lwip tcp 拥塞控制算法

２００７年第７期　计算机与现代化　ＪＩＳＵＡＮＪＩ　ＹＵ　ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ　总第１４３期　文章编号：１００６－２４７５（２００７）０７－００２６－０４　ＴＣＰ／ＩＰ拥塞控制算法研究　陈博华　（南京邮电学院计算机科学与技术系，江苏南京２１０００３）　摘要：当因特网上的分组过多超过了网络的处理能力时，出现的网络性能下降的问题称为拥塞。使用流量／拥塞控制技　术可以避免或缓解拥塞状况。本文对当前网络上运行的ＴＣＰ／ＩＰ拥塞和流量控制算法进行了综述，分析和比较了各种算　法的基本性能与可行性，指出了流量／拥塞控制技术将来发展方向。　关键词：ＴＣＰ／ＩＰ；拥塞控制；流量控制；算渤｝生能　中图分类号：ＴＰ３０１．６　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＴＣＰ／ＩＰ　Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ＣＨＥＮ　Ｂｏ—ｈｕａ　（Ｄｅｐａｚ＇ｔｎ￣ｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１ＸＤ３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｌｌ　ｇｅｔ　ａ　ｌｏｓｓ　ｗｈｅｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｉｓ　ｏｖｅｄｏａｄｅｄ　ｂｙ　ｔＯｏ　ｍａｎｙ　ｒｅｑｕｅｓｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｃｋ—　ｅｔｓ　ａｓｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　ｉｓ　ｃａｌｌｅｄ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ／ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈａｐｐｅｎ－　ｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｏｒ　ｔｏ　ａｌｌｅｖｉａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｉｔ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ／ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＴＣＰ／ＩＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｔｈａｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｍｅｔ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ａｌｇｏ—　ｒｉｔｈｍｓ　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ／ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＴＣＰ／ＩＰ；ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　０　引　言　在因特网上，当一个子网或者其中的一部分出现　太多分组时，网络的性能开始下降，诸如网络延时加　大、丢包率上升、吞吐量下降等，这种情况即称为拥塞　（ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ）。导致拥塞出现的原因通常是当前的负　载（临时性地）超过了（网络中的某一部分）资源的处　理能力，或者说用户提供给网络的负载大于网络资源　的容量和处理能力，如网络相对于负载需求表现为节　点存储空间不足、链路带宽不足、处理器处理速度慢，　以及系统各部分性能不匹配等等，从而导致网络上的　包时延增加，丢包率上升，吞吐量下降，直接使服务质　量下降。在处理网络的拥塞问题时一般采用两种方　法：一是采取措施预防网络拥塞，也就是采取流量控　制技术；二是采取措施减少已拥塞时的拥塞程度，即　减少拥塞时间以及防止拥塞扩散，直至拥塞的消失，　也就是采取拥塞控制技术。　拥塞控制的任务是确保子网能够处理承载所到　达的流量，这是全局性的问题，涉及各方面的行为，包　括所有的主机、路由器及内部的存储转发过程等；流　量控制只与特定的发送方和接收方之间的点到点流　量有关，它的做法是接收方向发送方提供某种直接的　反馈以通告发方另一端的情况，使发方动态调整发送　速率，以确保一个快速的发送方不会持续地以超过接　收方能力的速率传输数据。流量控制和拥塞控制之　间的关系是：有些拥塞控制算法在网络出现拥塞时，　通过往各个源端发送消息来通知它们减缓发送数据　的速度，可见流量控制只是实现后者的一种技术实现　途径。　收稿日期：２００６－０６－３０　作者简介：陈博华（１９７８－），女，江苏南京人，南京邮电学院计算机科学与技术系硕士研究生，研究方向：流量／拥塞控制技术。

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。

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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]

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅ　ｅｅｎｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉ０ｎｓ计算机工程与应用　ＴＣＰ拥塞控制算法的仿真研究　张　牧　，一，李　君　ＺＨＡＮＧ　Ｍｕ　，一，ＬＩ　Ｊｕｎ。　１．贵阳学院计算机科学系，贵阳５５０００５　２．南京邮电大学江苏省通信与网络技术工程研究中心，南京２１０００３　１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｉｎｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕｉｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｍ￣ｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５０００５，Ｃｈｉｎａ　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｃｏｉｍｎｕｎｉｃａｔｉｏｎ　＆　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｉｍｎｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００３，Ｃｈｉｎａ　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｍｕ８０４５＠１２６．ｅｏｎｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｍｕ，ＬＩ　Ｊｕｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　２００８．４４（２１）：８２－８４．　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｂｒｉｅｆ】　ｔｈｅ　ＴＣＰ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　ａｎａ１ｙｚｅ　ｔｈｅｉｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ，ＴＣＰ　Ｖｅｇａｓ　ａｎｄ　Ｆａｓｔ　ＴＣＰ。ｔｈｅ　ｎｓ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｏｆ　ｔｈｏｓｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｔｈｅｎ　ｃｏｎｃｌｕｄｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＴＣＰ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＡＣＫ　摘要：介绍了传输控制协议（ＴＣＰ）的拥塞控制技术。分析了三种典型ＴＣＰ控制算法，在ｎｓ仿真环境下对这三种ＴＣＰ控制算法进　行了仿真，并分析总结了三种算法的优缺点。　关键词：拥塞控制；传输控制协议；算法；确认　ＤＯＩ：１０．３７７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—８３３１．２００８．２１．０２２　文章编号：１００２—８３３１（２００８）２１－００８２—０３　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３９３　１引言　计算机网络在过去十几年中经历了爆炸式的增长，随之而　来是越来越严重的拥塞问题。拥塞产生的直接原因来自三个方　面：（１）存储空间的不足；（２）带宽容量的不足；（３）处理器处理　能力弱，速度慢也能引发拥塞。这三方面是网络系统潜在的瓶　颈，随着信源主机数和信源端业务量的的不断增加，瓶颈处就　会发生资源竞争，从而导致网络拥塞。而网络产生拥塞的根本　原因在于用户提供给网络的负载（１ｏａｄ）大于网络资源容量和　处理能力（ｏｖｅｒｌｏａｄ）。表现为数据包时延增加，丢弃概率增大，　上层应用系统性能下降等。　据统计，Ｉｎｔｅｍｅｔ上９５％的数据流使用的是ＴＣＰ／ＩＰ协议Ⅲ。　ＴＣＰ端到端拥塞控制机制【　互联网的健壮性和稳定性具有非　常重要的作用。拥塞控制也是确保Ｉｎｔｅｍｅｔ鲁棒性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）　的关键因素，因此一直是网络研究的一个热点问题。　本文讨论了ＴＣＰ拥塞控制典型的三种算法：ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ，　ＴＣＰ　Ｖｅｇａｓ：３１，Ｆａｓｔ　ＴＣｐ：４１。对三种算法的特点进行了分析，在ｎｓ　仿真环境下对算法进行了仿真，分析了仿真结果，最后对三种　算法的优缺点进行了总结。　２　ＴＣＰ拥塞控制的三种算法　１９８８年Ｖａｎ　Ｊａｃｏｂｓｏｎ在文献【２】中指出了ＴＣＰ在控制网　络拥塞方面的不足，并提出了“慢启动”（ｓｌｏｗ　ｓｔａｒｔ）算法，“拥塞　避免”（ｅｏｎｇｅｓｔｉＯｉｌ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ）算法。１９９０年出现的ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ版　本增加了“快速重传”（ｆａｓｔ　ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ）算法，“快速恢复”（ｆａｓｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｖ）算法，避免了网络拥塞不够严重时采用“慢启动”算法　而造成过大地减小发送窗口尺寸的现象，这样ＴＣＰ的拥塞控　制就由这４个核心部分组成。随后又出现了ＴＣＰ的改进版本　如Ｖｅｇａｓ，Ｆａｓｔ等。ＴＣＰ拥塞控制是通过控制一些重要参数的改　变来实现的，这些重要参数包括：拥塞窗口（ｃｗｎｄ），发送窗口　（ｗｎｄ），慢启动阀值（ｓｓｔｈｒｅｓｈ），回路响应时问（Ｒ　），超时重传　计数器（ＲＴ０）。　２．１　ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ　ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ是目前最通行的，应用最广泛的较为成熟的算　法，该算法所包含的慢启动，拥塞避免和快速重传　陕速恢复机　制，是以后众多算法的基础。　（１）慢启动：当建立新的ＴＣＰ连接时，拥塞窗口（ｃｗｎｄ）初　始化为一个ＴＣＰ段的最大字节数ｒｏｓｓ）。源端按ｃｗｎｄ大小发　送数据，每收到一个对新数据的应答ＡＣＫ，ｃｗｎｄ就最多增加　ｓ个字节。显然ｃｗｎｄ的增长将随Ｒ玎呈指数级（ｅｘｐｏｎｅｎ—　ｔｉａ１）增长。当ｃｗｎｄ增长超过慢启动阀值（ｓｓｔｈｒｅｓｈ）或者检测到　拥塞时，停止执行ｌ曼启动算法，转入拥塞避免阶段。　基金项目：国家高技术研究发展计￣Ｊ（８６３）（ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐｌａｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｕｎｄｅｒ　Ｇｒａｎｔ　Ｎｏ．２００５ＡＡ１２１６２０，Ｎｏ　２００６ＡＡ０１Ｚ２３２）；贵州省教育厅自然科学研究重点项目基金（Ｎｏ．２００７０５６）。　作者简介：张牧（１９８０一），男，博士，讲师，主要方向是计算机网络；李君（１９７３一），女，博士研究生，主要研究方向是下一代网络关键技术。　收稿日期：２００８—０２—２５