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无线异构网络环境中基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法
1.引言
随着移动通信的不断发展，无线异构网络环境已经成为现代通信网络的重要组成部分。由于不同的网络拓扑、传输速率以及网络拥塞情况等因素的影响，TCP协议的性能和稳定性在无线异构网络环境下面临着很大的挑战。因此，对于TCP协议的改进和优化是无线异构网络研究领域的热点问题之一。
其中，TCPVegas是一种已经存在多年的TCP拥塞控制算法，其核心思想是通过对网络拥塞状态进行探测和判断，调整TCP发送方的拥塞窗口以达到优化网络性能的目的。然而，TCPVegas在无线异构网络环境下也存在不足，如何针对无线异构网络的特殊性，对TCPVegas算法进行改进并优化，也成为了国内外研究者的热点研究问题之一。
本文主要从无线异构网络的特点及TCPVegas算法的原理出发，设计实验并分析结果，提出了一种基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法，通过改进拥塞检测机制来优化TCPVegas算法，从而提升TCP协议在无线异构网络环境下的性能。
2.无线异构网络特点
无线异构网络由多个不同的网络组成，其中包括WiFi、移动通信网络（3G/4G）、卫星通信网络等。这些网络之间拓扑结构各异，网络延时、丢包率、带宽等性能指标也不同，因此在不同网络之间切换时常常会出现网络抖动或者丢包现象。此外，无线链路的带宽也会受到移动速度、天气等各种干扰的影响，这些特点使得无线异构网络的拥塞控制更加具有挑战性。
3.TCPVegas原理
TCPVegas是一种已经存在多年的TCP拥塞控制算法，其核心思想是通过对网络拥塞状态进行探测和判断，调整TCP发送方的拥塞窗口以达到优化网络性能的目的。TCPVegas算法主要包括以下两个部分：
（1）拥塞检测机制
TCPVegas通过监测数据包往返时间（RTT）的变化情况，判断网络的拥塞状况。当网络出现拥塞时，RTT会明显增加，TCPVegas通过检测RTT是否高于一定的阈值，判断网络是否拥塞，进而对拥塞窗口进行调整。
（2）拥塞窗口调整
TCPVegas根据拥塞检测的结果，通过对拥塞窗口进行调整，控制数据的发送速率。当网络处于非拥塞状态时，TCPVegas会增加拥塞窗口的大小，提高发送速率；而当网络处于拥塞状态时，TCPVegas会减少拥塞窗口的大小，降低发送速率，从而避免网络拥塞进一步恶化。
4.基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法
在无线异构网络环境下，TCPVegas的拥塞检测机制不够灵敏，容易被网络抖动误判为拥塞；同时，对于不同网络之间的差异，TCPVegas没有采取不同的拥塞控制策略。因此，本文提出一种基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法，通过对拥塞状态进行区分，采用不同的拥塞控制策略，优化TCP在无线异构网络环境下的性能。
（1）拥塞状态区分机制
在TCPVegas的基础上，本文提出一种拥塞状态区分机制。首先，对网络拓扑和性能指标进行建模分析，得到每个网络的阈值范围，根据阈值范围将网络分为三个区间：低、中、高。然后，对于不同的网络区间，设定不同的RTT阈值，如下表所示。
网络区间|RTT阈值
低|1.5×RTT
中|2.0×RTT
高|2.5×RTT
当测量到的RTT低于阈值时，表示网络处于低拥塞状态；当测量到的RTT处于阈值范围之间时，表示网络处于中拥塞状态；当测量到的RTT高于阈值时，表示网络处于高拥塞状态。
（2）拥塞控制策略
根据拥塞状态的不同，采用不同的拥塞控制策略。具体而言，当网络处于低拥塞状态时，TCPVegas算法采用原本的拥塞窗口调整方案。当网络处于中拥塞状态时，TCPVegas算法会减小拥塞窗口调整因子，控制数据发送速率，并增加慢启动的次数，以应对网络抖动和临时拥塞情况。当网络处于高拥塞状态时，TCPVegas算法会大幅度减小拥塞窗口，甚至直接进入慢启动状态，避免网络进一步拥塞。
5.实验分析和实现
本文模拟了无线异构网络环境下，采用TCPVegas和基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法，分别在不同网络状况下的传输时间、吞吐量等性能指标，实验结果如下图所示。
从上图可以看出，当网络出现拥塞时，TCPVegas的传输时间和吞吐量性能明显下降，而基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法可以在不同网络状况下调整拥塞窗口，减少数据传输发生拥塞的概率，从而提升了传输性能。
6.结论
本文提出了一种基于拥塞状态区分的TCPVegas改进算法，通过拥塞状态区分机制和不同的拥塞控制策略，实现了TCP协议在无线异构网络下的优化。实验结果表明，改进算法可以有效减少网络拥塞情况的发生，提升数据传输的性能。