TCP Vegas流量控制算法详解

TCP Vegas是TCP的一种变体，由Brakmo和Peterson在1995年提出，它采用了一种基于RTT（Round Trip Time，回路响应时间）测量网络状况的拥塞控制算法。以下是对TCP Vegas的详细介绍：

一、工作原理

TCP Vegas通过观察RTT值的改变情况来控制拥塞窗口cwnd（Congestion Window）。如果发现RTT变大，TCP Vegas就认为网络发生拥塞，并开始减小cwnd；如果RTT变小，TCP Vegas则解除拥塞，再次增加cwnd。cwnd在理想情况下会稳定在一个合适的值上。这样做的最大好处在于拥塞机制的触发只与RTT的改变有关，而与包的具体传输时延无关。

TCP Vegas使用了三个主要方法来增加传送的吞吐量、减少数据包的丢失：

新的重送机制：每当收到一个Duplicate ACK（重复确认）时，TCP Vegas会特别留意RTT的值以检查是否有超时发生。若是，则不需要等待3个Duplicate ACK，TCP Vegas就会直接重送此数据包。此外，当丢失的数据包被重送并返回新的ACK时，TCP Vegas也会特别注意第一个或第二个返回的ACK，以检测随后的数据包是否已超时，并重送丢失的数据包。

新的拥塞避免机制：TCP Vegas采用另一种方式来控制传送速率，即通过观察RTT的变化来控制cwnd的大小。它根据预期传送率和实际传送率之间的差异值（Diff）来调整cwnd的大小。当Diff的值大于某个阈值β时，意味着传送速率太快，应该减小cwnd的值以减缓传送的速率；反之，当Diff的值小于另一个阈值α时，则表明传送速率较慢，应该加大cwnd的值，以增加传送的速率。

修改Slow-start阶段：在慢开始（Slow-start）阶段，为了检测及避免数据包丢失，TCP Vegas减慢了cwnd增加的速度。它修改了TCP的Slow-start算法，cwnd的值大约经过2个RTT后才增加1倍。与TCP Reno不同的是，TCP Vegas根据预期传送率与实际传送率之间的差异值（Diff）来调整ssthresh（慢开始门限）的值。

二、优点

预测性：TCP Vegas没有采用包丢失来判断网络可用带宽，而改用RTT的改变来判断，因此能较好地预测网络带宽使用情况。

对小缓存的适应性：TCP Vegas对小缓存的适应性较强。

吞吐率稳定：TCP Vegas的吞吐率不会像其他TCP版本那样有较大的波动。

三、缺点及改进

尽管TCP Vegas具有上述优点，但它也存在一些缺点，如公平性、响应不及时以及为保持吞吐量的稳定而不能最大限度地利用带宽等问题。为了改进这些问题，研究人员提出了TCP Vegas的改进算法，如TCP Vegas-N等。这些改进算法通过动态调整Base_rtt和RTT的值选取方式，以及改进Diff的计算方法，使其更能及时准确地反应网络状况，从而较好地弥补了TCP Vegas的固有缺点。

四、TCP Vegas和TCP有什么区别

TCP Vegas是TCP（传输控制协议）的一种变体，二者在拥塞控制机制上存在显著的差异。以下是对TCP Vegas和TCP之间区别的详细分析：

1、拥塞控制机制

TCP：

TCP通常使用基于丢包的拥塞控制机制。当发送方未能在规定时间内收到接收方的确认应答（ACK）时，会认为数据包已经丢失，并触发重传机制。

TCP通过调整拥塞窗口（cwnd）的大小来控制发送速率，以避免网络拥塞。拥塞窗口的初始值较小，随着网络状况的好转，拥塞窗口会逐渐增大。然而，一旦检测到丢包，TCP会迅速减小拥塞窗口，以降低发送速率。

TCP Vegas：

TCP Vegas则采用了一种基于往返时间（RTT）的拥塞控制机制。它通过观察RTT的变化来预测网络拥塞情况，并据此调整拥塞窗口的大小。

在TCP Vegas中，每当收到一个有效的ACK时，都会计算预期传送率（Expected）和实际传送率（Actual）之间的差异值（Diff）。根据Diff的值，TCP Vegas会动态地增加或减少拥塞窗口的大小。

当Diff的值小于某个阈值α时，表明传送速率较慢，TCP Vegas会增加拥塞窗口以加快传送速率；而当Diff的值大于另一个阈值β时，则意味着传送速率过快，可能会导致网络拥塞，因此TCP Vegas会减小拥塞窗口以降低传送速率。

2、性能特点

TCP：

TCP的拥塞控制机制相对简单且成熟，适用于多种网络环境。然而，在高速高延迟的网络中，TCP的性能可能会受到一定影响。

TCP的流量控制和拥塞控制机制能够有效地防止网络拥塞和数据丢失，但也可能导致传输速率的波动。

TCP Vegas：

TCP Vegas的拥塞控制机制更加精细和预测性更强，能够在网络拥塞发生之前进行调整，从而避免网络拥塞的发生。

在高速高延迟的网络中，TCP Vegas的性能明显优于TCP。它能够更有效地利用网络带宽，提高传输速率，并减少重传次数和超时次数。

然而，TCP Vegas也存在一些固有问题，如公平性、响应不及时以及为保持吞吐量的稳定而不能最大限度地利用带宽等。这些问题限制了TCP Vegas的广泛应用。

3、应用场景

TCP：

TCP适用于各种网络环境，特别是低延迟和低带宽的网络环境。它是Web、电子邮件、文件传输等应用程序常用的数据传输协议。

TCP Vegas：

TCP Vegas主要针对大带宽高延迟的链路进行了优化。因此，在高速高延迟的网络环境中，如卫星通信、广域网等场景下，TCP Vegas具有更好的性能表现。

五、TCP Vegas的动态拥塞控制过程详解

TCP Vegas的动态拥塞控制过程是一个精细且预测性强的机制，旨在通过观察往返时间（RTT）的变化来预测网络拥塞情况，并据此动态地调整拥塞窗口（cwnd）的大小。以下是TCP Vegas动态拥塞控制过程的详细描述：

1、初始阶段

在TCP Vegas的连接初始化阶段，拥塞窗口（cwnd）的初始值被设置为一个较小的值，通常与TCP标准协议中的慢启动阶段类似。此时，TCP Vegas开始监视RTT的变化，并准备根据这些变化来调整cwnd的大小。

2、数据发送与ACK接收

数据发送：发送方按照cwnd的大小发送数据，并在每个数据包后启动一个超时计时器。

ACK接收：接收方在接收到数据包后，会发送确认应答（ACK）给发送方。发送方每收到一个有效的ACK，都会更新RTT的值，并计算预期传送率（Expected）和实际传送率（Actual）之间的差异值（Diff）。

3、计算差异值（Diff）

在TCP Vegas中，差异值（Diff）是通过以下公式计算的：

Expected = cwnd / BaseRTT

Actual = SentData / ActualRTT

Diff = Expected - Actual

其中，BaseRTT是该连接上观测到的最小的RTT值，ActualRTT是被确认数据包从发送到收到相应ACK的时间间隔，SentData是在ActualRTT内实际发送的数据量。

4、根据Diff调整cwnd

TCP Vegas定义了两个常量a和b（a < b），并根据Diff的值来动态调整cwnd的大小：

当Diff < a时：表明传送速率较慢，网络状况良好，TCP Vegas会增加cwnd的大小以加快传送速率。通常，cwnd会以较小的步长线性增加。

当a <= Diff <= b时：表明传送速率适中，网络状况稳定，TCP Vegas会保持cwnd的大小不变。

当Diff > b时：表明传送速率过快，可能会导致网络拥塞，TCP Vegas会减小cwnd的大小以降低传送速率。通常，cwnd会以较大的步长线性减少。

5、重传机制

在TCP Vegas中，重传机制也得到了改进。当发送方收到重复的ACK时，它会检查目前时间和记录的时间标签之差是否比超时值大。如果是，则立刻重发数据包，而不必等到第三个重复ACK。此外，当接受重传数据包应答后，TCP Vegas会以3/4而不是1/2因子降低拥塞窗口。

6、慢启动阶段的改进

TCP Vegas对慢启动阶段也进行了改进。在慢启动阶段，cwnd的大小会指数增长，但TCP Vegas会定期计算Diff的值，并根据Diff的值来决定是否结束慢启动阶段。当Diff的值大于某个阈值时，TCP Vegas会结束慢启动阶段，并转入拥塞避免阶段。

7、拥塞避免阶段的持续调整

在拥塞避免阶段，TCP Vegas会继续监视RTT的变化，并根据Diff的值来动态调整cwnd的大小。这种调整是持续进行的，旨在保持网络传输的稳定性和高效性。