（通信与信息系统专业论文）异构网络下的tcp性能增强技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着通信技术的发展，计算机网络已经不再局限于有线、单一同构网络了， 而是呈现高度异构化的趋势。下一代网络应是一个能够屏蔽底层通信传输设备的 异构性，提供一个统一开放、可伸缩、安全稳定和高性能的服务平台，以支持快 速灵活的开发、集成、定制和部署网络业务应用。迄今为止，适用于异构网络的 通信技术当属目前最为主流、最为成功的t c p i p 技术，这主要得益于互联网“端 到端透明性”的核心设计理念。 传统t c p 拥塞控制主要是为带宽时延乘积较小和信道误码率很低的网络环境 而设计的，难以很好地适用于异构网络下的通信环境，如卫星网络、高速光纤网、 无线网络和有线网络之间的异构。t c p 性能在异构网络中是十分重要的问题，当 多个异构网络连在一起时，由于传输带宽变化、物理链路质量差异、信道非对称 性、终端移动性、往返时延波动、能源消耗等影响，经常出现无法预知的交互作 用，这种复杂性往往会导致其性能下降。因此，对异构网络t c p 性能增强技术的 研究已成了通信领域一个重要的研究课题。 本文集中探讨了异构网络下的t c p 拥塞控制技术，以期能为改善异构网络环 境下的t c p 性能提供有价值的参考。主要工作如下： 探讨了异构网络中影响t c p 性能的主要因素，传统t c p 在异构网络环境 下面临的问题，为进一步研究异构网络环境下的t c p 技术奠定了基础。 探讨了t c p 技术在异构网络环境下的代表性研究成果，对其在异构网络 中的性能进行了仿真分析，讨论了它们在异构环境下存在的问题。 提出了一种可选择的方案t c p s e l e c t i v e ，根据不同的链路类型选择不同的 t c p 算法，来解决单一t c p 增强方案所不能解决的问题，对其在异构网络环境下 的性能进行了仿真分析，结果验证了此机制的有效性。 对不同链路采用的相应t c p 算法作了改进，并对其进行验证，仿真结果表 明，这些算法也具有很好的性能。 本文内容安排大致是这样的：第1 章概述研究背景、存在问题、代表性解决 方案以及本文主要工作；第2 章简要介绍t c p 拥塞控制技术；第3 章介绍异构网 络典型t c p 算法并对其进行性能分析；第4 章探讨异构网络下t c p 整体性能提高， 详细分析一种基于链路选择的t c p 拥塞控制机制，给出仿真结果分析；第5 章讨 论不同链路环境下的t c p 算法，详细分析3 种改进算法，给出仿真结果分析。 关键词：传输控制协议( t c p ) 、异构网络、拥塞控制、t c p 性能增强 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r kh a s n t l i m i t e dt ow i r e d 、s i m p l e xa n dh o m o g e n e o u sn e t w o r ka n ym o r e ，b u tp r e s e n t st r e n do f h e t e r o g e n e o u sh i e 蛐y n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r kc a l ls h i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f h e t e r o g e n e o u so fl o w - l e v e lt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，a n dp r o v i d ea no p e n ，s t e a d ya n d h i g h - p o w e ds e r v i c ep l a t f o r mt os u s t a i nq u i c ke x p l o i t a t i o n 、i n t e g r a t i o n 、c u s t o m i z a t i o n a n dn e t w o r kd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s of a r , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fa d a p t i n g t oh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sw o u l db et c p i pw h i c hi st h em o s ts u c c e s s f u lt e c h n o l o g yi n t h ei n t e r n e t t h i sw a sl a r g e l ya t t r i b u t e dt ot h ec o r ed e s i g np h i l o s o p h yo fe n d - t o e n d t r a n s p a r e n t t r a d i t i o n a lt c ph a sb e e nd e s i g n e da n dt u m e dt op e r f o r mw e l lu n d e rt h ew i r e d n e t w o r kw h i c hh a ss m a l lb d p ( b a n d w i d t hd e l a yp r o d u c t ) a n dl o wc h a n n e lb e r ( b i t e r r o rr a t e ) t h e r e f o r e ，t r a d i t i o n a lt c pi sn o tr e a d yf o rt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sl i k e s a t e l l i t e 、h i g h s p e e d f i b e r 、w i r e l e s sa n dw i r e dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t c p p e r f o r m a n c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s w h e nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k sc o n n e c tt o g e t h e r , t h i sc o m p l e x i t yo f t e nl e a d st od e g r a d e dp e r f o r m a n c eo w i n g t oc h a n g eo ft r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h 、d i f f e r e n c eo fp h y s i c a ll i n kq u a l i t y 、c h a n n e l a s y m m e t r y 、t e r m i n a lr e m o t i o n 、l a r g es c a l eo fd e l a yv a r i a t i o na n de n e r g yc o s t s ot h e s t u d yo fe n h a n c i n gt c pp e r f o r m a n c eo v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sh a sb e e nb e c o m i n g a ni m p o r t a n tt a s ki nc o m m u n i c a t i o nf i e l d t h i sp a p e rw i l lf o c u so nt c pc o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo v e rh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s ；、杭n 1h o p e f u l l yc o u l dp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c et oi m p r o v et h et c p p e r f o r m a n c eo v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h em a i nw o r k sa r e 嬲f o l l o w s ： t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et c pp e r f o r m a n c ea n dt h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a l t c pu s e di nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa r ed i s c u s s e dt of u r t h e rs t u d yl a i daf o u n d a t i o n s o m er e p r e s e n t a t i o nr e s u l t so ft c p t e c h n o l o g yw h i c hs u i tf o rh e t e r o g e n e s o u s n e t w o r k sa r e a n a l y z e da n ds i m u l a t i o n so v e rt h eh e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n ta r e c o m p l e t e d t h e n , t h ep r o b l e m sw h i c he x i s ta r ep r e s e n t e d a na l t e r n a t i v es c e n a r i o t c p s e l e c t i v e ，w h i c hm a yc h o o s ed i f f e r e n tt c p a l g o r i t h m sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tl i n kt y p e si sp r o p o s e d t os o l v et h ep r o b l e m s w h i c ht h es o l et c pe n h a n c e m e n tp l a nc a nn o ts o l v e t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 n e wt c p t e c h n o l o g yi sa v a i l a b l ea n d f e a s i b l e r e l e v a n tm o d i f i e dt c pm e c h a n i s m sb a s e do l ld i f f e r e n tc u r r e n tt c p a l g o r i t h m s a r ep r o p o s e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ea l g o r i t h m sa l s oh a v eg o o d p e r f o r m a n c e t h ep a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ：r e s e a r c hb a c k g r o u n d 、p r o b l e m se x i s t e d 、w o r k s i nt h ep a p e ra r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nc h a p t e r1 ；t c pc o n g e g i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi s o u t l i n e di nc h a p t e r2 ；t y p i c a lt c pa l g o r i t h m si nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r ee x p l a i n e db r i e f l yi nc h a p t e r3 t c pw h o l ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti sd i s c u s s e da n dat c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mb a s e do nl i n k s e l e c t i o ni sa n a l y z e di nc h a p t e r4 t c pa l g o r i t h m sf o rd i f f e r e n tl i n kt y p e sa l ed i s c u s s e d a n d3k i n d so fi m p r o v e da l g o r i t h m sa n ds i m u l a t i o na n a l y s e sa r eg i v e ni nc h a p t e r5 k e y w o r d s ：t c p , h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k , c o n g e s t i o nc o n t r o l ， e n h a n c i n gt c p p e r f o r m a n c e i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的鱼l士学位论文 虽捆翌圈趟堡坠室壅垫芏驾鱼是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耳元招 导师鼢歹驴 签字日期：如。f f 叩 签字日期：砷罗二7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的盟士学位论文当垫旦鲴塑丝显螂 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：望墨塑 导师签名 备注：审核通过的涉密论文不得签署_ 授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 陋装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 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，促使固定互联网逐步 向移动无线互联网演化。计算机网络已经不再局限于原来的有线、单一同构网络， 而是呈现高度异构化的趋势。异构网络是指将具有不同媒体、不同性能的子网统 一构建成的逻辑网络，譬如：有线与无线网络之间的异构；有线与有线之间的异 构，如电交换的i p 网络与光交换的口网络；无线与无线之间的异构，如基于8 0 2 1 1 的无线局域网与基于8 0 2 1 6 的无线城域网等。但是，无论是网络运营商、业务提 供商、还是网络用户都要求网络能屏蔽异构性，提供一个统一开放、可伸缩、安 全稳定和高性能的服务平台，以支持快速灵活的开发、集成、定制和部署网络业 务应用。 迄今为止，适用于异构网络的通信技术当属目前最为主流、最为成功的t c p i p 技术。目前，因特网上采用t c p i p 协议的通信量占到9 5 以上，而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。因特网和移动通信技术 的结合是未来通信发展的一个趋势，作为因特网传输层协议标准的t c p 协议在未 来的无线网络中仍将发挥着重要的作用。t c p 协议是目前使用最广泛的网络传输 控制协议，它为各个主机之间提供可靠、按序传输、端到端的数据包传输服纠1 1 ， 在保障网络性能中起到非常主要的作用。t c p 拥塞控制是t c p 协议成功应用于 i n t e m e t 的关键所在，其拥塞控制主要涉及慢启动、拥塞避免、快速恢复和快速重 传。 传统t c p 拥塞控制主要是为带宽时延乘积较小( 其瓶颈链路的缓冲区容量远 远大于网络的带宽时延乘积) 和信道误码率很低的有线网络环境而设计的，它根 据有线网络特点普遍假定数据包丢失是由于网络拥塞造成，这种假设使t c p 在有 线网络下工作良好。但是当多个异构网络互连在一起时，由于传输带宽变化、物 理链路质量差异、信道非对称性、终端移动性、往返时延波动和能源消耗等因素 影响，经常出现无法预知的交互作用，这种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。在异构网络中，t c p 的设计必须考虑不同网络的特征及其 需要。因此，对异构网络t c p 性能增强技术的研究已成了通信领域一个亟待解决 的研究课题。 目前，国内外的许多研究者已经致力于异构网络下t c p 性能增强的研究，提 出了各种改进机制 2 1 3 1 1 4 1 5 】【6 】。然而，随着网络的发展，通信环境在不断变化。已 有的大多数改进都是为了解决不同情况下的性能下降问题，其结果也只是针对某 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一特殊的网络环境进行了优化，目前仍未得到公认的解决方案。就现阶段的研究 状况来看，对于t c p 用于多种网络异构的性能增强技术，有待进一步的探索和研 究。 1 2 异构网络下影响t c p 性能的主要因素 在异构网络环境中，造成t c p 性能恶化主要有下面几个因素： 传输带宽的强差异性i _ 刀。 在异构网络中，不同网络在传输带宽上存在差异，有的甚至相差上千倍、上 万倍，如：有线网络的带宽越来越宽，从局域网的1 0 0 兆比特每秒、1 0 0 0 兆比特 每秒到光纤的吉比特级的速率，且还在进一步发展中。无线网络中，目前无线局 域网带宽最大的标准8 0 2 1 1 的物理层速率也仅仅5 4 兆比特每秒，得到一定商用的 8 0 2 1 l b 只有1 1 兆比特带宽。因此，在一次通信跨越多个异构网络的情况下，当路 由发生改变时，瓶颈带宽可能也会发生急剧变化，若t c p 发送端不能急剧变化其 数据发送速率，可能会带来大量数据的丢失或网络带宽的大大浪费。 物理链路质量的差异1 3 】。 在异构网络中，不同网络在物理链路质量上存在差异，有的链路质量很好，有 的链路质量会较差，如有线链路误比特率达1 0 9 以下，光纤更达1 0 0 2 ；而在无线 网络中，由于随机的气候条件、复杂的地形因素以及各种有意无意的干扰、多径 传播、时延扩展、衰落特性以及多普勒效应等原因使得它存在很高的比特差错率 ( b e r ) ，其误比特率一般在l o 6 以上，甚至高达l o 。2 。这样，有线链路中因链路差 错引起的数据丢失非常少，而在无线网络中链路差错引起的数据丢就极为普遍。 链路差错引起的数据丢失与网络拥塞引起的丢包反映的是不同的网络状态，二者 有着本质的区别1 9 j ：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。在异构网络环境中，当数据丢失不是由网络 拥塞引起而是由链路错误所致时，若t c p 仍启动拥塞控制，则会造成不必要的数 据发送速率的降低，导致带宽利用率不高，系统时延加大，吞吐量下降。 信道的非对称性。 在异构网络中，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，即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，导致拥塞丢 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 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 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，致使拥塞窗口增长缓慢；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。 终端的移动性【l 。 通信技术的发展使得人们对于移动中的通信要求越来越高，终端移动的环境 也越来越多样化，如步行、乘车、坐飞机等，在这些移动的环境中，人们往往也 需要进行必要的通信。在有基础设施的无线网络的情况下，主要的问题是跨越小 区时的切换问题。在切换过程中，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 慢启动阀值和拥塞窗口，进入慢启动阶段，势必经过较长的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，若重发的数据到达这一子网时，移动节点已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，也需要一段时间，从而浪费了宝贵的网络资 源。在a dh o c 网络情况下，节点的频繁移动引起频繁的拓扑变化，会引起分组丢 失和触发路由初始化算法，这也会引起t c p 吞吐量的下降。 较长的延迟时间。 许多采用链路层重传技术的无线网络表现了较大的延迟时间；无线网络中特 有的切换也会引起较大的延时和延迟抖动；含卫星链路的网络，具有更长的往返 时间r 1 陌( 如同步地球卫星的r t t 典型值为5 6 0 毫秒【l 。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。 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。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 。但是，以大窗口发送数据容易使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。 较大的时延波动l l 引。 t c p 的定时机制每次仅对一个t c p 数据段计时，在异构网络中，由于不同网 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 络的传输特性有差异，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，不利于往返时延的估计，从而无法计算出合适的重传超时值( 通常为 2 * r t t - 5 * r t t ) ，影响超时定时器的设置，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，即称为假超时，必然导致t c p 传 输过程中对拥塞控制的不断重启，造成网络资源的浪费。特别是在缓存延迟与传 播延迟数量级相同的情况下，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 丢包监测机制的效能，并可能导致拥塞崩溃。 能源消耗【1 3 j 。 由于通信处理的能量消耗在总能量消耗中占很大的比重，而在数据传输过程 中，t c p 的能量消耗又是一个很重要的环节。然而传统t c p 没有考虑能量消耗的 问题，无法在性能和能源消耗之间进行折衷。对无线网络而言，移动设备( 如便 携式电脑) 的能量消耗是一个非常重要的问题。电池是便携式电脑中最重的单一 部件。最小化的能量消耗能够减少电池重量和延长更换时间，从而提高便携性。 t c p 在保证其通信性能( 如吞吐量、时延等) 的同时，可能会引起大量不必要的 数据重传，从而导致移动设备不必要的能源消耗。 1 3 传统t c p 在异构网络环境下面临的问题 在异构网络环境中，由于存在传输带宽变化、物理链路质量的差异、信道的 非对称性、终端的移动性、较长的延迟时间和大的时延波动以及能源消耗等因素 影响，从而引起了一系列的问题： 数据丢失原因多样化。异构网络中，造成数据丢失的原因不只是由于网络 拥塞，更多是切换、干扰、衰减等其他原因引起的。而传统t c p 主要是针对网络 拥塞提出的，当数据丢失不是由网络拥塞引起时，若t c p 仍启动拥塞控制，则会 造成不必要的数据发送速率的降低，导致带宽利用率不高，系统时延加大，吞吐 量下降，严重影响t c p 性能。 “慢启动”阶段易出现不能有效利用网络带宽的情况，从而造成t c p 性能的 急剧下降。譬如对那些“带宽延迟积”( b d p ) 大的无线网络，特别是在卫星网络中， 慢启动过程需要很长的“往返时间”( r o u n d t r i p t i m e ：r t t ) 来使实际的拥塞窗口 ( e w n d ) 达到理想值。已有的研究表明，网络中大部分的t c p 连接都属于短期生 存的连接，所以在b d p 大的网络中，t c p 在慢启动过程中并不能有效地利用网 络带宽，从而造成t c p 的性能急剧下降。 假超时。传统t c p 超时重传机制的初衷，是解决网络拥塞过重的问题。 而在异构网络中，超时已不再局限于网络拥塞，会出现非拥塞超时一假超时问题。 其原因主要有：链路切换，如：当t c p 快速链路切换到慢速链路时，其重传超时 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 r t o 仍保持原来的较小值，发送端可能还没有收到确认就已经超时，其超时并不 是因为丢包，而是由于确认的迟到；延时突然剧烈变化和抖动，使重传超时r t o 设 置困难，也很容易引起假超时问题。对于传统t c p 来说，这种假超时会导致传输 过程中不断重启拥塞控制机制，从而恶化t c p 性能，降低网络资源利用率。 垂直切换。在发生异构网络间的垂直切换时，由于t c p 的发送端无法探 测到网络的变化，不能做出更加积极的响应；在拥塞窗口的控制方面不能自适应 于网络的变化，从而降低了资源利用率。如：当数据流从慢速网络垂直切换到快 速网络时，t c p 源端无法得知这一信息，依然按照原有的拥塞控制方式进行拥塞 控制。这就使得当t c p 数据流垂直切换到快速网络时，t c p 如按照原有的t c p 拥 塞控制方式进行拥塞控制，势必会造成网络可用带宽的大量浪费，从而降低t c p 性 能；当t c p 流从快速网络切换到慢速网络时，t c p 源端不能对拥塞窗口的变化做 出适应性的调整，从而导致网络中大量数据包的丢失，也严重影响了t c p 的性能。 由于异构网络的特性，使得传统t c p 技术难以直接应用于异构网络环境，造 成了t c p 性能严重下降。因此，异构网络t c p 性能增强成了当前研究热点之一。 本文的研究为t c p 在异构网络中的应用及其研究提供了很好的参考价值。 1 4 提高t c p 性能的代表性解决方案 本小结针对异构网络下t c p 性能增强问题，对目前国内外研究者提出的一些 具有代表性的方案进行剖析。 文献 1 4 1 提出是一种将t c p 发送端和接收端相结合、针对t c p 垂直切换的端 到端方案一t c p h o 。其主要思想是当移动主机发现切换后，立即发送带有t c p 带 宽选项的两个重复确认，服务器收到确认后，将慢启动的门限设为新带宽与往返 时延之积，使慢启动门限与带宽相关。同时，t c p 进入垂直切换调整状态，对每 个新的往返时延，服务器根据新的链路带宽和r 1 盯的平滑平均值来更新其慢启动 门限，从而使得t c p 参数适合新链路的环境。对新链路取4 个r t t 样本，计算其 平均r t t ，并对其慢启动门限更新。然后，t c p h o 服务器又进入常态。如果检 测到拥塞时，也进入t c p 常态。t c p h o 在接收端反馈新链路带宽的基础上，较 好地解决了垂直切换的问题。但其仅适用于移动节点作为接收端的情形，因此实 用性不高。 文献【1 5 】提出了一种基于有偏队列管理和c a s a b l a n c a 鉴别的区分丢包原因的 方案d er a n d o m i z i n g 。有偏主动队列管理对发送数据做标记o u t 或i n ，标记为o u t 则先丢弃。c a s a b l a n c a 鉴别器在接收端对丢包进行判断，如果标记为o u t 的包先丢， 则判断其为拥塞丢包，否则为其他丢包。其工作流程为：在接收端，判断数据是 否失序，如果失序，且引入的判别函数值大于等于0 的话为非拥塞丢包，对其确 重庆大学硕士学位论文1 绪论 认a c k 作标记e l n 。在发送端，如果收到三个重复的确认，则判断是否带e l n 标记，带标记则为非拥塞丢包，不减小拥塞窗口的值。其余情况按照t c pn e w r e n o 执行。 这种方法能较好地区分丢包原因，但是对于发送端带有e l n 的确认过多情况 下，不减小拥塞窗口也会影响其性能；同时，它没有对非拥塞丢包进行进一步区 分。 文献 1 6 】提出了另一种区分丢包原因的拥塞控制机f 1 i j - - t c pv e n o 。其使用和 t c pv e g a s 相类似的机制估计当前连接所处的状态，推断数据包的丢失是拥塞丢包 或者随机丢包，当连接处于拥塞阶段，t c pv e n o 认为丢包是由于网络拥塞引起，而 其他阶段则认为是随机丢包。当前连接所处的状态判断则通过对队列中的报文积 压长度n 和门限值p 的比较来区分，如果n b 时，连接处于拥塞阶段，此时认为丢 包是由于网络拥塞产生，相应地采用r e n o 的窗口调整算法。门限值b 一般取3 。 t c pv e n o 在异构网络环境下能对数据丢包进行区分，但其参数b 的准确设置很困 难。 文献【1 7 】提出使用f r t o 算法来解决假超时的问题。它是一个启发式的算法， 在发生超时后改变发送端的发送模式。发生超时后，发送端重传“最老”的未确认分 组( 即未确认的序号最小的分组) 。收到第一个a c k 后，发送端发送一个新的数 据分组，而不是按照t c p 协议的规定重传分组进行超时恢复。如果下一个确认了 未进行重传的分组，发送端就认为这个超时是假超时。f r t o 没有增加分组开销， 且只需发送端参与。但f r t o 仅适用于假超时而不能解决假快速重传的问题。 文献【1 8 】针对网络中由于延迟突发引起的假超时而提出d u a l r t t 算法，其主 要思想是在发送端增加两个变量：一是n r t t ，记录最近一次数据重传与该数据包 确认到达的时间。二是m i n r t t ，记录连接建立以后观测到的所有r t t 的最小值。 比较这两个值，当n r t t f m i n r t t 时，则认为是假超时，恢复重传之前的拥塞窗 口，继续传输新数据而不必进行重传。这是因为用来计算n r t t 的确认很可能是 迟到的原来数据的确认，所以它与最近一次的数据重传之间的时间就会比较小。 其f 值的设置：首先通过对网络的带宽、延迟、最大传输包的抽样，计算出3 个参 数所占比重，然后根据不同的网络确定其值。d u a l r t i 算法只对发送端进行修改， 但是，其要在假超时后重传前2 个报文段用于计算n r t t ，不能完全去掉不必要的 重传，且较难设置参数f 。 文献【1 9 】提出了一种分布式t c p 高速缓存( d t c ) 机制，使用分段式高速缓存 和局部重传来避免昂贵的端到端重传，从而节约能量消耗。其基本思想是：通过 设置中间节点缓存发送端的数据，当这些数据丢失，发送端收到重复确认后由中 6 重庆大学硕十学位论文1 绪论 间节点重传而不是由发送端重传，因此减小了往返时延和发送节点的负担，从而 减小网络的能量消耗。但是，其中间节点的负担较重，且每个节点都需要配置t c p 层。 本节讨论了各国研究者提出的解决异构网络环境下t c p 性能下降问题的多种 方案。而这些方案存在问题大致有以下几种：只考虑了移动主机作为接收端或发 送端的情况；方案引入的参数准确设置困难；需要借助其他各层协议的实现；对 于某一问题的解决要以牺牲其他方面的性能为代价。 总的来说，它们基本上都是针对某一具体问题，或某一具体网络环境进行t c p 性能改进，还没有一个异构网络中t c p 面临的各方面问题的统一解决方案。而从 t c p 整体性能增强出发，考虑多种网络环境的研究，目前还很少有人涉足。 1 5 本文所做的工作 本文对异构网络下t c p 性能增强技术进行了探讨，首先分析了异构网络下影 响t c p 性能的因素和出现的问题，然后针对这些问题提出一种宏观解决方案，根 据不同链路类型选择不同的t c p 拥塞控制算法，从而达到整体性能的提高，并在 网络仿真器n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 中进行了仿真试验和详细的性能分析。同时， 对这些t c p 拥塞控制算法又分别作了改进，仿真结果表明，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。 本文的研究内容组织结构如下： 第一章介绍了相关研究背景，分析了网络异构化的趋势，影响t c p 性能的因 素，传统t c p 在异构网络下面临的问题以及代表性解决方案。 第二章概要介绍了传输控制协议t c p ，重点分析了t c p 拥塞控制机制的四种 算法：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。 第三章着重研究与几种典型网络相适应的t c p 拥塞控制算法及其存在的问 题，在此基础上提出了进一步的研究方向，并在不同的网络环境下对这些不同t c p 拥塞控制算法进行仿真分析和性能比较。 第四章针对单一t c p 在异构网络下的局限性，提出一种新的t c p 拥塞控制机 制，即通过提供一种可选择的方案t c p s e l e c t i v e ，在i p 头部增加链路类型选项， 根据链路类型值进行判断，针对不同的链路采用不同的t c p 拥塞控制算法，从而 达到t c p 整体性能提高。仿真结果表明，在异构网络中采用这种新方案对于吞吐 量和丢包率等性能参数都有极大地提高。 第五章分别对v e g a s 、w e s t w o o d 、h i g h s p e e d 算法进行改进，并在不同网络环 境下对改进算法进行仿真分析比较，仿真结果证明改进后的算法获得了性能增强， 达到了预期目的。 第六章论文的工作总结与未来工作展望。 7 重庆大学硕士学位论文2 t c p 拥塞控制技术 2t c p 拥塞控制技术 2 1t c p 概述 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是一种端到端的面向连接的传输控制协 议，为应用提供可靠的数据传输服务，在保障网络通信性能方面起着非常重要的 作用。r f c 7 9 3 中给出了t c p 最初的正式定义。随着时间的推移，在实际应用中 各种错误逐渐被检测出来，而且在某些领域中需求也发生了变化。r f c l l 2 2 详细 地阐述了这些内容以及一些错误修补的方案。r f c l 3 2 3 又进一步作了扩展。 每台支持t c p 的机器都有一个t c p 传输实体，它或者是一个过程，或者是一 个用户进程，或者是内核的一个部分，它管理t c p 流，以及与口层之间的接口。 t c p 传输实体接收本地用户进程的数据流，并且将它们分割成不超过6 4 k b ( 在实 践中，考虑到在每个帧中都希望有m 和t c p 头，所以通常不超过1 4 6 0 数据字节) 的分片，然后以单独的i p 数据报的形式发送每一分片。当包含t c p 数据的数据报 到达目的主机时，它们被递交给t c p 传输实体，t c p 传输实体重构出原始的字节 流。t c p 有以下特点： 面向连接服务 面向连接的传输服务对保证数据流传输的可靠性是十分重要的。在进行实际 数据报传输之前，通信双方的t c p 进程需要建立传输连接( 是一种虚连接) 。一旦 连接建立之后，两个进程就可以在该连接上发送和接收数据流。 高可靠性 由于t c p 协议建立在不可靠的d 协议基础之上，因此t c p 协议的可靠性需 要由自己来实现。t c p 协议通过确认与重传来实现数据的可靠传输。 全双工通信 t c p 协议允许全双工通信。在两个应用进程传输连接建立之后，客户与服务 器进程可以同时发送和接收数据流。t c p 协议在发送和接收端口都使用缓存。发 送缓存用来存储进程准备发送的数据。接收缓存用来存储接收到的数据，等待接 收进程读取。 支持流传输 t c p 协议提供一个流接口( s t r e a mi n t e r f a c e ) ，应用进程可以利用它发送连续 的数据流。t c p 传输连接提供一个“管道”，保证数据流从一端正确地“流”到另一端。 t c p 对数据流的内容不作任何解释。t c p 不知道传输的数据流是二进制数据，还 是a s c i i 字符、e b c d i c 字符或者其他类型数据。对数据流的解释由双方的应用 程序处理。 8 重庆大学硕士学位论文 2 t c p 拥塞控制技术 传输连接的可靠建立与释放 为了保证传输连接与释放的可靠性，t c p 协议使用了3 次握手( 3 - w a y h a n d s h a k e ) 的方法。在传输连接建立阶段，防止出现因“失效的连接请求数据报” 而造成连接错误。在释放连接时，保证在关闭连接时已经发送的数据报可以正确 地到达目的端口。 提供流量控制与拥塞控制 t c p 协议采用了大小可以变化的滑动窗口方法进行流量控制。发送窗口在建 立连接时由双方商定。在通信过程中，接收端可以根据自己的资源情况随机、动 态地调整发送窗口的大小。t c p 拥塞控制根据网络当前可用网络资源，动态地调 整其拥塞窗口，从而控制其进入网络的数据量，以避免拥塞崩溃( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) 的发生。t c p 拥塞控制是i n t e r a c t 得以健壮运行的关键。 2 2 网络拥塞控制 随着互联网规模和互联网应用的快速增长，网络拥塞和数据冲突问题已引起 人们密切的关注。拥塞控制技术针对网络中的拥塞和数据冲突而成为网络领域的 核心技术。 2 2 1 网络拥塞的含义 网络拥塞( c o n g e s t i o n ) 指的是在包交换网络中传送包的数目太多时，由于存 贮转发节点的资源有限而造成网络传输性能下降的情况。在网络发生拥塞时，一 般会出现数据丢失，时延加大，吞吐量下降，严重时甚至会导致“拥塞崩溃” ( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 现象。最初观察到这种现象是在1 9 8 6 年1 0 月，l b l 与u c b e r k e l e y 之间的吞吐量从3 2 k b p s 下降到了4 0 b p s 。f l o y d 总结出拥塞崩溃主要包括 以下几种：传统的崩溃、未传送数据包导致的崩溃、由于数据包分段造成的崩溃、 日益增长的控制信息流造成的崩溃等。一般来说，拥塞发生在网络负载增加导致 网络效率降低的时候。拥塞的一种极端情况是死锁( d e a d l o c k ) ，致使网络无法正 常工作。退出死锁往往需要网络复位操作。 对于拥塞现象，可以进一步用图2 1 来描述。当网络负载较小时，吞吐量随着 负载的增加而增长，呈线性关系，响应时间增长缓慢。当负载达到网络容量时， 吞吐量呈现出缓慢增长，响应时间急剧增加，这一点称为k n e e 。如果负载继续增 加，路由器开始丢包，当负载超过一定量时，吞吐量急剧下降，这一点称为c l i f f 。 可以看出，负载在k n e e 附近时网络的使用效率最高。拥塞控制就是网络节点采取 措施来避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应【2 0 1 。 9 重庆大学硕士学位论文 2t c p 拥塞控制技术 ( a ) 吞吐量随负载的变化( b ) 响应时间随负载的变化 图2 1 吞吐量和响应时间随负载的变化曲线 f i g 2 1t h r o u g h p u ta n dr e s p o n s et i m ec h iv e ( o v e rl o a d ) 在图2 1 中就是使负载保持在k n e e 附近。拥