基于历史连接参数的网络拥塞改进算法研究

◆黎国华

基于历史连接参数的网络拥塞改进算法研究

◆黎国华

（梧州学院继续教育学院 广西 543002）

本文分析了“慢启动”算法存在的问题，分析和提出了基于历史连接参数的网络拥塞改进算法，供相关读者参考。

网络拥塞；TCP；慢启动

TCP拥塞控制机制[1]可以有效控制Internet拥塞崩溃[2]现象的发生，但它也有一些局限性，并不适用于所有的网络。在TCP拥塞控制的关键算法中，“慢启动”就是一个典型的算法。此算法在网络拥塞、拥塞窗口控制和数据丢失方面应用效果比较好。

1 “慢启动”算法存在的问题[3]

（1）在“慢启动”阶段，由于发送方无法预知瓶颈链路带宽，致使拥塞窗口成倍增加；当ssthresh的值增加到较大时，发送窗口就会变大，使得数据包丢失二分之一；其次，TCP“慢启动”会使 TCP频繁使用“慢启动”算法通信，造成网络资源被占用以及导致时间延迟。

（2）“慢启动”拥塞控制算法在WWW数据流服务时应用中，会造成网络带宽变窄、传输延迟等问题。

2 算法实现

针对“慢启动”存在的问题，通过对初始参数的优化，利用基于修改历史连接参数的方法，改进令牌技术均匀发送初始窗口数据包的传输方式，通过设置“慢启动”阶段原始参数，提高 TCP的综合性能。该算法可以使数据包均匀发送，拥塞参数得到缓存，达到尽可能避免网络拥塞现象发生的目的。

此算法与TCP拥塞控制共享同样信息，使相似的连接的拥塞参数能够在缓存表中保存，存储的数据主要是cwnd， ssthresh， RTT等；同时能够将每个连接中的全部参数保存到对应的缓存记录中，也可以利用历史连接的参数值，当遇到类似的数据连接时，初始化新连接的参数，减少检测网络带宽的时间，较好地避免传输延迟现象的发生。

因为缓存信息设置的初始窗口比一个数据包大，在数据传输如果不进行处理，会导致大量数据迅速注入网络，造成网络拥挤。为了避免大数据流拥塞网络，将令牌控制算法加入发送方，将 RTT/ cwnd转为令牌速度，使窗口中的传输数据包能均衡地传输，直到 ACK自动计时才开始传输。

此算法通过对发送方进行优化，达到避免大数据流拥塞网络的目的，算法实现如下：

首先，通过建立一个存放连接参数的缓存表，将目标主机地址、cwnd、ssthresh和RTT等信息进行保存。

其次，根据缓存表中存储的历史记录，建立新的数据连接；如果两者信息匹配，则从缓存表中提取对应缓存信息，初始化新连接参数，保持 ssthreth、 RTT两个值不变；一个新连接是处于“慢启动”阶段还是拥塞避免阶段，主要取决于 cwnd大小变化。如果处于“慢启动”阶段，则cwnd的值将减半；如处于拥塞避免阶段，则cwnd的值变为cwnd-1。

如果发送方检测到cwnd的值减少，则将拥塞参数值暂存到缓存表中。为此，如果在缓存表中没有检测到数据连接的记录，则将连接参数暂存到缓存表中；反之，只保存最后一次连接的状态数据。因此我们可通过加权平均值的方法，将各个拥塞参数的初值计算并保存到存储表中，以便在发送网络拥堵时，充分利用最后一段时间内的连接信息来解决网络拥塞问题。

网络拥塞参数的保存时间直接反映出网络拥塞程度，为此，要充分考虑网络传输的时间。

如在保存cwnd参数时，令：q＝now－timesave

cwndsave＝（1－f（α，q））×cwndcurr＋f（α，q）×cwndsave

根据上面的公式可以看出，当 q变无穷大时，f（α，q）接近0；如果α约等于0，表明新连接的拥塞参数受原来的拥塞参数影响比较大；反之，如果新连接的参数的值由历史连接的参数确定的话，即α=0.2，那么，当网络速度下降时，它的加权平均值约等于最后一次连接状态的参数值。

一般情况下，初始化新建连接根据缓存信息参数的窗口会比一个数据包的值大，为了使初始窗口中的大数据不运行到网络中，造成网络拥塞，我们通过优化令牌机制算法，使数据包在首个RTT内能匀速传输，使大数据流转换为匀速传输的数据流。令牌实际上就是DMA传输空间，它是由网络序列分配的。实际上，缓存表中的拥塞窗口大小确定着令牌的数量，令牌机制算法只在窗口初始时使用。采用令牌机制控制，可以通过一个令牌后发送一个数据包，实行大量传输数据包间隔发送，降低了数据突发性。

控制算法在检测到暂存的数据包失效时，可以通过改变RTT取样值来达到控制的目的。其基本思想是在拥塞发生之前就主动减少cwnd以降低负载，避免拥塞发生。初始算法设置rttmin=∞和rttmax=0；对于每个有效RTT样本（即没有经过数据重发）rtt，则rttmin={rttmin，rtt}和rttmax= max{rttmax，rtt}，每过两个RTT后，若rtt<（rttmin+ rttmax）/2，则cwnd= min{awnd，cwnd}/4。通过这种控制方法，避免发生网络拥塞，保证网络运行平稳。

3 总结

本文基于历史连接参数的改进算法可以保证“慢启动”比较短时间内完成，通过利用缓存表中存储的ssthresh、rtt值，防止窗口出现大幅度波动。这种算法只涉及存储器读写、比较等方面的优化，在硬件中比较容易实现。

[1]苏晓丽，郑明春，孟强．多播拥塞控制研究进展[J]．通信学报，2003，24（5）：94-102.

[2]NAGLE J. Congestion Control in IP/TCP Internetworks， RFC 896[S]. 1984.

[3]邓斌，成卫青．基于改进慢启动算法的大文件快速传输[J]．计算机应用研究，2019，37（3）：39-40.