CN1556629A - 通信网络中调整拥塞窗口的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信网络中调整拥塞窗口的方法。该方法是通过计算交换节点的缓存队列的长度，然后，根据缓存队列的长度确定网络中产生分组丢失的原因，并针对不同的原因采用不同的控制策略对交换节点的拥塞窗口和启动门限值进行相应的调整。本发明不仅可以保留了TCP Reno在处理网络拥塞情况时的上述优点，同时对于因链路特性引起的分组丢失，还实现了利用带宽估计设定合适的门限和拥塞控制窗口，使网络带宽得到有效的利用，提高系统的吞吐量。此外，本发明还计算交换节点处的缓存队列长度，并通过队列长判断网络拥塞状况，以便于在及时处理分组丢失的同时降低排队等待时间。

Description

通信网络中调整拥塞窗口的方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种通信网络中传输层调整拥塞窗口的方法。

背景技术

Internet(互联网)是一种提供尽力而为服务的网络，TCP(TransportControl Protocol，传输控制协议)是其上一种可靠的传输层协议，被广泛地应用于电子邮件、文件传输、音频和视频数据流以及Web(环球网)等应用中。据统计，TCP数据流量要占Internet中95％以上，故TCP协议是Internet中一种占主导地位的端到端的传输协议，当今Internet的可靠性和稳定性均与TCP协议的拥塞控制机制密不可分。

目前Internet上最为通用的TCP实现是TCP Reno，TCP Reno是一种端对端的传输层协议，采用了AIMD(Additive Increase MultiplicatiVeDecrease，加性增乘数减)的窗口调整机制。

在TCP Reno中，发送端实际发送窗口大小为：MIN(RCVWND，CWDN+NDUP)，即“RCVWND”和“CWDN+NDUP”值中较小的一个值作为实际发送窗口大小；其中RCVWND指接收者通知的窗口，CWDN指发送端拥塞窗口，NDUP在发送端收到重复ACK(证实)的个数小于tcprexmtthresh(tcprexmtthresh为使TCP启动快速重传机制的重复ACK个数)之前，等于0，之后为再收到的重复ACK的个数。如果不考虑流量控制，则发送窗口等于CWDN+NDUP。

Reno的拥塞控制策略描述如下：

①如果接收到非重复ACK报文，则：

if w＜ssthresh，set w＝w+1；如果当前的拥塞窗口w小于慢启动门限值ssthresh，则每收到一个ACK，就将窗口增加一个TCP段的大小，且这一过程称之为慢启动过程；

Else set 否则，如果当前的拥塞窗口大于慢启动门限值而小于通知窗口，每收到一个ACK，就将窗口增加当前窗口的倒数分之一，且这一过程称之为拥塞避免过程；

②如果收到的重复ACK报文，且收到的ACK报文数＞tcprexmtthresh，则：

retranmit“next expected”segment；重传重复ACK证实信息里说明的需要重传的报文段，即分组；

set 同时令慢启动门限值等于当前窗口的一半；

then set w＝ssthresh；拥塞窗口等于更新的慢启动门限值；

③如果重传计时器超时，则进入SlowStart(慢启动)：

set

慢启动门限值等于当前窗口的一半；

set w＝1；拥塞窗口等于一个报文段；

然而，上述最初为有线环境设计的TCP Reno在具有突发差错的无线链路上的性能却不令人满意。TCP Reno认为所有的分组丢失都是由于拥塞产生的，所以把由于链路特性变化引起的随机分组丢失都当作拥塞丢失来处理，直接将窗口降为分组丢失前窗口的一半。这种窗口的减半往往是不必要的，造成系统性能下降，导致网络资源的浪费。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种通信网络中调整拥塞窗口的方法，该方法可以区分分组丢失产生的原因是随机丢失还是拥塞丢失，并根据分组产生的原因确定针对窗口的调整策略。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

所述的一种通信网络中调整拥塞窗口的方法，包括：

A、计算网络中交换节点的缓存队列的长度；

B、根据所述的缓存队列的长度确定导致网络中分组丢失产生的原因，并针对不同原因分别采用相应的控制策略对交换节点的拥塞窗口进行调整。

所述步骤A包括：

A1、根据网络中传输的报文确定网络的带宽；

A2、根据网络的带宽计算交换节点处的缓存队列的长度；

所述的步骤A1包括：

根据网络中发送节点收到的ACK(证实)报文所证实的报文长度及相邻两个ACK报文的间隔时间确定网络的带宽。

所述的步骤A1进一步包括：

分别以发送节点收到的ACK(证实)报文所证实的报文长度除以该ACK报文与前一个ACK报文的间隔时间，获得的结果作为基于该ACK报文的网络带宽的采样值；

将获得的多个网络带宽采样值进行平滑处理，获得网络的带宽。

所述的步骤B包括：

根据获得的网络的带宽值、分组的大小、当前期望的网络带宽及发送节点与接收节点间的最小往返时间计算交换节点处的缓存队列的长度。

所述的步骤A具体包括：

网络带宽采样值sample_BWE[k]为：

sample_BWE[k]＝(ACKed*seg_size*8)/now～lastACKtime，

其中，ACKed表示由本次收到的ACK所证实的报文段数目，seg_size表示报文段所含字节，now～lastACKtime表示本次收到ACK与上次收到ACK的时间间隔，K为本次收到的ACK所证实的报文的序号；

对网络带宽采样值进行平滑处理，估计确定网络带宽BWE[k]为：

$\mathrm{BWE}\left[k\right]=\left(\frac{19}{21}\right)*\mathrm{BWE}[k-1]+\left(\frac{1}{21}\right)*(\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k]+\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k-1\left]\right);$

且，所述的步骤B具体包括：

交换节点处的缓存队列长度N为：

$\stackrel{\‾}{N}=(\mathrm{Expected}-\frac{\mathrm{BWE}}{\mathrm{seg}\_\mathrm{size}})*\mathrm{BaseRTT},$

其中， $\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}}$ 是当前时刻的期望速率，cwnd表示拥塞窗口的大小，BaseRtt是交换节点间报文的最小往返时间，seg_size如前所述为是报文段大小，BWE为上述步骤A获得的当前时刻网络带宽的估计值BWE[k]。

所述的步骤A包括：

根据当前网络的期望速率、实际速率及交换节点间报文往返的最小时间计算交换节点的缓存队列长度。

所述的步骤A进一步包括：

计算期望速率Expected和实际速率Actual：

$\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}},\mathrm{Actual}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{Rtt}};$

其中，cwnd表示拥塞窗口大小，BaseRtt表示交换节点间报文的最小往返时间，RTT表示交换节点间报文的实际往返时间；

计算确定交换节点的缓存队列长度N为：

N＝Actual*(RTT-BaseRTT)＝Diff*BaseRTT，

其中，Diff＝Expected-Actual，为期望速率Expected和实际速率Actual的差值。

所述的步骤C包括：

C1、如果所述的缓存队列的长度大于设定的队列长度门限值，则确定网络带宽饱和，且网络中产生的分组丢失为因为拥塞导致，并根据相应的拥塞控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整；

C2、如果所述的缓存队列的长度小于设定的队列长度门限值，则确定网络带宽未饱和，且网络中产生的分组丢失为因为链路特性变化导致，并根据基于链路特性变化的控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整。

所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法中，步骤C2所述的根据基于链路特性变化的控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整为：

如果收到如果收到三个重复的ACK报文，调整慢启动门限等于估计带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值，并且，如果当前拥塞窗口大于慢启动门限值，则令拥塞窗口等于慢启动门限；

如果重传计时器超时，则令拥塞窗口等于1，令慢启动门限等于估计带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值，且若慢启动门限小于2，则令慢启动门限等于2。

TCP Reno在处理网络拥塞情况时，是通过将拥塞窗口减半，能够有效的减少缓存队长，及时的处理网络拥塞状况，这一算法的性能已经在有线网络中得到了很好的证实。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明不仅可以保留了TCP Reno在处理网络拥塞情况时的上述优点，同时对于因链路特性引起的分组丢失，还实现了利用带宽估计设定合适的门限和拥塞控制窗口，使网络带宽得到有效的利用，提高系统的吞吐量。

总之，本发明能够有效的区分分组丢失产生的原因，以根据具体情况改善无线链路上TCP的吞吐量性能，并可以根据网络的拥塞状况，自适应调整窗口，以增强TCP协议的稳定性。此外，本发明还计算交换节点处的缓存队列长度，并通过队列长判断网络拥塞状况，以便于在及时处理分组丢失的同时降低排队等待时间。

附图说明

图1为本发明所述的方法的流程图。

具体实施方式

本发明所述的方法的核心思想是通过计算交换节点的缓存队列的长度，然后，根据缓存队列的长度确定网络中产生分组丢失的原因，并针对不同的原因采用不同的控制策略对交换节点的拥塞窗口和启动门限值进行相应的调整。本发明一方面可以利用返回的ACK数据流所证实的收到分组的数目和两个相邻ACK的间隔时间来估计网络的带宽，再利用这个估计到的带宽信息来计算交换节点处的缓存队列长度N的大小；另一方面还可以根据当前网络的期望速率和实际速率值确定交换节点的缓存队列长度N的大小。

获得了相应交换节点的缓存队列的长度N的大小后，便可以根据N值来判断网络的拥塞状况。即在发生分组丢失时，根据网络的拥塞状况判断分组丢失的原因，如果发生分组丢失时，N大于设定的队列长度门限值，认为分组丢失是网络拥塞引起的；如果发生分组丢失时，N小于设定的队列长度门限值，则认为分组丢失是由于链路特性变化的影响产生的，针对基于不同原因导致的分组丢失，便可以采取不同的控制策略进行拥塞窗口和启动门限值的调整。

为对本发明有进一步的了解，现结合附图，并以根据网络带宽计算交换节点的缓存队列的长度值为例对本发明作进一步说明，参见图1，具体包括以下处理过程：

步骤1：对网络带宽值sample_BWE[k]进行采样；

sample_BWE[k]＝(ACKed*seg_size*8)/now～lastACKtime，

其中，ACKed表示由本次收到的ACK所证实的报文段数目，seg_size表示报文段所含字节，now～lastACKtime表示本次收到ACK与上次收到ACK的时间间隔，K为本次收到的ACK所证实的报文的序号，所述的ACKed值和seg_size值可以根据网络的特征获得，now～lastACKtime值则可以根通过ACK报文的接收时间的实际监测获得。

步骤2：对获取的网络带宽采样值进行平滑处理，以获得估计的当前网络的带宽值BWE[k]；

$\mathrm{BWE}\left[k\right]=\left(\frac{19}{21}\right)*\mathrm{BWE}[k-1]+\left(\frac{1}{21}\right)*(\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k]+\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k-1\left]\right).$

步骤3：根据获得的当前网络的带宽值计算交换节点处的缓存队列；

$\stackrel{\‾}{N}=(\mathrm{Expected}-\frac{\mathrm{BWE}}{\mathrm{seg}\_\mathrm{size}})*\mathrm{BaseRTT};$

其中 $\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}}$ 是当前时刻的期望速率，cwnd表示拥塞窗口的大小，BaseRtt是交换节点发送出去的报文的最小往返时间，seg_size是交换节点发送报文的分组大小，BWE为当前时刻网络带宽的估计值BWE[k]，所述的cwnd值为网络传输中已经有应用的参数，本发明直接获取应用即可，所述的BaseRtt值根据对RTT的跟踪比较得到。

步骤4：当网络中发生分组丢失时，判断所述的缓存队列的长度值N是否大于设定的队列长度门限值β，如果大于，则执行步骤5，否则，执行步骤6，所述的队列长度门限值β通常为一个经验值，可以通过网络测试获得，对于目前的网络该值可以为3。

步骤5：确定缓存队列的长度值 N＞β，此时，认为网络带宽饱和，产生的分组丢失的原因以拥塞丢失为主，并按照TCP-Reno的算法中的拥塞控制策略进行拥塞窗口和慢启动门限值的调整，具体的调整过程与背景技术中描述的相同。

步骤6：确定缓存队列的长度值 N＜β，此时，认为网络带宽没有饱和，网络没有发生拥塞，分组丢失的原因很可能是由于链路特性变化而引起，所述的链路特性变化，即无线链路对Internet协议性能的影响通常包括：

①链接错误率：无线主机采用无线或红外波传输进行通信，极易受环境干扰，无线网络上的BER(误比特率)是有线的10倍或更差，只要有一条无线链路，就会影响到整个网络的性能；

②带宽：带宽在无线网络中是稀缺资源，同典型的有线以太网10M到1000M(甚至更高)相比，无线局域网的带宽相对较小(2M)，而且变化还较大；

③移动性：无线主机在通信时频繁移动，易导致数据丢失甚至通信暂时中断。TCP将其解释为拥塞，并激发拥塞控制机制，但这是没有必要的，因为一旦移动停止，无线主机又开始接收数据了，这样就导致TCP的性能下降。

对于因链路特性变化导致的分组丢失，需要按照下述基于链路特性变化的控制策略进行拥塞窗口和慢启动门限值的调整，具体的处理过程为；

如果交换节点收到三个重复的ACK报文，则执行以下操作：

ssthresh＝(bwe*BaseRTT)/(seg_size)；/令慢启动门限值等于估计的网络带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值；

if(cwnd＞ssthresh)；/如果当前拥塞窗口大于慢启动门限值；

cwnd＝ssthresh；/令拥塞窗口等于慢启动门限；

同时，如果交换节点收到重复的ACK报文，则需要重新进行相应报文的发送，并启动对应的计时器，当该计时器超时时，则执行下列操作：

cwnd＝1；/令拥塞窗口等于1；

ssthresh＝(bwe*BaseRTT)/(seg_size)；/令慢启动门限等于估计带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值；

if(ssthresh＜2)

ssthresh＝2；/如果慢启动门限小于2，则令慢启动门限等于2。

上述处理过程中，步骤1到步骤3描述了交换节点的缓存队列长度值的获取过程，在TCP Vegas中，所述的缓存队列长度值还可以采用以下的方法获得，但是为保证后续的拥塞窗口和启动门限值调整机制的实现，在通过下述方法获取缓存队列长度值的同时还需要获取当前网络中的网络带宽值；

即交换节点的缓存队列长度值还可以通过以下计算过程获得：

首先，计算网络当前的期望速率Expected和实际速率Actual，具体为：期望速率 $\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}},$ 实际速率 $\mathrm{Actual}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{Rtt}};$

其中，cwnd表示拥塞窗口的大小，BaseRtt表示交换节点发送的报文的最小的往返时间，RTT表示交换节点发送的报文的实际往返时间，RTT为通过实际监测获得；

然后计算期望速率Expected和实际速率Actual的差值Diff为：Diff＝Expected-Actual；

再基于交换节点的缓存队列的长度N得到RTT的计算公式为：

RTT＝BaseRTT+N/Actual；

根据上式可以得出，缓存队列的长度N为：

N＝Actual*(RTT-BaseRTT)＝Diff*BaseRTT。

当然，本发明中还可以采用其他的方法获得交换节点的缓存队列的长度N的值，然后，便可以根据获得的N值进行拥塞窗口和启动门限值的调整，以适应网络传输的需求。

由上述本发明的具体实现方式的描述过程可以看出，本发明不仅保留了TCP Reno在处理网络拥塞情况时的算法优点，如通过将拥塞窗口减半，能够有效的减少缓存队长，及时的处理网络拥塞状况等，同时，还对由于链路特性变化引起的分组丢失，有效地利用网络带宽估计设定合适的门限和拥塞控制窗口，使网络带宽得到有效的利用，提高系统的吞吐量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于包括：

A、计算网络中交换节点的缓存队列的长度；

B、根据所述的缓存队列的长度确定导致网络中分组丢失产生的原因，并针对不同原因分别采用相应的控制策略对交换节点的拥塞窗口进行调整。

2、根据权利要求1所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A包括：

A1、根据网络中传输的报文确定网络的带宽；

A2、根据网络的带宽计算交换节点处的缓存队列的长度；

3、根据权利要求2所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A1包括：

根据网络中发送节点收到的ACK(证实)报文所证实的报文长度及相邻两个ACK报文的间隔时间确定网络的带宽。

4、根据权利要求2或3所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A1进一步包括：

分别以发送节点收到的ACK(证实)报文所证实的报文长度除以该ACK报文与前一个ACK报文的间隔时间，获得的结果作为基于该ACK报文的网络带宽的采样值；

将获得的多个网络带宽采样值进行平滑处理，获得网络的带宽。

5、根据权利要求4所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤B包括：

根据获得的网络的带宽值、分组的大小、当前期望的网络带宽及发送节点与接收节点间的最小往返时间计算交换节点处的缓存队列的长度。

6、根据权利要求5所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A具体包括：

网络带宽采样值sample_BWE[k]为：

sample_BWE[k]＝(ACKed*seg_size*8)/now～lastACKtime，

其中，ACKed表示由本次收到的ACK所证实的报文段数目，seg_size表示报文段所含字节，now～lastACKtime表示本次收到ACK与上次收到ACK的时间间隔，K为本次收到的ACK所证实的报文的序号；

对网络带宽采样值进行平滑处理，估计确定网络带宽BWE[k]为：

$\mathrm{BWE}\left[k\right]=\left(\frac{19}{21}\right)*\mathrm{BWE}[k-1]+\left(\frac{1}{21}\right)*(\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k]+\mathrm{sample}\_\mathrm{BWE}[k-1\left]\right);$

且，所述的步骤B具体包括：

交换节点处的缓存队列长度N为：

$\stackrel{\‾}{N}=(\mathrm{Expected}-\frac{\mathrm{BWE}}{\mathrm{seg}\_\mathrm{size}})*\mathrm{BaseRTT},$

其中， $\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}}$ 是当前时刻的期望速率，cwnd表示拥塞窗口的大小，BaseRtt是交换节点间报文的最小往返时间，seg_size如前所述为是报文段大小，BWE为上述步骤A获得的当前时刻网络带宽的估计值BWE[k]。

7、根据权利要求1所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A包括：

根据当前网络的期望速率、实际速率及交换节点间报文往返的最小时间计算交换节点的缓存队列长度。

8、根据权利要求7所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤A进一步包括：

计算期望速率Expected和实际速率Actual：

$\mathrm{Expected}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{BaseRtt}},\mathrm{Actual}=\frac{\mathrm{cwnd}}{\mathrm{Rtt}};$

其中，cwnd表示拥塞窗口大小，BaseRtt表示交换节点间报文的最小往返时间，RTT表示交换节点间报文的实际往返时间；

计算确定交换节点的缓存队列长度N为：

N＝Actual*(RTT-BaseRTT)＝Diff*BaseRTT，

其中，Diff＝Expected-Actual，为期望速率Expected和实际速率Actual的差值。

9、根据权利要求1、2、3、7或8所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于所述的步骤C包括：

C1、如果所述的缓存队列的长度大于设定的队列长度门限值，则确定网络带宽饱和，且网络中产生的分组丢失为因为拥塞导致，并根据相应的拥塞控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整；

C2、如果所述的缓存队列的长度小于设定的队列长度门限值，则确定网络带宽未饱和，且网络中产生的分组丢失为因为链路特性变化导致，并根据基于链路特性变化的控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整。

10、根据权利要求9所述的通信网络中调整拥塞窗口的方法，其特征在于，步骤C2所述的根据基于链路特性变化的控制策略进行该交换节点的窗口和启动门限值的调整为：

如果收到如果收到三个重复的ACK报文，调整慢启动门限等于估计带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值，并且，如果当前拥塞窗口大于慢启动门限值，则令拥塞窗口等于慢启动门限；

如果重传计时器超时，则令拥塞窗口等于1，令慢启动门限等于估计带宽和最小往返时间的乘积与TCP报文段大小的比值，且若慢启动门限小于2，则令慢启动门限等于2。

Images