CN102594434B - 面向卫星网络的传输控制机制改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种面向卫星网络的传输控制机制改进方法，卫星网络中Vegas-AH拥塞控制设计方法是一种基于卫星网络的环境，通过自适应性的方法和策略，改进的拥塞控制算法。对网络的瞬时吞吐量变化情况进行考虑，使α和β值可以自动调整,能更好的改善拥塞控制机制,自动适应网络状况的变化，最终达到提高协议性能的效果。实现了拥塞控制中阈值大小根据网络情况进行自适应调整，使协议能够更好的改善拥塞控制机制,自动适应网络状况的变化，提高了通信链路的吞吐率和带宽利用率。

Description

面向卫星网络的传输控制机制改进方法

技术领域

本发明是一种面向卫星网络中传输层协议的性能解决方案。主要用于提高TCP-Vegas协议在卫星网络中的性能，属于卫星网络传输层拥塞控制的技术领域。

背景技术

随着互联网技术的迅速发展，人们对网络的要求越来越高，需要更广的网络覆盖范围、更快的网络接入速度和更大的网络带宽，而卫星通信技术具有覆盖面积广、通信费用与距离无关、不受地面自然灾害影响等固有的优点，使得基于卫星网络的互联网技术成为今后通信领域的研究热点。但是由于卫星网络所具有的大传输时延、高链路误码率、链路不对称性等与地面网络相异的特点，使得基于地面网络的TCP协议并不能很好的应用于卫星网络中。因此，如何进行合理的拥塞控制，提高TCP协议在卫星网络中的应用性能将成为卫星通信领域重要的研究课题。

拥塞是指在要求网络传输的分级数量开始接近网络的分组处理能力时，通信网络不能很好满足用户的网络通信服务需要。拥塞表现为分组丢失和分组传输往返时间太长。拥塞控制就是采取一定的策略，将网络中的分组维持在一定的水平，尽可能保持最高吞吐量。1994年，Brakmo提出了TCP-Vegas算法，TCP-Vegas是一种通过检测网络流量来避免拥塞的控制机制。它主要从3个方面对TCP拥塞控制的基本机制进行改进：拥塞避免、快速重传和慢启动。Vegas的慢启动机制采用一种更为谨慎的方法来增加窗口的大小，每收到两个分组确认后cwnd的值加1，从而减少最初过程中报文的丢失。Vegas的快速重传机制在接收到第1个重复确认后可以检测到报文是否超时，不需要等待3个重复的ACK后才做出反应。Vegas拥塞避免机制与TCP基本机制不同，每收到1个ACK后，Vegas通过检测预期吞吐量与实际吞吐量的差值，预测拥塞的发生，其基本思想是由源端估计路径上缓存区里该源的包的数量d，并通过调节窗口大小使这个数量值d保持在α与β之间，一般取α＝1，β＝3。若d值较小，认为网络没有发生拥塞；若d值较大，则网络很有可能出现拥塞。定义expected rate＝cwnd/BaseRTT，actual rate＝cwnd/RTT，d＝(expected rate-actualrate)*BaseRTT。其中，cwnd为当前拥塞窗口的大小，BaseRTT是该连接上最小的一次往返时延记录，而RTT是当前测得的往返时延值。Vegas调整拥塞窗口的算法可描述如下：若d＜α，则cwnd＝cwnd+1；若d＞β，则cwnd＝cwnd-1；若α≤d≤β，则cwnd＝cwnd。Vegas期望达到的目标就是保持一个窗口的数据中有α到β个数据包，并使得它们处于拥塞路由器的缓冲区内。因为vegas算法能够较为准确的估测网络带宽，所以它可以最大限度利用系统资源而不导致网络拥塞。

Brakmo指出，Vegas相对于Reno能多获得37％到71％的吞吐量，减少20％到50％的丢包率。Vegas算法的触发只与RTT的改变有关，而与包的具体传输时延无关。这主要是因为Vegas采用期望速率与实际速率之间的差值去估算可用网络带宽和网络拥塞程度，并调整发送端窗口大小与之相适应，这样可以较好地预测带宽使用情况。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种卫星网络中基于TCP-Vegas的拥塞控制方案，解决卫星网络中TCP-Vegas默认参数值α与β不能随网络的情况的变化自适应调整，从而提高卫星网络中TCP-Vegas协议的性能。

技术方案：本方法是一种策略性的方法，基于卫星网络的环境，通过自适应性的方法和策略，改进TCP-Vegas的拥塞控制算法，对网络的瞬时吞吐量变化情况进行考虑，使α和β值可以自动调整，能更好的改善拥塞控制机制，自动适应网络状况的变化.算法的改进表现在拥塞避免阶段。

Brakmo提出了TCP-Vegas算法，指出TCP-Vegas相对于TCP-Reno能多获得37％到71％的吞吐量，减少20％到50％的丢包率，当路由器有足够的缓存时，Vegas能获的更大的吞吐量和快速的反应时间。Vegas还有重要的一点是它只是更有效的利用现有的网络资源，而对使用其它算法的TCP连接的影响不大。vegas对Reno做了主要三个方面的改进，分别是快速重传机制、拥塞避免阶段和慢启动阶段。对这三个方面改进具体情况如下。

步骤1.当传输层收到一个新包时，对缓存区里包的数量的值进行判断，如果路由缓存小于最小阈值时，则首先判断吞吐量的变化情况，然后根据此时算法阈值的大小，作出相应的调整；具体的说，分为两种情况：1.当吞吐量增大时，则在增加窗口的同时，增大阈值大小，这样可以使算法变得更有竞争力；2.当吞吐量减小时，判断如果此时最小阈值是否为1，如果是则只是减小窗口，如果不是，那么在减小窗口大小的同时，还必须减小阈值，因为即使是路由缓存小于最小阈值，也并不代表网络带宽的利用率就很低，极有可能是拥塞发生时，阈值己经增长到非常大，所以当吞吐量减小时，在减小拥塞窗口大小的同时，必须减小阈值大小。

步骤2.对缓存区里包的数量的值进行判断，如果缓存大小介于最小阈值与最大阈值之间时，则在此时分成两种情况考虑，如果吞吐量增大，就同时增大窗口和阈值，否则保持不变；因为吞吐量还在增长，这就说明网络资源并没有完全被利用起来，可以通过增大发送速率来继续探测网络，如果吞吐量持续增长了一段时间，而路由器缓存值逐渐增大，就需要增大阈值，使得拥塞窗口尺寸增长；

步骤3.对缓存区里包的数量进行判断，如果缓存大小大于最大阈值时，首先判断吞吐量的变化情况，然后也是根据此时算法阈值的大小，作出相应的调整，具体的说，也分为两种情况：1.当吞吐量增大时，则在增加窗口的同时，加大阈值，这样是因为尽管缓存大小大于最大阈值，但是并不意味着带宽的利用率己经很高，所以当吞吐量还在继续增大的情况下要加大窗口并加大阈值大小来适应网络的情况；2.当吞吐量减小时，判断此时最大阈值是否等于3，如果是则只是减小窗口，如果不是，则减小窗口的同时减小阈值大小。

有益效果：本方法基于卫星网络的环境，通过自适应性的方法和策略，改进TCP-Vegas的拥塞控制算法，对网络的瞬时吞吐量变化情况进行考虑，使α和β值可以自动调整，能更好的改善拥塞控制机制，自动适应网络状况的变化.算法的改进提高了通信链路的吞吐率和带宽利用率。

附图说明

图1是Vegas-AH收到数据包后的流程示意图。

具体实施方式

1.对快速重传机制的改进：最初的TCP-Tahoe算法只有当网络超时才会重传数据包，后来的Tahoe改进版本和Reno都加入了快速重传机制，在收到第三个重复的确认包后，重传该数据包，而不用等到超时，而且在Reno中还使用了快速恢复算法，研究表明，当快速重传和快速恢复共同作用时，可以防止一半以上的超时情况的发生。TCP-Vegas主要在两个方面对快速重传进行了改进，使得探测丢包现象变得更及时和进一步地减少超时情况的发生。其中第一个改进是当TCP-Vegas收到重复的确认包时，计算该数据包上被发送时的时间到目前的时间的间隔，比较是否大于RTO，如果是，Vegas就重传该数据包而不用等到第2、3个重复确认包的到达。在Reno中，往返时间RTT和其它的一些数据是由不太精确的计时器得到的，这就意味着对RTT的估计不太精确，这样会影响到超时时间的准确测量。而在TCP-Vegas中使用了更精确的计时器，可以测得比较准的RTT，同样也能得到较准确的超时时间。通过这样的修改，使得TCP-Vegas不用等到第2、第3个确认包的到达就可以重传数据包。由于一般的超时时间RTO设置为4倍的RTT，所以要尽量缩短等待超时的时间，这样能够较大的改善吞吐量。第二个改进措施是当检测到超时后重传数据包后，收到第1个或第2个非重复确认包时，检查从重传该数据报到收到非重复确认包的时间间隔，时间间隔若大于超时时间，就认为发生了丢包，并重传该数据包。这样能够不用等到重复的确认包的到达，就准确的传送那些在重传前发生丢包的那些数据包，这对于发生多个丢包的时候尤为重要，否则发送端会一直等待直到超时。另外，为了避免由在一个RTT中发生的多个丢包现象而引起的窗口的大幅减小，TCP-Vegas中只有当重传是在上一次窗口减小之后发生的，才会减小拥塞窗口。这样做是为了保证拥塞窗口的减小只和当前的丢包结果有关系，而和先前发生的丢包没有关系。

2.拥塞避免机制的改进。TCP-Vegas修改了TCP-Reno的拥塞避免机制，希望可以预测拥塞的发生并相应的调整拥塞窗口和发送速率。Vegas可以克服Reno中振荡的问题，利用RTT与网络运行情况的密切关系，通过观察以前的TCP连接中的RTT值改变情况来控制拥塞窗口cwnd，如果发现RTT变大，Vegas就认为网络发生拥塞，并开始减少RTT。另一方面，如果RTT变小，Vegas就解除拥塞，再次增加cwnd.这样，cwnd在理想情况下就会稳定在一个合适的值上。这样做最大的好处在于拥塞机制的触发只与RTT的改变有关，而与包的具体传输延时无关。Reno是把丢包情况作为拥塞发生的信号，而Vegas是通过计算期望的吞吐量与实际吞吐量之间的差值来估计网络的拥塞情况。由于Vegas不需要等到丢包才认为发生了拥塞，所以能更有效的利用带宽。其基本思想是期望的吞吐量与实际的吞吐量相差超过一定值时，就认为发生拥塞程度越严重，就应该减小发送窗口，另一方面，当两者之间的差距小于一定值时，则认为连接没有完全有效的利用带宽，应该要增大发送窗口。

3.慢启动阶段改进：TCP-Reno在慢启动阶段在每个RTT内窗口都会增大一倍，TCP-Vegas修改为每隔一个RTT才将窗口增大一倍，在这之间，窗口固定不变。这样是为了保证能够正确的比较吞吐量的差值，Vegas还在慢启动中加入了拥塞检测。在初始的慢启动阶段，TCP-Vegas通过计算期望的吞吐量估计出可用的网络带宽，当实际的吞吐量变得比期望的吞吐量小于一定门限值r，窗口将会减小1/8，并且会从慢启动阶段进入拥塞避免阶段。为慢启动加入拥塞检测是十分重要的，当网络带宽变大时，尤为重要，改进的慢启动算法对改善丢包情况和超时现象十分有效。

TCP-Vegas数学模型分析：

TCP-Vegas中最重要的就是拥塞避免阶段，拥塞避免阶段主要是通过计算期望的吞吐量和实际的吞吐量之间的差值来决定如何改变发送窗口的大小，而期望的吞吐量与实际吞吐量之间的差值为：

$\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BsaeRTT}}-\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{rtt}}---\left(1\right)$

其中BaseRTT代表当缓存中数据包为空时的RTT值，cwnd代表源端在每个往返时间(RTT)中允许发送窗口的大小，期望的吞吐量为cwnd/BaseRTT，设rtt代表实际网络中的RTT，实际的吞吐量为cwnd/rtt，由(1)式得到路由器缓存中的数据包个数为

$d=(\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRTT}}-\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{rtt}})\mathrm{BaseRTT}---\left(2\right)$

TCP-Vegas通过计算d值和两个参数α、β之间的关系来改变窗口，α、β是两个常数，一般取为1和3。所以TCP-Vegas拥塞避免的目标就是要控制在路由器中的队列长度保持在α和β之间。

由n个源端和n个目的端通过一段由两个路由器之间的链路而组成，由于源端的发送窗口在每个RTT只会变化一次，所以网络模型可以看成是离散的，采样时间是RTT，RTT是随着网络情况的变化而变化的，不是一个固定的值，为了方便研究，假定各个连接的RTT都是相同的。

用cwnd_m(k)代表第m个源端在第k个RTT时间段时窗口的大小，意味着在第k个RTT时间段中，源端能发送cwnd_m(k)大小的数据，rtt(k)代表第k个时间段的RTT，用q(k)代表在第k个时间段时路由器缓存中数据包的数量，用B表示路由器缓存的大小。

所有的路由器都使用FIFO先进先出的队列管理算法，用L表示瓶颈链路处理数据的速度，这样在k+1个RTT时间段时的队列长度q(k+1)可表示为

$q(k+1)=\min (q\left(k\right)+\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{cwnd}}_m\left(k\right)-L\left(k\right),B)---\left(3\right)$

由(2)式变换为

$d\left(k\right)=(\frac{{\mathrm{cwnd}}_i\left(k\right)}{\mathrm{BaseRTT}}-\frac{{\mathrm{cwnd}}_i\left(k\right)}{\mathrm{rtt}\left(k\right)})\mathrm{BaseRTT}---\left(4\right)$

表示的是第k个RTT时间段路由器缓存中数据包的数量，rtt(k)是在第k个RTT时间段时的RTT，是由网络中的传输时间和在路由器中排队的等待时间组成，即为

$\mathrm{rtt}\left(k\right)=\mathrm{BaseRTT}+\frac{q\left(k\right)}{L}---\left(5\right)$

上式右边第二项代表了就当时数据包在路由器中的排队时间。TCP-Vegas线性增大或减小窗口是基于d(k)的大小，d(k)代表数据包在路由器中的数量d(k)小于α时，说明网络资源还没有充分利用，需要进一步的增大发送窗口，当d(k)大于β时，则减小发送窗口，防止发生拥塞。如果在α、β之间，则窗口不变。

可用下面的公式来说明：

$\mathrm{Cwnd}(K+1)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{cwnd}\left(k\right)+1,& d\left(k\right)<\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{cwnd}\left(k\right),& \mathrm{\&alpha;}<d\left(k\right)<\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{cwnd}\left(k\right)-1,& d\left(k\right)>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(6\right)$

理论上来讲，如果我们实际得出的吞吐量和期望的吞吐量相差越大，那么网络拥塞发生的几率就越大，这就意味着发送速率要降低，阈值β触发了这种降低：相反，如果实际吞吐量离期望吞吐量越近，那么意味着网络中的带宽没有被完全利用，说明源端口的发送速率要提高，而闭值α触发了这种提升。总之，算法的目的是保持α到β的额外数据在网络上。

α和β阈值是由数据包的数量决定的。实际应用中一般设α＝1，β＝3，可以解释为在连接中希望至少保留一个包，至多保留三个包。设a＝1说明至少保留一个数据包在网络中，因为在实际应用中经常发生链路上其他连接总体速率下降的情况，此时该连接可以利用这个额外的数据包来保证链路带宽的使用，而不必等待一个RTT延迟。而一般在线性增长算法中这种等待是必需的。设β＝3说明最多保留三个数据包在网络中，因为如果过多的数据包在网络中存在，不仅占用网络带宽缓存在容量，而且影响数据传输速率，造成网络资源的浪费。使用α到β这个区域起到震荡阻尼的作用，由于TCP-Vegas算法中使用的估算可用带宽的机制没有故意引起数据包的丢失，所以这种机制为TCP-Vegas赢得较高的吞吐量和传输效率。

在传统的TCP-Vegas算法中两个门限值α和β取为固定的值，默认为1和3，α和β的大小直接影响其对带宽的竞争能力，阻碍了其继续获得可利用带宽的能力。并且由于α和β值固定不变，拥塞控制效果受到限制，算法对网络的适应性不是很强。

为了提高卫星网络中TCP-Vegas协议的性能，提出了一种改进的Vegas-AH算法。和TCP-Vegas算法相比，Vegas-AH不只依赖于α和β作为拥塞窗口的判断准则，而是将网络的瞬时吞吐量同样加进来，使α和β值可以根据网络状况的变化进行自适应调整。Vegas-AH算法具体算法如下：

A.当期望吞吐量和实际吞吐量间的差值的d＜α时，标准Vegas算法只是简单的增加窗口cwnd，而Vegas-AH首先判断吞吐量的变化情况，然后根据此时算法参数的大小，作出相应的调整，具体的说，分为两种情况：1、当吞吐量依然增大，Vegas-AH在增加窗口cwnd的同时，加大α和β，这样可以使算法变得更有竞争力；2、当吞吐量减小，判断如果此时α＝1，则只是减小窗口cwnd，如果此时小于1，那么在减小窗口大小的同时，就必须减小α和β值，因为即使是d＜α，并不代表网络带宽的利用率就很低，极有可能是拥塞发生时，a值己经增长到非常大，所以吞吐量减小时，在减小拥塞窗口大小的同时，必须减小α和β值。

B.当α＜d＜β时，标准vegas算法窗口大小是不变化的，新算法Vegas-AH在此时分成两种情况考虑，如果吞吐量还在继续增长，就同时增大窗口尺寸和α和β值；否则保持不变。因为吞吐量还在增长，这就说明网络资源并没有完全被利用起来。可以通过增大发送速率来继续探测网络，如果吞吐量持续增长了一段时间，而d值逐渐增大，就需要增大α和β值，使得拥塞窗口尺寸增长。

C.当d＞β时，Vegas-AH首先判断吞吐量的变化情况，然后也是根据此时算法参数的大小，作出相应的调整，具体的说，也分为两种情况：1、当吞吐量依然增大，Vegas-AH在增加窗口cwnd的同时，加大α和β，这样是因为尽管d＞β，但是并不意味着带宽的利用率己经很高，所以当吞吐量还在继续增大的情况下要加大窗口并加大α和β的值来适应网络的情况。2、当吞吐量减小，判断如果此时β＝3，则只是减小窗口cwnd，如果此时β＞3，则减小窗口的同时减小α和β的值。

根据α和β动态变化的数值，我们在各个阶段都观测了实际吞吐速率的变化情况然后采取适当的措施来改变拥塞窗口，从而大大增强了算法的带宽竞争能力和网络环境的适应性。

本方法提出的TCP-Vegas算法改进具体实施是基于卫星网络的环境，通过自适应性的方法和策略，改进TCP-Vegas的拥塞控制算法。

TCP-Vegas拥塞控制算法改进实现：

和TCP-Vegas算法相比，Vegas-AH不只依赖于α和β作为拥塞窗口的判断准则，而是将网络的瞬时吞吐量同样加进来，使α和β值可以根据网络状况的变化进行自适应调整。

主要的实现流程：

步骤1.当传输层收到一个新包时，对缓存区里包的数量d的值进行判断，如果d＜α，Vegas-AH首先判断吞吐量的变化情况，然后根据此时算法参数的大小，作出相应的调整，具体的说，分为两种情况：1、当Δth＞0，Vegas-AH在增加窗口cwnd的同时，加大α和β，这样可以使算法变得更有竞争力；2、当Δth＜0，判断如果此时α＝1，则只是减小窗口cwnd，否则则在减小窗口大小的同时，同时减小α和β值，因为即使是d＜α，并不代表网络带宽的利用率就很低，极有可能是拥塞发生时，a值己经增长到非常大，所以吞吐量减小时，在减小拥塞窗口大小的同时，必须减小α和β值。

步骤2.对缓存区里包的数量d的值进行判断，如果α＜d＜β，算法Vegas-AH在此时分成两种情况考虑，如果Δth＞0，就同时增大窗口尺寸和α和β值；否则保持不变。因为吞吐量还在增长，这就说明网络资源并没有完全被利用起来。可以通过增大发送速率来继续探测网络，如果吞吐量持续增长了一段时间，而d值逐渐增大，就需要增大α和β值，使得拥塞窗口尺寸增长。

步骤3.对缓存区里包的数量d的值进行判断，如果d＞β时，Vegas-AH首先判断吞吐量的变化情况，然后也是根据此时算法参数的大小，作出相应的调整，具体的说，也分为两种情况：1、当Δth＞0，Vegas-AH在增加窗口cwnd的同时，加大α和β，这样是因为尽管d＞β，但是并不意味着带宽的利用率己经很高，所以当吞吐量还在继续增大的情况下要加大窗口并加大α和β的值来适应网络的情况。2、当Δth＞0，判断如果此时β＝3，则只是减小窗口cwnd，如果此时β＞3，则减小窗口的同时减小α和β的值。

Claims (1)

1.一种面向卫星网络的传输控制机制改进方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤1.当传输层收到一个新的数据包时，对缓存区中数据包数量进行判断，如果数据包数小于最小阈值α时，则判断吞吐量的变化情况，并根据此时最小阈值α和最大阈值β的大小进行相应调整；具体的说，分为两种情况:a.当吞吐量增大时，则在增加窗口的同时，增大阈值α和β，这样可以使算法变得更加有竞争力；b.当吞吐量减小时，判断如果此时最小阈值α是否为1，如果是则只是减小窗口，否则，在减小窗口大小的同时减小阈值α和β；

步骤2.对缓存区里数据包数量进行判断，如果数据包数量介于最小阈值α与最大阈值β之间时，则分成两种情况考虑，如果吞吐量增大，就同时增大窗口以及阈值α和β，否则保持不变；因为吞吐量还在增长，这就说明网络资源并没有被完全利用，可通过增大发送速率来继续探测网络，如果吞吐量持续增长了一段时间，而路由器缓存数据包数量逐渐增大，就需要增大阈值α和β，使得拥塞窗口尺寸增长；

步骤3.对缓存区里数据包数量进行判断，如果数据包数量大于最大阈值β时，则判断吞吐量的变化情况，并根据此时阈值α和β的大小进行相应调整；具体而言也分两种情况:a.当吞吐量增大时，则在增加窗口的同时，加大阈值α和β，这样是因为尽管缓存数据包数量大于最大阈值β，但是并不意味着带宽利用率己经很高，所以当吞吐量还在继续增大的情况下需增加窗口及阈值α和β的大小来适应网络的情况；b.当吞吐量减小时，判断此时最大阈值β是否等于3，如果是则只是减小窗口，如果不是，则减小窗口的同时减小阈值α和β大小。