在存在相互作用的UDP流的临时网络中提高TCP 的性能.doc

毕 业 设 计(论文) 外 文 翻 译外文题目：improving the performance of tcp in the presence of interacting udp flows in ad hoc networks 中文题目：在存在相互作用的udp流的临时网络中提高tcp的性能 学 院 名 称： 专 业： xxx 班 级： xxx 姓 名： xxx 学 号 xxx 指 导 教 师： xxx 职 称 xx 定稿日期： 2013 年 11 月 16日在存在相互作用的udp流的临时网络中提高tcp 的性能vikram gupta, srikanth v. krishnamurthy and michalis faloutsos计算机科学与工程系加利福尼亚大学河滨分校riverside ca 92521,usavgupta,krish,michalis 摘要：在这篇文章中，我们研究在临时网络中ieee 802.11 mac层如何平稳的影响tcp传输负载方面的表现。此次主要解决的问题是当udp流超负荷加载时，tcp流的传输量会严重降低。我们的贡献是双重的。首先，我们确定在微观分析性能的详细级别上，影响tcp吞吐量的主要影响因素。凭借直觉我们通过第一部分内容获得了我们的第二个贡献。我们研究并提出了基于背压机制的流量使用的公平。背压提高了在超负荷的udp流的存在的情况下tcp流的性能。事实上，在某些情况下，在不影响udp流吞吐量的情况下提高了tcp流的吞吐量。我们发现背压可以增加tcp吞吐量高达95%。背压的一个突出的优点是它不需要对现有的tcp或者ieee 802.11协议做任何更改。1.引言在本文中，我们研究在存在相互作用的udp流的临时网络中，提高tcp流的吞吐量。在缺乏拥塞控制机制的网络流中，udp流垄断了可用带宽，使得tcp流量传输严重降低。在互联网上，这个问题通过使用缓冲区管理政策得到了聪明的解决。例如在早期随机下降udp数据包的优先级1,2。在特定设置的网络中，上述计划不能应用在由于拥塞而导致的频道访问延迟的问题上。在临时网络通道访问延迟问题上，节点依赖不仅表现在队列建立上，也进一步延伸到了附近队列节点上。在本文中，我们证明了在tcp和udp流的副作用性能方面提出了简单且有效的机制来克服这些问题。众所周知，tcp在ieee 802.11的多跳无线网络3表现不佳。这根本原因是在介质访问某些节点时ieee 802.11 mac协议无力提高短期公平性。在 4，5 ，它已经表明，这种短期的不公平会导致长期的不公平相对于竞争的tcp流的吞吐量的实现。在 6 ，它已被证明，基于udp的存在流动的tcp流的吞吐量显着减少。以前这里介绍在如何最大程度上临时网络中提高tcp性能的方法。研究分为两类：（a）修改tcp协议连接，（b）取代的ieee 802.11 mac协议。大多数基于tcp尝试建立连接都会有流动性和拥塞问题，导致tcp数据包丢失。为此，一些研究人员提出了明确的故障通知解决方法。大多重要的工作已经在开发新的mac层方案时完成了。在文献9yu等人提出了一种混合方案，其中发件人以及接收器被允许发起的mac传输。他们的研究结果表明，在某些情况下，公平显著的改善可以在不实现牺牲吞吐量的情况下被很好的实现。不同于也已经被提出了ieee 802.11 mac协议计划。在结果表明，在tcp和ieee802.11协议中智能调整所使用的参数可以提高性能。虽然这些建议可以在802.11 mac协议上提高ieee tcp性能提供有效的解决方案，但是它很难改变现有的为了tcp或ieee标准802.11分布式协调功能而存在的标准5。此外，据我们所知，这些方案的解决不是专门针对解决提高在udp的流面前的tcp的性能。在这项工作中，我们研究了mac层如何不公平的降低了tcp性能，从而又如何可以公平的提高tcp性能在udp流的存在的情况下。在更多的细节上，我们通过创建特定的环境进行了一个细致的研究。阐明udp流对tcp流量的影响同时显示在很大程度上提供公正缓解这些影响。我们提出了背压，一个在udp流面前显著提高tcp性能的方案。简而言之，我们的方案在流水平调控提供突发每个节点。一旦缓冲配额达成,一个转发节点拒绝积累大量的来自流的数据包。2.背景和前期工作在本节中，我们研究tcp的性能以及ieee802.11多跳无线网络。具体而言，我们首先研究了ieee的局限性 ，802.11 mac协议在多跳无线环境中使用时。然后，我们解释对高层协议的性能的影响。由于空间的限制我们还没有涉及到某些普遍的现象进行深入探讨。我们指引读者阅读下面的部分了解更多的细节。一种在ieee 802.11 dcf的可配置的参数是由一个节点发送一个特定的帧（重试限制）来作出的尝试。一个节点，希望发送一帧到它的附近节点，使得上述操作反复尝试模式一在失败时发送，临近节点被取消，那么链路将会被打破。发送一个数据包，根据该二进制指数呈指数增长回退13算法。该算法是已知的青睐上次成功节点13。因此，一旦一个节点成功的介质访问争用，它很可能会发送介质访问不失权前大量从它的队列中的数据包到另一个节点。由这个传输干扰节点可以错误地假定了链接被打破（称为假链路故障，请参阅 3 了解详细信息） 。在一般情况下，与参数的缺省设置，外形尺寸小于1500字节可以而不会造成过度的假链路failures.2然而，在一般情况下，由于发送拍摄效果3,4 ，出现了大量的故障。特别是， udp流卡死在这种情况下。提出了上述现象的解决方案提出修改建议，以tcp或 在ieee802.11的dcf。在文献5，jiang等人表明，增加重试的限制导致 增加tcp连接的有效吞吐量。然而，这种解决方案，它需要一个 很长一段时间来检测实际的链路故障（通常是由于流动性）。在文献14的作者 提出了许多修改，在ieee802.11的mac如一种较温和的回退 机制和一个额外的信息，以防止假链路故障。假链接 说明故障是已知的导致tcp性能较差3。我们已经用 特设按需距离矢量（aodv）15如路由协议我们 模拟研究。aodv协议提供了一种替代机制来确定链接 连接通过周期性地广播hello报文16。由于使用消息已被证实可以降低假链路故障，我们在使用这些消息我们 simulations.3。我们利用一个简单的公平排队计划，发展我们的解决方案。至 欣赏我们的工作在其他文献中的公平排队存在的新颖性 22 23，认为任何公平排队方案需要3政策20，可分为： (1）哪些数据包（队列）将被发送？为此，我们使用简单的循环。 (2）当数据包传输的？(3）哪些数据包（s）将在发生拥塞时被丢弃？这项工作的根本创新在于结合过去并且控制好流量。具体地，通过限制该队列的大小为一个流在每个网络中的节点，我们能够防止垄断好战的流量。它应当注意，类似的概念已被提出，在过去，尽管对于提高 tcp拥塞控制24，而不是所产生的udp流量。总之，基于udp流量可以建立在其上的路由节点大队列。 此队列堆积，以及随后的媒体捕捉5，在创建拥堵 采取的tcp流的路径的附近。在这样的情况下，tcp 随着沉重的udp流intersect4流量遭受延误和滴。 tcp解译 这种损失是拥堵的标志和采取相应的行动17。在这项工作中，我们首先证明的程度，在这种情况下公平排队提高tcp性能。 后来，我们改善后通过背压公平排队取得的成果。1.根据不同的帧长度，发射节点使用的两种不同的参数之一3。 2.随着802.11 ns2默认设置，在后面反复权衡花费的平均时间超过了。 传输时间为1500字节的帧。 3.这有助于我们集中精力在udp流的存在的tcp有效吞吐量的损失。 4.共享介质或缓冲液。5.系统参数和模拟方案的调整。在本节中，我们描述了模拟场景和讨论结果。虽然 得出的结论是从计算在许多模拟运行平均值得出，我们 进行微观研究，以得出有意义的结论;朝着这个目标 我们建立了具体的方案和注重个性化的痕迹。表1中的模拟参数变化协议参数/模式观察范围最佳设置tcp (ftp)最大段大小200-1460 bytes1460 bytesudp(cbr)数据生成速率50-800 kb/sec800 kb/sec包大小200-2920 bytes1460 bytes应用数目1-22开始时间+/-20 sec w.r.t.tcp start time12 secondsafter tcp流长度2-108aodv本地链接维护模式link layerfeedback orhello messageshellomessages消息时间间隔0-9 seconds路由修复等待时间0-6 seconds802.11重试限制(7,4) to (21,12)21,123.仿真参见设置我们使用ns2 18我们的模拟。随机拓扑或纳入移动节点，使微观性能分析非常困难的，如果不不可能的。因此，我们测试了各种方案在13 13的静态网格拓扑结构。每节点从邻居通过200米分开。每个的传输范围节点是固定在250米。的拓扑结构的典型例子网络示于图1a中。在该网格中，客户端被放置在角节点（ 0 ， 12 ， 156和168 ，参考图1a ）和中途节点（ 6 ， 78 ， 91和162 ，参考图1a ）沿边缘。这八个连接被标记为1的连接到连接8 ，分别。 ftp服务器架设于在该中心的节点网格（用s表示） 。我们使用ftp客户端应用程序在基于ns2建立tcp与ftp服务器连接。每个客户端发送固定大小的数据包到服务器一旦建立了连接。该度量性能达到有效吞吐量由8个tcp客户端。为了模拟的udp流量，我们把应用程序代理的产生恒定比特率在某些节点（ cbr ）流量（参见图1a ） 。这些应用程序生成是通过udp的传输。此外，在最短康复源和目的地之间的路径，通过ftp服务器传递。我们模拟各种cbr率，但只有少数是由于空间的报道约束。所有的模拟都运行150秒不动的持续时间。3.2 使用模式由于在各种协议参数的数值范围宽，我们所面临的 模拟许多可能的方案的艰巨任务。首先，我们观察到了 tcp在udp流的存在性能差的默认settings.5 然后，我们观察到不同的参数值的tcp性能的变化。 表1列出了这些参数。我们的策略是选择的参数，使得 在没有udp流（初始有效吞吐量）的tcp有效吞吐量是high.6这可能是 在我们选择的值（见表1第4栏）观察。应当指出的是 使用协议，如dsr19并没有质的影响在报道这一结果。3.3 在udp的存在tcp性能流量稳定的路由：tcp连接，在udp存在下的性能流量被认为是底下。具体而言，我们观察到，在udp的存在流，在tcp客户端的总有效吞吐量被降低到10的在没有udp协议实现总有效吞吐量流（初始条件）。该实现实际吞吐量取决于所采取的udp流的路由。至解释这一点，我们分析了两种不同的情况。案例1 。 udp流包含了tcp服务器。该方案示于图1a中。注意，一旦udp流的建立，所述tcp服务器被从分离客户端。即使在tcp数据包被传递给服务器时，tcp -ack由服务器发送的数据包仍然面临的mac充血，并有可能被丢弃。案例2 。 udp流不隔离服务器。该方案示于图1b中。图2比较了各种客户端的情况下为1和2的性能。显然，连接6和7（节点156和网格中的162 ）能够实现合理的实际吞吐量的情况下2 。从这些研究中（更多结果可在 21 ），我们得出的结论是：(1）udp流加载的路径上的节点，从而导致沿着该路径的介质捕获。(2）它是很难根据tcp流为“跨界”这样的重仓路径。(3)在这里，默认设置是指利用ieee 802.11的mac（dhss）的默认设置， 在使用ns2的aodv（与链路层检测）和tcp（里诺）18。 (4)这些设置提供之间进行的模拟的最高吞吐量。图1 udp流量分布图2 变化的udp流“路线图2柱1：初始有效吞吐量，第2列：案例1（所有客户端），第3栏：案例2 （客户端6和7是能够访问服务器）稳定路由和提高持久性的mac传输。大 的mac地址传输失败次数导致tcp性能较差。我们增加 802.11 mac协议通过增加重试限制参数的持久性 从默认的7至21。我们观察到的tcp客户端的总有效吞吐量 显著提高。具体而言，在udp的存在总流 有效吞吐量为客户是初始的正常输出约33，相对于该 10以前观察到的。增加重试次数限制是不是一个可以接受的解决方案， 尤其是在情况下的流动性。但是，对于静态拓扑结构，这种增加似乎 受益的tcp客户端。因此，我们用这个案例为基础与其他比较计划。mac和网络层公平性。人们可能期望一个公平的介质访问控制方案将缓解目前所讨论的效果。人们还可以期待这样的改进通过在网络层执行公平;然而，这样做不同的政策选择。为了了解实施的效果平心而论，我们考虑研究以下方案：1 ）我们更换了ieee 802.11与公平的mac协议。时分多接入方案的一个5x5的网格实施。四个客户机被放置在角部和服务器再次在中心。该时隙被选择为使得mac帧承载一个tcp数据包可以在一个时隙中传输。虽然该方案是不现实的，我们进行这个实验，以了解mac层公平性对tcp性能的影响。 tcp的性能是仍然发现是穷人。这种退化的主要原因是使用了fifo队列允许基于udp流量，以填补各个节点上的队列的接口。）我们实行公平队列在接口队列，并配合使用了公平mac协议如上所述。我们研究了四种数据包分类强制执行公平基础上的ip源， ip目的地，下一跳和计划前一跳分别。为了澄清该计划，如果我们要执行公平基于下一跳，节点有k个近邻，它会保持队列，一个对于每个邻居和一个循环的方式为这些队列。同样，队列可以保持在一个前一跳，ip源或ip目的地的基础。我们的研究结果显示本地公平计划（下一跳和前一跳）是不够的防止tcp性能退化的udp流的存在。然而，基于ip源和ip目的地址在全球公平方案是能够防止tcp性能的退化。这是因为，与本地方案中，如果一个tcp流碰巧与udp流共享一个链接，从那时起，它的数据包会不会从udp流数据包区分开来。在了解网络公平的理想效果，我们研究它的实用与ieee 802.11 。图3 ip基础队列提高tcp有效吞吐量。显著网络层公平队列与ieee 802.11的mac计划。在这个场景中模拟中，tcp客户端发送数据包到服务器。对于这种情况， ipdestination基于队列被发现提供了最佳的结果。这是因为tcp的ack从服务器始发通过对节点放置在单独的队列返回路径到不同的客户。因此， tcp ack可接收多达80 的份额的带宽。这减少了往返时间的各种tcp连接因此，提高他们的实际吞吐量。反之，如果服务器发送数据包，然后ipsource基于排队会更好。图3示出了tcp的性能与ip目的地基于排队的连接。我们观察到：（1）在初始条件不udp流量，公平排队，平均在tcp客户端的性能略有提高（ 5 ） 。（2）在基于udp流的存在下，在tcp客户端现在可以达到约64的的初始有效吞吐量。此前，所增加的mac持久性这个值是约33的初始条件下实现） 。对于基于上述原因，对于ip源基于公平排队这个值是42 。（3）提高是有代价的udp连接。平均减少udp的有效吞吐量大约是418字节。然而，通过tcp有效吞吐量约增加1501字节。（4）基于udp流量不再能够在网络中为创建分区早期的观察（图2 ）。公平排队方案要求每个节点的问候维护状态信息的流量通过该节点。然而，我们认为，在不同的网络，这少在ad hoc网络中关注的问题，其中大部分节点会把只有一数流的限制。4 背压4.1 综述我们的目标是防止一个积极的udp源来自的速度注入数据包 比网络能负担得起更高。我们通过限制分配实现这一 缓冲空间，在那个流量遍历每个节点每一个特定的流程。考虑 节点突然开始服务于一个较低的rate7传入流量。渐渐地， 在节点传入流量的缓存占用势必增加。与使用 背压，渐渐地，在该流数据发送到该节点的速率将 也减少了。效果向后倒行，一路到source8。来源是 然后被迫去适应它的速率，以符合可用带宽的流动。 此外，如果拥塞节点能够服务于流量以更高的速率，那么 来源是自动能够以更高的速率发送数据包。4.2 实现来实现背压，我们设置一个阈值，称为背压制约的缓冲区分配给一个特定的ip源（或ip目的地）在任一节点。然后，使用operation9的混杂模式，一个节点跟踪数据包中的下游邻居的队列的数目。上接收mac帧，在混杂模式下运行的节点可以决定是否邻居已经发送属于一个特定的ip源的数据包（或目的地） 。因此，对于一个流，每个上游节点知道在一个队列的大小的下游的邻居，它从流转发报文。一旦节点认识到，达到在下游邻居背压阈值，它停止传输从流封包给邻居。随后，节点的达到背压限制会阻止其先前的上行中继从从流发送进一步的数据包。这种效应被传播的所有的方式向源的流量。应当指出的是，接口队列是一种被动的队列，即，它需要刺激相对于该分组的去排队。在我们的方案包的去排队是依赖于邻居的缓冲区。目前，我们的目标是衡量收益可以通过使用背压的。因此，我们已经简化了实施利用一个虚拟的，全局可访问的数组，动态地记录了队列长度为每个在每个节点在网络中流动。4.3 模拟结果我们观察到背压防止连续介质占用节点上 udp的路径流动。与此可用性介质的tcp有效吞吐量增加 并减少传输故障和缓冲区溢出。与改进 ip的基于目的地的排队加上背压是相似的。在图4中，我们观察到： (1）含1背压阈值，在正常输出的平均增益超过ip资源， 对于tcp客户端基于地址的公排队方案是95。在（82 ieee 802.11的mac方案相比，具有公平队列实现）的42。 (2）在tcp中的增益不会搞垮udp流的有效吞吐量。事实上，我们 见证4.5的涨幅在吞吐量与udp的背压。图4 背压提高与公平排队比较图4随着分组的背压号由udp源网络中的注入是 减少80，同时通过udp目的收到的数据包的数量保持不变的 公平排队，即源适应目标。tcp数据包数 由客户增加了95的发送量，所以它的数据包到达的tcp服务器较慢。4.4 goodput改善的原因在图5中，我们为ipsource包公平排队和udp背压设计出发送和接收的udp和tcp代理。请注意，背压通过udp源注入到网络数据包的数量几乎五分之一与简单的ip源公平排队（ 22 ）相当 。然而数据包的数目由udp流实际交付几乎等于在这两种情况下（背压在在4.5 以上的数据包传送）。所增加的介质可用tcp客户端实现，如图5所示更好的吞吐量。这个比率在tcp源的适应性也导致了mac和接口队列的减少（ ifq ）相关的tcp连接以及udp流。背压的另一个显著好处是，它降低了抖动的端到端延迟的udp流的数据包。此外，我们也看到增加了抖动大量增加背压阈值（见 21 有关详细信息）。图5 背压和ip源公平队列4.5 通过udp背压可调操作图6显示了不同阈值反压力的性能的比较。在goodputs通过调优反压力阈值,我们能够提供变量tcp和udp。例如,如果阈值调整为1时,tcp客户端实现goodput初始条件下的82%。调优阈值为6提供了更大的udp和tcp的 goodput吞吐量。一般来说,一个大阈值将提供一个利于udp的流和一个较小的阈值提供了一个利于tcp的流。基于详细的结果分析下，权衡不同背压阈值的选择,重试限制和帧大小等数据。图6 通过反压力可调操作的网络比较图6显示可调操作的网络可以通过不同背压阈值与阈值= 1进行比较,tcp实现goodput性能的提高。增加阈值从而增加udp的goodput和减少tcp 的goodput。对于大型阈值,结果是相似的并且是简单公平的。5. 结论和未来的工作在这项工作中,我们强调了在当前udp流中表现不佳的tcp连接的存在。我们的主要结论是:(1)简单的措施稳定路由或增加mac持久性的帮助，在tcp goodput实现10%至33%的udp流进行交互。(2)在udp流改善tcp的性能方面，仅仅公平的mac协议是不够的。(3)fair-queuing显著提高tcp的性能。(33%,42%,33%64% ip-source分别和ip-destination排队)。我们提出一个新的方案叫做背压流控制。我们进行模拟,表明背压在udp适应拥塞的动力主要来源于网络的力量。(a) 在公平排队下，goodput可以提供高达95%的涨幅相比。(b)在不牺牲goodput规定流动的情况下，显著提高tcp的性能。(c)在tcp和udp流中可以调整分配的带宽。参考文献1 floyd, s., and jacobson, v.: random early detection gateways for congestion avoidance,in ieee/acm transactions on networking, v.1 n.4, august 1993, p. 397-4132/univercd/cc/td/doc/product/software/ios112/ios112p/gsr/wred_gs.pdf3 xu, s., saadawi, t.: does the ieee 802.11 mac protocol work well in 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