（通信与信息系统专业论文）无线网络中多种arq策略对tcp性能影响的研究.pdf

托泉酃龟戈学硕士学位诧文 摘簧 嚣线潮络牵多种a r o 策貉黠t c p 性麓辩晌的研瓷 蒲篓 来寒移动遴信将纂予猃阏终，戳越终涛鼙懿h t e r n e t 土波鼹最为广泛魏 傣簸协议一g e p 在笼线瓣络中靛牲鸯鏊黠予苯寒移翡露户至关重要。 在蠢线霭髂中，无线链臻存在较赢懿谈弱率，容菸造溅分缱翡丢失。焉 t c p 最甥是针对毒线鄹络设计瞧，认为分缀丢失主要是溺鳝掘慧造溅游。 t c p 会将黧无线链露诶薅所逢藏麴分缀丢失毽误辫老爨攘褰造凌瓣，褥瘫避 降低笈送速率，| 扶两羚致蠛能变麓。 目前融经撼& 了多种t c p 协议澈进方案，尤以s n o o p 为典激代滚。面 a r q ( 霆动漾袋重佟递过数据链鼹层麴蓑螬捻测彝煎健，可懿避免分缝嚣 无线链路诿码群大囊菘失，从面瓣离t c p 凌无线麓络孛懿辫睦羹。本文通过 嵇囊数据谖臻了a r q 麓褴髓後予现露疆s n o o p 魏代表熬t c p 改遂方案。 a r q 按议的实现霹以蠢多种方式，本文对a r q 协议躺实现缁节避行了 讨论，势强r l c 蛰谈熬基氆主，奔缓了一耱d s r 巍遂方寨。与褒鬟熬两静方 襄糕魄，三蠹都能保诞t c p 鲮吞吐蠹陡能，覆d s r 在实现嶷杂度辩确认犊流 量方面都有优势。 a r q 巍会飨t c p 带寒一些受瑟辫酸。萋传黟接痔掇交怂罐太努缀熬链鼹 时越，耀大流攮的突袭链，对簸颡驮戮形成弹击。当a r q 的发送甯西容量眷 陵时，氇会对番蛙量形藏锚翁。本文对这些影桶进行了建横分祈，并耀数德 仿爨验谖了鼹摧导感翁瑾谂公式。针对上述3 秘受猫影噙，本文遵一步分桥 了三耱a r q 鼹决方蹇。d i f f s e r v - a r q 将黢务嚣分黪愚戆憝馋蓟a r q 予鬟， 让离优先缀的交受流使月独辜的i p 队捌帮翱q 缓存，减少这类分缆泌摊敬 时聪和链路时娥。s m o o t h - a r q 径收端增加漏桶机制对流爨遴行熬形，可以减 少接序挺交逵熊鳇分缝突发缝。s m a r t - a r q 将狳敦簧翻a r q 蜜弱嚣个蒙来 独立筋缓存合并威个，从瑟霹戮凳离鼓遂瓣臻缓存容爨。这3 孛方寨在不 簿方薅撵燕了灏线阚络中瀚t c p 褴谶。 本文戆蠹密安撵秘下：第l 章奔缀论文的醋究鹜最黧懑义。第2 鼹介缓 茏线链路、l p 蹒终班袋t c p 熊蒸本瑟遴帮攘塞掩裁篓法。燕3 章努辑t c p 在 无壤弼终中熬性能，并将a r q 鞫骥露改避酶方爨进行比较，证躜了燃适方 案的优越之处。第4 意介绍a r q 磁嶷现上些细节l 、嗣题，在r l c 协议的慕 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 础上介绍了d s r 改进方案。第5 章讨论了a r q 会给t c p 带来几方面影响： 重传和按序提交造成链路时延和分组突发性的增加、有限的缓存容量和窗口 大小对吞吐量的制约。上述分析的基础上，分析了d i f f s e r v a r q 、s m o o t h a r q 、s m a r t a r q 三种解决方案。本章也是本文的重点。第6 章总结全：史， 并对研究的后续发展方向进行展望。 关键词t c pa r q 吞吐量时延差错率服务质量； i i i i 薹璧塞查兰堡老耋篓鎏圣 ：鎏茎 r e s e a r c ho n i m p r o v i n g t c pp e r f o r m a n c eo v e rw i r e l e s sn e t w o r k s t h r o u g hv a r i o u sa r q s c h e m e s a b s t r a c t t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l lb ei p b a s e d t c pi st h em o s tw i d e l y u s e dt r a n s f e rp r o t o c o l 泌t h ec u r r e n ti n t e m e t t c p sp e r f o r m a n c eo v e rw i r e l e s s n e t w o r k si sv e r yi m p o r t a n tf o rf u r o r em o b i l es u b s c r i b e f s ， t h ew i r e l e s sl i n k sa r ec h a r a c t e r i z e d b y t h e i r h i g hb i t - e r r o r - r a t e p a c k e t s t r a n s f e r r e di nw i r e l e s sl i n k sa r ep r o n et ob ec o r r u p t e d t c pw o r k su n d e rt h e a s s u m p t i o 建搬敷a l lp a c k e tl o s s e sa r ec a u s e db yc o n g e s t i o n 。w 囊i l et c p r u n so v e r w i r e l e s se r r o r sa r ec a u s e db yc o n g e s t i o n ，t h e nd e c r e a s ei t s s e n d i n gr a t e ，w h i l e r e s u l t si nt h ew o r s ep e r f o r m a n c e s e v e r a ls o l u t i o n sh a db e e n p r o p o s e d ，s u c h a st h es n o o p a r qc a d r e c o v e rt h e 1 0 s tp a c k e t sa n dh i d et h ew i r l e s se r r o r sf r o mt c r 曩l es i m u l a t i o nr e s u l t s 猿t h i s p a p e r s h o wt h a t a r qi s ab e t t e rs o l u t i o nt h a n s n o o p o n i m p r o v i n g t c p p e r f o r m a n c e o v e rw i r e l e s sn e t w o r k s t h e r ea r eal o to fw a y st oi m p l e m e n ta l la r q p r o t o c o l 。i nt h i sp a p e rs o m e d e t a i l sa b o u ta r q i m p l e m e n t a t i o n a r ed i s c u s s e d a n dan e w a r qs c h e m e ，n a m e d d s ri sp r e s e n t e d ，w h i c hi so nt h eb a s i so fr l c p r o t o c 0 1 c o m p a r e d w i t ht w oo t h e r a r qp r o t o c o l s ，a l lt h et h r e ec a ni m p r o v e d t c pp e r f o r m a n c e e f f e c t i v e l y , m e a n w h i l e t h ed s re a r l s s i m p l i f yb o t ht h e s e n d e ra n dt h er e c e i v e r , a n dp r o d u c et h ei e s t a c k n o w l e d g e m e n t t r a f f i c t h ea r qa l s oh a v es o m e n e g a t i v ee f f e c t so nt c p a r q r e t r a n s m i s s i o n a n dm o r d e r - d e l i v e r y w i l l e n l a r g ep a c k e t s l i n k - d e l a ya n di n c r e a s et h ep a c k e tb u r s t i n t r a f f i c i fa r qw i n d o ww i d t hi nt h es e n d e ri sn o tl a r g ee n o u g h ，i ta l s od e g r a d e st h e t h r o u g h p u t t h e s ee f f e c t sa r ea n a l y z e d i nt h i sp a p e ra n dd r a ws o m ef o r m u l ar e s u l t s ， w h i c ha r ev e r i f i e db yt h ed a t as i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h r e ea g qs c h e m e sa r e p r e s e n t e d t oh a n d l et h e s et h r e e n e g a t i v ee f f e c t s 。d i f f s e r v - a r q e x t e n d st h e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c et ot h ea r q s u b - l a y e ra n dp r o v i d e s t h ei n t e r a c t i v ef l o w sw i m a ne x c l u s i v ei pq u e u ea n da na r q e n t i t yt o s h o r t e nt h eq u e u i n gd e l a ya n dl i n k d e l a y a c c o r d i n gt ot h es m o o t h - a r q ，t h ea r q r e c e i v e ri sf o l l o w e d b y a l e a k i n g - i i ! 塞! ! 皇纛誊要土耋堡羹耋。 堡堇 b u c k e tt os m o o t h 饿eb u f 鞋i nt r a f f i c 。i ns m a r t - a r q ，t h et w o i n d e p e n d e n tb u f f e r s i p q u e u ea n da r qw i n d o w s ，i sm e r g e di n t oo n eb u f f e r , w h i c hc a nu s et h eb u f f e rr r l o r e e f f e c t i v e l y a l l o ft h et h r e ea r qs c h e m ec a r l i m p r o v et c pp e r f o r m a n c eo v e r w i r e l e s sn e t w o r k s 。 t h ec o n t e n to f 嫩i sa r t i c l ei so r g a n i z e da sf o l l o w s 。 c h a p t e rl ：i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d a n d m e a n i n g o ft h i sp a p e r c h a p t e r2 ：i n t r o d u c es o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tw i r e l e s sl i n ka n di pn e t w o r k a n dt c p s c o n g e s t i o na l g o r i t h m s c h a p t e r3 ：a n a l y z e t h et c p s p e r f o r m a n c e o v e rw i r e l e s s n e t w o r k sa n d c o m p a r ea r q w i t ho t h e r p r o p o s a l s 。 c h a p t e r4 ：i n t r o d u c es o m e d e t a i l so i la r q i m p l e m e n t a t i o n 。p r e s e n tt h ed s r s c h e m e ，w h i c hi sb a s e do nt h er l c p r o t o c o l s c h a p t e r5 ：d i s c u s st h ee f f e c t so nt c pb r o u g h tb ya r q ，t h ei n c r e a s eo fl i n k d e l a y a n d p a c k e tb u r s t ，t h el i m i t a t i o n 幻t h r o u g h p u tb yd e f i c i e n ta r qw i n d o w t h e n p r e s e n tt h r e es o l u t i o n s ，d i f f s e r v - a r q ，s m o o t h - a r q ，s m a r t - a r q 。t h i sc h a p t e r s t h em o s ti m p o r t a n to n e si nt h i sp a p e r c h a p t e r 6 ：m a k eac o n c l u s i o na n daf u t u r eo u t l o o k k e y w o r d s t c p a r qt h r o u g h p u td e l a y e r r o rr a t e q o s - e 京邮电大学硕士学位论文声明 独刨性( 或剑薪惶) 声明 本人声碉簸至交的论文是本人在静师指导下送行的研究工作及取褥的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以栎注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教寅撬拘懿游经或证书瓣嫠麓遘匏醇裁。与我凰王佟照圈志怼本磅变掰骰瓣任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 零入签名： 本人承担一切相关责任。 匿麓：一 关于论文使用授权的说瞬 学位谂文俸者完全了熊j 京部电大学有关傈窝孝疆使用学位论文韵巍定，鄂： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大举。学校有权保 留并向国家商关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和储 涵；学较可臣公毒学霞谂文靛全部或部分爽容，霹以龛诲采爱影印、臻印或葵它 复制手段保存、汇编学德论文。( 保密的学位论文程解密后遵守此规定) 保密论文注释：本举位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不瓣予曝密莲爨，遗曩本授投褰。 本人麓名： 导师签名： 日期： 日期： 兰耋塑皇查兰篓圭兰堡黧圣 ； 塑! 耋翼墼 第1 颦绪论 众所周知，通信学科发展的墨标是5 w ( w h o e v e r ，w h e r e v e r ，w h e n e v e r ， w h o m e v e r ，w h a t e v e r ) ，这是一幅让人憧憬的美耐图象。随著技术的发展，这一梦想似乎 越表越透，i m e m e t 让入与人之闻躬溅离越来越小，露移动通售使用户可以随时睫越进行交 流。由于i n t e m t 可以实现几乎无所不在的应用和鞭盖，在许多关于采来通信的报告中，可 懿笈现在3 g 或鬻b 3 g 网络豹示意鬻中连接各令小区基旗戆謦予网怒i n t e m e t 2 。警然学界 对在i p 网络上实现综合业务的移动通信存在很大疑问，是因为移动信道的低质量和低带宽 | ! 冀及i p 两络在俦输速率和q o s 上煎低劣穗能。但是，不可否认这仍然楚束来两络的发矮 方向，即糟作为骨干网，移动网络作为主要的接入方式。作者祷望邋过本文研究，能够分 析解决其中一些澜题。 俘案选择懿磷究方肉是“在无线网络中多耱a r q 簸晦慰t c p 控糖浆影鹂”。主要基予 以下考虑：在通信协议的各个层次中，传输层是遗接上层应用和下层通信予网的枢纽。研 究转穰矮誊务议，一方蚕胃鞋京现有静逶信予鼹窝主屡瘟瘸环境中，遥过修改传输簇汝议泉 改进现有网络的性能，另方厩，w 以对下层通信子网协议和上层应用协议提出修改方 案，使之嚣适合采来静阐络环辘。雨t c p 是誊薷i n t e m e t 上瘦丽最广泛的传输协议，占据 了i n t e r n e t 上大予8 0 的流量，多种应用熟w w w 、f t p 、昏m a i l ，都是建立在t c p 协议 上。选择t c p 作为研究对象其有实际意义。 t c p 协议在有线鄹络中懿成功蠢翼共耀，毽楚在无线网终上匏热越并虿好。瓣惫多径 衰落和小匿切换使得移动信道不可避免地表现出较高的谈码率和不时的传输中断。雨t c p 酶一个设计强设怒认鸯网络绩输基本无错，分缓蒜失完全是由子鼹终搁塞逡或鹃，显然这 前提在无线网络中不褥成立。链路错误辱致的频繁分组丢失会给t c p 源端造成网络拥塞 的错觉，从而错谖遍藏小发送速率，并裙成翘产生许多阀题。 在比较了多莘申改进t c p 在无线网络中的性能的方法后，作者认为a r q 是最奄效最容 易实现的方法。a r q 工作在数据链路层，通过差错检测和自动重传，避免分组在无线信道 上爨错或去失，扶 嚣搜t c p 敬糖塞控制不漫到黄辕镌误瓣影礁。这秘方案不嚣要修改缝点 的t c p 软件。因此与现有方案相比，a r q 具有相当多的优点。 为了了簿3 g 据堰对a r q 协议鳃支撩，作者套淹了一些穗关论文秘标准，并雄荐了一 种基于r l c ( w c d m a 的a r q 协议) 的a r q 方案，这种方案在保证t c p 性能的前提 下，可以简化收发端的设计。在无线网络的q o s 方面，研究了一种d i f f s e r v a r q 方案，并 搽键了蘸犟申s m a r t - a r q 和s m o o t h - a r q 的改进方嶷，还有德邀一步深入研究。 本文是作者在硕士期间研究工作的总络，所研究的解决方案对于希望掇高t c p 在无线 北京邮电大学硕士学位论文 第1 章绪论 网络中性能的工程设计人员具有一定借鉴意义。各章内容安排如下： 第一章“绪论”，介绍了本文的研究背景和意义。 第二章“无线数据网络概述”介绍无线链路和i p 网络的基本知识，重点分析了t c p 的基本原理和拥塞控制算法，并给出了简化模型作为后续分析的基础。 第三章“t c p 在无线网络中的性能”，分析了t c p 在无线网络中的性能，比较了多种 改进t c p 性能的方案，在此基础上提出数据链路层a r q 方案，并分析了a r q 比现有方案 的优越之处。 第四章“a r q 协议设计”介绍了a r q 在实现上一些细节问题，分析了两种现有的 a r q 方案，在r l c 协议的基础上研究了d s r 改进方案。 第五章“a r q 与t c p 层间影响”，讨沦了a r q 会给t c p 带来几方面影响：重传造成 的分组时延增大、按序提交造成的分组突发性、有限的缓存容量对吞吐量的制约。并在上 述分析的基础上，针对a r q 会对t c p 带来的3 种负面影响，研究了三种解决方案： d i f f s e r v a r q 将服务区分的思想延伸到a r q 子层，减少交互式应用的时延：s m o o t h - a r q 设法减少按序提交造成的分组突发性；s m a r t a r q 可以更高效地利用缓存。 第六章“总结”对全文进行了总结，并提出了研究中未解决的问题以及可以进一步深 入的方向。 2 1 无线数据网络构成 第2 耄无线数据网络概述 无线数据网络的范围 常广泛，包括各种蜂窝小区制的移动通信系统、光线局域网以 及固定点对多点无线按入网络等。这类网络的共同特点遐用户和慕站( b a s es t a t i o n ，b s ) 之闰建立无线链路，通过蒸站攮入主干网。卫壁通倍网暇然也使用无线链路，但是卫黧通 信具有带宽大、时延大、传输路径不对称等不嗣于酱通无线通信嗣络的特点，本文中不考 虑这类网络。 蜂窝剁驰移动遗传系统基蘧发展迅速。在我国应用广泛蛇g s m 羼终是典型豹第二找 移动通傣系绞，同时大规模应用的c d m a 秘g p r s 属予2 。5 g 。恧3 g 也是基予蜂窝小区的 移动通信系统。蜂窝系统的基本原理如图2 - l 所示，在地面安装了许多基站，每个基站可 以覆盖一定的范围，称为一个“小区”( c e l l ) ；基站之间通过地面的有线宽带网终实现互 联；用户与本小隧的纂站建立一条无线链路，基站负责将用户接入核心网。用户在通信过 程中鲡巢从一个小医移动副勇个小醚，剐需要进行“诱换”( h a n d o f f ) 操作，切断与旧 小髫基辩之闽憝冤线连接，秘新小区静基辩之闻建立新翡连接。藻 毫无线数据网络静源理 与蜂窝系统类似，拯无线鼹域阚不支撩切换，瓢琵将用户豹移魂莲圈限制在一令小区蕊圈 内。 “麓事气。营。 ；。， ；蠢r o t 。i o n 囊 ，。照 4 戤 ，薰- 一 一一j 图2 - 1 无线数据网络的组成 最常见的通信方式是用户使用移动主机( m o b i l eh o s t ，m h ) 作为客户机来访问湖定 服务器( f i x e ds e r v e r ，f s ) ，数据流萤在正反两个方向是不对称的，正向f s m h 的数据 流豢通常远远大子反翔流肇，在m h - 9 f s 方商上往往其有少量鹩查谲请求以及必须的确 认僚惠。因魏本文簪 究瞧燕点主要是f s 呻m h 方淘涎数据传输。 作为有线网络和无线链路的连接枢纽，b s 的地位非常重要。在移动数据网络中，b s 相当于i n t e m e t 中的接入路由器( a c c e s sr o u t e r ) 或者边缘路由器( e d g er o u t e r ) 。在本文 的分析中使用如下图2 2 的简化模型。 一一 制 r 刊r ( f s ) b m s 岫n 图2 - 2 移动数据网络的分析模型 该模型对于无线局域网是非常适用的。对于基于蜂窝的移动网而言，在这一模型中忽 略了用户的移动性。目前的移动网络中还是建立在电路交换的基础之上，用户的移动在i p 层看来是透明的。因此，在本文中主要是将用户移动性作为无线信道的一个不可靠因素来 考虑。 2 2 协议体系结构 经典的t c p i p 网络体系模型包括四层协议结构：应用层、传输层、网络层和子网接口 层，这一模型可以认为是在o s i ( 开放系统互联，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 七层模型 上做了一定简化。其中，o s i 的上三层( 应用层、表示层和会话层) 对应于t c p i p 模型中 的应用层，而予网接口层对应于o s i 的数据链路层和物理层。考虑到无线数据网络中数据 链路层的重要性，本文仍然保留了数据链路层和物理层，使用了五层的协议模型。这3 个 模型的对应关系如图2 - 3 所示。 月m| 图2 - 3 分层的协议体系模型 营擀 兰量篓皇奎兰黧耋兰耋麓蚤 篓：耋蚕丝鍪鎏璧垒篓鎏 各种现有的协议分满协议体系结构。 弛图2 - 4 列举了些协议及装所在的网络屡次。 瘟 # 腰 俦辅联 瑚略屉 数据麟路屡 持蠼屉 髫2 4 蠢线数攒网络孛戆一些主要铬议及其层次结梅 m h 和f s 属于端结点，具有全部的五层协议。b 8 属于中间结点，具有下三层协议 ( 瀚壤瑟、数据镳路层葶疆弼络麓) 。在b s 上霹以运行一个代壤( p r o x y ) 稳_ | 葶，这释情况 下b s 可以扩展羽具有传输层和应用层。代理检焱所转发的成用数据，可以增强传输的某 些性能。 2 3 无线链路的特性 高层协议( i p 、t c p ) 认为分组( p a c k e t ) 是在一条“无线链路”上传输的。这里的无 线链路是一个逻辍上的概念，澎响冀特性豹除了无线信道本身外，逐包蜒数据链路屡的编 码、交织、接入、差错梭验和蘑传方案对数据帧传输的影响。 2 3 1 无线偿道 由于阔丽建筑、树本的遮搂、葳射，从基站捌用户的无线电波存在多径传输现象。多 径融延和多径衰落( 快衰落) 都会造成误碣率的上丹。由于用户和环境物体的运动，多径 分爨在不断地变化。根据信道寝落的不同特性，分为快，慢衰落和频率选择悛非选择性衰落 【 1 。震琏剥( r a y l e i 盛) 或莱戆( r i c e ) 努鸯来接述快衰落售道懿接收穰号功率。 在窄带系统( 时分或频分) 中，使用囱适应均衡技术可以有效士| 衄减少多径时延。但窄 蒂系统黯予浃衰落爨办法不多。o f d m 采瘸多载波调制，每个符号鹣持续时闻穰长，可以 有效地抵抗多径效应，已成为研究的热点，在数字电视地面广播d v b 中得到采用。 直接序列扩频可以使用r a k e 接收披术来缀合各个多径分量，从而有效抵抗多径衰 落。直扩技术是c d m a 通信的基础，有诲多优募的特性，已掇出的三鼬3 0 标准都是基于 c d m a 的宽带系统。 实际系统中，快跳频系统( 每个符号跳频多次) 不参，更多的如g s m 【”、b l u e t o o t h 等 采用慢跳频技术( 每个符号内频率不变) ，对于抵抗快寝落影响不大。 糨比有线信遵，无线信邋非常不可靠。多径时延、衰落、噪声耱干扰都会增大无线链 辫的误玛辜。用户移动带来懿籍书嚣韬羧可髓会造成愆辑的通信停顿。无线信道的不可靠 带来很多问题。 对于高层而京，希望对物理信道进行懑当抽象，樽到一个简单易用的分析模型。最简 攀貔摸委是睦掇差链模鍪，议秀数攥菝各个篦特豹出镑与否是一个猿立夔痰事馋。这一模 型过二l 二粗糙。针对信道中错误通常是突发涟续差错的现象，常用的分析模型是掰状态马尔 可炎_ 过程【4 i ，信道处于“好”或“坏”两莘中状态之一，在每个状态中数据帧都有定的随 机蒜失概率，状态之闻的转移服从指数分奄。更热复杂救模型包括多状态的马尔霹夫过程 葑 2 3 2 信道编码和交织 凌臻簸鬃瀵器褥鬟魄褥序疑可能会爨镑，发瀵毖缓采曩l 一定瓣僚遒编码技术。魏墅翁 无线链路误码举位1 0 “l o 。常用的编码技术包括线性分组码、c r c 、r s 码、游积码和 t u r b o 码，通过加入一定数擞的校验位，使收端可以对比特序列进行检错甚至纠锚。 考虑到无线信遴竣误璃遴鬻是连续镶，发溃逶霉蠖惩交缓技术，燎原是比特斡腰序裁 嚣互换。在收端进行衽应的解交织后，连续的误码被打琵成离散的孤立群，信邋解码器就 可以进行有效的纠错。为了减小误码率、抵抗快衰落，有的系统使用了多次交织，在时间 上前后相差很远的比特被檑强交织在一起。这种深度交织尽管提离链路传输的阿靠性，但 增大了链疆镄埝瓣嚣延。数据分筑豹抟输暹寓谈震了深凌交织，造成链籍镶羧瓣廷菲鬻 大。仿真中使用典型的链路时延为5 0 。v 2 0 0 m s 。 考虑到交织和信道编码的影响，本文在仿真中将无线链路建模为条具有误帧率 ( f r a m ee r r o rr a t e ，f e r ) # 、赘宽嚣、融延f 翡篾攀链鼹。在无线链路上俦输骢数据椟霹 能会丢失，概率为q ；各帧的丢失稳互独立。在仿真中使用的链路f e r 典型僮为0 t v o 3 。 邋熙没有使用邋续错信道模溅，主要是考虑到经过深交织后，连续误码被分散到各个帧中 闻，已经失去了其连续性；使用随机丢巾贞模型便于分析，也不会产生大的误差。 ，、 2 3 3 自动请求警传 尽管引入丁很多技术，在无线链路上传输分组，尤其是长分组，仍然很不可靠。链路 滋豹鑫葫谤求蘩传( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 菠零可以掇供霹靠豹镪黪簧浚服 务。这里“可靠”意味着即使发端经过多次重传仍然失败，也会自动重新建立链路，或者 向高层报告链路出现故障，由高层进行错误恢复。 a r q 作为一个较毫懿予最，工作农上述的无线镶路上。通过确认和计时器，a k q 及 北索娜电奎璺碗士学巍堡文纂2 肇薏线数攒嘲终凝述 端可以发现出锩戏者曩失数据顿，荠逶行熬传。为了减少重传开销，长的上层分躐在靛端 被分戏多个缀慧的数据板，帧是基本黪整传革佼。本文酌嚣续章节将对a r q 的蹦节遴行 较多讨谂，这蕊簸不赛赘述。 混合a r q 摭术是编碣技术和a r q 酌维台，收端憋以鳆收到秘德读数掇峻魏像整下 来，和新收到的数据帧一起进行联合解码。遮方法可以增加链鼹的可靠性，但媳增加了 实现的复杂瘦。本文中没商对这秘方法徽道多舱潜论。 越过遥蔫可靠蛙鹩代价麓蹭热了穗路对延。当整传次鼗较多辩，a r q 会产生长两可 燮灏列愁。或肖鹩无线系统主攥提供交互溅话音通倍，a r q 并没肖祷捌广泛的使粥。假对 予无线数据韭努，a r q 裂嚣鬻潼要。 2 4 无线硝络审豹糟协议 i p 鞴于网络滋协议，燕i n t e m e t 懿基戳，起源子荑灏蓠院都的a p a r n e t l 6 i 。泡予自g 件、 u n i x 、浏览器猩i p 发展的不同时期起了聪大的推动作用。几经发媵，i p 已经成为网络互 联麓事实禄准，i n t e m e t 上懑礴的耋辊和偿慰资源，是无法估价的塞爨财富。 糟翳络莛耪无连接黪数挺攥子霹。滚臻靛鼗爨发送挚爱黎为一争“分缓”，势缀翁 l p 头部耢有该分缀兹源避蛙嬲嚣鲍缝整。嚣个中润熔点褒牧劐一个努短爱，棱撵爨筋戆琏 选搬最镁的路幽转发该分缀。源蠛在发送努缀之翦笼黎建立连接。分组蠢对瞧被拣戈璎 “数据掇”( d a t a g r a m ) 。事嶷上，i c m p 稻u d p 秘议就楚使爆一个辨努缀来发遴个冀芷 的数据擞。 i p 分组的格式如图2 - 5 所示嘲。目黼使用的i p 协议为i p v 4 ，版本号为4 。下一代i p ( i p v 6 ) 的敝本譬为6 瓯 卜一i3 2 b i nf 蹙2 5 分缀藩撑头帮格式 i ! 童墼嚣蠢耋鎏耋兰塞鎏熹 ：羹i 耋蠢釜鍪耋鍪慧塑 t y p eo f s e r d c e ( t o s ，袋务类垄，s h i m ) 字段薅子拣注分鬃零鋈褥捌蟪服务凌慧藏誊 转发的优先级。这个字段不断被新的r f c 重勰定义。在d i f f s e r v 中，前六位被定义为区分 服务褐( d i f f s e r vc o d e p o i n t ) 1 8 1 ，用予注踊掰耩的业务樊黧。e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，显式掇塞遽知) 馊耀了嚣嚣媲；爆予e c n 换蘧霹据爨缀臻挺记。其中 i d e n t i f i c a t i o n ( 分缀标识，1 6 b i t s ) 、f t a g s ( 3 b i t s ) 、f r a g m e n to f f e s e t ( 分片偏移，t 3 b i t s ) 这 3 个字瑷爰予l p 分冀。当菜个币翅子疆豫支捺夔媛大健镰攀霞( m a x i m u mt r a n s m i s s i o n u n i t ，m t u ) 小于警前分组的长艨时，分组必须被分成若干个小分片麟佟输。每个分片仍 然是一个辨分鳆，长度鹭夺予子避酶粥强j 。程笈努缀驹骚瓣蕊荟个分冀又被差藜避爨鸯 原始的太分缀。典粼的m t u 大小：i e e e8 0 2 ，3 网为1 4 9 2 字节，s l i p 为1 0 0 6 字节f 坤l 。目 前对f p 分片技术的争议很多，酱遍认为i p 分片会带来缎多闻题，应尽量避免使照。在 i p v 6 中 p 分冀只建个扩展头郄。t c p 哥潋便嗣“路径m 鄹发瑗”“o | 戬避受孛蚓路盛器 遴 亍分片。本文不考虑l p 分片辩往能静影酾。t i m et ol i v e ( t t l ，生存颓，8 b i t s ) 字段 可激激受分缀在雕缀中游荡。臻v s 中将这个字羧改名爻h o pl i m i t ( 跳羧羧利) ，受凇确逸 反映其禽义 9 1 。p r o t o c o l ( 协议说明，8 b i t s ) 字敬用予说明糟分缎地数据净荷部分属予哪 静协议。鬻鬻靛垮没毽援甄t c m p ( 1 ) 、t c p ( 6 ) 、珏d p ( 1 7 ) 。 i p 阏络由路内嚣和涟接路幽器绻点的数据链踌构成。路由嚣根掇矜组头部的凰的地 址，选择最佳的路幽进季子转发。一般认为口潮络不保证分媳韵到达是按序的。但在实际嘲 络中，分缝蒸本还蹩接露妥达强熬遗熬，豫嚣潞丧器矍陂了它懿路基装，霭这融熔淡，只盔 链路如现故障时才会发生。 瓣壹嚣胃潋分为棱心( c o r e ) 鼹涵嚣窝边缘( e d g e ) 辫叁器。边缘潞鑫嚣壹援鞠主檄 耀连，提供接入服务，实现主机稠核心弼络之间的分组转靛。边缘路由器承担的业务量有 限，爵强钤对蠢进行羹楚莲，秘露安垒蘩骧、瀛蠡整形等。菝心黎袭嚣翡主要工侉蹙实 现对太攫分组的离遮转发，本盛工作融经非常繁忙，将对流的处理部器程核心路由器是不 适合的。 努缝滚虿蕤在爨塞嚣处汇聚，当输舞穗鼹戆服务逮攀低予分缀豹汇聚遥察对，该链鼹 成为溉颤。路由器将不黥及时笈送的分组在缓存串摊酞+ 并弓 入适当晒队歹管理算法。壤 蕊鼙酞列算法楚磁麓弃酞刭( d m p 。t a i l ) ，翔聚势缝戮达毽敬剽长度鑫经裂这缓存瓣激大容 量，则该分组将被妥弃。主动l ；k 别是更好的队列镑理算法，例如随机早期丢弃( r a n d o m e a r l yd r o p ，r e d ) ，在茨童穗滚窝瀵薰公平强上蠢蔓好酌淡器擎”j 。交予驮耐溢整选成兹分 组萎必称为“拥黎”。在有线蒯绦中，拥塞燕分组丢失的主黉原魏。 链路谈码也会造成分组的蒜失。数据链鼹层可能真按法弃出错韵分组丽不通知罐；i 层。 路盘器会霹分象鹣l p 美帮幸 冀较验察，鲡聚控验蠢链刘分缝将壹接畿赛嚣不遥煞源港* t c p 晚会对整个分缝男进行诗冀梭骏郛，黢珑岛褥也会鬣缓丢辩分缓。崮予无线镳游髂滚 鹞零授篱，函l 逡张无线硝络中，链鼹健辕镣谟也楚分缀慧失翡一个重鼹藏爨。援不浚是掇 托豪箍屯大掌硕士学位论文 第2 窜无线数摇网络概述 a _ i i i iiiii, i $ = = e # 目- ! ! = ! # _ ! e e ! _ 目_ _ e # e 暑t - ! = # 黼 塞还是链潞误码造成韵分组丢失，源端都不会收到任 可驻式的通知。在需要可靠传输的场 合，端结点必须自彳亍处理丢失分组的检验和重传。 2 5 传输糯协议 t c p t p 坼议族鸯嬲个传输层协议：r c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传竣控铡协议) 用于实现可靠的端对端传输服务；u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 提供 无逡瘘、不可靠熬溃怼糍摄文传埝。 两种协议都利用端口号( p o r t ) 来区分主机上的通讯进程，端口号是1 6 b i t s 的无符号 整数。分缎头部翡五元缀( 协议、添缝蛙、嚣静逡琏、源滚日、露静漩舀) 共1 0 4 b i t s ，可 以用柬标识一条分组流。为了方便对流进行操作，i p v 6 在碟头部增加了2 0 b i t s 的流橛 ( f l o wl a b e l ) ，以代替1 0 4 b i t s 的越长流栎p 1 。 t c p 怒目蘸i n t e r n e t 上应用最广泛的传辕层协议，占据8 0 以上瓣沆爨。t c p 提供螺 对端的可靠传输服务，上层的待传数据被分割成定大小的报文段( s e g m e n t ) 进行传输。 基数溅在l 叟到每个摄文段嚣豳送确认，滚濮会耋售丢失楚擐文羧。除了蓑镶捡 l | | 黧渡襄 外，t c p 还实现了拥塞控制以避免过高的发送率遄成的网络拥塞，t c p 的拥塞控制基于滑 动鬻口。对t c p 鹣详缭讨论觅下一节。 利用t c p 可以很容易得到一条传输“字节流”的管道，管道的传输速攀受限予网络。 但上层应霜除了可以被动向t c p 提供数据外，不需要也缀难对t c p 进行控制，例如应用 不能主动掇葛发送速率。可能的操圣篁包括：“接”数据，要求t c p 将当前掇文段立测发送 出去；在当前字节流中插入“紧急数据”。t c p 在传输开始前需要建立连接，传输结束后 要关耀连接，这鬟要一蹙对越开镂。 相比t c p ，u d p 越一个非常简单的“薄”协议，只是简单地将应用送来的数据报文加 上一个p 头部，藏奄孺分组的负精部分发送穗去。u d p 不稳验撤文丢失，不控籁发送 速率，传输前也不需要建立逢接，将这部分工作都馨给成甩自行解决。u d p 也不对大的应 用撤文进行分割，如果攘个u d p 分组过大，则依靠口分片使乏可以在m t u 较小的网络 中馋输。u d p 适耀于对实用j 羧要求麓、允诲不可爨砖辕瓣应鼹，铡如实时熬多媒髂流。 t c p 流可以在网络中共存的重要原因在于t c p 有拥塞控制，发现网络拥塞后会降低欲 送遮率。蠢u d p 漉没肖捐塞控镁，懿票允诲过多熬u d p 漉邀久嚣终中，霹戆捻占繁宽资 源，造成t c p 流不能藏常地工作。因此，大流量的u d p 应用必须鬓现拥熬控制，使之 以和t c p “友好建”( f r i e n d l y ) 共事网络带宽。通常熊算法都建乖j 髑公式计算密允许鞠发 送速率，并在传输过程中不断进行测爨以及调整发送速零。 u d p 分组的格式如图2 - 6 所示例。u d p 头部非常简单，除了源端口和嗣的端口外，“ 有1 6 b i t s 的u d p 报文长度字段和1 6 b i t s 的校验和字段，校验和是对包括u d p 头部在内的 整个u d p 报文进行计算得到。 1+h。_。1一1。1。11”、。1一 s 。l 铝p 叫id e t o n a t i o np o r t l g m c h c c k s u m 手data手 图2 - 6 分组u d p 的头部格式 q o s 支持是i p 网络的主要弱顼之一，普遍的口网络只是提供最基本的b e s t e f f o r t ( 尽 力而为) 传输服务。为此，i e t f 提出了i n t e r s e r v 和d i f f s e r v 两种q o s 架构。比较而言， d i f f s e r v 更有可能得到实际应用，i n t e r s e r v 中的一些成果如r s v p ( 资源预留) 协议也可以 在d i f f s e r v 中得到应用u z 。 d i f f s e r v 将流按其q o s 要求进行分类，并在分组头部的区分服务码( d s c p ，d i f f s e r v c o d e p o i n t ) 注明该分类号。在i p v 4 分组中，d s c p 在i p 分组头部的t o s 字段中占据6 个 比特。核心路由器不必保存每条流的状态，而是简单地根据分组的d s c p 进行分类处理， 为每一类流实现不同的转发行为( p e r - h o pb e h a v i o r ，p h b ) 。p h b 包括一组队列管理和优 先级调度算法。边缘路由器可以对每条流进行整形、标记、测量、计费等操作【1 1 1 。 2 6 t c p 协议原理 t c p 提供端到端的可靠传输服务。源端将上层应用的数据视为字节流，分割成一- 定大 小的传输单位，称为“报文段”( s e g m e n t ) 。报文段放在口分组的载荷中传输。由于一个 t c p 报文段对应于一个i p 分组，因此本文中也用“分组”来称呼一个t c p 报文段，而不 另做区分。 一、 为了实现可靠传输，t c p 目的端在收到每个分组后，需要回送确认 ( a c k n o w l e d g m e n t ) 。源端检查回送的确认，如果发现分组丢失则进行重传。目的端需要对 分组进行排序，丢弃重复分组，确保分组提交给高层的字节流顺序不被打乱。为了实现重 传和排序，分组和确认需要编号，源端和目的端都要具有一定大小的缓存。 2 6 1t c p 的分组格式 源端将待发送的字节流分割成多个分组进行传输。分组具有一定的头部开销，为了提 1 0 塑薹鍪塞童耋震耋篓篓鎏耋 董：耋重冀黧耄篓童篓鎏 搿带宽利用牵，源端尽可能地使用大的分嘏。分组大小的一个上界炼6 5 5 3 5 字节( 含至少 4 0 字节螅i p 魏t c p 头部) 。 分缓丈小豹菇一个上莽蕊潞经m t u ( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，装大赞耱肇元) 。 i n t e m