【正文】 chTCP。算法思想為：首先，利用ABSE濾波機制，估計網絡當前的可用帶寬。根據當前帶寬和前一個時刻的帶寬進行比較，判斷出當前網絡狀態(tài)。然后，根據網絡狀態(tài)情況進行相應的擁塞控制：①如果TCP流剛好切換進快速網絡狀態(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。該值與當前估計的帶寬值有關。②如果TCP流剛好切換進慢速網絡狀態(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。該值與當前估計的帶寬值有關。③如果TCP流處于慢速網絡狀態(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流處于快速網絡狀態(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：當收到ACK信號后：①根據ABSE濾波原理估計出的當前網絡的可用帶寬。②基于①中對當前帶寬的估計值對網絡狀態(tài)進行判斷，判斷方法為：1）如果當前可用帶寬是前一個ACK信號到達時可用帶寬的倍時，SwitchTCP判斷切換進快速網絡狀態(tài)，網絡處于快速切換暫態(tài)。并設置網絡狀態(tài)標簽flag_＝1。2）如果當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),網絡處于慢速切換暫態(tài)。網絡狀態(tài)標簽flag_＝0。3）如果非前兩種情況時，則判斷是網絡處于穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)。如果flag_==0，則網絡處于慢速穩(wěn)態(tài)。如果flag_==1，則網絡處于快速穩(wěn)態(tài)。③根據②中判斷的當前網絡狀態(tài)信息，對cwnd（擁塞窗口值）進行相應的控制。控制措施如下：1）如果網絡處于快速切換暫態(tài)，則將cwnd值設定到特定值。為當前擁塞窗口乘以當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）如果網絡處于慢速網絡切換暫態(tài)，則將cwnd值設定到特定值。為當前擁塞窗口乘以當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）如果網絡處于快速網絡穩(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）如果網絡處于慢速網絡穩(wěn)態(tài)，擁塞控制方式與Reno一樣。①： SwitchTCP算法流程圖相關變量說明如下：cwnd：擁塞窗口變化值。Timeout：超時。The 3rd dupACK：收到三個重復的ACK信號。current_bwe_：當前網絡的可用帶寬值。before_bwe_：前一個ACK信號到來時估計到的網絡可用帶寬。flag_：狀態(tài)標簽，1表示網絡處于快速穩(wěn)態(tài)。0網絡處于慢速穩(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，仿真中＝＝。、：為特定值。=(current_bwe/before_bwe)*cwnd*r，=(current_bwe/before_bwe)*cwnd。current_bwe為當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 仿真分析根據前述SwitchTCP的描述。在多個仿真拓撲下分析SwitchTCP的性能。 仿真分析一。該拓撲模擬了有線自身異構的網絡環(huán)境。網絡1和網絡3為慢速網絡，網絡2為快速網絡。其中快速網絡的帶寬是慢速網絡帶寬的八倍。 拓撲1TCP連接從0時刻開始，仿真時間是160秒。TCP數據流在0～40秒時間由路由器經慢速網絡1到達目的端。在40秒時進行垂直切換，40～120秒內由路由器經快速網絡2到達目的端。120秒時再次進行切換到慢速網絡3，在120～160秒內經慢速網絡3到達目的端。160秒時仿真結束。TCP為發(fā)送方，Sink為接受方?？疾斓男阅苤笜酥饕〒砣翱?、平均吞吐量、瞬時吞吐量、重傳率和丟包數（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）處于慢速網絡中時，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）當數據流在切換到快速網絡時，SwitchTCP會根據當前探測到的網絡可用帶寬估計到SwitchTCP流切換到了快速網絡。SwitchTCP會立刻增大擁塞窗口值。，能及時獲取網絡狀態(tài)信息。自適應的調節(jié)擁塞窗口的變化。，SwitchTCP要比Reno約快4秒達到網絡有效利用資源狀態(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,而在同等網絡條件下，TCP Reno流的平均擁塞窗口約為100packets。顯然，SwitchTCP流在網絡快速穩(wěn)態(tài)時的資源利用率要高于TCP Reno流。4）到數據流在切換到慢速網絡時，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據流的吞吐量。從圖中可以看出，SwitchTCP流的瞬時吞吐量的波動較小。能比Reno更好的利用網絡資源。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數據流發(fā)生切換時，可以快速有效的利用網絡資源。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 切換到慢速網絡階段的丟包數TCP算法丟包數（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。 仿真分析二拓撲2為多源端復雜有線自身異構網絡。該拓撲由慢速網絡和快速網絡異構而成。其中快速網絡的帶寬是慢速網絡帶寬的八倍。網絡1和網絡3為慢速網絡，網絡2為快速網絡。該拓撲共由5個TCP 連接。每個TCP連接從0時刻開始，仿真時間是160秒。網絡中所有的TCP流在0～40秒時間由路由器經慢速網絡1到達目的端。在40秒時進行垂直切換，40～120秒內由路由器經快速網絡2到達目的端。120秒時再次進行切換到慢速網絡3，160秒時仿真結束。 拓撲2①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?？疾斓男阅苤笜酥饕〒砣翱凇⑺矔r吞吐量、重傳率和丟包數（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據流存在的情況下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：在快速網絡狀態(tài)下，SwitchTCP能很好的利用網絡的可用資源。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。提高了網絡利用率。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。：在快速網絡狀態(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。從而提高了網絡的利用率。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數據流的平均重傳率為：104，SwitchTCP數據流的平均重傳率為：104。從整體來看，SwitchTCP數據流的重傳率要小于Reno數據流的重傳率。：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TCP協(xié)議連接類型丟包數（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絡的時候，SwitchTCP每條數據流的丟包數為4packets。Reno每條數據流的丟包數為34packets。這是由于SwitchTCP對這一階段進行了擁塞窗口的控制，使得丟包數大大的降低。提高了網絡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。實驗目的考察TCP SwitchTCP與Reno之間的共存友好性。考察的性能指標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數據流與Reno數據流各個性能指標的變化曲線圖。從上述圖中可以看出：a、。并且SwitchTCP數據流在瞬時吞吐量方面要優(yōu)于Reno數據流。b、當在Reno數據流中加入SwitchTCP數據流后，能緩解網絡的擁塞情況。所以SwitchTCP數據流能與Reno數據流能較友好的共存。 小結本章基于對TCP在有線自身異構網絡環(huán)境下進行切換所產生的問題的分析，并結合現有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，使得數據發(fā)送速率波動性小，擁塞次數少，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據流當前的狀態(tài)。并且調節(jié)擁塞控制方式。能快速地利用網絡中的可用資源，又能快速降低數據發(fā)送數率以減輕網絡擁塞。④與TCP Reno一起使用時，不僅可以與TCP之間實現資源的公平競爭，還可以提高網絡資源的利用率。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秒達到網絡最佳利用率。在慢速切換態(tài)時，SwitchTCP的丟包數比Reno降低了7/8。第五章 結論及未來的工作 結論目前計算機網絡的發(fā)展呈現規(guī)模性、異構性、動態(tài)性的特點。隨著網絡技術迅猛發(fā)展，網絡的異構性會越來越突出。這給傳統(tǒng)的TCP傳輸控制機制的實現及有效性帶來了新的挑戰(zhàn)。改進現有的TCP協(xié)議，優(yōu)化異構網絡環(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網絡傳輸控制機制進行了深入研究。分析對TCP在異構網絡環(huán)境下存在的問題。并在此基礎上針對TCP在有線自身異構的網絡環(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。該機制能根據網絡狀態(tài)的改變自適應的調整擁塞窗口的變化。①使用ABSE濾波器估計出當前網絡帶寬，然后根據當前帶寬判斷出網絡狀態(tài)。②當T