（管理科学与工程专业论文）异构网络拥塞控制技术研究.pdf

独创声明 、5 9 8 7 2 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或 证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：于瘾狗 导师签字：苌9 阚朱 签字日期：20 0 4 年4 月夕f 日签字日期：20 0 4 年4 月2 9 日 黧箩谤、。学翻嘶 帮全熏公商 异构删络拥塞控制技术研究 摘要 近年来，随着电信产业的全球化和i n t e m e t 的迅猛发展，固定互联网逐渐向移动无线 互联网演化。要使其中的移动主机随时与固定互联网中的节点保持通信，端到端的传输必 然要跨越有线和无线两种媒体。于是，异构网络环境下传输控制机制的设计与实现问题就 成为必须要解决的重要问题之一。在过去的几年里，研究和改进无线链路上t c p 协议的 性能成为网络研究的一个活跃领域。国内外许多研究小组已经致力于异构网络传输控制技 术的研究，提出了各种改进机制。 今天，因特网上采用t c p i p 协议的通信量占到9 5 以上，t c p i p 的传输控制机制对 于维持因特网的鲁棒性起了决定性的作用。然而，当数据包在异构网络中传输时，有线网 中链路的可靠性前提不再成立。数据发送方将数据包丢失的原因一并归结为网络拥塞而不 考虑传输介质固有的特性差异，致使现存的传输控制机制难以同时在两种信道上都取得满 意的性能，因此跨越异质媒体的数据传输往往导致传统t c p 的性能急剧下降。丢包原因 的监测及其报告技术也就成为需要深入研究的课题。 本文绪论简要介绍了拥塞控制技术的发展及研究现状，分析了传统的t c p i p 拥塞控 制算法及其应用于无线i n t e m e t 时的缺陷。在剖析问题本质的基础上，指出了本文能够改 进和解决的几个问题。 第二章为综述部分。首先分析和评价了现存的各种异构网络数据传输控制机制，指出 了它们的优势与不足。接着讨论了该领域研究工作中存在的关键问题及相应的解决方案， 最后在对各种算法进行分析与比较的基础上提出了进一步的研究方向。 针对带宽非对称链路拥塞控制机制中的问题本文在第三章以提高单位s a c k 块的信 息量为切入点，设计了一种新的带有显式拥塞标识的e s a c k 算法。e s a c k 算法在有限 的选项空间内以更少的占用字节数为源端提供更详尽的确认信息：在每个e s a c k 块中增 加了接收情况标记位，明确区分数据段的接收情况：在后向链路上增加了“动态”的a c k 拥塞控制措施，避免a c k 的丢失对前向数据发送速率造成的影响。仿真试验结果表明： e s a c k 算法适用于高丢包率的非对称网络环境，在解决突发丢包问题上有明显优势。与 s a c k 算法相比，在保持协议公平性与更小缓存队列的同时。有效利用了网络可用带宽。 针对无线网络环境下引起数据包丢失的具体原因，结合各协议层的特点，本文在第四 章提出了一种基于窗口、多层协作的显式丢包原因反馈方案。该方案不采用链路层的重传 机制，而是仅将损伤数据包的首部前传至目的端，以避免链路层与传输层的相互影响；目 的端使用新的w e s a c k 算法，向源端显式回传数据包丢失的具体原因，避免源端的“误 操作”：在基站处不必缓存到达的重复a c k ，将大部分复杂计算和控制操作放在源端完 成，从而减轻了基站的负担，也减少了数据传输中的网络开销。仿真试验结果表明：与 s a c k 算法相比，在低带宽高时延的无线网络环境下可明显提高网络利用率；此外，将 山东师范大学颤： 学位论文 该方案嵌入到s n o o p 协议中，可以达到有效提高网络利用率的目的。 n s 是目前国际上应用广泛的网络仿真软件，在分析和评价网络性能方面发挥了重要 作用，本文的所有实验均是在n s 中进行仿真分析的。 本文在异构网络传输控制方面进行了探索，希望以上工作能够在传统t c p i p 拥塞控 制机制向异构网络推广和应用的过程中起到一定的推动作用。 关键词：异构网络，非对称链路，拥塞控制，比特出错率，突发丢包，网络仿真 分类号：t p 3 9 3 4 异构网络拥塞控制技术研究 a b s t r a c t c o n g e s t i o nc o n t r o l r e s e a r c h e so v e r h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s d u r i n gt h el a s td e c a d ey e a r s ，w i t ht h eg l o b a l i z a t i o n & t h et e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya n d t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，n e wc l a s s e so fh o s t ss u c ha sm o b i l ed e v i c e sa r e g a i n i n g p o p u l a r i t y , w h i l et h et r a n s m i s s i o nm e d i ab e c o m e sm o r eh e t e r o g e n e o u s i no r d e rt op r o v i d e e n d t o e n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sf o rm o b i l eh o s t s w i r e l e s sn e t w o r k sa r eq u i c k l yb e c o m i n g 吼i n t e r i o rp a r to ft h ei n t e r a c t ，a n dt h er e l i a b l ep r o t o c o l ss u c ha st c pm u s tb es u p p o r t e do v e r t h e m s oc h a l l e n g e sa r em e ti np r o v i d i n gr e l i a b l et r a n s p o r ts e r v i c e st oa l lh o s t sr e g a r d l e s so f t h e t y p e o fn e t w o r kc o n n e c t i v i t yu s e d o v e rt h ep a s t c o u p l e o f y e a r s ，t c pp e r f o r m a n c e o v e r w i r e l e s sl i n k sh a sb e e na na c t i v ea r e ao fr e s e a r c ha n dt h er e s e a r c h e r sh a v eb e e nh e a v i l y i n v o l v e di nc o o r d i n a t i n gt r a n s p o r tc o n t r o lr e s e a r c ho n h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k t c p i st h ep r e v a l e n tr e l i a b l et r a n s p o r tp r o t o c o la n dh a sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es u c c e s so f t h ei n t e r n e tt o d a y a l t h o u g ht c ph a ss e r v e dw e l lt h ew i r e di n t e r n e tf o ra l m o s t2 0 y e a r s ，i ti sn o t r e a d yf o r t h ew i r e d c u r e - w i r e l e s se n v i r o n m e n t s a tp r e s e n t t c ph a sb e e n d e s i g n e da n d t u r n e dt o p e r f o r mw e l lu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a ta l l l o s s e sa r ea ni n d i c a t i o no f c o n g e s t i o n h o w e v e r , w h e nat c pc o n n e c t i o nt r a v e r s e saw i r e d c u m - w i r e l e s sl i n k ，p a c k e t sm a yb el o s td u et o w i r e l e s st r a n s m i s s i o ne r r o r s , u s e rm o b i l i t ya n dc h a n n e la s y m m e t r y i na d d i t i o nt oc o n g e s t i o n l o s s e s ，t c pi m p l i c i t l ya s s u m e st h a t a l p a c k e tl o s s e s a r ed u et oc o n g e s t i o n ，a n d t r i g g e r s c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m a sap a c k e tl o s si sd e t e c t e d i th a sb e e n p r e v i o u s l yd e m o n s t r a t e d t h a tt h i sc a u s e ss e v e r ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nw h e nn o n - c o n g e s t i o nl o s sh a p p e n s t oa v o i d t h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n , r e s e a r c h e r sh a v eb e e n q u e s t i n gt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n tp a c k e t l o s s b e h a v i o r s ，a n di ti sb e c o m i n gat o p i co f i n t e n s er e s e a r c h i n c h a p t e ro n e ，ag e n e r a l i n t r o d u c t i o nt ot h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi s p r o v i d e da n dt h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a lt c p i pi s s t u d i e dw i t hr e s p e c tt oaw i r e l e s s n e t w o r k a f t e ra n a l y z i n gt h ei s s u e se s s e n t i a l l y , w ep r o p o s et h ee x i s t i n gp r o b l e m si nc u r r e n tt c p c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 r e s e a r c h e r sh a v e p r o p o s e d v a r i o u sm o d i f i e dt c pc o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m s t o e l i m i n a t et h ed r a w b a c k so f r e n oi nah e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i n c h a p t e rt w o ，r e c e n t l yp r o p o s e d s o l u t i o n sa f es u r v e y e da l o n gw i t ht h e i rm a i na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r e ra l le x h a u s t i v e a n a l y s i so f t h ek e yp r o b l e m sw i t h i nt c p p , w er a i s et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n si nt h i sf i e l d f i n a l l y , s o m ec o n s t r u c t i v es o l u t i o n sa r eg i v e nf o rf u r t h e rr e s e a r c h 5 山东师范人学确j j 学位论立 b a s e do nt h ep r o b l e mo f t h e p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no f t c p i nt h ep r e s e n c eo f b a n d w i d t h a s y m m e t r y , w ep r o p o s ean o v e la l g o r i t h ma n de v a l u a t ei ti nc h a p t e rt h r e e ，w h i c hi sc a l l e d e s a c k t h em a i nc o n t r i b u t i o no fe s a c ki sa st h ef o l l o w i n g ：f i r s t l y , w i t ht h el i m i t e d4 0 b y t e s a v a i l a b l ef o rt h et c p o p t i o n s ，i ti n f o r m st h es e n d e rm o r ei n f o r m a t i o na b o u tt h ei n c o m i n g p a c k e t s t h a ns a c kd o e sw i t h i n 。o n eb y t e s e c o n d l w i t ht h e s i g n i f i c a n tt w o b i t so f “s t ：e a c h o c t e to ft h ee s a c k o p t i o no u t l i n e s t h es t a t eo ft h ed a t ap a c k e t st h a tr e c e i v e d b yt h e n ， i n f o r m i n gt h es e n d e ro ft h ep a c k e tl o s s e se x p l i c i t l y f i n a l l y , a n a s y mr a t i o o p t i o nc a nb e p i g g y b a c k e do n t h ep a c k e t ss e n tb yt h es o u r c e ，w h i c hc a r r i e so u ta “d y n a m i c a c kc o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m eo nr e v e r s ep a t h ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee s a c kh a sb e t t e r a d v a n t a g e si na s y m m e t r i ce n v i r o n m e n t a n dd o e sw e l li ns o l v i n gt h ep r o b l e m sr a i s e df r o mb u r s t l o s s e s c o m p a r e dw i t l ls a c ka l g o r i t h m t h ee s a c k h a su t i l i z e da v a i l a b l eb a n d w i d t ho ft h e n e t w o r k e f f e c t i v e l y , w h i l ek e p t t h ef a i rq u a l i t yo fs e r v i c ea n dl e s sb u f f e rm e m o r y i no r d e rt o i m p r o v et h et c pp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s se n v i r o n m e n t s ，w ep u tf o r w a r da w i n d o w - b a s e de x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o ns c h e m ei n c h a p t e rf o u r i t i s i m p l e m e n t e di n 血e c o o p e r a t i o n o f m u l t i p l en e t w o r kp r o t o c o ll a y e r sa n d m a k e sf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so ft h e m a tf i r s t i nc o n t r a s tw i t ht h er e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi nd a t al i n kl a y e r , t h er o u t e si nt h i s s c h e m eo n l yp a s st h eh e a d e ro ft h ec o r r u p t e dp a c k e tt ot h er e c e i v e r , w h i c hd o e sn o ti n t e r f e r e 、v i t l lt h et c p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s e c o n d l y , aw e s a c ka l g o r i t h m ，w h i c hi s a n i m p o r t a n tp a r to ft h ee x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o ns c h e m e ，c a l lc o n v e yi n f o r m a t i o nt ot h es e n d e r a b o u tt h ed i t i e r e n tp a c k e tl o s sb e h a v i o ri nt h ew i r e d c u l t i w i r e l e s se n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h e b a s es t a t i o nd o e s n tn e e dt om a i n t a i nac a c h e o f d u p l i c a t ea c k s d e s t i n e df o rt l es e n d e r , a n dt h e s o u r c ed o e st h em a j o r i t yo ft h eo p e r a t i o ns u c ha sc a l c u l a t i o na n di n f e r i n g t h e r e f o r et h eb si s l i b r a t e du l t i m a t e l ya n dt h ec o s to ft h et r a n s m i s s i o ni ss a v e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o w t h a t ，c o m p a r e d w i t ht h es a c ka l g o r i t h m ，o n rs c h e m eh a s d r a m a t i c a l l yi m p r o v e d t h e p e r f o r m a n c eo ft c p o v e rw i r e l e s sl i n k sw i t hl o wb a n d w i d t ha n d h i 【g hd e l a y w h e n o u rs c h e m e i sc o m b i n e dw i t hs n o o p - i th a sa c h i e v e dm u c hm o r en e t w o r ku t i l i z a t i o nt h a nb o t hs a c k a n d s n o o p p r o t o c 0 1 n si so n eo ft h em o s t p o p u l a rn e t w o r ks i m u l a t o r sj nt h ew o r l d w h i c hj su s e dt oa n a l y z e a n de v a l u a t en e t w o r kp e r f o r m a n c e ，s ow ec h o o s en sa so u rs i m u l a t o rt o o lt os u p p o r ta l lt h e e x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r i naw o r d t h i s p a p e r d o e ss o m er e s e a r c hi nt h ef i e l do ft r a n s l a t i o nc o n t r o lo v e r h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s 。w eh o p ei t c o u l dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc o n g e s t i o nc o n t r o l s t r a t e g i e so v e rw i r e d - c u r e w i r e l e s sn e t w o r k s k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，a s y m m e t r yl i n k ，c o n g e s t i o n c o n t r o l b i te r r o rr a t e b u r s tl o s s ，n e t w o r ks i m u l a t i o n c l a s s f i c a t i o n ：t p 3 9 3 6 异构网络拥褒控制技术研究 第一章绪论 本章首先介绍了传统的t c p i p 拥塞控制算法，阐述了这些算法应用于无线i n t e m e t 时遇到的问题，在剖析问题实质的基础上指出了本文所做的主要工作及组织结构。 1 。1 研究背景 近年来，随着电信产业的全球化，i n t e m e t 的迅猛发展，促使固定互联网逐渐向移动 无线互联网演化。要使其中的移动主机随时与固定互联网中的节点保持通信，端到端的传 输必然要跨越有线和无线两种媒体。于是，异构网络环境下传输控制机制的设计与实现问 题就成为必须要解决的主要问题之一。 今天，因特网上采用t c p i p 协议的通信量占到9 5 以上，t c p d p 的传输控制机制 对于维持因特网的鲁棒性起了决定性的作用。然而，由于有线网中链路的可靠性前提在无 线网中并不成立，传输介质固有的特性差异使得现存的传输控制机制难以同时在两种信道 上都获得满意的性能，因此跨越异质媒体的数据传输往往导致传统t c p 的性能急剧下降。 国内外的许多研究小组已经致力于异构网中数据传输控制技术的研究，提出了各种改进机 制1 】 2 1 1 3 1 1 4 1 【5 1 。但由于这些机制不同程度地存在着缺陷，目前仍未得到公认的解决方案。 1 1 1 有线链路上的t c p 拥塞控制策略 t c p 协议是目前使用最广泛的网络传输控制协议，i l l t e m e t 上实际使用的拥塞控制机 制就是基于窗口的t c p 拥塞控制算法。该算法通常基于这样一个假设【6 】：即传输中由于 损坏而丢失数据包的比例是非常小的( 远小于1 ) 。因此，当出现报文段丢失时，就表 明网络中某个地方出现了拥塞。t c p 搠塞控制算法主要建立在v j a c o b s o n 提出【7 1 的基于窗 1 2 1 的和式增加积式减少机制( a i m d ) 之上，由四个核心算法组成，即慢启动( s l o w s t a r t ) 、 拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 、快速重传( f a s tr e t r a n s m i 0 和快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 。简 称t c p r e n o 版本。 源端在收到重复的a c k 时并不能确定是因为报文段丢失还是包失序，通常假定如果 是报文失序，则在目的端处理之前，源端只会收到一个或两个熏复的a c k 。若源端连续 收到三个或更多个针对同一报文段的重复a c k ，则表明从源端到目的端的网络连接中某 处发生了拥塞。这时，源端不再等重传计时器超时就重发这个可能丢失的报文。 假定有线网中由于传输引起的包损坏率 1 的前提下，t c p 协议默认丢包是由网络 拥塞引起的，并将丢包作为拥塞检测的手段和拥塞控制的依据。当没有发生丢包时，t c p 采用慢启动算法探测拥塞窗口( c w n d ) 的大小。每当a c k 确认到达，c w n d 随i 盯t ( 往返响应时问) 呈指数级递增，直至达到发送阈值：此后t c p 进入拥塞避免阶段，耕】 塞窗口线性增长，直到出现丢包为止。当检测到丢包，t c p 认为网络发生拥塞，按积式 山东师范大学硕士学位论文 递减算法降低阈值，并按k a r n 退避算法【8 1 增大重传超时时间，企图通过抑制发送流量达 到缓解网络拥塞的目的。可见，t c p 已将丢包恢复和拥塞控制紧密地结合在一起。 这一传统的数据传输控制机制在满足丢包假设的前提下有效地适应了有线传输，较 好地解决了窗口中有一个报文段丢失后如何快速恢复的问题。然而，当一个窗口中有多于 一个报文段丢失时，t c pr e n o 版本会产生新的问题。当源端收到窗口中丢失的第一个报 文的a c k 时，就结束快速重传算法。这阻止了源端继续用该算法去探测这个窗口中丢失 的其余数据包，只能等重传计时器超时后，进入慢启动阶段。而且，在丢包率远远高于有 线网络的无线移动环境下，t c p 会将不同原因的丢包统统归结为网络拥塞，从而导致t c p 性能的急剧下降。 1 1 2 t o p i p 拥塞控制机制用于无线链路时的缺陷 ( i ) 信道传播时延较长 t c p 传输控制采用的是基于窗口的端到端的闭环控制方式，该算法的效率与反馈时 延有着密切的联系。由于无线信道传输距离远，数据包的传播时延也比在有线网中大得多。 特别是在同步卫星信道中，从源端发出数据至接收到来自目的端对此数据的确认( 一个 r t t ) 需要5 6 0 m s 左右【9 】；这一传输时延远远大于地面信道的传输时延。在数据传输过程 中t c p 传输控制机制要求数据发送端在一个r t t 后收到确认时才调整拥塞窗口，根据 网络状况改变发送速率。这样，较长的传播时延会使拥塞窗口增长缓慢，丢包后数据恢复 速度较慢，致使系统无法充分利用宝贵的网络带宽。在标准t c p 协议中，最大接收窗口 为6 4 k 字节，这时，卫星信道的最大数据传输速率为6 4 8 5 6 0 = 0 9 1 4 m b p s 。这表明， 即使卫星信道的发送速率大于0 9 1 4 m b p s ，用户实际可以获取的最大速率也被限制在 0 9 1 4 m b p s 。按照r f c l 0 7 2 1 0 l 中i n t e m e t 通信管道( p i p e ) 的定义：p i p e = b i t r a t e * r t t ，若卫 星通信系统传输速率为3 6 m b p s ，通信管道为：3 6 m b p s ) ( 0 5 6 s = 2 0 1 6 m b 。这是典型的长 粗管道( l o n gf a tp i p e ) 。其主要表现是：t c p i p 的最大吞吐速率受到限制，t c p 协议的 慢启动和拥塞避免机制工作效率低下。特别是在传输短小w e b 数据流( w e b 页面平均为 2 6 3 2 k b ) 的t c p 连接中，整个传输过程都被迫在慢启动阶段完成，明显降低了t c p 拥 塞控制机制的效能，造成网络资源的浪费。 另外，无线链路中的高时延现象还是造成网络带宽延迟乘积( 表示往返于源端和目 的端之间的信道容量) 较大的重要原因。这样，为了有效利用有限的带宽资源t c p 数 据发送窗口必须达到一个较大值。目前，i e t f 标准推荐使用的t c p 窗口扩缩选项，就可 使最大窗口达到2 3 0 b y t e s 【l ”。但是，以大窗i ：3 发送数据容易使t c p 在拥塞阶段丢失更多 的数据包，而且大大增加了同一连接上丢失多个数据包的机率。 最后，无线信道中较大的往返延迟偏差也是造成网络传输性能降低的原因之一。t c p 的定时机制每次仅对一个t c p 数据段计时，较大的往返延迟偏差会使源端无法精确评估 数据传输的往返时间，从而无法计算出合适的重传超时值( 通常为2 r 1 广r 5 r 1 1 ) ，这会 显著增加连接滞留在慢启动阶段的时间，也容易引起数据传输过程中不必要的超时，造成 8 异构m 络拥采撺制技术研究 网络资源的浪费。特别是在缓存延迟与传播延迟数最级相同的情况下，如果网络环境变化 频繁或源端以大窗口发送数据，过粗的取样速率最终将降低t c p 丢包检测机制的效能， 并可能导致拥塞崩溃。 ( 2 ) 信道误码率较高 在地面固定网络中，主机通过有线介质连接，受外部环境影响而引起传输错误的可能 性相当小，故拥塞丢包是有线网中数据包丢失的主要原因。而在无线网络环境下( 如各种 卫星信道) ，由于信号衰减，随机的气候条件，复杂的地理因素，以及各种有意无意的干 扰等，使得无线网上的比特出错率是有线网的几十倍甚至几百倍【瞳】。当数据包沿着传输 质量较差的无线链路前行时，极易受环境影响造成数据包的损伤，损伤的数据包通常在数 据链路层被丢弃而并不被应用层接受，从而导致大量的误码丢包。此外，若信号衰减或数 据链路层且的地址受损，下游节点收不到上游节点发出的数据帧也会造成数据包被丢弃。 这些由于传输链路质量问题造成的误码丢包，是无线链路上产生丢包的重要原因。显然， 误码丢包与拥塞丢包反映的是不同的网络状态，二者有着本质的区别【l 叫：误码丢包为个 别行为，在误码丢包比较轻的情况下。源端可以完全不考虑链路质量对数据发送速率的影 响：而拥塞丢包属集体行为。即使源端检测出网络拥塞程度很轻，也需要降低数据发送速 率，以避免瓶颈链路进一步拥塞，防止出现严重的网络崩溃现象。因此，在异构网络环境 下，如果不能正确分辨误码丢包而误认为是网络拥塞，启动拥塞避免机制，则会降低网络 频带的利用率，浪费宝贵的无线网络资源。 ( 3 ) 信道呈非对称性 在以t c p 为传输层协议的网络中，其端到端信道包括两个方向：一是数据包从发送 端流向接收端，我们称之为前向信道，二是确认包从接收端流向发送端，我们称之为后向 信道。t c p 前向信道发送数据包的多少由发送窗口的大小来决定，而发送窗口的变化速 度要靠后向信道返回确认包的数量和频率来调节。在对称信道上，后向确认包的产生速率 等于前向数据包的到达速率，所以确认包不会在后向信道上产生排队，而且返回确认包之 问的最小间隔等于一个数据包传输时间【l ”。 今天的因特网上，为使接收端的设计更经济并节省宝贵的无线网络带宽，许多信道 采用非对称接入方式，后向信道的传输速率往往比前向信道慢几倍到几十倍。这样，后向 信道的缓存队列很容易因过多的数据包排队而溢出导致搠塞丢包。另一方面，标准的 t c p 协议采用滑动窗口技术实现端到端的流量控制，源端根据目的端返回的确认包来调 整窗口大小从而确定数据包的发送速率。由于后向信道缓存队列中的a c k 确认包很可能 在大量的数据包后排队，较慢的a c k 传送速率往往使源端无法及时收到确认信息，致使 j i j 塞窗口增长缓慢：而且如果后向信道出现拥塞还会造成a c k 确认包的丢失，进而引发 前向信道上大量数据包不必要的重传，造成网络资源的浪费和t c p 性能的下降。 ( 4 ) 移动切换频繁 当移动主机在两个外地代理之间移动时，为了保证正常通信，必须进行切换。在切 9 山东师范大学硕j ：学位论文 换过程中。可能会因为频繁变动的移动节点在数据包到达前已离开了先前的子网，且暂时 未能与新的子网建立联系而造成数据包的丢失。显然，这种切换丢包与网络拥塞没有必然 的联系，丢失的数据包应尽快重发。这时。如果发送端t c p 错误地将数据丢失解释为网 络拥塞，与实际需要相反，减小慢启动闽值和拥塞窗口，进入慢启动阶段，势必经过较长 时间才能重发丢失的数据包，这使移动节点在到达新的子网并完成注册后不能及时收到所 需的数据：更甚之，若重发的数据包到达这一子网时，移动节点己移到下一个新的子网， 结果就会是发送端连续超时，t c p 性能严重下降。甚至造成通信中断；而且即使链路被 再次激活，要达到切换前的流量，也需要段时间，从而浪费了宝贵的网络带宽。 综上所述，在包含无线移动链路的异构网络中，要使t c p 协议保持原有的良好性能， 必须根据网络特点对现有的t c p 传输控制算法进行必要的改进。 1 2 问题的提出 i n t e m e t 中绝大部分数据流使用了t c p f i p 协议，t c p 拥塞控制机制在传统的i n t e m e t 中发挥了行之有效的作用。但用于网络状况日趋复杂的无线i n t e m e t 时，t c p f i p 拥塞控制 算法自身存在的问题也就逐渐显现出来。 损伤丢包对t c p o p 拥塞控制算法的影响：假定有线网中由于传输引起的包损坏率 1 的前提下，t c p 协议默认丢包是由网络拥塞引起的，并将丢包作为拥塞检测的手段 和拥塞控制的依据。而在无线网络环境下这一假设不再成立。盲目的降低数据发送速率只 会使源端无法快速重传丢失的报文，导致网络吞吐量的急剧下降。 缺少足够的丢包反馈信息：传统的t c p ，i p 协议利用接收端返回的确认a c k 来要求 重传，源端根据收到的三个重复a c k 启动拥塞控制机制。异构网络环境下链路状况更加 复杂，三个重复的a c k 可能意味着损伤丢包，移动丢包等等，而且即使确实是网络拥塞 导致的丢包，若在同一发送窗口中丢包发生的频率较高，源端不能及时得到全部的丢包信 息，仍会引起数据发送源端不必要的“重传超时”。源端的这些“误操作”会对网络性能 造成不必要的损害。 a c k c o m p r e s s i o n 现象：t c p 源端使用a c k 自计时技术控制数据包的发送速率，发 送方根据接收到的a c k 确认来触发新数据的发送。但是a c k 自计时技术在非对称网中 往往会失效【1 5 】。正常情况下，a c k 到达源端的间隔为该链路上数据包的传输时间，如果 在返回信道中a c k 聚集在路由器的缓冲区中，则a c k 到达源端的间隔就成为a c k 的传 输时间。由于a c k 比数据包小得多，因而容易引起数据量的突发，造成源端以超出路由 器承受能力的速度向网络注入数据包，导致大量的突发丢包。 报文乱序问题的影响：传统t c p 拥塞控制机制是建立在包损坏的概率非常小( 1 ) 的前提下。而近两年的研究表明1 1 6 】1 1 7 1 今天的因特网上数据包在传输中发生重排的比例 占全部的0 1 一2 。而且，随着网络环境的不同，数据发生重排的几率也不同( 特定环 0 异构网络拥采控制技术研究 境下，由一个主机发出的数据报竞有1 5 发生重排) 。较多的数据重排现象也引起了t c p 拥塞控制机制的误操作，导致数据包不必要的重传，使得t c p 性能急剧降低。 链路层重传与传输层重传的干扰：传输中的数据经由物理层首先到达数据链路层。 在这里进行差错检验，出错的数据帧将会被丢弃。所以数据链路层通常比其上各层能更早 地感知丢包，并能更快地作出反应。因此对于异构网络环境下的数据包丢失问题，有人 8 j 推崇链路层的解决方案：用一种对传输层透明的方法，在链路层检测和纠正错误，从 而避免触发t c p 丢包恢复机制。然而，源端在启动链路层的重传之后，可能会有针对同 一数据包的传输层重传请求信息又到达源端，引起源端重传操作的紊乱。 1 3 本文的主要内容及工作 本文对异构网络环境下的传输控制机制进行了探讨，针对上述问题提出了相应的解 决方案，并在网络模拟器n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 中进行了仿真实验和详细的性能分析。 实验结果表明，本文提出的算法能够较好地提高网络性能，达到了预期的目标。 本章的研究内容组织结构如下： 第二章着重研究了异构网络传输控制中的几个关键问题以及相应的解决方案。首先 分析和评价了现存的各种异梅网络数据传输控制机制，指出了他们的优势与不足。接着讨 论了该领域的研究工作中存在的关键问题及取得的研究成果，最后在对各种算法进行分析 与比较的基础上提出了进一步的研究方向。 第三章针对现有带宽非对称链路拥塞控制机制中的问题，我们以提高单位s a c k 块 的信息量为切入点，设计了一种新的带有显式拥塞标识的e s a c k 算法。e s a c k 算法在 有限的选项空间内以更少的占用字节数为源端提供更详尽的确认信息，提高每个确认块的 信息含量；在每个e s a c k 块中增加了接收情况标记位，明确区分数据段的接收情况；在 后向链路上增加了“动态”的a c k 拥塞控制措施，避免a c k 的丢失对前向数据发送速 率造成的影响。仿真实验的结果表明：e s a c k 算法适用于高丢包率的非对称网络环境，在 解决突发丢包问题上有明显优势。 第四章针对无线网络环境下引起数据包丢失的具体原因，结合各协议层的特点及优 势，提出了一种基于窗口、多层协作的显式丢包原因反馈方案。该方案不采用链路层的重 传机制，而是仅将损伤数据包的首部前传至目的端，以避免链路层与传输层的相互影响； 目的端使用新的w e s a c k 算法，向源端显式回传数据包丢失的具体原因，避免了源端的 “误”操作；基站不必缓存到来的重复a c k ，将大部分复杂计算和控制操作放在源端完 成，从而减轻了基站的负担，也减少了数据传输中的网络开销。仿真实验结果表明：与 s a c k 算法相比，在低带宽高时延的网络环境下，该方案可明显提高网络利用率；修改后 嵌入s n o o p 协议，达到了有效提高网络利用率的目的。 山东师范大学硕j ：学位论文 第二章异构网络传输控制技术研究 近年来，异构网络传输控制技术已成为t c p f i p 研究的活跃领域。本章分析和比较了 现存的各种异构网络传输控制机制，讨论了该领域的研究中存在的几个关键问题及相应的 解决方案，最后提出了进一步的研究方向。 2 1 异构网络传输控制技术新进展 异构网上的传输控制机制研究兴起于9 0 年代后期，为适应固定主机向移动主机传输 数据的需要，针对不同的网络提出了许多改进算法。目前的传输控制方法主要分以下几类： 2 1 1 纯端到端的方案 t c p 是面向连接的端至端的可靠传输协议，它假定下层只能提供不可靠的数据报服 务，并可以在多种硬件构成的网络上运行。因此许多t c p 传输控制机制是为这种尽力投 递的i p 网络设计的，基于i p 的网络不提供任何路由机制来支持这些t c p 机制。也正是 由于这一点，使t c p 得以迅速应用在今天的i n t e m e t 上，这些机制称为端到端的佑输控制 机制。在异构网络环境下，许多方案就采用直接修改t c p 协议的方法，使之更好地应用 于复杂的异构网络环境下。 ( 1 ) n e wr e n