（通信与信息系统专业论文）提高tcp在gprs信道上的性能.pdf

摘要 y t 9 3 5 2 6 近年米，随着i n t e m e t 的普及，i n t e r n e t 上的数据业务( 如e m a i l 、文件传送，w e b 浏览) 筲急剧增加。现有的2 g 网络上有限的接入速率( 9 6 k 一1 4 4 kb p s ) ，直接影响了移动数据 业务的质量和用户的满意度，大大地制约了业务的发展。2 5 g 的g p r s 网络是在g s m 基 础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络，与原有的g s m 相比，具有永远在线， 崭速传输等优点。但是。g p r s 也有其自身的局限性。理论上，其速度为4 0 k b p s 左右，但 是在实际的使川中远远达不到这个速度。l 制约g p r s 网络速度的瓶颈很多，t c p 协议不适应g p r s 网络是原因之。本文就如 何提高t c p 在g p r s 网络上的性能，提出了相关的解决方案 第一章提出了g p r s 网络加速的必要性，介纠了g p r s 网络的总体结构传输协议平 信令平台，接口平| 】信道分配以及分组数据传送笛知识。 笫一章介宝f 了t c p 协议及其拥塞控制技术，随后从t c p 和g p r s 两个方面理论上分 析了t c p 庶川在g p r s 信道的不适应性最后对浙江移动的g p r s 网络进行了测试，分析 了g p r s 信道特征及典型的丢包原因。 第二章对w e c n 、l t 、p a c i n g 等多种无线t c p 算法进行了改进，并在l i n u x 内核中 实现各种算法，n s 米仿真g p r s 信道，测试井分析算法的性能。 第四章根据g p r s 信道的特征，政进剪实现了s n o o pt c p 算法，在仿真的g p r s 信 道中测试了算法的性能。 第无章在l i n u x 内核上实现了一种新的传输协议t 厂r c p 协议测试其性能，并与瞥通 t c p 的性能进行比较。 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e r n e tm o r ea n dm o r ep o p u l a r , l h ed a t as e r v i c e s ( e m a i l f t p , w e bb r o w s i n g ) o v e r i n t e m e ti n c r e a s ed r a m a t i c a l l y t h eg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) i sp a r to ft h en e w g e n e r a t i o no f m o b i l ep h o n e so f f e r i n ga na l w a y s o n ，p a c k e tb a s e ds y s t e mf o ri n t e r n e tc o n n e c t i o n ， w i t hs i g n i f i c a n t l yh i g h e rb a n d w i d t ht h a ni sc u r r e n t l ya v a i l a b l ew i t ho l d e rm o b i l ep h o n en e t w o r k s g p r s ，h o w e v e r , h a si t s l i m i t a t i o n s ，c u r r e n t i m p l e m e n t a t i o n sa l l o wc o n n e c t i o n t ot h eg p r s i n t e m e ta tr a t e so fa r o u n d4 0 k b p s a r o u n df o u rt i m e s f a s t e rt h a ng s m i np r a c t i c e ，t h e e x p e r i e n c ei sm u c h s l o w e rt h a nt h i ss u g g e s t s t h e r ea r em a n yr e a s o n st ob eg p r sn e t w o r kd a t at r a n s m i t t i n gb o t t l e n e c k s ，t c pi so n eo f t h e m o u ra i mi st oi m p r o v et c p p e r f o r m a n c e o v e rg p r sn e t w o r k s i nt h ef i r s tc h a p t e r , w ep r o p o s et h ee m e r g e n c yt oa c c e l e r a t et h eg p r sn e t w o r k ，i n t r o d u c et h e k n o w l e d g ea b o u tg p r s ，i n c l u d i n ga r c h i t e c t u r e ，p r o t o c o l ，s i g n a l t h es e c o n dc h a p t e rf o c u s e so nt c pa n dw h yg p r sc h a r a c t e r i s t i c sd on o ti n t e r a c tw e l lw i t h c u r r e n tt c pi m p l e m e n t a t i o n s w ep r e s e n t t h er e s u l t so fas e r i e so fe x p e r i m e n t su s e dt o c b a m c t a r i z et h ep e r f o r m a n c eo f ag p r s i nt h et h i r dc h a p t e r , w es h o wap r o x yi n t e r p o s e dt h ef i x e da n dg p r sn e t w o r k s ，o v e rw h i c h w ee m p l o yo u ro w nw i r e l e s st c p p r o t o c o l s t h ep r o t o c o l sa r ew e c n ，l t , p a c i n g t h e s e p r o t o c o l sp e r f o r m a n c ea r ev a l u e di nae m u l a t e dg p r s n e t w o r k t h ef o u r t hc h a p t e rr e a l i z e ss n o o pt c pi nl i n u xk e r n e l ，s o m ec h a n g e sa r ea d d e d a c c o r d i n g t og p r sl i n kc h a r a c t e r i s t i c s t h el a s tc h a p t e r , w er e a l i z e1 w p ( t r a n s a c t i o nt r a n s m i s s i o nc o n t r o p r o t o c 0 1 ) i nl i n u xw h i c he l i m i n a t e s t h er o u n dt r i p si n v o l v e di nc o n n e c t i o n s e t u p i nn o r m a l o p e r a t i o n b o t ht h es n o o pt c pa n dt 厂r c pw et e s tt h e i rp e r f o r m a n c ei nae m u l a t e dg p r s n e t w o r ka n da n a l y z et h e m k e y w o r d ：g p r s 、t c p 、c o n g e s t i o nc o n t r o l 、c w n d 、w i r e l e s st c p 、p r o x y 、e c n 、l i m i t e d t r a n s m i t 、p a c i n g 、s n o o p 、t ，r c p 第一章绪论 本章首先介绍了移动网上互联网面临的巨大挑战和网络低效率的几个技术问题。随厉简 要介绍了当前发展迅速发展的g p r s 网络。最后给出了本文的主要工作。 1 1 移动数据加速的必要性 近年来，随着i n t e m e t 的普及i n t e r n e t 上的数据业务( 如e m a i l 、文件传送，w e b 浏览) 等急剧增加，人们已经不满足于在计算机上完成这些事情。而是希望借助于手机，也能上网， 收发e m a i l ，处理事务。这正是i n t e m e l 和移动通信相结合的必然趋势。 目前移动运营商在移动数据增值业务方面所面临的最大挑战就是巨额的网络投资，如眼 f 的g p r s 网络，而且网络技术的升级几乎涉及到整个网络所有细节部分，除了单纯的资金 投入外，人力资源的投入也相当巨大。而且要更换终端，势必使得分摊到单用户上的成本高 5 。因此移动运营商很难在短期内发展出规模的数据业务用户，造成投资与收入的火衡降 低运营商的利润，并有可能造成长期亏损。 随着各类移动终端( p d a ，笔记本电脑) 的酱及，移动数据业务的高速增长被公认为必 然趋辨，而现有的2 ( 3 网络上有限的接入速率( 9 6 k 一1 4 4 kb p s ) ，直接影响了移动数据业 务的质鬣和用户的满意度，火火地制约了业务的发展。即使部署了2 5 g 的g p r s 网络，由 1 g p r s 削户是共享网络带宽，其网络接入带宽将仍然不能满足市场的需求。_ i = | 户和市场对 移动数据业务的期待非常的迫切而能够提供满意的移动数据业务的3 g 网络昂快也要3 - 5 年的时间才能部署。 目前造成这些问题的主要原因有 1 协议层 从协议层来说，t c p i p 协议不适应移动网的数据传送。t c p t c p 协议是互联网麻川的 基础，t c p f f c p 的低效率造成了互联网应川的低效率。g p r s 的以r 特征是造成互联网戍h 的低效率。 1 数据在无线传送中的损坏，是造成丢包的主要原冈，而不是网络阻塞； 2 跨区转移和无线屏障所造成的通讯间断； 3 移动所造成的数据带宽波动： 4数据包再传，数据包交错，和其他复杂的数据包处理所造成的延时： 2 鹰州层 i n t e t r i e r 上的内容和通用的传输协议都没有针对网络带宽进行过优化。由于网络带宽的 浙江大学硕士学位论文 限制，移动j ；户能够享受到的无线互联网上的内容非常有限。i n t e r n e t 上丰富的内容和应用 也会受到带宽瓶颈的影响，使用户得不到期塑的效果，并降低了用户对移动互联网的使用兴 趣。 1 2 g p r s 网络 浙江省移动已于6 月份开通g p r s 网络。g p r s 网络非常嚣要的优点是引入了分组交换 能力、数据速率高、“永远在线”、费用低，因此就有了广泛的市场前景。 通用分组无线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ) p 1 是欧洲于1 9 9 3 年提出的一 种基于g s m 网的新业务，其标准化工作主要由e t s i 来完成。它是g s mp h a s e2 + 阶段引 入的种基于分组的数据业务，能够实现从空中接1 ：3 到外部网络之间的分组数据传输，g p r s 可接入基于t c p i p 的外部网络和x 2 5 网络。g p r s 有四种编码方式，可向用户提供从9 k b i t s 刮大于1 7 1 2 k b s 的接入速率：更为有效的利用无线资源，动态的向单个用户分配位于同一 载频上的1 8 个时隙根据业务流量和运营者的选择，无线接1 ：3 资源可在话音和数据业务 之间共享；g p r s 支持上行和下行身勺非对称传输，更为有效的实现与j p 网络互通：g p r s 从 协议层上提供了与i p 网络的互通功能。另外，g p r s 可更为便捷的实现与x 2 5 网络的互通： g p r s 对于i n t e m e t 的其他组成部分来说，只是一个普通的子网，用户在拥有一个电话号码 的同时，将拥有一个固定的或动态分配的f p 地址 1 2 1 g p r s 网络的总体结构 g p r s 系统是通过在现有g s m 网络基础上增加新功能实体来实现的。无需对现有g s m 网络作较大改造。g p r s 在原有g s m 网络的基础上增加一层网络。组成g s m g p r s 网络， g p r s 。在g s m 网络的基础上增加了服务g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n g g p r ss u p p o r t n o d e ) 、 g p r s 支持节点g g s n ( g a t e a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 、分组控制单元p c u 、计费网关c g ，域 名服务器d n s 和边界网关b g 等实体，同时通过g p r s 骨干网实现各实体间的连接“1 。 is g s n g p r s 支持节点称为g s n ，它包含能够支持g p r s 的所有功能。在个p l m n 内，可能 有多个g s n 。它相当于传统中的m s c n l r ，主要功能是对移动台进行鉴权和移动性管理 进行路由选抒建立移动台到g g s n 的传输通道。接受基站子系统透明传米的移动台数据 进行协议转换后通过g p r s 骨干网送给g g s n 或反向j ：作，并进行计费和业务统计。宽带 网中的数据通信 2 g g s n g g s n 是接入外部数据网的1 ，点，对外部网络来说，它是个子网路由器。g g s n 接受 移动台发送的数据，选路到相应的外部网络，戚接受外部网络的数据，根据其她址选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的s g s n 。此外g g s n 还有地址分配和计费等功能。 f | ! j 表述了一个g p r s 系统是如何摧合到一个g s m 网络中的。g s m g p r s 网络的覆盖 - 犀域被分成一些很小的区域称为c e l l s ( 蜂窝) 。蜂窝面积的划分从一平方公里到十平方公里 不等。在每个蜂窝的中心都有一个自己的b t s ( 无线基站) 。b t s 负责移动台和网络之间的 连接。而个b s c ( 基站控制器) 又控制着很多b t s 来负责不同蜂窝之间的数据传输。基站 子系统( b s s ) 包括b s c 和b t s 两部分。 圈1 1g p r s 网络拓扑陶 一般笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝网络电话上。g p r s 蜂窝电话与 g s m 基站通信，但是与电路交换式数据呼n q 不同g p r s 分组是从基站发送到s g s n ，而不 是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网绺上。s g s n 与g g s n 进行通信：g g s n 对分 组进行相应的处理。再发送到目的阿络，如i n t e r n e t 或x 2 5 网络。 来自i n t e r n e t 标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接受，再转发到s g s n ，继而传 送到移动台上。s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与移动台之问的接口。s g s n 的主要作埘是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台干g g s n 之间完成移动分组数据 的发送和接受。 g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接o s m 网络军外部分组交 换网( 如i n t e r n e t 和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用也有将g g s n 称为 g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网络中的g p r s 分绲数据包进行协议转换，从而可以把 这! 分组数据包传送到远端的t c p f i p 或x 2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议 ( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数据传输。图1 2 给出了g p r s 网络 结构的接入与参考点的简圈。 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过g p 接口接通 浙江大学硕士学位论文 的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点u m 接口用于无线通信接入而r 参考点j j _ j 二信息的产生或接入。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接口接入g p r sp l m n tr 则是 m t 和lt e ( 笔记本电脑) 之间的参考点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成，它们通过r 参考点组成一个整体，另外，m s 也可单独由一个移动终端( m t ) 组成一 g i 参考点 图1 - - 2g p r s 网络结构的接入与参考点 对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( p l m n ) 当它运行g p r s 业务时可能设计到 任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g j 参考点和g p 接口实行同 其他网络的互通。对于具有g p r s 业务功能的移动终端，它本身具有g s m 和g p r s 业务运 蓿磷提供的地址。这样，分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直接发 送数据。另外g p r s 支持与基于i p 的网络互通，当在t c p 连接中使用数据报时，g p r s 提 供t c p h p 包头的压缩功能。 1 2 2 g p r s 网络传输协议和信令平台 图1 。3 描述了移动台和服务器之间数据传输的协议栈根据i s o o s i 参考模型提出的 g p r s 传送协议主要用来处理g p r s 网元间的相互操作。在网络层之上，可以广泛采用各种 标准协议。这些协议的选择不在g p r s 规范范围内。在两个g s m 之间，g p r s 隧道协议( g t p ) 通过对协议数据单元( p d u ) 添加路由信息，把p d u 送入g p r s 留干网内的隧道进程。g t p 以下，可以使用t c w u d p 、i p 作为g p r s 骨干网络层协议。在f p 以下各运营商可以使用不 同的协议。其中，g p t ( g p r s 传输协议) 、l l c ( 逻辑链路控制层) 、r l c ( 无线链路控制 屡) 分别构成g p r s 网络各段的传输模式”。 g p t 协议j ；f | 予s g s n 和g g s n 之间的数据传输。所有点对点分组数据协议的p d uh j g f p 字头封装标识特定用户，并利用其下层的d u p f l p 协议提供无确认或有确认的数据传 输s n d c p 协议用于s g s n 和m s 之间的数据传输。它处于l l c 层之上，网络协议之下， 从移动台穿越b s s ，一直到s g s n 。 在m s 和b s c 之间的数据链路层微分成两个部分，l l c 和r l c m a c 层。l l c 协议提 供高速可靠的加密逻辑链路，以进行数据传输。l l c 与其下层的无线接口协议是相对独立 的，l l c 承载信令、s m s 和s n d c p 包。l l c 层有两种传输模式：确认模式和非确认模式。 一个l l c 帧内用户数据晟大限制在1 5 2 0 个字节。r l c 协议用于m s 和b s s 之间无线接口 u m 上的数据传输，可支持确认和非确认两种模式。l l c 帧进步在r l c m a c 子层分解成 无线链路控制r l c ) 块。一个r l c 块包含来自个l l c 帧的大约2 0 个字：铮，具体字节 数取决上j 所采用的无线信道编码方案。r l c 块经过编码后通过空中接口采用四个时隙传送。 6 - 图1 3g p r s 网络数据传输的协议栈 1 2 3 g p r s 网络无线接口和信道分配 g p r s 的无线接口u m 是移动台( m s ) 与基站( b t s ) 之间的连接接口g p r s 中接口 标准遵循g s m 系统的标准。- sg s m 系统相同，在g p r s 系统空中接口中，一个t d m a 帧 分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串”( b u r s t ) ，每个t d m a 帧的一 个时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道图1 4 说明了一个t d m a 帧的结构。 l - - 4 t d m a 帧的结构 与g s m 系统不同在g p r s 系统中，一个物理信道即可以定义为一个逻辑信道也可 以定义为一个逻辑信道的一个部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成m s 浙江大学硕士学位论文 与b t s 之间需要传送大量的用户数据和控制信令，不同种类的信息由不同的逻辑信道传送， 逻辑信道映射到物理信道上 1 分组数据链路逻辑信道 ( 1 ) 分组公共控制信道( p c c c h ，p a c k e tc o m m o nc o n t r o lc h a n n e l ) 。 ( 2 ) 分组广播控制信道( p b c c h ，p a c k e tb r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l ) 。 ( 3 ) 分组业务信道( p t c h ，p a c k e tt r a f f i cc h a n n e l ) 。 其中p c c c h 包括：分组随机接入信道( p r a c h ，p a c k e tr a n d e ma c c e s sc h 栅e d ，只存 在与上行链路，m s 用来发起上行传输数据和信令信息。分组接入突发和扩展分组接入突发 使用该信道；分组寻呼信道( p p c h ，p a c k e tp a g i n gc h a n n e i ) ，只存在于下行链路。在下行数 据传输之前用于寻呼m s 可以用来寻呼电路交换业务：分组接入许可信道( p a g c h ，p a c k e t a c c e s sg r a n tc h a n n e l ) ，只存在于下行链路。在发送分组之前，网络在分组传输建立阶段向 m s 发送资源分配信息。 p d c h 包括：分组数据业务信道( p d t c h ，p a c k e td a t at t a h s cc h a n n e l ，用于传输分组 数据。在p t m m 方式，该信道在某个时间只能属于一个m s 或者一组m s 在多时隙操作 方式时，一个m s 可以使用多个p d t c h 并行地传输单个分组。所有的数据分组信道都是单 向的，对于移动发起的传输就是上行链路( p d t c h u ) 对于移动终止分组传输就是下行链路 f p d t c h d ) ：分组相关控制信道( p a c c h ，p a c k e ta s s o c i a t ec o n t r o lc h a n n e l ) ，它携带与特定 m s 有关的信令信息这些信令信息包括确认、功率控制等内容它还携带资源分配和重分 配消息，包括分配的p d t c h 的容量和将要分配的p a c c h 的容量当p a c c h 与p d t c h 共享时，就是共享已经分配给m s 的资源另外，当一个m s 正在进行分组传输时，可以使 用p a c c h 进行电路交换业务的传输。 2 无线接口u m g p r s 的无线接口u m 可以用图l - 5g p r sm s - 网络参考模型来描述。m s 与网络之间的 通信涉及了物理射频( r f ) 、物理链路、无线链路控制媒体接入控伟 j ( r l c m a c ) 、逻辑链路 控制和子网依赖的汇聚层几个层次。 物理层分为物理r f 层和物理链路层两个子层。物理r f 层执行物理波形的调制和解调 功能，把物理链路层收到的比特序列调制成波形或把接收的波形解调成物理链路层所需要 的比特序列。物理链路层提供在m s 和网络之问的物理信道上进行信息传输的服务这些功 能包括数据单元成帧、数据编码、检测和纠正物理介质上传输错误。物理链路层使用物理 r f 层提供的服务。 数据链路层包括r l c 和m a c 两个子层。r l c ，m a c 层提供通过g p r s 无线接口传输信 息的服务。这些功能包括后向纠错过程。m a c 层提供多个m s 接入共享媒体的方法。 r 【，c m a c 层使用物理链路层提供的服务，u 井向上层( l l c ) 提供服务。 8 - 浙江人学硕士学位论文 n n r p s n d c p由g s m 0 3 6 0 定义 。 1tr 1 i r r i f l b i c m a r m c 由g s m 0 3 6 4 定义 物理 辛路塑理链蹬 物理r f物理r f m su m网络 图1 - - 5 0 p r s 的无线接口u m ( 1 ) 物理射频( r f ) 层 物理r f 层由g s m 0 5 系列标准定义，包括如下的内容：载波频率的特点和g s m 信 道结构；发送波形的调制方式和g s m 信道的数据速：发射机和接收机的特性及其 要求。 ( 2 ) 物理链路层 物理链路层运行在物理r f 层的上面，在m s 和网络之间提供物理链路。其目标是 通过g s m 的无线接口传输信息，包括r l c m a c 层的信息。物理链路层支持多个 m s 共享个物理信道。物理链路层的控制功能提供维持通信能力所需要的服务。 在g p r s 中不使用网络控制的越区切换，而是由m s 执行小区的重新选择。 ( 3 ) 媒体介入控制和无线链路控制层f m a c m l c ) m a c 层的功能定义了多个m s 共享传输媒体的过程，共享媒体由几个物理信道组 成。其提供了对多个m s 的竞争仲裁过程、冲突避免、检测和恢复方法。m a c 层 功能还允许单个的m s 并行地使用几个物理信道。r l c 功能定义了选择性重传朱成 功发送的r l c 数据块的过程。r l c m a c 功能提供了非确认和确认两种操作模式。 ( 4 ) 子网相关融合协议( $ n d c p ) 在m s 和s g s n 中s n d c p 位于网络层之下，逻辑链路控制层之上。它支持多种网 络层，这些网络层分组数据协议共享同一个s n d c p ，由此，来自不同数据源的多 元数据都能通过l l c 层。s n d c 实现了f 列功能：将接收白网络层的s n d c 原语 映射剑要传递到l l c 层的l l c 原语，反之亦然；采用多跆技术，将米自个绒多个 n s a p i 的n p d u s 复用到一个l l cs a p i 上：对冗余控制信息和h j 户数据的压缩：分 段和重组。 1 2 4 g p r s 网络的分组数据传送 在m s 进行分组数据传送之前必须先建立m s 与网络之间的物理连接( 即建立t b f ) ，并以 t b i 来标识，在物理连接基础上的数据链路连接刚t l l i 来标识，然后进入分组数据传送阶段。 m s 与网络之闻的分组数据传送可分3 种情况：m s 发起的( 上行) 、m s 终接的( 下行) 和上。f 行同时”“。 - 9 堑鎏奎兰堡主兰堡丝茎 ：一： 1 m s 发起的分组数据传送( 上行) ( 1 ) t b f 建立阶段( 上行接入阶段) 由m s 在p c c c h 上起始分组接入规程实现。当m s 高层发出传送l l cp d u 请求时， 则启动分组接入规程。该请求规定了与分组传送有关的参数( 如吞吐量、r l c 模式、无线优 先权) ，或者指出被传送的分组含有信令。r l c m a c 层接收高层的传送l l cp d u 请求后， 在p k a c h ( 或r a c h ) 上向网络发送分组信道请求( p a c k e tc h a n n e lr e q u e s t ) 消息。网络在 p a g c h ( 或a g c h ) 上做出响应。可以采用一阶段或二阶段分组接入法。 在一阶段接入中，网络接收到分组信道请求消息后，向m s 发出分组上行链路分配 ( p a c k e tu p l i n ka s s i g n m e n t ) 消息。在p d c h 上预留资源用作上行无线块的传送。这种资源预 留是根据分组信道请求消息中有关资源请求的信息进行的，可以在一个或多个p d c h 上为 t b f 分配上行链路的资源。在二阶段接入中，网络接收到分组信道请求消息后，也向m s 发出分组上行链路分配消息，但预留资源只是用作m s 发送分组资源请求( p a c k e tr e s o u r c e r e q u e s t ) 消息。该消息携带上行分组传送所请求资源的全面描述。网络收到该消息后，向 m s 发出分组上行链路分配消息。为上行分组传送预留资源，并定义有关分组数据传送的参 数( 如媒质接入模式) 。然后，m s 进入分组传送阶段。如果m s 在预定时间内没收到网络对 分组信道请求消息的响应，那么m s 在后退随机时间之后，再重试，直到摄大允许重试次数 为止 ( 2 ) 分组数据传送阶段 m s 按照接入阶段预定的媒质接入模式在预留的p d c h ( b pp d t c h ) 上完成分组数据传输 之后，由网络做出响应：当接收无误时，网络向m s 发出a c k ( 确认) 消息；否则发n a c k ( 否 认) 消息，并请求错误的数据块重传，直到网络正确接收为止。 2 m s 接受的分组数据传送( 下行) ( 7 ) 下行t b f 建立阶段 由下行分缎传送的寻呼规程和分组下行分配规程实现。设m s 处于分组空闲状态。当网 络向m s 传送分组时t 在p p c h 上向m s 发分组寻呼请求( p a c k e tp a g i n gr e q u e s ) f f j 息m s 为响应该消息起始一个类似分组接入规程的寻呼响应规程。网络在p a g c h 上向网络发出分 组f 行链路分 甄d ( p a c k e td o w n l i n ka s s i g n m e m ) 消息，网络在一个或多个p d c h 上分配无线资 源给m s 以建立下行t b f 。m s 在p a c c h 上向网络发出分组寻呼响应( p a c k e t p a g i n g r e s p o n s e ) 消息。 ( 2 ) 分纽传送阶段 其操作过程类似于上文中所述的情况。 3 上下行分组数据同时传送 10 - 浙江人学硕+ 学位论文 f 1 ) 当上行t b f 在进行分组传送时：m s 连续监视下行p d c h 上可能发生的分组下行链路 分配消息，从而具有多时隙能力的m s 可以在p d c h 上同时接收f 行分组数据 ( 2 ) 当f 行t b f 在进行分组传送时：若m s 要求发送分组给网络，m s 可以在其( 向网络) 发 出的确认消息中指明这一点( 不必发分组信道请求消息) ，由网络分配上行资源给m s 进行分 组传送。 1 3 本文的主要工作 提高无线网络性能是当前通信领域的一大热点。我们对如何提高t c p 在g p r s 网络上 的性能进行了一些研究。本文的主要工作是研究g p r s 网络信道，分析t c p 层如何影响g p r s 性能，从而提出一些改进现有t c p 的算法实现并这些算法，并且在模拟的g p r s 信道和 真实的g p r s 网络上做了一些测试，对测试结果和t c p d u m p 图定量进行了了分析。 第二章t c p 在g p r s 网络上的不适应性 t c p 是一种端到端可靠的传输层协议，很多i n t e r n e t 服务都使用t c p 作为传输层的协 议。本章首先介绍了t c p 协议和它的拥塞控制技术，随后从t c p 和g p r s 两个方面理论分 析了t c p 应用在g p r s 信道的不适应性，最后对浙江移动的g p r $ 网络进行了测试，从g p r s 信道的t c p d u m p 图定量的分析了g p r s 信道特征及典型的丢包原因。 1 t c p 概述及流量控制算法 t c p 是面向连接的端到端的可靠协议。它支持多种网络应用程序。t c p 对下层服务没 有多少要求，它假定下层只能提供不可靠的数据报服务，它可以在多种硬件构成的网络上运 行。图2 1 是t c p 在网络结构中的位置，它的下层是i p 协议。t c p 可以根据i p 协议提供 的服务传送大小不定的数据，i p 协议负责对数据进行分段重组，在多种网络中传送”1 。 应用层 t c p i p 传输网络 图2 一i 网络结构层次图 t c p 的上面就是应用程序，下面是i p 协议，上层包括一系列类似于操作系统中断的调 用。对于上层应用程序来说，t c p 应该能够异步传送数据。下层接口我们假定为l p 协议接 口。为了在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的传送数据，t c p 必须解决可靠性，流 量控制的问题，必须能够为上层应用程序提供多个接口。同时为多个应用程序提供数据，同 时t c p 必须解决连接问题，这样t c p 才能称得上是面向连接的，最后，t c p 也必须能够解 决通信安全性的问题。 我l f 】知道传统的网络流量控制机制主要有两种：窗口控制和速率控制，t c p 的流量控 制属丁前者，采用端到端的动态自适应滑动窗口控制算法。t c p 协议窗口控制有两种窗口 完成：通告窗口和拥塞窗口通告窗口义叫接受窗口( r e c e i v e dw i n d o w ，r c v w n d ) 是指 接受方当前所剩的接受缓冲大小，它由接受方通知发送方，从而控制发送流量大小，所以它 是一种接受方的流量控制；拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w ，c w n d ) 是发送方根据往返时延、 网络拥塞等因素自动控制的发送窗口大小，它属于一种预测似的流量控制。另外，在t c p 协议中发送端拥塞的检测是靠发现分组丢失，即检测两个标志：超时( 在指定时间内未收到 a c k 确认) 或d a c k ( d a c k 是指接受端在收到的报文序列发生不连续或混乱条件下发回的 确认报文) 。 - 1 2 浙江大学硕士学位论文 一 根据t c p 协议的发展和完善过程，流量控制算法包括慢启动、拥塞避免、快速重传和 快速恢复四种算法，它们根据传输过程中的确认a c k 或d a c k 反馈信号进行超时、丢包、 拥塞的智能判断，控制r c v w n d 和c w n d 大小，作出不同的反应，以下简要介绍这四种 算法1 1 1 2 。 1 幔启动 慢启动为发送方的t c p 增加了一个拥塞窗口，记为c w n d 。当和另一个主机建立t c p 连接时，拥塞窗口就被初始化为一个报文段( 即另一端通告的报文段大小) 。每收到一个a c k ， 拥塞窗口就增加一个报文段( c w n d 以字节为单位，但是慢启动以报文段大小为单位进行 增加) 。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是发送方使用的 流量控制而通告窗口则是接受方使用的流量控制。发送方开始时发送一个报文段，然后等 待a c k 。当受到a c k 时，拥塞窗口从l 增加为2 ，即可以发送两个报文段。当受到这两个 报文段的a c k 时，拥塞窗口就增加为4 。这是一种指数增加的关系。 2 拥塞避免算法 拥塞避免算法和慢启动算法是两个不同、独立的算法，但是当拥塞发生时，我们希望降 低分组进入网络的传输速率，于是可以调用慢启动来做到这一点。在实际中这两个算法通常 在一起实现。 f )对一个给定的连接，初始化c w n d 为一个报文段，门限阀值( s s t h r e s h ) 为6 5 5 3 5 个字节。 2 ) t c p 输出数据不能超过c w n d 和接受方通告窗口的大小。避免拥塞是发送方使用 的流量控制，而通告窗1 2 则是接受方进行的流量控制。前者是发送方感受到的网络 拥塞的估计，而后者则与接受方在该连接上的可用缓存大小有关。 3 1当拥塞发生时( 超时或收到重复确认) ，门限阀值被设置为当前窗口大小的一半 ( c w n d 和接受方通告窗口大小的最小值，但最少为2 个报文段) 。此外如果是 超时引起了拥塞，则c w n d 被设置为1 个报文段( 这就是慢启动) 。 4 1当新的数据背对方确认时，就增加c w n d ，但增加的方法依赖于我们是否正在进 行慢启动和拥塞控制。如果c w n d 或等于s s t h r e s h ，则正在进行慢启动，否则正在 进行拥塞避免。慢启动一直持续到我们回到当拥塞发生时所处位置的半时候才停止 ( 因为我们记录在步骤2 中给我们制造麻烦的窗口大小的一半) ，然后转为执行拥 塞避免。 拥塞避免算法要求每次收到一个确认时将c w n d 增加为i c w n d 。与慢启动的指数增 加比起来，这是一种加性增长( a d d i t i v ei n c r e a s e ) 我们希望在一个往返时间内最多为c w n d 增加一个报文段( 不管是在这个r t t 中收到了多少个a c k ) 。然而慢启动将根据这个往返时 间中所收到的确认的个数增加c w n d 。 3 快速重传算法 由于我们不知道一个重复的a c k 是由一个丢失的报文引起的，还是由于仅仅出现了儿个 报文段的重新排序，因此我们等待少量重复的a c k 到来。假如这只是一些报文段的重新排 序则在这个重新排序的报文段被处理并产生一个新的a c k 之前，只可能产生l 至2 个重 复的a c k 。如果如果一连串收到3 个或3 个以上的重复a c k ，就非常可能是一个报文段丢 - 1 3 = 塑奎墼堑型姿= = = = = 一失了。于是我们就重传丢失的数据报文段，而无需等待超时定时器的溢出。这就是快速重传 算法。接f 来执行的不是慢启动算法而是拥塞避免算法。 4 快速恢复算法 一般t c p 在收到3 个重复的a c k 之后没有执行慢启动。相反，发送方进行重传，接着 在收到重传的a c k 以前，发送了3 个新的数据的报文段m 在这种情况下没有执行慢启动的 原因是由于收到重复的a c k 不仅仅告诉我们一个分组丢失了。由于接受方只有在收到另一 个报文段时才会产生重复的a c k ，而该报文段已经离开了网络并进入了接受方的缓存也就 是说，在收发两端之间仍然有流动的数据，而我们不想执行慢启动来突然减少数据。 这个算法通常按照如下过程近进行实现： 1 ) 当收到第三个重复的a c k 时，将门限阀值设置为当前拥塞窗口c w n d 的一半。重 传丢失的报文段。设置c w n d 为门限阀值加上3 倍的报文段大小。 2 ) 每次收到另个重复的a c k 时，c w n d 增加一个报文段大小并发送一个分组( 如 果新的c w n d 允许发送) 。 3 ) 当下一个确认数据的a c k 到达时，设置c w n d 为门限阀值( 在第一步中设置的 值) 这个a c k 因该是在进行重传后的一个往返时间内对步骤】中重传的确认。另外，这个 a c k 也应该是对丢失的分组和收到的第一个重复的a c k 之间的所有中间报文段的确认。这 一步采用的是拥塞避免，因为当分组丢失时我们将当前的速率减半。 2 2 g p r s 网络中影响t c p 性能的特点 无线信道中中变化的时延会影响到t c p 的性能。信遒中的任何时延，都有可能导致t c p 数据包的丢失从而损害数据流的稳定性。当数据包的发送端没有及时得到这个包的确认t 就会启动慢启动和拥塞控制算法，这就会导致数据传输速率下降。当使用t c p 时，恶劣的 无线信道对稳定的吞吐量威胁很大。下面主要分析g p r s 信道是如何影响t c p 流传输的。 冈为g p r s 被设计为主要进行数据传输的网络，所以人们期望数据包在移动台和服务器 之间能够进行稳定的传输，网络情况运行良好，小时延并不影响传输。例如，t c p 可以灵 活的调整r t t 但是，下面是g p r s 信道对t c p 性能有反作用的一些特点。 g p r s 网络属于无线网络。具有一些与有线网络不同的特点，会导致t c p 性能下降。 包括q o s 分配策略引发的用户间资源竞争对信道造成的影响网络的不对称性，信道高错 误率和小区之间的切换等。在网络情况好的情况下，这些不会影响t c p 的数据传输，但是 在网络性能差的情况下，这些特征可能会造成长时延，甚至丢包。如果时延很长，发送端 r t o 定时器超时，就会认为数据包丢失重新发送数据包。而这时数据包还在无线网络中 并没有丢失，这就会导致网络中有重复的数据包。在范围很广的网络如l i n l e m e l 中也有类似 的情况发生。其区别在与g p r s 网络对于数据包的缓存能力更有限些。这样无线信道到移 动台( m s ) 之间的传输就会变成一个瓶颈会导致在s g s