史士杰

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州 221116

基于opnet的TCP Veno性能研究和仿真

史士杰

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州 221116

由于傳輸介質(zhì)的不同，傳統(tǒng)擁塞控制算法在無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了性能退化，TCP Veno通過檢測鏈路中積壓數(shù)據(jù)包大小來判斷丟包的性質(zhì)，進而對傳統(tǒng)擁塞控制算法進行改進。通過OPNET仿真，該算法下的吞吐量、網(wǎng)絡(luò)利用率、公平性、友好性均比Reno得到提高。

OPNET；TCP VENO；TCP Reno；擁塞控制

0 引言

鑒于TCP/IP協(xié)議在有線網(wǎng)絡(luò)中的良好表現(xiàn)，傳統(tǒng)擁塞控制協(xié)議在無線通信網(wǎng)絡(luò)以及混合網(wǎng)絡(luò)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，由于傳輸介質(zhì)的差異，傳統(tǒng)TCP擁塞控制協(xié)議并不能在無線網(wǎng)絡(luò)中獲得較好的效果。因此，要想使TCP在無線網(wǎng)絡(luò)中具有良好的表現(xiàn)，就必須對傳統(tǒng)的TCP傳輸協(xié)議進行改進。

傳統(tǒng)的擁塞控制機制有4個階段：慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)。在慢啟動階段開始，將擁塞窗口初始化為1，發(fā)送端每收到一個ACK，擁塞窗口增加1，擁塞窗口以指數(shù)速度遞增。當擁塞窗口達到慢啟動閾值時，進入擁塞避免階段，此時發(fā)送端每隔一個往返時延使擁塞窗口增加1，即采取線性速度增加擁塞窗口。在上述過程中，若接收端收到3個或以上重復(fù)ACK，則認為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞，進入快速重傳和快速恢復(fù)階段，直至收到新的ACK確認，結(jié)束快速恢復(fù)。

顯然，TCP Reno將丟包原因全部歸于擁塞，這是由于傳統(tǒng)的擁塞控制協(xié)議是基于有線網(wǎng)絡(luò)的良好傳輸介質(zhì)設(shè)計的，而無線網(wǎng)傳輸介質(zhì)具有高時延、高誤碼、強干擾等特性，丟包的大部分原因不是由于擁塞所致。此時TCP Reno 仍將丟包歸因于擁塞，不能準確計算網(wǎng)絡(luò)的實時可用帶寬，只是盲目的降低擁塞窗口，減少發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)量?；诖耍琓CP Veno提出了能區(qū)分丟包原因的擁塞控制算法。

1 TCP VENO擁塞控制機制

Veno采用類似Vegas的機制來判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)，通過判斷丟包的性質(zhì)進而采取不同的擁塞控制策略。當網(wǎng)絡(luò)處于真正的擁塞時，采用Reno的擁塞控制機制，當丟包是由誤碼等原因產(chǎn)生的隨即丟包時，則采用另一種擁塞控制機制。

1.1 丟包判斷算法

Veno通過計算網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)報的積壓狀況來判斷網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。設(shè)積壓的數(shù)據(jù)報大小為N，則有：

其中Actural為發(fā)送端實際發(fā)送速率，RTT為網(wǎng)絡(luò)當前往返時延，BaseRTT為網(wǎng)絡(luò)測到的最小往返時延，實際應(yīng)用中Actural=cwnd/RTT，cwnd為擁塞窗口大小。整理得到N的計算公式：

Veno將N的大小作為判斷網(wǎng)絡(luò)是否擁塞的依據(jù)，設(shè)定一個門限值β，當N超過β時，說明連路中數(shù)據(jù)包積壓嚴重，判定連接處于擁塞狀態(tài)，若此時發(fā)生丟包則采用類似Reno的控制機制；當N小于β時，即使發(fā)送端檢測到丟包，也認定連接正常，判定丟包為其他原因造成的隨即丟包，采取不同于Reno的擁塞控制算法。實驗表明，β取3較合理[1]。

1.2 TCP Veno的4個控制階段

TCP Veno是對Reno的改進算法，也采用4個階段來實現(xiàn)擁塞控制。

慢啟動和超時重傳階段同Reno。

擁塞避免階段：當檢測到丟包非擁塞所致，則每收到一個新ACK確認，使cwnd增加1。當檢測到丟包為擁塞所致，則每收到2個新ACK確認，使cwnd增加1。

快速重傳和快速恢復(fù)：當收到3個或以上重復(fù)ACK確認，若N<β，認為網(wǎng)絡(luò)不夠擁塞，判定丟包為隨即丟包，將擁塞閾值置為4*cwnd/5，將cwnd=ssthresh+3，重傳丟失的包；若N>β，則認為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，將擁塞閾值置為cwnd/2，將cwnd=ssthresh+3，重傳丟失的包。采用新策略的TCP Veno算法能使擁塞窗口更長時間地保持在較大范圍，更有利于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和利用率。

2 TCP Veno和TCP Reno性能比較

鑒于OPNET良好的仿真性能，本仿真在OPNET原有Reno代碼上進行修改來實現(xiàn)改進算法。

2.1 吞吐量、擁塞窗口、網(wǎng)絡(luò)利用率性能比較

設(shè)定丟包率為0.5%，一條鏈接為Veno，一條鏈接為Reno。由仿真結(jié)果可知，和Reno相比，VENO的發(fā)送端能一直保持較大的擁塞窗口，獲得較大的吞吐量和帶寬利用率。這是因為新算法中擁塞窗口的設(shè)置是基于RTT的計算獲得的，它能反映出網(wǎng)絡(luò)的實況，避免了Reno中降低窗口的盲目性。在一定程度上減小了擁塞窗口的抖動，使發(fā)送速率更穩(wěn)定性。設(shè)置不同丟包率，VENO均能表現(xiàn)出比Reno更好的性能。

2.2 TCP VENO算法的友好性和公平性

算法的友好性是指：該算法算法影響其它版本TCP連接獲取資源的程度。仿真表明，在0.5%丟包率時Veno和Reno連接連接具有相似的競爭力。因此，Veno算法具有很好的友好性。當設(shè)置不同的丟包率時，Veno均能表現(xiàn)出良好的友好性。

公平性是指：同種協(xié)議的不同連接，不同往返延時對獲取資源的影響。此問題存在于所有算法中，但協(xié)議應(yīng)盡量減小它。仿真表明，丟包率為0.5%時Veno在公平性方面表現(xiàn)更好。另外，在丟包率為0～5%的范圍內(nèi)進行仿真，VENO均表現(xiàn)出比Reno更好的公平性。

3 結(jié)論

TCP Veno利用隊列中積壓數(shù)據(jù)包的大小來判別丟包的原因，進而采取不同的措施來調(diào)整發(fā)送窗口，避免了盲目的減小擁塞窗口。本仿真以0.5%丟包率為典型環(huán)境進行仿真，結(jié)果表明，Veno在各方面均表現(xiàn)良好。

另外，該算法是基于Reno的改進，與其他TCP協(xié)議有很好的共存性和可實施性。該算法在穩(wěn)定性方面還存在一些問題，這是今后需要改進的地方。

[1]Cheng Peng Fu and Soung C.Liew. TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks[J].IEEE Journal of Selected Areas in Communications，2003(2).

[2]C.P.Fu，“TCP VENO:End-to End Condestion Control Over Heterogeneous Networks,”Ph.D.dissertaion,The Chinese Univ.Hong Kong，2001.

[3]王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真.北京：人民 郵電出版社，2003.

[4]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社， 2003.

[5]黃遠江，李世銀，郭晶，蔣海明，李堯.基于OPNET的TCP 擁塞控制仿真.電腦知識與技術(shù)，2008(35).

TP393

A

1674-6708（2010）21-0182-02

史士杰，所在院校：中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)