgment,realizes the separation of congestion control and error control,thereby enhances the performance of wireless TCP.The simulation results show that TCP improvement mechanism performance based on adaptive congestion avoidance was significantly optimization.

TCP；wireless environment；CWND；congestion avoidance；error control

TN925.93

：A

1672-6332（2014）03-0008-04

【责任编辑：高潮】

2014-09-08

刘俊（1969-），男（汉），湖南邵阳人，通信教授。主要研究方向：计算机网络、无线通信。E-mail：liuj@sziit.com.cn