【正文】 chTCP。算法思想為：首先，利用ABSE濾波機制，估計網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的可用帶寬。根據(jù)當(dāng)前帶寬和前一個時刻的帶寬進行比較，判斷出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。然后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)情況進行相應(yīng)的擁塞控制：①如果TCP流剛好切換進快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，也就是快速暫態(tài)時，迅速將擁塞窗口值提高到一個特定值。該值與當(dāng)前估計的帶寬值有關(guān)。②如果TCP流剛好切換進慢速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，也就是慢速暫態(tài)時，迅速將擁塞窗口值降低到一個特定值。該值與當(dāng)前估計的帶寬值有關(guān)。③如果TCP流處于慢速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時，也就時慢速穩(wěn)態(tài)，其擁塞控制過程與Reno一樣。④如果TCP流處于快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時，也就是快速穩(wěn)態(tài)，采用AIMD（a，b）的擁塞控制方式。 工作過程 SwitchTCP工作過程圖。描述如下：當(dāng)收到ACK信號后：①根據(jù)ABSE濾波原理估計出的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。②基于①中對當(dāng)前帶寬的估計值對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行判斷，判斷方法為：1）如果當(dāng)前可用帶寬是前一個ACK信號到達時可用帶寬的倍時，SwitchTCP判斷切換進快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)處于快速切換暫態(tài)。并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)標(biāo)簽flag_＝1。2）如果當(dāng)前可用帶寬是前一個ACK信號到時估計的可用帶寬的倍時，SwitchTCP判斷切換進慢速狀態(tài),網(wǎng)絡(luò)處于慢速切換暫態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)標(biāo)簽flag_＝0。3）如果非前兩種情況時，則判斷是網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)。如果flag_==0，則網(wǎng)絡(luò)處于慢速穩(wěn)態(tài)。如果flag_==1，則網(wǎng)絡(luò)處于快速穩(wěn)態(tài)。③根據(jù)②中判斷的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，對cwnd（擁塞窗口值）進行相應(yīng)的控制?？刂拼胧┤缦拢?）如果網(wǎng)絡(luò)處于快速切換暫態(tài)，則將cwnd值設(shè)定到特定值。為當(dāng)前擁塞窗口乘以當(dāng)前可用帶寬與上次可用帶寬的比值再乘以修訂值。隨后按照AIMD（a，b）算法進行擁塞控制；仿真中a＝9/17，b=。2）如果網(wǎng)絡(luò)處于慢速網(wǎng)絡(luò)切換暫態(tài)，則將cwnd值設(shè)定到特定值。為當(dāng)前擁塞窗口乘以當(dāng)前可用帶寬與上次可用帶寬的比值。隨后按照的擁塞控制方式與Reno一樣。3）如果網(wǎng)絡(luò)處于快速網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)，則按照AIMD（a，b）算法進行擁塞控制；仿真中a＝9/17，b=。4）如果網(wǎng)絡(luò)處于慢速網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)，擁塞控制方式與Reno一樣。①： SwitchTCP算法流程圖相關(guān)變量說明如下：cwnd：擁塞窗口變化值。Timeout：超時。The 3rd dupACK：收到三個重復(fù)的ACK信號。current_bwe_：當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬值。before_bwe_：前一個ACK信號到來時估計到的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。flag_：狀態(tài)標(biāo)簽，1表示網(wǎng)絡(luò)處于快速穩(wěn)態(tài)。0網(wǎng)絡(luò)處于慢速穩(wěn)態(tài)。a，b：AIMD（a，b）中的加性因子和乘性因子。在仿真中a＝9/17，b=。、：為常數(shù)，仿真中＝＝。、：為特定值。=(current_bwe/before_bwe)*cwnd*r，=(current_bwe/before_bwe)*cwnd。current_bwe為當(dāng)前時刻估計的帶寬值，before_bwe為前一個RTT時間前估計的可用帶寬。r為修訂值。仿真中取值3/5。②： SwitchTCP算法偽代碼 仿真分析根據(jù)前述SwitchTCP的描述。在多個仿真拓?fù)湎路治鯯witchTCP的性能。 仿真分析一。該拓?fù)淠M了有線自身異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)3為慢速網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)2為快速網(wǎng)絡(luò)。其中快速網(wǎng)絡(luò)的帶寬是慢速網(wǎng)絡(luò)帶寬的八倍。 拓?fù)?TCP連接從0時刻開始，仿真時間是160秒。TCP數(shù)據(jù)流在0～40秒時間由路由器經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)1到達目的端。在40秒時進行垂直切換，40～120秒內(nèi)由路由器經(jīng)快速網(wǎng)絡(luò)2到達目的端。120秒時再次進行切換到慢速網(wǎng)絡(luò)3，在120～160秒內(nèi)經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)3到達目的端。160秒時仿真結(jié)束。TCP為發(fā)送方，Sink為接受方?？疾斓男阅苤笜?biāo)主要包括擁塞窗口、平均吞吐量、瞬時吞吐量、重傳率和丟包數(shù)（慢速切換暫態(tài)）。其中擁塞窗口、平均吞吐量和瞬時吞吐量用符號CWND、Average Throughput和Instant Throughput表示。①擁塞窗口 SwitchTCP擁塞窗口 SwitchTCP與Reno擁塞窗口的比較 SwitchTCP與Reno擁塞窗口A部分放大圖 SwitchTCP與Reno擁塞窗口B部分放大圖～。從上述圖中可以看出：1）處于慢速網(wǎng)絡(luò)中時，SwitchTCP采用了與Reno一樣的擁塞控制方式。擁塞窗口的變化與Reno的變化一致。2）當(dāng)數(shù)據(jù)流在切換到快速網(wǎng)絡(luò)時，SwitchTCP會根據(jù)當(dāng)前探測到的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬估計到SwitchTCP流切換到了快速網(wǎng)絡(luò)。SwitchTCP會立刻增大擁塞窗口值。，能及時獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。自適應(yīng)的調(diào)節(jié)擁塞窗口的變化。，SwitchTCP要比Reno約快4秒達到網(wǎng)絡(luò)有效利用資源狀態(tài)。3）在處于快速穩(wěn)態(tài)時， SwitchTCP流采用了AIMD（a，b）的控制算法。仿真中使用a＝9/17，b＝。，SwitchTCP流的平均擁塞窗口約為120 packets,而在同等網(wǎng)絡(luò)條件下，TCP Reno流的平均擁塞窗口約為100packets。顯然，SwitchTCP流在網(wǎng)絡(luò)快速穩(wěn)態(tài)時的資源利用率要高于TCP Reno流。4）到數(shù)據(jù)流在切換到慢速網(wǎng)絡(luò)時，SwitchTCP探測到這一信息，會加快擁塞窗口降低的速度。SwitchTCP要比Reno降低速度要快。②平均吞吐量和瞬時吞吐量 SwitchTCP與Reno SwitchTCP與Reno 平均吞吐量的比較 瞬時吞吐量的比較 SwitchTCP與Reno 瞬時吞吐量A部分的比較～。從中可以看出：1），SwitchTCP流的最高吞吐量約為10000Mbps，Reno流的最高吞吐量約為8200Mbps。在160秒仿真結(jié)束后，SwitchTCP的吞吐量為7902Mbps，SwitchTCP流的平均吞吐量要高于Reno流。2）。目的為考察每個時刻數(shù)據(jù)流的吞吐量。從圖中可以看出，SwitchTCP流的瞬時吞吐量的波動較小。能比Reno更好的利用網(wǎng)絡(luò)資源。3）。在A部分，也就是快速切換暫態(tài)時，SwitchTCP要比Reno早約4秒的時間達到最高吞吐量值。這證明SwitchTCP在TCP數(shù)據(jù)流發(fā)生切換時，可以快速有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源。③重傳率 SwitchTCP與Reno重傳率的比較TCP算法重傳率(104 )SwitchTCPReno。從表中可以看出，SwitchTCP流的重傳率要小于Reno流的重傳率。這表明：SwitchTCP能避免發(fā)送端不必要的重傳，降低發(fā)送端的能量消耗。④丟包數(shù) 切換到慢速網(wǎng)絡(luò)階段的丟包數(shù)TCP算法丟包數(shù)（個）SwitchTCP18Reno127。該過程非常短。是上文中所說的慢速切換暫態(tài)（從快速狀態(tài)切換到慢速狀態(tài)的一個短暫的過程）。從表中可以看出，由于SwitchTCP在探測到這一信息后對擁塞窗口進行了控制，所以有效地減少了丟包的個數(shù)。 仿真分析二拓?fù)?為多源端復(fù)雜有線自身異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)溆陕倬W(wǎng)絡(luò)和快速網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)而成。其中快速網(wǎng)絡(luò)的帶寬是慢速網(wǎng)絡(luò)帶寬的八倍。網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)3為慢速網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)2為快速網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涔灿?個TCP 連接。每個TCP連接從0時刻開始，仿真時間是160秒。網(wǎng)絡(luò)中所有的TCP流在0～40秒時間由路由器經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)1到達目的端。在40秒時進行垂直切換，40～120秒內(nèi)由路由器經(jīng)快速網(wǎng)絡(luò)2到達目的端。120秒時再次進行切換到慢速網(wǎng)絡(luò)3，160秒時仿真結(jié)束。 拓?fù)?①場景一仿真實驗中，在TCP源端分別使用TCP Reno和TCP SwitchTCP算法。TCP1～TCP5為發(fā)送方，Sink1~Sink5為接受方?？疾斓男阅苤笜?biāo)主要包括擁塞窗口、瞬時吞吐量、重傳率和丟包數(shù)（慢速切換暫態(tài)）。其中擁塞窗口和瞬時吞吐量用符號CWND和Instant Throughput表示。該仿真的目的是考察多個數(shù)據(jù)流存在的情況下SwitchTCP流的性能。1）擁塞窗口 Reno擁塞窗口 SwitchTCP擁塞窗口。從上述圖中可以看出：在快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，SwitchTCP能很好的利用網(wǎng)絡(luò)的可用資源。各個SwitchTCP流之間不僅能維持較高的擁塞窗口，還能在相同通信量的情況下，SwitchTCP流比Reno流發(fā)生的擁塞要少。這表明SwitchTCP有效的控制了擁塞窗口的變化。減少了擁塞發(fā)生的次數(shù)。提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。2）瞬時吞吐量 Reno瞬時吞吐量 SwitchTCP瞬時吞吐量。從兩個圖的對比中可以看出：，SwitchTCP流的瞬時吞吐量不僅都維持在一個較高的值，而且收斂性較好。而Reno流的瞬時吞吐量的波動較大。：在快速網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中，SwitchTCP流的瞬時吞吐量的波動范圍在2～4Mbps中，而Reno流的瞬時吞吐量的波動范圍在0～。這是因為，SwitchTCP在控制擁塞窗口采用的機制上不僅能將CWND維持在一個較高的水平，還能減少擁塞發(fā)生的次數(shù)。從而提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率。3）重傳率 Reno與SwitchTCP的重傳率TCP協(xié)議連接類型重傳率（10－4）SwitchTCPSwitchTCP1SwitchTCP2SwitchTCP3SwitchTCP4SwitchTCP5RenoTCP1TCP2TCP3TCP4TCP5。：，SwitchTCP數(shù)據(jù)流的平均重傳率為：104，SwitchTCP數(shù)據(jù)流的平均重傳率為：104。從整體來看，SwitchTCP數(shù)據(jù)流的重傳率要小于Reno數(shù)據(jù)流的重傳率。：SwitchTCP發(fā)送端能減少不必要的重傳，降低發(fā)送端的能量消耗。4）丟包數(shù)TCP協(xié)議連接類型丟包數(shù)（packets）SwitchTCPSwitchTCP14SwitchTCP23SwitchTCP35SwitchTCP43SwitchTCP56RenoTCP132TCP238TCP329TCP437TCP536。該階段是一段非常短的過程。也就是上文中所說的慢速切換暫態(tài)（從快速狀態(tài)切換到慢速狀態(tài)）。從上表中可以看出：由于在切換到慢速網(wǎng)絡(luò)的時候，SwitchTCP每條數(shù)據(jù)流的丟包數(shù)為4packets。Reno每條數(shù)據(jù)流的丟包數(shù)為34packets。這是由于SwitchTCP對這一階段進行了擁塞窗口的控制，使得丟包數(shù)大大的降低。提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率和減少了不必要的重傳。②場景二。其中TCP1~TCP3采用TCP Reno協(xié)議。TCP4和TCP5采用SwitchTCP協(xié)議。實驗?zāi)康目疾霻CP SwitchTCP與Reno之間的共存友好性?？疾斓男阅苤笜?biāo)主要包括擁塞窗口和瞬時吞吐量。其中擁塞窗口和瞬時吞吐量用符號CWND和Instant Throughput表示。1）擁塞窗口和瞬時吞吐量 Reno與SwitchTCP共存 Reno擁塞窗口下的擁塞窗口 Reno與SwitchTCP共存下的瞬時吞吐量~，SwitchTCP數(shù)據(jù)流與Reno數(shù)據(jù)流各個性能指標(biāo)的變化曲線圖。從上述圖中可以看出：a、。并且SwitchTCP數(shù)據(jù)流在瞬時吞吐量方面要優(yōu)于Reno數(shù)據(jù)流。b、當(dāng)在Reno數(shù)據(jù)流中加入SwitchTCP數(shù)據(jù)流后，能緩解網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。所以SwitchTCP數(shù)據(jù)流能與Reno數(shù)據(jù)流能較友好的共存。 小結(jié)本章基于對TCP在有線自身異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行切換所產(chǎn)生的問題的分析，并結(jié)合現(xiàn)有TCP協(xié)議的優(yōu)點，提出了一種基于帶寬估計和雙重AIMD算法的改進的TCP擁塞控制機制。通過上述分析，可以看出，SwitchTCP具有以下優(yōu)點：①實現(xiàn)簡單，該方案只需在發(fā)送端進行修改。不需要改變TCP端到端的語義。系統(tǒng)額外開銷小。②系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，由于采用了雙重AIMD擁塞控制算法，使得數(shù)據(jù)發(fā)送速率波動性小，擁塞次數(shù)少，資源利用率高。③系統(tǒng)處于切換暫態(tài)時，發(fā)送端可以智能判斷出數(shù)據(jù)流當(dāng)前的狀態(tài)。并且調(diào)節(jié)擁塞控制方式。能快速地利用網(wǎng)絡(luò)中的可用資源，又能快速降低數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)率以減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞。④與TCP Reno一起使用時，不僅可以與TCP之間實現(xiàn)資源的公平競爭，還可以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。⑤于TCP Reno相比，%，重傳率約降低了2/3。在快速切換態(tài)時，SwitchTCP比Reno大約早4秒達到網(wǎng)絡(luò)最佳利用率。在慢速切換態(tài)時，SwitchTCP的丟包數(shù)比Reno降低了7/8。第五章 結(jié)論及未來的工作 結(jié)論目前計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展呈現(xiàn)規(guī)模性、異構(gòu)性、動態(tài)性的特點。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性會越來越突出。這給傳統(tǒng)的TCP傳輸控制機制的實現(xiàn)及有效性帶來了新的挑戰(zhàn)。改進現(xiàn)有的TCP協(xié)議，優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP性能，成為廣大科研工作者的重要課題。本文首先對目前的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制機制進行了深入研究。分析對TCP在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下存在的問題。并在此基礎(chǔ)上針對TCP在有線自身異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行切換所存在的問題提出了自己的解決方案。本文提出了一種基于帶寬估計和雙重AIMD算法的改進的TCP擁塞控制機制，取名SwitchTCP。該機制能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變自適應(yīng)的調(diào)整擁塞窗口的變化。①使用ABSE濾波器估計出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬，然后根據(jù)當(dāng)前帶寬判斷出網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。②當(dāng)T