NS3学习——tcpVegas算法代码详解（2）

NS3学习——tcpVegas算法代码详解（1）-CSDN博客

目录

4.TcpVegas类中成员函数

(5) CongestionStateSet函数

(6) IncreaseWindow函数

1.检查是否启用 Vgas

2.判断是否完成了一个“Vegas 周期”

2.1--if：判断RTT样本数量是否足够

2.2--else：RTT 样本 > 2

2.2.1 if--diff > m_gamma 并且处于慢启动阶段

2.2.2 else if-- diff < m_gamma 并且处于慢启动阶段

2.2.3 else-- 进入拥塞避免阶段

2.2.3.1 --if diff > m_beta

2.2.3.2 --else if diff < m_alpha 

2.2.3.3 --else  m_alpha < diff < m_beta

2.2.4 --更新慢开始阈值

 2.3 --重置RTT计数与最小RTT

3.慢启动阶段判断

(7) GetName函数

(8) GetSsThresh函数

4.TcpVegas类中成员函数

(5) CongestionStateSet函数

void
TcpVegas::CongestionStateSet (Ptr<TcpSocketState> tcb,const TcpSocketState::TcpCongState_t newState)
{NS_LOG_FUNCTION (this << tcb << newState);if (newState == TcpSocketState::CA_OPEN){EnableVegas (tcb);}else{DisableVegas ();}
}

函数作用：根据TCP连接的拥塞状态来启用或者禁用Vegas算法。

函数体：检查传入的newState 参数值是否为:TcpSocketState::CA_OPEN（拥塞避免阶段），若是，则启用Vegas算法，TCP使用该算法来调整拥塞窗口的值；若不是，则停止使用Vegas。

TcpVegas 算法通常在拥塞避免阶段启用，因为此时网络已稳定，Vegas 可以通过动态调整拥塞窗口来更好地利用网络带宽，并避免网络拥塞。

(6) IncreaseWindow函数

void
TcpVegas::IncreaseWindow (Ptr<TcpSocketState> tcb, uint32_t segmentsAcked)
{NS_LOG_FUNCTION (this << tcb << segmentsAcked);if (!m_doingVegasNow){NS_LOG_LOGIC ("Vegas is not turned on, we follow NewReno algorithm.");TcpNewReno::IncreaseWindow (tcb, segmentsAcked);return;}if (tcb->m_lastAckedSeq >= m_begSndNxt){ // A Vegas cycle has finished, we do Vegas cwnd adjustment every RTT.NS_LOG_LOGIC ("A Vegas cycle has finished, we adjust cwnd once per RTT.");m_begSndNxt = tcb->m_nextTxSequence;if (m_cntRtt <= 2){  // We do not have enough RTT samples, so we should behave like RenoNS_LOG_LOGIC ("We do not have enough RTT samples to do Vegas, so we behave like NewReno.");TcpNewReno::IncreaseWindow (tcb, segmentsAcked);}else //m_cntRtt > 2{NS_LOG_LOGIC ("We have enough RTT samples to perform Vegas calculations");uint32_t diff;uint32_t targetCwnd;uint32_t segCwnd = tcb->GetCwndInSegments ();double tmp = m_baseRtt.GetSeconds () / m_minRtt.GetSeconds ();targetCwnd = static_cast<uint32_t> (segCwnd * tmp);NS_LOG_DEBUG ("Calculated targetCwnd = " << targetCwnd);NS_ASSERT (segCwnd >= targetCwnd); // implies baseRtt <= minRttdiff = segCwnd - targetCwnd;NS_LOG_DEBUG ("Calculated diff = " << diff);if (diff > m_gamma && (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh)){NS_LOG_LOGIC ("We are going too fast. We need to slow down and ""change to linear increase/decrease mode.");segCwnd = std::min (segCwnd, targetCwnd + 1);tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;tcb->m_ssThresh = GetSsThresh (tcb, 0);NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd <<" ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);}else if (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh){     // Slow start modeNS_LOG_LOGIC ("We are in slow start and diff < m_gamma, so we ""follow NewReno slow start");TcpNewReno::SlowStart (tcb, segmentsAcked);}else //tcb m_cWnd > m_ssThresh{     // Linear increase/decrease modeNS_LOG_LOGIC ("We are in linear increase/decrease mode");if (diff > m_beta){NS_LOG_LOGIC ("We are going too fast, so we slow down by decrementing cwnd");segCwnd--;tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;tcb->m_ssThresh = GetSsThresh (tcb, 0);NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd <<" ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);}else if (diff < m_alpha){NS_LOG_LOGIC ("We are going too slow, so we speed up by incrementing cwnd");segCwnd++;tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd <<" ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);}else //   m_alpha < diff < m_beta{NS_LOG_LOGIC ("We are sending at the right speed");}} //else  tcb m_cWnd > m_ssThreshtcb->m_ssThresh = std::max (tcb->m_ssThresh, 3 * tcb->m_cWnd / 4);NS_LOG_DEBUG ("Updated ssThresh = " << tcb->m_ssThresh);} // else m_cntRtt > 2m_cntRtt = 0;m_minRtt = Time::Max ();} //if tcb->m_lastAckedSeq >= m_begSndNxtelse if (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh)  //tcb->m_lastAckedSeq < m_begSndNxt{TcpNewReno::SlowStart (tcb, segmentsAcked);}
} //IncreaseWindow

函数体逻辑：

1.检查是否启用 Vgas

if (!m_doingVegasNow)
{// If Vegas is not on, we follow NewReno algorithmNS_LOG_LOGIC ("Vegas is not turned on, we follow NewReno algorithm.");TcpNewReno::IncreaseWindow (tcb, segmentsAcked);return;
}

如果 m_doingVegasNow 为 false，即 Vegas 算法没有启用，那么执行 NewReno 拥塞控制算法。如果 Vegas 启用，那么执行以下代码：

2.判断是否完成了一个“Vegas 周期”

if (tcb->m_lastAckedSeq >= m_begSndNxt)
{// A Vegas cycle has finished, we do Vegas cwnd adjustment every RTT.NS_LOG_LOGIC ("A Vegas cycle has finished, we adjust cwnd once per RTT.");m_begSndNxt = tcb->m_nextTxSequence;

如果 tcb->m_lastAckedSeq（发送方成功接收到的最后一个已确认包的序列号）大于等于 m_begSndNxt（ Vegas 周期开始时的发送序列号），则表示当前已经完成了一个 Vegas 周期，并且将 m_begSndNxt 更新为当前的 tcb->m_nextTxSequence，以便下次周期开始时使用新的序列号。执行以下代码：

补：在 Vegas 算法中，一个周期是指发送方根据当前 RTT（往返时延）计算并调整其拥塞窗口（cwnd）的过程。这个周期通常与 RTT 周期同步。

m_lastAckedSeq 的变化非常重要，它帮助判断一个周期是否已经完成。每当接收方成功确认一个数据包，m_lastAckedSeq 会更新，以便发送方能知道哪些数据包已经被接收并得到确认。

在每个周期开始时，m_begSndNxt 会被更新为 当前发送序列号，而这个序列号代表的是 下一个将要发送的数据包的起始字节序列号。
当接收到的 ACK 包的序列号大于等于 m_begSndNxt 时，说明当前周期的所有数据包已经被确认，当前周期结束。

每个周期（每个 RTT）执行一次 IncreaseWindow。

tcb->m_nextTxSequence 是当前即将发送的下一个数据包的序列号。将 m_begSndNxt 更新为 tcb->m_nextTxSequence 是为了确保下一个周期从正确的地方开始。

2.1--if：判断RTT样本数量是否足够
if (m_cntRtt <= 2)
{// We do not have enough RTT samples, so we should behave like RenoNS_LOG_LOGIC ("We do not have enough RTT samples to do Vegas, so we behave like NewReno.");TcpNewReno::IncreaseWindow (tcb, segmentsAcked);
}

Vegas 需要足够的 RTT 样本才能做出可靠的拥塞窗口调整。

如果 RTT 样本数少于 2（即 m_cntRtt <= 2），它会退回到 NewReno 行为，这时会使用一个简单的慢启动和拥塞避免机制。

如果 RTT 样本 > 2，算法就会根据 Vegas 的逻辑调整cwnd值，同时执行else中的代码：

2.2--else：RTT 样本 > 2
else
{NS_LOG_LOGIC ("We have enough RTT samples to perform Vegas calculations");

计算目标拥塞窗口：

uint32_t diff;
uint32_t targetCwnd;
uint32_t segCwnd = tcb->GetCwndInSegments ();double tmp = m_baseRtt.GetSeconds () / m_minRtt.GetSeconds ();
targetCwnd = static_cast<uint32_t> (segCwnd * tmp);
NS_LOG_DEBUG ("Calculated targetCwnd = " << targetCwnd);
NS_ASSERT (segCwnd >= targetCwnd); // implies baseRtt <= minRtt

Vegas 计算目标拥塞窗口（targetCwnd），首先获取当前拥塞窗口大小 segCwnd，然后根据 baseRtt（最小 RTT）和 minRtt（当前窗口内最小 RTT）来计算目标拥塞窗口。

如果 baseRtt 小于等于 minRtt，就可以安全计算目标窗口。

NS_ASSERT (segCwnd >= targetCwnd);

计算公式如下：  

targetCwnd=segCwnd*\frac{baseRtt}{minRtt}

计算实际拥塞窗口与目标窗口的差值：

diff = segCwnd - targetCwnd;
NS_LOG_DEBUG ("Calculated diff = " << diff);

 计算当前拥塞窗口与目标拥塞窗口之间的差值 diff。这个差值会决定是否需要调整拥塞窗口的大小。

2.2.1 if--diff > m_gamma 并且处于慢启动阶段

当前窗口的差值 diff 大于阈值 m_gamma，并且当前处于慢启动阶段（cwnd 小于 m_ssThresh）

if (diff > m_gamma && (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh))
{// We are going too fast. We need to slow down and change from// slow-start to linear increase/decrease mode by setting cwnd// to target cwnd. We add 1 because of the integer truncation.NS_LOG_LOGIC ("We are going too fast. We need to slow down and ""change to linear increase/decrease mode.");segCwnd = std::min (segCwnd, targetCwnd + 1);tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;tcb->m_ssThresh = GetSsThresh (tcb, 0);NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd << " ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);
}

m_alpha 和 m_beta 用于在正常的增速和减速中控制窗口的变化。m_gamma 是一个更大的阈值，通常用于判断网络是否发生了拥塞。

如果 diff > m_gamma，说明当前发送速率比目标速率快得多，且当前处于慢启动阶段。在慢启动阶段，cwnd 会急剧增长。如果在慢启动阶段的拥塞窗口已大于目标值，说明网络可能出现了拥塞的风险。

segCwnd = std::min(segCwnd, targetCwnd + 1)：

调整当前cwnd，防止 segCwnd 超过目标窗口 targetCwnd，即避免发送方继续过快地发送数据。

由于 segCwnd 是以“段”为单位的（tcb->GetCwndInSegments()），加1的操作是为了避免整数截断。因为在计算过程中，通常会有一个小数部分，而加 1 可以保证计算结果向上取整，避免由于整数取整带来的问题。

比如，如果目标拥塞窗口是 targetCwnd = 5.4，由于取整的原因，segCwnd 可能被调整为 5，而加 1 后调整为 6。这样可以确保窗口不会太小，从而避免过早减速。

tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize：

segCwnd 是拥塞窗口的大小（以段为单位）。
tcb->m_segmentSize 是每个 TCP 数据段的大小（字节数）。
segCwnd * tcb->m_segmentSize 得到的是字节级别的拥塞窗口大小，即实际可发送的数据量（以字节为单位）。通过这个公式，可以将段数（segCwnd）转换为字节数（tcb->m_cWnd），并调整发送窗口。

tcb->m_ssThresh = GetSsThresh(tcb, 0)：

重新计算并设置新的慢启动阈值，用于控制从慢启动到拥塞避免阶段的过渡。

2.2.2 else if-- diff < m_gamma 并且处于慢启动阶段

当前的拥塞窗口小于慢启动阈值 m_ssThresh 并且 diff 小于 m_gamma

else if (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh)
{// Slow start modeNS_LOG_LOGIC ("We are in slow start and diff < m_gamma, so we ""follow NewReno slow start");TcpNewReno::SlowStart (tcb, segmentsAcked);
}

如果当前的拥塞窗口小于慢启动阈值 m_ssThresh，说明此时处于慢启动阶段。此时 diff 小于 m_gamma，表明网络没有拥塞，拥塞窗口仍然可以增长。

此时退回使用 NewReno 算法中的慢启动阶段，通过调用 TcpNewReno::SlowStart 来增加拥塞窗口。

2.2.3 else-- 进入拥塞避免阶段

当前的拥塞窗口大于慢启动阈值，tcb->m_cWnd 大于或等于 tcb->m_ssThresh

进入拥塞避免阶段，通过与目标 targetCwnd 的差值 diff 大小来选择是 增加窗口、减小窗口，还是 保持当前窗口。

else
{// Linear increase/decrease modeNS_LOG_LOGIC ("We are in linear increase/decrease mode");
2.2.3.1 --if diff > m_beta
if (diff > m_beta){// We are going too fast, so we slow downNS_LOG_LOGIC ("We are going too fast, so we slow down by decrementing cwnd");segCwnd--;tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;tcb->m_ssThresh = GetSsThresh (tcb, 0);NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd << " ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);}
  • 这表示当前发送速率太快，实际的发送速率（segCwnd）已经超过了目标速率 targetCwnd。
  • 为了避免拥塞，减小 segCwnd，即减小拥塞窗口，从而减慢发送速率。
  • 减小后的 segCwnd 通过 tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize; 更新。
  • 同时， 通过 GetSsThresh(tcb, 0) 更新慢启动阈值 tcb->m_ssThresh。
2.2.3.2 --else if diff < m_alpha 
 else if (diff < m_alpha){// We are going too slow, so we speed upNS_LOG_LOGIC ("We are going too slow, so we speed up by incrementing cwnd");segCwnd++;tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize;NS_LOG_DEBUG ("Updated cwnd = " << tcb->m_cWnd << " ssthresh=" << tcb->m_ssThresh);}
  • 这表示 当前发送速率太慢，实际的发送速率（segCwnd）低于目标速率 targetCwnd。
  • 为了加速数据传输，增加 segCwnd，即增大 拥塞窗口。
  • 增大的 segCwnd 同样通过 tcb->m_cWnd = segCwnd * tcb->m_segmentSize; 更新。
  • 在这种情况下，不需要调整慢启动阈值 tcb->m_ssThresh，因为它不会影响这一阶段的行为。
2.2.3.3 --else  m_alpha < diff < m_beta
else 
{NS_LOG_LOGIC ("We are sending at the right speed");
}
  • 这表示 当前发送速率合适，既不太快也不太慢，数据流量保持在理想状态。
  • 不需要对拥塞窗口做出调整，继续维持当前的速率。
2.2.4 --更新慢开始阈值
tcb->m_ssThresh = std::max (tcb->m_ssThresh, 3 * tcb->m_cWnd / 4);
NS_LOG_DEBUG ("Updated ssThresh = " << tcb->m_ssThresh);
  • 在（根据拥塞窗口和慢启动阈值大小比较）进行窗口调整之后，根据当前的拥塞窗口 tcb->m_cWnd 更新慢启动阈值（ssthresh）。
  • 计算公式 3 * tcb->m_cWnd / 4 是根据 Vegas 算法的设定，确保慢启动阈值不会过小。
  • 最终tcb->m_ssThresh 会被设置为 tcb->m_ssThresh 和 3 * tcb->m_cWnd / 4 中的较大值。这是为了确保慢启动阈值有足够的大小，避免在后续过程中频繁进入慢启动阶段。
 2.3 --重置RTT计数与最小RTT
m_cntRtt = 0;
m_minRtt = Time::Max ();
  • 由于每个周期结束都会重新进行 RTT 测量和窗口调整，所以需要重置 RTT计数（m_cntRtt）和最小RTT（m_minRtt）值。
  • m_cntRtt = 0：重置 RTT 样本计数器。
  • m_minRtt = Time::Max()：将最小 RTT 重置为一个很大的值，确保下一周期开始时能够重新计算最小 RTT。

3.慢启动阶段判断

else if (tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh)
{TcpNewReno::SlowStart(tcb, segmentsAcked);
}

在周期结束后，检查是否进入了慢启动阶段：

如果当前拥塞窗口 cwnd 小于慢启动阈值 ssThresh，则执行 NewReno 的慢启动算法，快速增长窗口。

注：如果tcb->m_lastAckedSeq < m_begSndNxt，表示当前 Vegas 周期没有结束，那么会进入 else if 判断，如果满足慢启动条件（tcb->m_cWnd < tcb->m_ssThresh），则会执行 NewReno 的慢启动算法。

为什么最后还要判断是否进入慢开始阶段？

如果 cwnd 小于 ssthresh，本应处于慢启动阶段，但由于没有判断 cwnd < ssthresh，程序会直接进入其他模式（如线性增加阶段）。这意味着即使 cwnd 还处于慢启动阶段，程序也会让它变得增长更慢。由于此时 cwnd 还较小，采用线性增长的方式会导致窗口增长太慢，无法迅速利用带宽，从而导致 网络利用率低，吞吐量上升的速度很慢，甚至不能充分利用网络的带宽。也就是说，可能会在不该进入线性增长阶段时就进入该阶段，从而导致 窗口增长速度过慢，降低网络利用率。

这个判断确保了在每个阶段执行适当的窗口调整策略，并帮助算法正确地处理不同网络状态下的拥塞控制。

(7) GetName函数

std::string
TcpVegas::GetName () const
{return "TcpVegas";
}

此函数主要用于标识 TCP 拥塞控制算法的类型，通过调用 GetName()，程序可以知道当前正在使用的是 TCP Vegas 算法。返回一个字符串，"TcpVegas"。

(8) GetSsThresh函数

uint32_t
TcpVegas::GetSsThresh (Ptr<const TcpSocketState> tcb,uint32_t bytesInFlight)
{NS_LOG_FUNCTION (this << tcb << bytesInFlight);return std::max (std::min (tcb->m_ssThresh.Get (), tcb->m_cWnd.Get () - tcb->m_segmentSize), 2 * tcb->m_segmentSize);
}} // namespace ns3

该函数的作用是计算和返回慢启动阈值（ssthresh）。

Ptr<const TcpSocketState>，指向当前连接的 TCP 套接字状态。TcpSocketState 中存储了关于当前 TCP 连接的许多信息，如拥塞窗口（m_cWnd）、慢启动阈值（m_ssThresh）等。
bytesInFlight：这通常表示当前已发送但尚未确认的数据量。这个参数在此函数中没有被直接使用。

tcb->m_ssThresh.Get()：当前连接的慢启动阈值。
tcb->m_cWnd.Get() - tcb->m_segmentSize：计算拥塞窗口（cwnd）减去一个数据段的大小，表示如果当前 cwnd 足够大时，应该将 ssthresh 设置为接近这个值。
2 * tcb->m_segmentSize：这是 ssthresh 的最小值，表示即使拥塞窗口较小时，慢启动阈值也不会低于 2 * m_segmentSize。这个值是一个合理的下限，避免在拥塞窗口很小的时候，ssthresh 过小导致性能问题。

返回值：该函数通过 std::max() 和 std::min() 保证返回的 ssthresh 在合理的范围内：

std::min()：确保 ssthresh 不会大于 cwnd - segmentSize，即不能超过当前拥塞窗口减去一个数据段的大小。
std::max()：确保 ssthresh 不会小于 2 * segmentSize，即在任何情况下 ssthresh 至少为两个数据段大小。
最终返回值就是经过限制的 ssthresh，这是拥塞控制中切换模式的关键值。

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