周　杰

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

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TCP協(xié)議中擁塞窗口同步現(xiàn)象的研究與仿真

周杰

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

摘要：采用TCP協(xié)議并使用擁塞窗口機制避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的計算機網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個傳輸節(jié)點可能它們啟動時間不同。但最終會出現(xiàn)擁塞窗口同步現(xiàn)象，使得各個節(jié)點能夠平等的使用網(wǎng)絡(luò)帶寬。并且仿真軟件NS2的模擬結(jié)果也反應(yīng)了這一現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：擁塞窗口；同步現(xiàn)象；仿真

0引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和普及，當(dāng)今計算機網(wǎng)絡(luò)體系中90%以上信息主要采用TCP協(xié)議進行傳輸，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也越來越龐大，因而必然會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況。于是，采用TCP協(xié)議的計算機網(wǎng)絡(luò)必然要采用相應(yīng)的控制算法去避免擁塞以及解決擁塞。TCP協(xié)議主要的控制算法有TCP-Tahoe、TCP-Reno、TCP-Vegas和TCP-SACK[1]等等，這些算法很好的解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題，并且這些算法都普遍讓傳輸節(jié)點使用擁塞窗口(cwnd)來控制信息量的傳輸。這也就確定了節(jié)點傳輸?shù)乃俣龋皞鬏攷?。這種采用擁塞窗口控制數(shù)據(jù)量的方法，普遍讓人認為，因為網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點啟動時間可能會不同，使得每個節(jié)點采用的擁塞窗口也不一樣，也就使得每個節(jié)點分得的網(wǎng)絡(luò)帶寬不一樣，但實際上并非這樣。

1擁塞窗口同步現(xiàn)象

根據(jù)TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法[2]，傳輸節(jié)點每收到一個確認報文，及經(jīng)過一個回路響應(yīng)時間(RTT)，其自身的擁塞窗口的值就會增加1，使得每個節(jié)點的擁塞窗口在不斷增加，擁有的帶寬也在不斷增加，直到有報文在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)遺失。當(dāng)傳輸節(jié)點檢測到網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)遺失報文時，節(jié)點就會將網(wǎng)絡(luò)擁塞窗口降為原來的1/2。這樣每個傳輸節(jié)點都會在這一時刻將擁塞窗口的值減半，并釋放出原來使用的帶寬，然后再次進行快速恢復(fù)，即每收到一個確認報文，其自身的擁塞窗口的值就會增加1，這樣傳輸節(jié)點會持續(xù)重復(fù)這個過程。以兩個啟動時間一前一后的傳輸節(jié)點為例，在這個過程中，啟動較早的前節(jié)點，開始將擁有較大擁塞窗口，并占有較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而啟動較晚的后節(jié)點，開始將擁有較小擁塞窗口，并占有較少的網(wǎng)絡(luò)帶寬，當(dāng)出現(xiàn)擁塞時，前后節(jié)點都會將自己的擁塞窗口降為原來的1/2，從而使得擁有較大擁塞窗口的前節(jié)點將會釋放出較多帶寬，而擁有較小擁塞窗口的后節(jié)點將會釋放出較少帶寬。這樣反復(fù)進行下去，經(jīng)過一段夠長的時間后，前后傳輸節(jié)點最后會慢慢地趨于擁有相同的擁塞窗口，從而擁有相同的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有許多傳輸節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上競爭帶寬時，這些傳輸節(jié)點的擁塞窗口在經(jīng)過一段時間后都會逐漸趨于一致，從而共享了網(wǎng)絡(luò)帶寬。這種經(jīng)過長時間，最后會趨于一致的現(xiàn)象可稱之為“擁塞窗口同步現(xiàn)象”。雖然這種情況具有許多理想化的假設(shè)，例如沒有對特殊節(jié)點進行特殊要求，傳輸?shù)男畔⒂芯哂邢嗤腝oS的要求[3]。但他也表現(xiàn)出：在理想情況下，TCP協(xié)議除了具有擁塞控制的機制外，也可讓彼此競爭的傳輸節(jié)點公平的分享網(wǎng)絡(luò)上的帶寬

2擁塞窗口同步現(xiàn)象的仿真

對于擁塞窗口同步現(xiàn)象的仿真，必須采用專用的仿真軟件進行仿真，從而才能得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，達到仿真的效果，為此選用著名的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2[4]。

NS2是英文全稱為network simulator 2，該仿真器采用離散事件系統(tǒng)仿真，是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器。它由UC Berkeley大學(xué)研究開發(fā)而成，其開發(fā)語言使用Otcl和C++語言。NS2網(wǎng)絡(luò)仿真器的構(gòu)成主要包括網(wǎng)絡(luò)組件對象庫、網(wǎng)絡(luò)仿真事件調(diào)度庫和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型庫等。具有良好的擴展性和開放性， 能夠工作在常用操作系統(tǒng)Windows和Linux系統(tǒng)平臺上，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進行深入的研究，與其它的網(wǎng)絡(luò)仿真工具相比，NS對應(yīng)用數(shù)據(jù)流的仿真能力尤為突出，從而能夠滿足了廣大研究人員對網(wǎng)絡(luò)仿真的各種需求。

2.1仿真環(huán)境的設(shè)置

要想通過仿真，觀察到擁塞窗口同步現(xiàn)象，就必須讓仿真環(huán)境頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，因此設(shè)計出如圖1的仿真環(huán)境，源端有若干個節(jié)點，目的端有若干個節(jié)點，源節(jié)點使用TCP協(xié)議傳輸大量的數(shù)據(jù)給目的節(jié)點，中間需要通過兩個路由器節(jié)點R1和R2。這些節(jié)點之間的互連物理鏈路，都采用droptail隊列管理管理機制，傳遞延遲都為1ms，為了能夠產(chǎn)生擁塞，設(shè)置路由器節(jié)點之間的鏈路帶寬為窄帶為1Mbps，其他鏈路帶寬為10Mbps，并設(shè)置初始的擁塞窗口為1，慢啟動閾值初始值設(shè)為20，仿真時間為35ms。由于擁塞窗口直接反映TCP的傳輸速度，所有通過觀察擁塞窗口來研究TCP協(xié)議的同步現(xiàn)象。

圖1　仿真模擬場景

2.2仿真結(jié)果分析

為了更好反應(yīng)仿真結(jié)果，特意進行兩個仿真實驗的設(shè)計，在第一個仿真實驗中源端只采用兩個發(fā)送節(jié)點S1和S2，且分別向目的節(jié)點也D1和D2發(fā)送數(shù)據(jù)，但是源節(jié)點的啟動時間不一樣，源節(jié)點S1首先在0ms啟動，而源節(jié)點S2在2ms時啟動，其仿真的結(jié)果如圖2所示：

圖2　兩個節(jié)點的擁塞窗口

在第二個仿真實驗中源端采用四個發(fā)送節(jié)點，分別為S1、S2、S3和S4，目的節(jié)點也有四個，分別為D1、D2、D3和D4，兩兩之間進行數(shù)據(jù)的傳遞，4個源節(jié)點啟動時間分別為0ms、2ms、5ms和15ms，其仿真的結(jié)果如下圖2所示：

圖3　四個節(jié)點的擁塞窗口

通過仿真實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在仿真實驗一中，源節(jié)點S1在源節(jié)點S2沒有啟動時，已啟動，并獲得較大的擁塞窗口，其值接近30，獨自享用整個網(wǎng)絡(luò)帶寬。但隨著源節(jié)點S2的啟動，其源節(jié)點S1的擁塞窗口逐漸降低，而節(jié)點S2的擁塞窗口在逐漸升高，最后兩者達到一個平衡，其擁塞窗口都達到20左右，從而共享整個網(wǎng)絡(luò)帶寬。同樣在仿真實驗二中可以觀察到，當(dāng)只有一個源節(jié)點啟動時，它的擁塞窗口最大，其占用的帶寬也最大，但隨著源節(jié)點啟動數(shù)目的增加，各節(jié)點的擁塞窗口也趨于相同，占用的帶寬也趨于一致，當(dāng)四個節(jié)點都啟動后，各自的擁塞窗口最后都趨于一致，接近10。通過這兩個仿真實驗可以明顯的觀察到不論節(jié)點什么時候啟動，擁塞窗口同步現(xiàn)象最終會發(fā)生。

3結(jié)語

在沒有特殊情況或者相同QoS的情況下，擁塞窗口同步現(xiàn)象會伴隨著整個網(wǎng)絡(luò)。也就是說，雖然由于網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點啟動時間不一樣，會造成在初始時間時，傳輸節(jié)點的擁塞窗口大小會不相同，從而會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間不能平等的分享網(wǎng)絡(luò)帶寬，但是隨著時間推移，擁塞窗口大小會趨于相同，從而使網(wǎng)絡(luò)中所有傳輸節(jié)點會得到公平而平等網(wǎng)絡(luò)帶寬。

參考文獻：

[1]周中偉.TCP擁塞控制研究[J].湖南醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2010,12(5):332-333.

[2]孫小俊.高速網(wǎng)絡(luò)中TCP擁塞控制研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2013.

[3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[4]王輝. NS2網(wǎng)絡(luò)模擬器的原理和應(yīng)用[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

責(zé)任編輯：程艷艷

Research and Simulation on Synchronization of Congestion Window in TCP Protocol

ZHOU Jie

(Software College, Anhui Vocational College of Electronics and Information Technology, Bengbu 233030, China)

Abstract：TCP protocol and congestion window mechanism are used to avoid congestion in computer network，and each transport node may start at different time. However,the synchronization of congestion window will eventually occurs， which allows each node to use network bandwidth equitably. And the simulation results of the simulation software NS2 also reflect this phenomenon.

Keywords：congestion window; synchronization; simulation

中圖分類號：TP393

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)02-0008-03

作者簡介：周杰(1979-)，男，漢族，安徽無為人，碩士，安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)及性能優(yōu)化的方向研究

收稿日期：2015-08-31