分析TCP的拥塞控制原理

具体分析如下：

(1). MN进行切换的过程中，短时间内将不能够接收TCP报文段，这在图5中，表现为MN的接收端TCP序列号在40.4至40.6秒期间，有一个缺口；

(2).由于CN并不了解MN已经不能够接收TCP报文段，所以它继续发送数据。可以从图4中看到CN发送的TCP报文段序列号比MN的长了一段，而正常通信情况下，应该是CN发出的每一个报文段，MN都会回应一个ACK信令，在图中表现为纵坐标相同；

(3). 由于MN接收的报文段序列号有缺口，意味着它收到了乱序的报文段，因此MN发送了一连串的重复ACK信令，对应于图4中一段平行于时间轴的直线；

(4). 40.6秒左右，CN收到一连串的来自MN的重复ACK信息，即图5中一段平行于时间轴的直线，这就触发了CN的拥塞控制策略及快速重传算法；

(5). 根据快速重传算法，CN在收到第3个重复确认信令后，不等重传计时器超时，立即发送MN在ACK信令中所指定的报文段，因此在图4中，在40.6秒时间轴的右方，有个红色的三角形，即代表CN发出的TCP报文段。快速重传算法在此处加速了通信速度，因为，CN与MN间的RTT（Round Trip Time）至少为它们之间网络延迟之和的两倍，即112毫秒，RTO（Retransmission Time Out）还要更长，如果等到RTO超时再重发数据包，则需要花至少112毫秒；但实际上，从图4中可以看出，CN重发数据包只花了40毫秒左右的时间。因此，快速重传在这里发挥了作用。

(6). 与此同时，在图7中可以看到，启动拥塞控制策略后，CN对拥塞窗口大小进行了调整，首先是在40.6秒左右降到1个报文段，然后根据慢速启动算法，CN以指数形式来提高拥塞窗口大小，即20，21，22，23，直到将其调整到慢速启动阈值（SSTHRESH，Slow Start Threshold）。在这里，由于试验中定义拥塞窗口大小为32，因此，发生网络拥塞时，SSTHRESH调整为拥塞窗口大小的一半，即16。从图7中可以看出，拥塞窗口大小增长到16后进入线性增长阶段。

(7). 此外，由于拥塞窗口大小的限制，CN在快速重传开始后，前面四次TCP报文段传送速率分别是一次发送20，21，22，23个TCP报文段，这在图4中，表现为红色三角形在40.6秒后的四次发送数量分别是1，2，4，8个。

上述就是根据数据图对重复ACK信令引起的拥塞控制策略进行的分析，如果对此有了充分的理解，那么超时重传的情况也与此类似。因此，接下来我们根据图8至图9来简单说明通过超时重传触发发送端启用TCP拥塞控制策略的情况。



图8 通信节点和移动节点发送端TCP序列号

可以看到， 从图9中可以看到，50.1秒左右，由于MN开始切换，不能够正常接收TCP报文段；并且由于切换时间较长，MN长时间内都不能够给CN进行回应。于是当CN等到自己的重传计时器超时，就再次发送没有得到MN回应的报文段。在50.1秒后，CN分别隔了0.5秒，1.0秒，2.0秒发送了三次同样的TCP报文段，这对应于图8中的标记。该超时重传过程持续到MN最终完成切换配置，并对第三次重发的报文段进行回应，于是两者开始恢复通信。



图9 通信节点和移动节点接收端TCP序列号

4. 小结

通过该试验，一方面我们试验数据分析和验证了TCP的拥塞控制原理；另一方面，我们可以看到，TCP TAHOE模型并不太适合作为无线网络的传输协议。

TCP协议由于出现的比较早，其性能方面的优化主要是基于传输网络为有线网络这个假设，因此，一旦根据重传计时器超时或者重复ACK信令判断出发生了数据包丢失，当前的TCP协议就认为发生了网络拥塞，于是启用网络拥塞策略来降低传输速率，比如慢速启动，将拥塞窗口调整为1个TCP报文段；而实际情况是，我们的传输基于无线网络，当不能够接收到ACK信令的时候，很有可能是因为移动节点正在进行切换或者是无线网络的信号不好，因此，需要发送节点保持或者加快发送速率，而不是减速发送。

适合无线网络运行的TCP协议已经引起了许多研究者的兴趣。考虑到无线网络和有线网络经常混合在一起，有些研究者提出了新的协议模式，如Bakne and Badrinath (1995)提出了indirect TCP，这种方案把连接分为有线和无线两部分，在两部分中分别采用适合各自网络特点的传输协议；有些研究者提出了新的算法，如2003年提出的RFC3522（The Eifel Detection Algorithm for TCP）。总之，无线网络正得到大力发展，它将和有线网络长期并存，这是设计新的传输协议时必须考虑的问题。

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