分析TCP的拥塞控制原理

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ＴＣＰ拥塞控制与算法概述

作者：刘国栋

来源：《硅谷》2009年第15期

[摘要]随着Internet广泛应用,拥塞控制技术已成为网络研究热点之一,描述Internt端到端产生拥塞的基本原因,重点阐述TCP拥塞控制策略和拥塞控制四种算法的性能及应用,进一步分析TCP拥塞控制技术最新研究成果及方向。

[关键词]Internet TCP协议 拥塞控制 算法

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810062-02

随着Internet广泛应用,用户对网络服务质量要求更高,同时越来越严重的网络拥塞问题引起广泛关注。当前人们对Internet拥塞控制理论研究主要集中在2个方面:首先是在Internet的端系统(或源系统),本质上是一种基于信源的拥塞控制策略;其次是在Internet的中间链路节点系统,本质上是一种基于路由器等网络中间链路节点的拥塞控制策略。Internet系统的可靠性、鲁捧性越来越依赖于拥塞控制机制,由于当前网络拥塞控制的大部分工作是由TCP协议完成的。因此,分析和研究更有效的TCP拥塞控制策略及算法具有重要的意义。

一、拥塞控制基本概念

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许多学者和网络专家认为网络拥塞现象产生的根本原因或判断标准是用户(或叫源系统)提供给网络的负载(Load)超过网络系统资源容量和处理能力(Overload)[1][17],直接表现为数据包延时增加、丢弃概率增大、吞吐量(goodput)急剧下降、上层应用系统性能下降,甚至导致网络崩溃(congestioncollapse)的发生。目前公认比较权威的“拥塞”解析是由Jacobson(1988)[2]提出:当一个子网或者子网的一部分出现太多分组的时候,网络性能开始下降,这种情况称为拥塞(congestion)。文献[3][4][5]比较一致形象描述了网络拥塞情况,如图(1):当源系统(用户)发送的数据分组总量小于系统容量范围的时候,所有分组可以被递交,也就是理想的范围。当源系统(用户)发送的数据分组总量超过系统容量范围的时候,拥塞就开始出现,分组开始丢失率增大、延时加大、网络性能随分组数量增大急速下降,甚至整个系统发生崩溃。[6]

TCP拥塞控制算法比较

TCP发展到现在已经形成了TCP Tahoe、TCP Reno、TCP NewReno、SACK、Vegas等不同版本，这些算法各有利弊。

Tahoe算法是TCP的早期版本。它的核心思想是：让cwnd以指数增长方式迅速逼近可用信道容量，然后慢慢接近均衡。它包括了3个基本的拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快速重传。Tahoe的缺点体现在快速重传后转向慢启动算法，这样不能有效的利用网络带宽并且还引入较大的延时。

Reno算法是针对Tahoe算法的不足而做的改进。改进主要有两方面：一是对于收到连续3个重复的ACK确认，算法不经过慢启动，而直接进入拥塞避免阶段；二是增加了快速重传和快速恢复机制。Reno算法以其简单、有效和鲁棒性成为TCP源算法的主流，被广泛的采用。但它不能有效的处理多个报文分组从同一发送窗口中丢失的情况。

NewReno对Reno中快速恢复算法进行了补充，它考虑了一个发送窗口内多个报文分组同时丢失的情况。Reno算法中，发送方收到一个不重复的应答后就退出快速恢复，而NewReno中，只有当所有的报文分组都被应答后才退出快速恢复状态。NewReno的实现只要修改TCP发送端的实现代码，实现简单。

SACK算法也针对一个窗口内多个报文分组丢失的情况而对Reno算法进行改进：SACK定义了一个变量pipe来表示出现在路由器上报文分组的估计数量，接收方TCP发送SACK分组来通知发送方的接收状况，这样源端就能准确的知道哪些报文分组被正确的传到接收端，从而避免不必要的重传，提高网络吞吐量。但SACK算法的实现需要修改TCP发送端和接收端的实现代码，增加了TCP的复杂性，因此不易大规模的应用。

Vegas与上述的算法不同，它是以RTT的变化作为拥塞信号，调节源端的发送速率。通过监测RTT的变化来改变cwnd的大小。由于Vegas采用RTT的改变来判断网络的可用带宽，能较好的预测网络带宽的使用情况，其公平性、效率都较好。但是，由于Vegas与其它算法在竞争带宽方面存在不公平现象，因此未能在因特网中普遍采用，还需要继续改进。

９４　２００８，４４（１　８）　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ＂计算机工程与应用　ＴＣＰ拥塞控制机制定量性能分析　吴文红１，李向丽２　ＷＵ　Ｗｅｎ－ｈｏｎｇ　，ＬＩ　Ｘｉａｎｇ－ｌｉ　１．华北水利水电学院信息工程学院，郑州４５０００１　２．郑州大学信息工程学院，郑州４５０００１　１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｍｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００　１，Ｃｈｉｎａ　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００　１，Ｃｈｉｎａ　Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｗｅｎｈｏｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｎｌ　ＷＵ　Ｗｅｎ－ｈｏｎｇ．ＬＩ　Ｘｉａｎｇ－ｌｉ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＣＰ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００８，４４（１８）：９４－９６．　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴＣＰ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｖｅｒ　７０％ｌｎｔｅｒｎｅｔ　ｔｒａｆｆｉｃ．Ａｎｄ　ＴＣＰ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｓｌｏｗ—ｓｔａｒｔ，ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｆａｓｔ　ｒｅ－　ｔｒａｎｓｍｉｔ，ｆａｓｔ　ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｓｅｖｅｒａ１　ｃｏｍｎｌｏｎ　ＴＣＰ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏ１　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　Ｔａｈｏｅ，Ｒｅｎｏ，　ＮｅｗＲｅｎｏ，ＳＡＣＫ　ａｎｄ　Ｖｅｇａｓ　ＴＣＰ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｐｅｐａｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｅｄｂｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ＮＳ２（ａ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）。ａｎｄ　ｃｏｍｅ　ｔｏ　ａｎ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ｔｈａｔ　ＳＡＣＫ　ａｎｄ　ＮｅｗＲｅｎｏ　ＴＣＰ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　Ｒｅｎｏ　ａｎｄ　Ｔａｈｏｅ　ＴＣＰ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｗｈｅｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐａｃｋｅｔｓ　ａｒｅ　ｄｒｏｐｐｅｄ　ｆｒｏｍ　ａ　ｗｉｎｄｏｗ　ｏｆ　ｄａｔａ．　Ｋｅ．ｖ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏ１；ｓｌｏｗ　ｓｔａｒｔ；ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ；ｆａｓｔ　ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ；ｆａｓｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　摘要：ＴＣＰ协议承载着因特网超过７０％的传输流量，其拥塞控制机制可以有效地改善网络拥塞现象。剖析了慢启动、拥塞避免、　快速重传、快速恢复等拥塞控制机制，研究了Ｔａｈｏｅ、Ｒｅｎｏ、ＮｅｗＲｅｎｏ和ＳＡＣＫ等几种常见的ＴＣＰ拥塞控制算法。借助于网络模拟　器ＮＳ２对这几种算法的性能进行了定量分析。结果证明：相对于Ｔａｈｏｅ、Ｒｅｎｏ拥塞控制算法而言，ＮｅｗＲｅｎ＜）和ＳＡＣＫ　ＴＣＰ可以更　快、更平滑地摆脱网络拥塞恢复到正常工作状态。　关键词：拥塞控制；慢启动；拥塞避免；快速重传；快速恢复　ＤＯＩ：１０．３７７８￣．ｉｓｓｎ．１００２—８３３１．２００８．１８．０２９　文章编号：ｌ００２—８３３１（２００８）ｌ８－００９４—０３　文献标ｉ｝Ｉ码：Ａ　ＩＩＩ　分类订．：ＴＰ３０２．７　１概述　ＴＣＰ拥塞控制能够有效预防死锁，提高网络性能，是保证　因特网稳定性的重要因素，可以说，今天因特网的成功很大程　度上得益于ＴＣＰ拥塞控制算法的引进，因此，对ＴＣＰ拥塞控制　算法进行深入研究具有重要的理论意义和应用价值。　本文介绍了慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等拥　塞控制机制。主要研究了常见的ＴＣＰ拥塞控制算法。最后借助　网络模拟器ＮＳ２，对这些算法的性能进行了定量分析，并给出　合理建议，以便改进算法，提高网络性能。　２　ＴＣＰ拥塞控制　ＴＣＰ拥塞控制是通过对重要参数的控制和调节来实现的Ｉ　Ｉ。　用于ＴＣＰ拥塞控制的主要参数有：拥塞窗口（ｃｗｎｄ）、通知窗口　（ａｗｎｄ）、发送窗口（ｗｉｎ）、慢启动门限（ｓｓｔｈｒｅｓｈ）和回路响应时　间（ＲＴｒ）等。通过改变这些参数，可以达到控制网络拥塞、提高　网络性能的目的。　２．１　ＴＣＰ拥塞控制机制　ＴＣＰ拥塞控制机制由慢启动、拥塞避免、快速重传和快速　恢复４个阶段组成Ｉ：Ｉ。　在慢启动阶段，每收到一个成功的确认字符（ＡＣＫ），ｃｗｎｄ　值增１，即ｃｗｎｄ以指数型增长，避免了连接建立时大量突发数　据流可能造成的拥塞。　在拥塞避免阶段，每收到一个成功的ＡＣＫ，ｃｗｎｄ值增１／　ｃｗｎｄ，即ｃｗｎｄ线性增长，避免了ｅｗｎｄ持续快速增长可能导致　的拥塞。　快速重传和快速ｌ灰复阶段的具体工作为　｛：　（１）若收到３个ｄｕｐ　ＡＣＫ，则进入快速重传阶段，同时设　置ｓｓｔｋｒｅｓｈ为ｍａｘ（ｃｗｎｄ／２，２），ｃｗｎｄ为ｓｓｔｈｒｅｓｈ＋３。　（２）重传丢失包。　（３）每收到一个ｄｕｐ　ＡＣＫ，ｃｗｎｄ增１。　（４）当ｒａｉｎ（ａｗｎｄ，ｃｗｎｄ）足够大时，发送新包。　（５）当收到非重复ＡＣＫ时，设置ｃｗｎｄ值为ＳＳｔｈｒｅｓｈ，转入　拥塞避免阶段。　２．２　ＴＣＰ拥塞控制算法　常见的ＴＣＰ拥塞控制算法有Ｔａｈｏｅ、Ｒｅｎｏ、ＮｅｗＲｅｎｏ和　ＳＡＣＷ　…一　作者简介：吴文红（１９６９ｑ），女，高级工程师，主要研究领域为网络技术与信息安全；李向丽，女，副教授，主要研究领域为新一代网络技术。　收稿日期：２００７—０９—２６　

tcp四点法标定

TCP四点法标定（Four-point TCP calibration）是一种用于估计TCP拥塞控制算法参数的方法，通过测量网络延迟和吞吐量来计算TCP窗口增长和重传的速率。这种方法是在真实网络中进行的，与仿真方法不同，可以更准确地反映网络的实际状况。下面将介绍TCP四点法标定的步骤和一些相关参考内容。

TCP四点法标定的步骤如下：

第一步，首先需要选择合适的网络工具，例如iperf、Nettest等，来进行TCP连接的测量。这些工具可以提供网络延迟和吞吐量的测量。

第二步，选取合适的测量点，通常选择四个不同的点来测量。这些点应该代表了网络中不同的拓扑结构和链路特性。可以选择不同的ISP、不同的地理位置等来确保测量的全面性。

第三步，进行TCP连接的测量。通过测量连接的网络延迟和吞吐量来推断TCP的参数。具体的测量方法有很多种，例如通过发送不同大小的数据包来测量吞吐量，通过测量数据包的往返时间来测量延迟等。

第四步，根据测量结果计算TCP参数。根据TCP拥塞控制算法的原理，可以计算得到窗口的增长速率和重传的速率。通过将测量得到的网络延迟和吞吐量与TCP参数的关系建立模型，可以通过解析模型来得到TCP参数。

参考内容：

1. David D. Clark和Van Jacobson的“Congestion Control

Principles”. 这是一篇经典的文章，介绍了TCP拥塞控制算法的原理和基本概念。可以通过阅读这篇文章来了解TCP四点法标定的理论基础。

2. Richard S. M.库摩夫和David E. Cottrell的“Understanding

TCP/IP: A clear and comprehensive guide”. 这本书详细介绍了TCP/IP协议族的各个方面，包括TCP的拥塞控制算法。可以通过这本书来学习TCP四点法标定的具体步骤和方法。

3. TCP四点法标定的相关论文。许多研究人员在TCP四点法标定的方法和应用方面进行了深入研究，并发表了相关论文。通过查阅这些论文，可以了解最新的研究成果和方法改进。