第六章《网络流量控制与拥塞控制的测试及分析》.docx

第六章 网络流量控制与拥塞控制的测试及分析第六章 网络流量控制与拥塞控制的测试及分析 6.1 网络流量控制 6.1.1流量控制与滑动窗口 流量控制是指通过接收方的反馈来控制发送方发送速率的技术。当接收方接收数据时，将数据存放在接收缓冲区内，由于缓冲区的大小总是有限的，当接收的数据量来得过快过多，接收方来不及处理，接收数据很快充满缓冲区以致超过容量限度时，会产生接收缓冲区溢出，造成数据丢失。使用流量控制技术，可以防止接收方的缓冲区溢出。在接收方将要发生缓冲区溢出时，由接收方发送反馈信息给发送方:“我的接收缓冲将要溢出，请停止发送”，发送方收到反馈信息后会停止发送。当接收方经过一段时间的处理使接收缓冲腾空、能够再接收数据时，会向发送方发送另一个反馈信息:“我的接收缓冲已有空，请继续发送”，此时发送方就会继续向接收方发送数据。 常用的流量控制方法有停等法和滑动窗口法，如果TCP协议在传输数据时采用停等法，每次发送端发送一个TCP报文段就必须等远方的接收端确认后才能发送下一个报文段的话，由于网络端端传输的时延，将耗费大量时间用于等待对方确认，这样会导致传输效率低下。TCP没有采用停等法，而是采用了滑动窗口法进行流量控制。 和停等法相比，滑动窗口机制可以提高数据传输的效率，其一般工作原理如下: , 发送的每个信息帧都有一个序号，设帧序号用n个二进制位表示，则帧序号从0到n2,1依次循环使用; , 发送方和接收方都具有一定容量的缓冲区(即窗口)，允许发送站连续发送多个幀而不需要等待应答; , 发送窗口就是发送端允许连续发送的幀的序号表，发送端可以不等待应答而连续发送的最大幀数称为发送窗口的尺寸，其大小W表示在收到对方确认的信息之前，可T以连续发出的最多数据帧数，只有序号在窗口内的帧才可以发送; , 接收窗口是接收方允许接收的幀的序号表，凡落在接收窗口内的幀，接收方都必须处理，落在接收窗口外的幀被丢弃。接收方每次允许接收的幀数称为接收窗口的尺寸，其大小W为可以连续接收的最多数据帧数，只有序号在窗口内的帧才可以接收，R否则丢弃; , 发送方可连续发送多帧，每次发送的幀序号数为上次幀序号数加1，它必须位于发送窗口内。发送方保存所有已发送、但未确认的数据帧，以备出错重发。连续发出多幀后，因还未收到对方确认信息，发送窗口缩小;当收到对方确认回答后，清除已确认的幀所占的幀缓冲区，因而发送窗口扩大; , 接收方接收数据幀后若未回答，表示此时幀数据还未交上层、其幀缓冲未释放，故接收窗口缩小;若接收方对接收的数据帧确认回答后，表示幀数据已交上层，接收缓冲区空出，因此接收窗口相应扩大; 图6.1给出了窗口大小为7，帧序号为0,7的滑动窗口工作过程的示意图，其中: (a) 为初始状态时，发送方的发送窗口大小,7，接收方的接收窗口大小,7; (b) 为发送方发完0,1,2号帧、接收方收完0,1,2号帧后，发送窗口和接收窗口分别缩小3帧; (c) 为接收方处理完收到的0,1,2号帧后向发送方发出ACK n,3确认0,1,2号帧，接收窗口扩大3帧;发送方收到ACK n,3确认了0,1,2号帧，发送窗口也扩大3帧; (d) 为发送方发完3,4,5号帧后，发送窗口缩小3帧;接收方收到3,4号帧后向发送方发出ACK n,5确认3,4号帧，接收窗口扩大2帧; 图6.1 滑动窗口的工作过程 TCP采用了与上图类似的滑动窗口法进行流量控制，但流量控制不用帧序号计算而以数据字节的序号计算，接收窗口的大小以接收端接收缓冲区中的空余字节数计算，而不是以接收端可以接收的帧数计算，发送窗口的大小也是以发送缓冲区落在发送窗口内可以发送的字节数计算。接收端用接收窗口中的空余字节数及时地向发送端作出反馈报告，以控制发送端的发送流量。 6.1.2 ITS-101滑动窗口机制的模拟 为了进行网络的流量控制实验，在ITS-101协议分析仪上设计了一种与TCP协议相近的KDP协议，来直观地模拟TCP流量控制与拥塞控制等过程。KDP协议由调用本实验预先设计的MDDL程序实现，用户不必了解它的实现方法。下面以两台ITS-101之间的数据流传输为例说明滑动窗口进行流量控制的工作过程。 (1)连通两台ITS-101的两个Interface1接口，打开Network Message Browser并开启IP数据包的监听功能，如图6.2所示。 (2)将其中的一台ITS1的Interface1接口IP地址设置为“192.168.1.1”，子网掩码设置为“255.255.255.0”，模式选择“Host”;另一台ITS2的Interface1接口IP地址设置为“192.168.1.2”，子网掩码也设置为“255.255.255.0”，模式也选择“Host”。 图6.2 开启IP数据包的监听功能 (3)在Host1打开“C:XClientDataMddlTutorialEx12SlidingWindowSender.mddl”文件，按照(2)的设置修改源IP地址与目标IP地址，如图6.3所示，并“Save”保存。 图6.3 修改SlidingWindowSender.mddl程序 (4)在Host2打开“C:XClientDataMddlTutorialEx12SlidingWindowReceiver.mddl”文件，也按照(2)的设置修改源IP地址与目标IP地址，如图6.4所示，并“Save”保存。 (5)在两台主机上分别点击Reactor-Reset Reactor菜单，清除掉两台ITS内的MDDL程序，然后将SlidingWindowSender.mddl用“Upld”按钮上载到ITS1，将SlidingWindowReceiver.mddl上载到ITS2。 (6)打开ITS1的IP报文的发送窗口(IP Datagram Sender)。在第9栏协议(Protocol) 部分按下拉箭头，选择“User Defined”，并键入定义号“7”，这是ITS设计的KDP所使用的编号，不能用其它值代替。将目标IP地址设置为 “192.168.1.2”，数据段部分输入“check”。如图6.5所示，输入完成后点击Send按钮，发送该IP报文。 图6.4 修改SlidingWindowReceiver.mddl程序 图6.5 发送的IP报文格式 (7)在ITS1观察Network Message Browser窗口，出现如图6.6所示的记录1,6。其中，第1条记录是ITS-101在数据传输过程中产生的杂包，这里不需要考虑，用黑线划掉(注意:下文中用黑线划掉的传输记录也是没有意义的杂包)。以下介绍其余5条记录的含义: , 2号记录表示ITS1向ITS2正常发送了一个内容为“check”的KDP报文(用户自定义协议号7在报文浏览窗口TYPE栏显示为“/C8”)，该报文的编号为“0x00”; , 4号记录表示ITS2向ITS1发送“ACK01”报文，确认“0x00”号KDP报文已收到，希望ITS1下次发“0x01”号报文; , 3号记录时间在4号记录发生的时间之后，表示状态为对方“ACK01”; , 5号记录表示状态为下面将发送编号为“0x01”的KDP报文; , 6号记录表示状态为当前发送窗口可用大小(UWND:Usable Window Size)是3。 。 本实验中，最大发送窗口和接收窗口都为3图6.6 启用滑动窗口后发送端观测到的记录 (8)再点击图6.5窗口的Send按钮，发送一个相同的KDP报文，观察到如图6.6所示的记录7,12，各记录的含义与(1),(7)中的描述相似，UWND的大小仍为3。 (9)断开ITS1与ITS2之间的连线，连续点击图6.5窗口的Send按钮三次，发送三个内容为“check”的KDP报文，再迅速重新连通ITS1与ITS2的Interface1接口，可以观察到如图6.6所示的记录13,33，各条记录的含义如下: , 14、16、18号记录分别表示ITS1向ITS2先后发送了三个编号分别为“0x02”、“0x03”、“0x04”的KDP报文; , 19,21号记录表示三个报文都没有收到ACK报文，都先后进行了超时重传，如果仍未连通，会继续进行重传; , 22,25号记录表示此后链路重新连通，ITS1接收到ITS2发送的确认收到“0x02”号报文的“ACK03”报文，此时由于还未收到“0x03”、“0x04”号报文的ACK报文，UWND的大小变为1; , 26,29号记录表示ITS1接收到ITS2发送的确认收到“0x03”号报文的“ACK04”报文，UWND的大小成为2; , 30,33号记录表示ITS1接收到ITS2发送的确认收到“0x04”号报文的“ACK05”报文，UWND的大小恢复为3; (10)为了便于以下步骤的观察，点击工具栏的Reset按钮，清除Network Message Browser窗口的记录。 (11)再次断开ITS1与ITS2之间的连线，发送一个编号为“0x05”的KDP报文，超时重传4次(注意每次重传的间隔时间)，此后丢弃该报文，不再重发，如图6.7所示的记录17。 (12)重新连通ITS1与ITS2的Interface1接口，发送一个编号为“0x06”的KDP报文，得到如图6.7所示的记录819，各条记录的含义如下: 图6.7 出现丢包后发送端观测到的记录 , 9号记录表示ITS1向ITS2发送了“0x06”号的KDP报文; , 12号记录表示ITS2向ITS1发送“ACK05”报文，希望ITS1发送“0x05”号报文; , 10号记录的SACK06表示ITS1本应该收到“0x06”号KDP报文的ACK，实际没有收到，因为“0x05”号KDP报文没有到达ITS2; , 11号记录表示状态为对方“ACK05”; , 13号记录表示状态为本方下次将发送“0x07”号KDP报文; , 14号记录表示由于未收到“0x05”号和“0x06”号报文的ACK报文，这两个报文仍然保持在发送窗口中，所以可用窗口UWND只有1; , 15,19号记录表示ITS1四次超时重发“0x06”号报文，由于前面“0x05”号报文已被ITS1丢弃，而ITS2希望收“0x05”号报文，因此ITS1重传4次“0x06”号报文失败后也将其丢弃; (13)ITS1发送一个编号为“0x07”的KDP报文，得到如图6.7所示的记录2131，各条记录的含义与(12)中的记录相似。ITS2发给ITS1“ACK05”，仍然希望收“0x05”号报文。ITS1收不到ITS2的“ACK07”，因此四次超时重发“0x07”号报文，直到丢弃。由于ITS1发送窗口中“0x05”、“0x06”、“0x07”号报文都没有收到ACK报文，都保持在发送窗口中，所以可用窗口UWND大小为0。 注意:如果重新进行实验时，必须点击Reactor-Reset Reactor菜单清除两台ITS内的MDDL程序，然后将MDDL程序”Upld”重新上载一遍再进行实验。这是因为该实验中KDP报文的传送是有序的，重新执行后才会得到较好的效果。 6.2 网络拥塞控制 6.2.1拥塞控制的方法 拥塞是由于网络中的数据包传输过度，如大量数据包集中于一个或者多个路由节点引起传输延时过大。当拥塞发生时，除了延时增加外，路由器还会保持数据包，直到它可以发送，这样就浪费了大量的网络资源。为了避免拥塞出现，TCP协议使用了下述机制:慢启动(Slow-Start)、拥塞避免(Congestion Avoidance)和乘法减少(Multiplicative Decrease)，三个阶段互相关联、相结合使用。 TCP一方面保存每一个连接的接收窗口大小(对方接收缓冲区还有多少空间会在它送来的反馈报文里反映)。另一方面，为了进行拥塞控制，TCP在拥塞发生时，使用拥塞窗口(CWND，Congestion Window)来限制发送端发送数据的多少，公式6-1给出了发送窗口上限值的计算方法，实际允许的发送窗口应等于拥塞窗口与接收窗口两个窗口的小者。 (6-1) Allowed_Window,min(Receiver_advertisement, Congestion_window)TCP使用三个阶段进行拥塞控制: (1)慢启动阶段:每当一个新的TCP连接建立或是经过一个拥塞期之后，如果要增加TCP报文段的流量，拥塞窗口CWND的计算都必须由CWND,1开始，即一开始先发送1个TCP报文段(以最大数据字段长度的报文段为单位计算，下同)，经过报文往返后若没有超时情况下收到ACK报文，拥塞窗口CWND的大小便增加1，变为2，因此第二次发送端发送2个TCP报文段，如果在超时前又收到ACK报文，则发送端对每一个发出报文的确认应答拥塞窗口CWND便增加1，这样CWND变为4，于是发送端第三次发送4个TCP报文段，依次类推，按每次2倍即指数增长的速度递增拥塞窗口CWND。 (2)拥塞避免阶段:当拥塞窗口CWND增长到超过阈值SSTHRESH(Slow Start Threshod)时，便不再按指数增长而按照线性增长。如SSTHRESH,8，则拥塞窗口CWND为8时，发送端发出8个TCP报文段，当8个报文确认应答在超时前收到，则拥塞窗口只增加1，变为9，依次类推，拥塞窗口CWND每次按线性增长，变为10，11，12，。随着每次发送端发送注入到网络里的TCP报文段增加，发送通路中的各段链路里报文段越来越多，这个过程不可能永远持续下去，当某次发送导致发送通路中的某段链路上出现饱和时，TCP报文段便会出现丢失，从而导致在发送端出现超时、收不到确认应答。此时进入第三阶段:乘法减少阶段。 (3)乘法减少阶段:当发送超时发生后，TCP将阈值SSTHRESH减为当时拥塞窗口CWND值的一半，并且将拥塞窗口CWND急速减小，重新置为1，此后又进入新一轮的慢启动增长。 6.2.2 ITS-101拥塞控制机制的模拟 本实验中，仍然使用KDP来直观地模拟TCP拥塞控制机制。下面还是以两台ITS-101之间的数据流传输为例说明利用慢启动、拥塞避免和乘法减少进行拥塞控制的工作过程。 (1)连通两台ITS-101的两个Interface1接口，打开Network Message Browser并开启IP数据包的监听功能，如图6.2所示。 (2)将其中的一台ITS1的Interface1接口IP地址设置为“192.168.1.1”，子网掩码设置为“255.255.255.0”，模式选择“Host”;另一台ITS2的Interface1接口IP地址设置为“192.168.1.2”，子网掩码也设置为“255.255.255.0”，模式也选择“Host”。 (3)在Host1打开“C:XClientDataMddlTutorialEx13CongestionWindowSender.mddl”文件，按照图6.8所示进行修改并保存。 图6.8 修改CongestionWindowSender.mddl程序 (4)在Host2打开“C:XClientDataMddlTutorialEx13CongestionWindowReceiver.md dl”文件，按照图6.9所示进行修改并保存。 图6.9 修改CongestionWindowReceiver.mddl程序 (5)在两台主机上分别点击Reactor-Reset Reactor菜单，清除掉两台ITS内的MDDL程序，然后将CongestionWindowSender.mddl和CongestionWindowReceiver.mddl分别“Upld”上载到ITS1和ITS2。 (6)打开ITS1的IP Datagram Sender窗口。在第9栏协议(Protocol)部分按下拉箭头，选择“User Defined”，并键入定义号“7”，将目标IP地址设置为 “192.168.1.2”，数据段部分输入“check”。与图6.5所示相同，输入完成后点击Send按钮，发送该KDP报文。 (7)在ITS1上观察Network Message Browser窗口，出现如图6.10所示的记录1,5。本节中用黑线划掉的传输记录也是没有意义的杂包。各条记录的含义如下: , 2号记录表示ITS1向ITS2发送了一个内容为“check”、编号为“0x00”的KDP报文(用户自定义协议号7在报文浏览窗口TYPE栏显示为“/C8”); , 4号记录表示ITS2向ITS1发送确认“0x00”号KDP报文的“ACK01”报文，该记录发生的时间在3号记录发生的时间之前; , 3号记录表示状态为对方“ACK01”; , 5号记录表示当前拥塞窗口(CWND)的大小是1，即慢启动初始值为1。 (8)点击图6.5窗口的Send按钮，再发送一个KDP报文，观察到如图6.10所示的记录6,10，各记录的含义与(7)相似，CWND的值按指数增长，结果变为了0012,002。 (9)再发送一个KDP报文，观察到如图6.10所示的记录11,15，CWND的值仍然按指数增长，结果变为了0022,004。 (10)再发送一个KDP报文，观察到如图6.10所示的记录16,20，此时CWND的值成线性增长增加1，变为004，1,005。说明已过慢启动门限(SSTHRESH)值4，进入拥塞避免阶段。 (11)再依次发送KDP报文，观察到如图6.10所示的记录21,30，CWND的值仍然按线性增长，每次增加1，依次变为006、007。 图6.10 KDP拥塞控制时ITS1观测到的记录 图6.11 连续发送KDP报文后ITS1观测到的记录 (12)再依次发送14个KDP报文，共计观测到100条记录，最后10条记录如图6.11所示。此时CWND的大小依然按线性增长，每次加1，最后一次为007，114,21。 (13)断开ITS1与ITS2之间的连线，用来人工模拟拥塞现象发生，再发送一个KDP报文，此时收不到对方确认的ACK。当出现SSTHRESH的值后，再迅速重新连通ITS1与ITS2的Interface1接口，可以观察到如图6.12所示的记录101,107，各条记录的含义如下: , 102号记录表示ITS1向ITS2发送了一个编号为“0x14”的KDP报文; , 103号记录表示连接断开，ITS1发送超时未收到ACK，认为产生了拥塞，向ITS2重发编号为“0x14”的KDP报文; , 104号记录表示ITS1将SSTHRESH的值调整为CWND/2=21/2?11; , 105号记录表示连接重新连通，ITS1状态为“ACK021”(即希望下次发送“0x15”号报文); , 106号记录表示ITS2向ITS1发送“ACK0x15”报文; , 107号记录表示拥塞发送后，拥塞窗口CWND的值又调整为慢启动的初始值1。 图6.12 拥塞发生后发送端观测到的记录 图6.13 CWND超过阈值后发送端观测到的记录 (14)再依次发送三个相同的KDP报文，观察到如图6.12所示的记录108,122，此时由于CWND小于SSTHRESH，它的值成指数增长，依次变为0012,002、0022,004、0042,008。 (15)再发送一个KDP报文，观察到如图6.12所示的记录123,127，此时CWND2,0082,016将会超过SSTHRESH值011，它的值调整为011。 (16)再依次发送5个KDP报文，观察到如图6.13所示的记录，此时由于CWND的值超过SSTHRESH值，它的值按线性增长，每次增加1，依次变为了011、012、013、014、015、016。 注意:在如果重新进行该实验时，也必须点击Reactor-Reset Reactor菜单清除两台ITS内的MDDL程序，然后将MDDL程序重新上载一遍再进行实验，才会得到正确的效果。 6.3 网络干扰模拟 6.3.1 网络干扰 这里的网络干扰可以是由外界各种因素对通信线路或者通信设备产生的干扰，也可以是由于网络流量的变化对线路与设备的传输能力产生的干扰。流量控制与拥塞控制一般需要在受到干扰的网络中进行测试，用前述方法测试网络时，只是在发送端与接收端之间使用手工断开连接的方式来模拟网络干扰?使得接收端收不到报文、发送端也收不到接收端的ACK确认报文，因而导致发送端超时重发。使用这样的测试方法，发送端既不容易控制，也与实际网络有一定差距。 为了模拟一种更为真实的网络环境，可在前述实验中，在两台ITS-101实验仪中间再插入一台ITS-101实验仪，设置为Gateway工作方式，模拟通路中的路由器。并编制相应的mddl程序“Upld”到该台实验仪中，模拟通路中路由器可能遭受到的各种网络干扰。编制相应程序名的mddl程序，分别用来模拟以下干扰情形之一: , Packet Lost:网络传输数据时报文丢失; , Packet Delay:网络传输数据时报文延迟; , Packet Error:网络传输数据时候报文损坏; , Bandwidth Limit:网络在某时段某链路上所能发送的报文数量与大小受限。 下面以数据包丢失和数据包延迟为例，说明通路中加插一台ITS-101以模拟路由器及相连链路受干扰情形的实现方法，为流量和拥塞控制实验提供一个更逼真的网络测试环境。 6.3.2 运用ITS-101模拟数据包丢失 下面以一台ITS-101模拟中间路由器丢包，首尾两台ITS-101分别模拟数据包发送端和接收端，说明数据包丢失的模拟过程。 (1)按照图6.14所示的拓扑结构连接三台ITS-101，打开Network Message Browser并开启IP数据包和以太帧的监听功能。 图6.14 本实验网络拓扑结构 (2)设置ITS1的IP地址和路由表，如图6.15所示，点击“Set&Close”按钮保存。 图6.15 ITS1的网络配置 (3)设置ITS3的IP地址和路由表，如图6.16所示，点击“Set&Close”按钮保存。 图6.16 ITS3的网络配置 (4)设置ITS2的IP地址，并选定“Gateway”模式，点击“Set&Close”按钮保存。 (5)在Host2打开“C:XClientDataMddlTutorialEx10PktLost.mddl”文件，该文件中的图6.18所示的语句可以产生50,的丢包率，点击“Upld”按钮将该文件上载到ITS2。 (6)在Host1上编辑ICMP数据报文，如图6.19所示，输入完成后点击“Send”按钮将该报文从ITS1的Interface1接口发送向ITS3的Interface2接口。 (7)连续点击“Send”按钮，发送多个图6.19所示的ICMP报文，可以发现有许多报文收不到回复，这是因为ITS1发送的报文和从ITS3回复的报文有50,的概率被丢弃。 图6.17 ITS2的网络配置 图6.18 上载PktLost.mddl程序 6.3.3 运用ITS-101模拟数据包延迟 下面以一台ITS-101模拟中间路由器上数据包延迟，首尾两台ITS-101分别模拟数据包发送端和接收端，说明数据包延迟的模拟过程。 (1),(4)与6.3.2中的(1),(4)操作相同。 (5)在Host2点击Reactor-Reset Reactor菜单清除ITS2内存中以前的MDDL程序，然后打开“C:XClientDataMddlTutorialEx10PktDelay.mddl”文件。该文件使用与PktLost.mddl相同的方法产生了50,的概率，但是这50,概率的数据包没有被丢弃，而是被延迟了1秒传送。点击“Upld”按钮将该文件上载到ITS2。 图6.19 发送的ICMP报文格式 (6)由ITS1向ITS3连续发送6个图6.19所示的ICMP报文，得到如图6.20所示的数据包检测记录。可以看出，第2、3个ICMP报文的回复报文基本没有延迟;第1、5、6个ICMP报文的回复报文延迟了大约1秒;第4个ICMP报文的回复报文延迟了大约2秒。 图6.20 延迟发生后发送端观测到的记录 6.4 实验六 网络流量控制与拥塞控制的测试及分析 6.4.1 实验目的 掌握运用滑动窗口机制进行流量控制的方法，掌握运用慢启动、拥塞避免和乘法减小三阶段机制进行拥塞控制的方法。 6.4.2 实验准备 (1)实验设备 , TCP/IP通信协议实验系统一套; , 装有ITS-101软件的PC机3台。 (2)预备知识 , 熟悉TCP流量控制的工作原理，学习运用ITS-101模拟滑动窗口机制进行流量控制的方法; , 熟悉TCP拥塞控制的工作原理，学习运用ITS-101模拟慢启动、拥塞避免和乘法减小三阶段机制进行拥塞控制的方法; , 学习运用在通路中间加插ITS-101、模拟路由器上数据包丢失和数据包延迟的方法。 6.4.3 实验内容 图6.21 实验网络拓扑结构 (1)ITS-101路由器丢包模拟 , 按照图6.21拓扑连接网络，设置IP地址和路由。 , 在ITS2上载“C:XClientDataMddlTutorialEx10PktLost4.mddl”文件。该程序上载后，从ITS1发出的报文经过ITS2向ITS3转发时，第4，5n个报文会被丢弃(n,0, 1, 2, 3, 4, )。 , 从ITS1向ITS3发送图6.19所示的ICMP报文，观察数据包丢弃情况，检查结果是否与上述说明相符。 (2)ITS-101流量控制测试 , 参照图6.3，按图6.21拓扑上给出的新地址，将“SlidingWindowSender.mddl”程序中发送信包的源、目的地址修改为新的ITS1、ITS3地址，然后上载到ITS1。 , 将“PktLost4.mddl”上载到ITS2。 , 参照图6.4，按图6.21拓扑上给出的新地址，将“SlidingWindowReceiver.mddl” 程序中发送确认信包的源、目的地址修改为新的ITS3、ITS1地址，然后上载到ITS3。 , 使用ITS1发送如图6.5所示的KDP报文，在发送端和接收端观察数据包传输状况，记录UWND的值。 , 连续发送相同的KDP报文，记录发送端UWN