（通信与信息系统专业论文）异构网络中的tcp拥塞控制策略研究.pdf

重庆邮大学硕士论文 摘要 摘要 随着通信技术的快速发展，通信网络的应用范围越来越广，人们的要求也越 来越高。传统的固定有线网络已经远远不能满足人们的需求，人们希望能在任何 时候，任何地点与任何人进行通信。而具有可移动性又易于扩展的无线网络正符 合这一要求。因此，有线网络与无线网络的融合成为了一种必然，并且这也成为 了目前通信领域中的一个普遍现象，通常情况下这种结构的网络被称为异构网络。 网络拥塞控制问题一直以来就是网络研究中的重要领域。传统的t c p 协议最初是 为有线固定网络设计的。由于异构网络中的无线链路易受环境影响，随机比特出 错率高，网络延迟长，双向带宽不平衡，终端主机移动等，使得传统的t c p 协议 应用在异构网络环境中时性能低下。因此异构网络下的拥塞控制问题成为能否提 供高效的因特网服务，保障网络服务质量的关键问题之一。 首先，本文介绍了拥塞的概念及拥塞产生的原因，深入研究了t c p 拥塞控制 机制的三个基本算法，并通过对典型t c p 协议的分析加深对拥塞控制机制的理解。 其次，全面分析了异构网络环境下影响t c p 性能的各种因素，对异构网络中 的几种改进方案进行了分类研究，为改进算法的提出提供了方向。 再次，针对异构非切换网络提出了一种改进t c p 算神c p b r 算法。该算 法利用往返时延能够反映网络状态的特点对拥塞窗口和慢启动阈值进行实时更 新，并且在拥塞避免阶段可以有预见性的避免即将到来的拥塞，在数据包丢失后， 根据丢包原因不同而采取不同的恢复措施。仿真结果表明该算法的性能比传统的 t c pr e n o 的性能有明显提高。 最后，在t c p b r 算法的基础上提出一种适合异构切换网络的改进算法 t c p b m 算法。该算法利用带宽测量方法及时发现切换的发生，从而及时的更新 最小往返时延值，并且利用估算的带宽对s s t h r e s h 进行合理设置。仿真结果表明该 算法与传统的t c pr e n o 算法和t c p b r 算法的性能相比有明显提高。 关键词：异构网络，t c p ，拥塞控制，网络测量 重庆邮大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eh i g l ls p e e dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , t h e k i n d so ft h en e t w o r k sa p p l i c a t i o na r eg e t t i n gm o r ea n dm o r e ，a n dp e o p l e sr e q u e s ti s a l s og e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r t h ew i r e dn e t w o r k sc a l l tm e e tp e o p l e sn e e d p e o p l e h o p et h a tt h e yc a nb ea b l et oc o m m u n i c a t ew i le a c ho t h e ra ta n yt i m ea n da n yp l a c e t h ew i r e l e s sn e t w o r kw h i c hc a nb em o v ea n di s e a s yt oe x p a n dj u s t l ym e e t st h e r e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，t h em i xo ft h ew i r e dn e t w o r ka n dt h ew i r e l e s sn e t w o r ki s n e c e s s e r y , a n dt h i sp h e n o m e n o ni sa l s oa l r e a d yb e c a m eac o m m o n u s u a l l yt h i sl 【i i l do f n e t w o r ki sc a l l e dt h eh e t e r o g e n o u sn e t w o r k s i n c et h en e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o l q u e s t i o nh a sb e e ni m p o r t a n ti nt h en e t w o r kr e s e a r c h t h et r a d i t i o n a lt c pa g r e e m e n ti s d e s i g n e df o rt h ew i r e dn e t w o r kf i r s t l y b e c a u s et h ew i r e l e s sc h a i ni nt h eh e t e r o g e n o u s n e t w o r ki se a s yi n f l u e n c i n gb yt h ee n v i r o n m e n t a l ，a n di th a sh i g hb i te r r o rr a t i o ，l o n g d e t e n t i o no ft h en e t w o r k ，u n b a l a n c e db a n dw i d t h ，m o v e dt e r m i n a la n ds oo n b e c a u s eo f t h e s et h et r a d i t i o n a lt c pa g r e e m e n th a sl o wp e r f o r m a n c ew h e ni ti su s e di n t h e h e t e r o g e n o u sn e t w o r k s ot h ec o n g e s t i o nc o n t r o l o ft h e h e t e r o g e n o u sn e t w o r ki s i m p o r t a n tf o rt h eh i g h l ye f f e c t i v es e r v i s eo f t h ei n t e m e t f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fc o n g e s t i o na n dt h er e a s o n sc a u s i n gt h e c o n g e s t i o n w er e s e a r c hd e e p l yi n t h et h r e ep r i m a r ya l g o r i t h m so ft c pc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i ma n dt h ea n a l y s i so ft h er e p r e s e n t a t i v et c pa g r e e m e n th e l pu st o u n d e r s t a n dt h ec 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 ，i ta n a l y s i s e sr o u n d l yt h ef a c t o ri n f l u e n c i n gt h et c pp e r f o r m a n c ei nt h e h e t e r o g e n o u sn e t w o r k t h e ni tc l a s s i f i e st h ei m p r o v e m e n tp r o g r a m si nt h eh e t e r o g e n o u s n e t w o r ki n t ot h r e ek i n d s ，p r o v i d i n gt h e d i r e c t i o nf o rp r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n t a l g o r i t h m t h i r d ，i tp r o p o s e so n ek i n do fi m p r o v m e n tt c pa l g o r i t h m t c p - b ra l g o d t h mf o r t h en o n - s w i t c h e dh e t e r o g e n o u sn e t w o r k t h i sa l g o r i t h mu s i n gt h er o u n d - t r i pl a t e n c y c a l lr e f l e c tt h es t a t eo ft h en e t w o r kr e n e w st h ec o n g e s t i o nw i n d o wa n dt h es l o ws t a r t t h r e s h o l do nt h er e a l - t i m e ，a n di tc a na v o i dt h ec o n g e s t i o np r e d i c t a b i l i t yw h i c hi s f o r t h c o m i n g a f t e rt h ed a t ap a c k e tl o s i n g , t c p b ra l g o r i t h mw i l lt a k et h ed i f f e r e n t r e s t o r a t i o nm e a s u r e sa c c o r d i n gt ot h ed r o pr e a s o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a lt c p r e n o 重庆邮大学硕士论文 a b s t r a c t f i n a l l y , a ni m p r o v e m e n ta l g o r i t h mn a m e dt c p b ma l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e d o nt h et c p b ra l g o r i t h mf o rt h es w i t c h e dh e t e r o g e n o u sn e t w o r k t h i sa l g o r i t h mu s e s b a n d w i d t hm e a s u r i n gt od i s c o v e r yt h eo c c u r r e n c i n go ft h eh a n d o v e r i n gt h u sr e n e w st h e s m a l l e s tr o u n d t r i pl a t e n c y ，a n du s e st h ee s t i m a t i n gb a n d w i d t ht or e a s o n a b l es e tt h e s s t h r e s h t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sa l g o r i t h mi sb e s tc o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lr e n oa n dt h et c p b ra l g o r i t h m k e y w o r d s ：h e t e r o g e n o u sn e t w o r k s ，t c p ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，n e t w o r km e a s u r e m e n t 重庆邮大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 异构网络中t c p 拥塞控制的研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着通信技术的快速发展，通信网络的应用范围越来越广，人们的要求也越 来越高。传统的固定有线网络已经远远不能满足人们的需求，人们希望能在任何 时候，任何地点都能进行通信。而具有可移动性又易于扩展的无线网络正符合这 一要求。因此，有线网络与无线网络的融合是一种必然，并且这也已经成为目前 通信领域中的一个普遍现象，通常情况下这种结构的网络被称为异构网络n 3 。 文献乜1 中将异构网络定义成是将具有不同媒体、不同性能的子网统一构建成的 逻辑网络。异构网络按照其网络拓扑结构的形式可以分为三种：有线网络与有线 网络之间的异构，无线网络与无线网络之间的异构，有线网络与无线网络之间的 异构，其中有线网络与无线网络的异构又可以分为切换和非切换两种形式。 网络拥塞控制问题一直以来就是网络研究中的重要领域，也是网络研究的热 点n 1 。传统的t c p 协议是为有线网络设计的，在有线网络环境中性能表现良好。 由于异构网络中的无线链路易受环境影响，并且无线网络具有误码率高，网络延 迟长，带宽不对称等特点，使得传统的t c p 协议应用在异构网络环境中时性能低 下。因此异构网络下的拥塞控制问题成为能否提供高效的因特网服务，保障网络 服务质量的关键问题之一船钉。 1 1 2 研究意义 在上个世纪7 0 年代，为了实现网络之间的相互连通，提出了t c p i p 体系结 构和协议规范巧1 。t c p i p 协议为互联网提供了基本的通信机制。作为传输层的核 心协议，它的主要功能是为网络用户提供可靠的端到端数据传输服务。 但是我们知道，最初的t c p 协议是针对有线固定网络进行设计的，它的实现 依赖于有线网络的链路特性。在有线固定网络中，由于误码率非常低，所以t c p 发送端一般都将丢包原因归结为网络拥塞，根据t c p 算法发送端就会启动拥塞控 制算法来降低数据的发送速率，从而降低向网络中注入数据流的速度，缓解网络 拥塞，这种拥塞控制机制对于有线网络是非常有效的，在拥塞发生时能够及时的 重庆邮大学硕士论文 第一章绪论 调整发送窗口，避免了更严重的网络拥塞，防止了数据包的进一步丢失。t c p 协 议最开始就是为有线网设计的，当时并没有考虑到无线网上诸多复杂的情况。现 实情况是，无线网络与有线网络相比有着更为复杂的特性，误码率相对更高，丢 包原因也不仅仅只是网络拥塞引起的嘲。此外，无线网络还具有多种信道衰落，终 端移动性等区别于有线固定网络的特点盯一。在无线网络当中，如果出现丢包，按 照原有的t c p 算法，发送端将会认为丢包是由网络拥塞引起的，从而采取拥塞控 制措施，减小发送窗口，降低数据包的发送速率如果丢包确实是由网络拥塞 引起的，那么这一措施将会非常有效地控制网络拥塞的进一步发展，如果丢包原 因并非是网络拥塞，那么这一措施无疑并不能解决丢包问题的本身，反而还因为 错误的减小了发送窗口，降低了资源利用率，导致了t c p 的性能的下降。所以如 果将原有的t c p 协议直接应用于异构网络当中时，其性能将会出现明显的下降。 因此，如何提高t c p 在异构网络环境下的性能具有非常重要的意义1 。 目前，对于t c p 协议的改进主要集中在对其拥塞控制机制的改进上。最初的 t c p 协议的拥塞控制机制规定规定：网络中一旦出现丢包，t c p 发送端就将慢启动 阈值设置成当前拥塞窗口的一半，将拥塞窗口设置成l ，通过减小向网络中的数据 发送量来控制网络拥塞，避免网络拥塞加重引起数据包的进一步丢失h 3 。随着网络 技术的迅猛发展，各种网络应用不断涌现，并且网络结构也越来越异构化，控制 网络拥塞问题已经不能简单地通过升级网络设备，增加网络带宽进行解决。因此， 提出一种更适合的拥塞控制策略来控制网络拥塞势在必行。 1 2 本文的研究内容、目标及方法 1 2 1 研究内容 随着网络技术的快速发展，传统的有线固定网络已经远远不能满足人们日益 增长的需求，人们希望能够随时随地的上网，随时随地的从网上获得各种各样的 信息，于是无线网络成了人们关注的热点h 】。而无线网络作为新兴起的一种网络， 并没有适合自身的传输协议。传统的t c p 协议虽然在有线网络上是十分有效的， 但它并不适用于特性复杂的无线网络。因为异构网络是由有线网络和无线网络共 同组成的，因此研究异构网络中的t c p 协议主要集中在对其中的无线网络的t c p 协议进行研究。主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 对仿真工具n s 2 和m a b l e 进行相关研究，为协议的仿真验证工作打下坚实 的基础； ( 2 ) 对传统t c p 协议拥塞控制机制进行分析研究：在深入了解有线固定网络环 2 重庆邮大学硕士论文 第一章绪论 境的特点的基础上，分析几种经典t c p 协议的基本原理及其局限性； ( 3 ) 系统分析异构网络环境下的传统t c p 性能：一是深入分析传统t c p 技术 在异构网络环境下所面临的问题，以及异构网络环境中影响t c p 性能的主要因素； 二是剖析传统t c p 拥塞控制机制( 包括慢启动、拥塞避免、快速恢复与快速重传) 在异构网络环境下存在的问题或不足；分析各种非网络拥塞引起的数据丢失所对 应的网络状态以及按传统t c p 技术处理所存在的问题；研究增强t c p 性能的t c p 拥塞控制改进措施和具体方案，并分析其在异构网络环境下的有效性。 1 2 2 研究目标 传统的t c p 传输控制协议主要工作在误码率低、时延带宽积较小的网络环境 中。但在异构网络中，误码、路由中断等引起的丢包以及动态的链路特性将大大 影响t c p 协议的性能，因此，需要研究新的传输层拥塞控制策略。 本文的主要研究目标是针对异构网络环境中的异构特性( 既有有线固定网络 又有无线网络) 以及无线网络具有误码率高、终端移动性等特点，研究t c p 拥塞控 制机制，分析t c p 协议的性能，分析现有t c p 拥塞控制机制在异构网络下的有效 性，探索如何区分数据包丢失原因，研究异构网络环境下基于网络拥塞引起数据 丢失的t c p 拥塞控制改进方法，以及异构网络环境下基于非网络拥塞引起数据丢 失的t c p 速率调节方案，最后针对这种异构网络提出行之有效的拥塞控制改进策 略。 1 2 3 研究方法 本文的研究方法总体上采取以下六个步骤：( 1 ) 算法设计；( 2 ) 算法分析；( 3 ) 算法实现；( 4 ) 网络仿真验证；( 5 ) 性能评估；( 6 ) 算法改进；遵循( 1 ) 一 ( 2 ) 一 ( 3 ) 一 ( 4 ) 一 ( 5 ) 一 ( 6 ) 一 ( 4 ) 一 ( 5 ) 一 ( 6 ) 的研究路线展开的。 在网络仿真验证及性能评估过程中，除了采用伯克利大学洛伦兹国家实验室 开发的网络仿真工具n s 2 对算法进行仿真之外，还采用了m a b l e 仿真软件对结果 进行相关处理，通过比较实验结果与算法预期结果来验证算法的正确性与可行性。 i 3 论文结构 本文共五个章节，内容结构安排如下： 第一章概要说明了本文的研究背景，研究意义及研究现状，接着给出了本文 的研究内容、目标和方法，最后给出了全文的结构安排。 3 重庆邮大学硕士论文 第一章绪论 第二章首先说明了什么是拥塞以及拥塞产生的主要原因，详细介绍了t c p 协议基本原理及拥塞控制机制的具体算法，分析了几种典型的t c p 拥塞控制机制 及其存在的问题。 第三章仔细分析了有线与无线异构这种网络环境的特点，重点研究了这种异 构网络的研究进展、研究成果及研究方向等，对现有的改进方案给出了具体分析。 第四章着重分析了t c pr e n o 拥塞控制机制，针对该算法在异构非切换网络 环境下的局限性，在该协议的基础上提出了一种改进的拥塞控制策略，根据实时 测量的网络状态控制发送端的发送速率，有预见性的采取一定的措施来避免即将 到来的网络拥塞，并且根据当前的网络状态对丢包原因进行区分，从整体上提高 了t c p 的网络性能。在不同网络环境下对传统的t c pr e n o 算法以及改进的 t c p b r 算法进行仿真，仿真结果表明，改进的t c p 拥塞控制机制在有线与无线 异构网络环境中大大提高了t c p 性能。 第五章在前面的基础上提出一种适合于异构切换网络的t c p 拥塞控制算法 t c p b m 算法，该算法利用网络带宽测量方法对带宽进行测量，动态的更新 s s t h r e s h ，并且通过比较当前的网络带宽与数据传输开始时的平均带宽来判断网络 是否发生切换，当网络发生切换时，发送端能够及时更新变量r t t m i n 。仿真结果表 明，该算法性能高于t c p b r 算法和传统的t c pr e n o 算法。 第六章对全文进行总结，对未来工作进行展望并提出今后进一步的研究方 向。 4 重庆邮大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制机制 第二章t c p 拥塞控制机制 t c p 协议是网络中目前使用最为广泛的传输层协议。据统计，网络上9 0 的 数据流使用的是t c p 协议n0 n 3 。t c p 协议中使用的拥塞控制算法己成为保证网络 正常运行的重要因素。随着网络技术的不断向前发展，网络用户和网络应用都迅 速增长，虽然网络带宽等资源也在不断增加，但是与日益增长的用户数量比起来， 仍是不能满足用户的需求。网络拥塞问题逐渐暴露出来，它已经成为制约网络发 展和应用的一个瓶颈n 羽。如何更好的预防和控制拥塞，使网络达到资源的最大利 用，是近年来网络研究的热点问题旧1 。 2 1 拥塞及拥塞产生的原因 2 1 1 拥塞的概念 当网络中存在着过多的数据包时，用户对网络资源的需求就会超过网络的固 有容量，网络的传输状态就会受到影响，网络的传输性能就会下降，这种现象就 称为网络拥塞现象n 3 j 帕。可用如下公式进行表示： 用户对网络资源的需求 网络可用资源( 式2 - 1 ) 其中网络可用资源包括链路带宽、处理器处理能力及设备缓存能力等。 网络一旦发生拥塞，网络性能就会受到极大地影响，具体可表现为缓存队列 急剧增加，报文往返时延变大，吞吐量下降，网络效率降低等，拥塞严重时甚至 会导致网络出现“拥塞崩溃”现象，致使整个网络的性能急剧下降到零。下面通 过图2 1 对塞现象的发生进行描述。 图2 1 中左图描述了网络负载与吞吐量之间的关系，右图描述了网络负载与响 应时间之间的关系n 瓦m 】。从左图中可以看出，当网络负载比较小时，网络吞吐量随 着网络负载的增加而增加，吞吐量的增长和负载的增长二者基本呈线性关系；在 负载超过k n e e 点( 膝点) 之后，网络吞吐量的增长速度随着网络负载的增长而变的 缓慢；当负载超过c l i f r 点( 崖点) 之后，吞吐量随着网络负载的增加不但不再增加 反而急剧下降，网络负载增加到一定程度时将导致网络拥塞崩溃，整个网络将无 法继续工作，吞吐量下降为零。右图中，当网络负载比较小时，网络响应时间随 着网络负载的增加而缓慢增加；在负载超过k n c c 点之后，网络响应时间的增长速 度随着网络负载的增长而加快增长；当负载超过c l 衙点之后，响应时间随着网络 s 重庆邮大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制机制 负载的增加将呈现急剧增长的趋势。膝点指网络资源功率到达最大值时的网络负 载大小，崖点指网络资源功率下降到最小值且开始丢包时的网络负载大小。通常 将k n e e 点附近的区域称为拥塞避免区域；k n e e 点与c l i f f 点之间的区域称为拥塞恢 复区域；c l i f f 点之后的区域称为拥塞崩溃区域。可以看出，当网络负载在k n e e 点 附近时网络的使用效率最高，因此膝点是最为理想的工作点。拥塞控制就是网络 节点采用某种策略或机制来避免拥塞的发生或者对拥塞的发生作出相应的补救， 以使负载保持在k n e e 点附近。 吞吐量 hc l ：f f 1 - 网络负载 罔络负袭 图2 1 网络负载与吞吐量、响应时间的关系 2 1 2 拥塞产生的原因 拥塞的发生主要是因为“用户需求大于“网络供给 。网络中有限的资源由 多个用户共同使用。因为网络中并不存在限制用户接入的算法，因此网络也就无 法控制用户使用资源的数量。目前i n t e m e t 上用户和应用的数量都在迅速增长，如 果没有一种机制对网络资源的使用进行控制协调，那么这样的增长必然会导致更 多更严重的网络拥塞。 具体来说，网络拥塞主要由以下几个因素导致盯一引： ( 1 ) 存储空间不足。如果节点没有足够的缓存来存储没有得到及时处理的数据 包，那么其中部分数据包就会被丢弃。增加节点的存储空间在某种程度上可以解 决这个问题，但是如果节点的缓存达到一定程度，数据包就要经过很长的时间来 排队得到服务，但是可能在此之前，该数据包已经超时，引起源端从新发送该数 据包，从新发送的数据包又要排队等到服务，这样循环下去，可能最终将会导致 网络拥塞甚至崩溃。 ( 2 ) 带宽容量不足。通常情况下，网络中的低速链路处将会成为带宽瓶颈，从 而出现网络拥塞。 6 重庆邮大学硕士论文第二章t c p 拥塞控制机制 ( 3 ) 处理器速度慢，能力不强。如果c p u 在执行排队缓存、更新路由表等操 作时，处理速度跟不上高速链路，也会产生拥塞。 此外，恶意的数据流和组播应用也可能会引起网络拥塞n 钔。拥塞一旦发生， 往往会形成一个恶性循环，而且是不断加重的过程。要避免拥塞的发生，需要对 以上几点原因进行综合考虑。单纯的靠增加网络资源并不能很好的解决拥塞问题， 并不能从真正意义上避免拥塞。因此要避免拥塞的发生，就必须综合性的考虑各 种可能引起拥塞的因素，控制进入网络的数据流量，保证通信网络不会被用户发 送的数据流阻塞，并合理的使用瓶颈资源。 2 2t c p 拥塞控制原理 目前在i n t e q n e t 上使用的拥塞控制基本都是建立在t c p 窗口控制基础之上的。 最初的t c p 协议只考虑了流量控制功能，而并没有考虑拥塞控制功能n 吼驯。为了 弥补t c p 在拥塞控制方面的不足，慢启动算法和拥塞避免算法被相继提出；后来 的t c p 协议版本又陆续增加了快速重传、快速恢复等算法，使得t c p 拥塞控制机 制更加完善，t c p 性能得到进一步提高u 钔。 t c p 协议是一种端到端的面向连接的传输控制协议，它为用户提供可靠的数据 传输服务昭，在保障网络通信性能方面起着非常重要的作用。基本的t c p 协议使 用的是一种加性增加乘性减少a i m d 的拥塞控制算法。在数据传输过程中，发送 端通过调整拥塞窗口和慢启动阈值来控制数据包的发送速率。当发送端收到三个 重复a c k 或者计时器超时时，发送端认为相应数据包丢失，并且网络中发生拥塞， 为了缓解这种网络拥塞并且避免拥塞的加重，发送端将拥塞窗口减小，降低数据 包的发送速率；如果没有数据包丢失，t c p 发送端就认为当前网络没有发生拥塞 并且状态良好，因此发送端将增大拥塞窗口，加快数据包的发送速率，以便更好 的利用网络资源。 图2 2t c p 协议状态转化图 7 重庆邮大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制机制 t c p 用于拥塞控制的主要参数有：拥塞窗口，慢启动阈值，发送窗口，通告窗 口，往返时延，快速重传阈值和超时重传计时器。t c p 拥塞控制机制包括慢启动、 拥塞避免及快速重传快速恢复三种基本算法，其状态转换过程如图2 2 所示。 t c p 发送端初始化完毕后进入慢启动阶段发送数据。在慢启动阶段发送数据 过程中，如果t c p 发送端收到三个重复a c k ，那么它将进入快速重传快速恢复阶 段；如果出现计时器超时情况，那么它将重新开始慢启动阶段；如果出现 c w n d = s s t h r e s h 的情况，那么它将进入拥塞避免阶段。在拥塞避免状态下，t c p 发送端将继续给接收端发送数据，如果t c p 发送端收到三个重复a c k ，那么它将 进入快速重传快速恢复阶段；如果出现计时器超时的情况，那么它将进入慢启动 阶段；否则它将一直处于拥塞避免阶段。在快速重传快速恢复状态下，t c p 发送 端不等计时器超时，就将重新发送丢失的数据包，一旦t c p 发送端收到对新的数 据包的确认时就直接转入拥塞避免状态进行快速恢复。在计时器超时状态之下， t c p 发送端在重传丢失的数据包，一旦t c p 发送端收到新的确认a c k 后就重新 开始执行慢启动算法。 2 2 1 慢启动算法 当t c p 连接开始时，发送端将拥塞窗口c w n d 设为l ( 单位是报文段) ，以后 发送端每收到一个新的确认a c k 就将拥塞窗口值增加1 ，直到c w n d 达到慢启动 阈值。 i f ( c w n d = s s t h r c s h ) c w n d = c w n d + l c w n d ； t c p 拥塞控制机制中规定拥塞避免算法将在两种情况下被执行：一是拥塞窗 口达到慢启动阈值时，发送端将从慢启动算法过程中退出，转去执行拥塞避免算 法；二是网络发生丢包并且丢包标志为三个重复a c k 时，发送端在重新发送丢失 的数据包后，转去执行拥塞避免算法。 2 2 3 快速重传快速恢复 快速重传是指当发送端收到三个重复确认a c k 时，就认为相应的数据包已经 丢失，在不等待重传计时器超时的情况下，就开始重传丢失的数据包。 快速恢复算法是指发送端收到三个重复a c k 之后重新发送丢失的数据包，将 c w n d 减半，将可用的发送窗口设置为m i n ( a w n d ，c w n d + n d u p a c k ) ，n d u p a c k 是指重复 的a c k 数，该值在重复的a c k 数到达门限值之前为o ，在发送端收到一半窗口 大小的重复a c k 之后就可以对应每个再来的重复a c k 发送一个新的数据包，在 收到新的a c k 之后转去执行拥塞避免算法，从而快速恢复到丢包的状态。该算法 是基于“管道模型的数据包守恒原则的，我们认为网络中可以传输的数据包数 量是恒定的，如果有“旧的 数据包离开网络，那么“新的 数据包就可以进入 网络，也就是说如果发送端能够收到一个a c k ，则可以认为网络上离开了一个数 据包，因此发送端就可以再发送一个数据包1 。 如果丢包标志为是三个重复a c k ，那么发送端将执行快速重传快速恢复算 法。如果丢包标志为计时器超时，那么发送端重传丢失的数据包之后，将重新进 入慢启动阶段，执行慢启动算法。 图2 3 反应了拥塞窗口值随时间在不同算法下的变化情况。 动 时间 图2 3t c p 协议拥塞窗口随时间在各个阶段的变化情况 9 重庆邮大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制机制 左图中拥塞窗口从l 开始按照慢启动算法呈指数性增长，当发送端计时器超 时后，慢启动阈值被设置为拥塞窗口的一半，拥塞窗口被设置l ，重新开始慢启动 算法，当拥塞窗口大于慢启动阈值后，就进入拥塞避免阶段，然后发送端再次发 现计时器超时，因此对拥塞窗口和慢启动阈值设置后再次进入慢启动阶段。右图 中，拥塞窗口从1 开始按照慢启动算法呈指数性增长，当发送端收到三个重复a c k 后，将慢启动阈值和拥塞窗口都设为当前拥塞窗口的一半，进入拥塞避免阶段， 当发送端再次收到三个重复a c k 后，将重复执行这种操作。 2 2 4 经典t c p 协议 早期的t c p 协议只考虑对网络进行流量控制，而并没有考虑对网络进行拥塞 控制。对网络拥塞控制的研究最早开始于1 9 8 4 年，n a g l e 例等首次提出了t c p i p 网络中存在着一定的拥塞问题。1 9 8 8 年，v a n j a c o b s o n 胁洲等研究并指出了t c p 协 议在拥塞控制上存在不足，并提出了包括慢启动、拥塞避免和快速重传算法在内 的解决方法，为t c p 拥塞控制机制奠定了良好的研究基础。后来又有人提出了快 速恢复算法，进一步改善了拥塞控制性能。从8 0 年代到现在，许多国内外学者对 t c p 拥塞控制机制都进行了深入细致的研究，t c p 拥塞控制机制得到了不断的完 善和改进，下面分别介绍几种t c p 拥塞控制算法。 ( d t c pt a h o e t a h o e 是最早引入拥塞控制机制的t c p 协议，于1 9 8 8 年被提出渊。它包括三个 最基本的算法：即慢启动算法、拥塞避免算法和快速重传算法，另外它改进了往 返时延的计算方法，大大提高了计时器设置的精确性。其工作过程如下： 连接建立后，初始化c w n d 为1 个报文段，s s t h r e s h 为6 5 5 3 5 个字节；发送端每收 到一个新的确认a c k 就将c w n d 加1 ，直到c w n d = s s t h r e s h 或者出现丢包为止。如果 c w n d = s s t h r e s h ，t c p 发送端就进入拥塞避免阶段，在此过程中，t c p 发送端每收 到一个新的确认a c k 就将c w n d 增加1 c w n d 个数据包，该过程一直持续到出现丢包 为止。数据传输过程中一旦出现丢包，s s t h r e s h 将被设置为当前拥塞窗口大小的一 半( 但最小为2 ) ，e w n d 将被设置为1 。 t c p r e n o t c pr e n o 协议于1 9 9 0 年被提出，是目前互联网中使用最广泛的t c p 协议嘲。 r e n o 保留了t a h o e 的基本算法，增加了快速恢复算法。所谓的快速恢复算法是指当 t c p 发送端收到三个重复a c k 后，先重传丢失的数据包，然后不再重新开始慢启 动阶段，而是直接进入拥塞避免阶段。具体来说，在重传完丢失的数据包后，t c p 发送端将s s t h r c s h 设置为当前e w n d 的一半，发送端在等待新的确认a c k 过程中，每 1 0 重庆邮大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制机制 接收到一个重复的确认a c k ，发送端就将c w n d 增大一个报文尺寸，并发送一个新 的数据包，直至新的a c k 确认包到达，退出快速恢复状态，c w n d 的值恢复为s s t h r e s h 的值，也就是丢包前c w n d 值的一半，然后t c p 连接进入拥塞避免阶段。 t c pn e w r c n o t c pn e wr c n o 于1 9 9 6 年由s f l o y d 等人提出的啪1 ，t c pn e wr e n o 修改了t c p r e n o 的快速恢复算法，用来解决一个窗口中有多个报文段同时丢失的情况，使得 t c p 发送端在不必等待计时器超时的情况下可以通过一次快速重传和快速恢复过 程就能恢复多个被丢失的数据包。n e wr e n o 对快速恢复算法的改进在于退出时机 的不同。具体来说，在快速恢复阶段，t c pr e n o 协议中，如果t c p 发送端收到新 的确认a c k ，那么它就会将c w n d 减小到s s t l l r e s h ，从而退出快速恢复阶段，进入拥 塞避免阶段，如果在一个窗口中有多个数据段丢失，那么e w n d 就会快速的连续多 次减小，这就会导致网络性能的下降；而在t c pn e wr e n o 协议中，如果t c p 发送 端收到这个新的确认a c k 没有对在此期间发送的所有数据进行确认，那么这个确 认a c k 就称为部分a c k ，t c p 发送端就认为在紧跟着这个部分a c k 确认的数据包 序号后的那个报文段丢失了，就对其进行重传，直到在快速恢复阶段发送的所有 的数据包都得到了确认，它才结束快速恢复阶段，重新设定拥塞窗口值，进入拥 塞避免阶段。 t c ps a c k t c ps a c k 协议于1 9 9 6 年由m a t h i s 等人提出嘲，同t c pn e wr e 一样用来解决 一个窗口内有多个数据包丢失时的性能下降问题。之前的协议大都使用累积确认 方式对数据包进行确认，这种确认方式的可用信息有限，导致t c p 发送端在每个 r t t 时间内只能确定一个数据包丢失，从而使t c p 发送端可能会过早重传了已经成 功发送的数据包。因此为了解决这个问题，t c ps a c k 采用了选择确认机制，t c p s a c k 发送端仅需要重传丢失的报文段。 t c ps a c k 只对t c pr e n o 做了简单的改进，并没有改变其拥塞控制的基本算法。 当t c p 发送端收到3 个重复确认a c k 之后，t c p 发送端重传丢失的数据包并且将 c w n d 减半，进入快速恢复阶段。在快速恢复期间，t c ps a c k 维持一个变量p i p e ，用 来表示在传输路径中的数据包的个数。当p i p e d , 于c w n d 时，发送端只发送新的数据 包或者重传丢失的数据包，当发送了一个新的数据包或者重传了一个丢失的数据 包时，p i p e 力h 1 ；当发送端接收到一个带有s a c k 选项的重复确认a c k 时，p i p e 减1 ； 当接收端接收到部分确认a c k 时，发送端将p i p e 减小2 ，当发送端收到一个确认 a c k 对于在进入快速恢复前出现的所有数据都确认之后，发送端就退出快速恢复 阶段。 重庆邮大学硕士论文第二章t c p 拥塞控制机制 2 3 本章小结 本章首先介绍了拥塞及拥塞产生的原因，在此基础上对t c p 拥塞控制机制进 行了详细的阐述，说明了拥塞控制机制中几种状态之间的关系，最后简要概述了 几种典型的t c p 协议，为后面章节的研究打下了坚实的基础。 1 2 重庆邮大学硕士论文第三章异构网络的拥塞控制技术 第三章异构网络中的拥塞控制 3 1 异构网络中影响t c p 性能的因素 异构网络由有线网络和无线网络共同组成，其中无线网络有着不同于有线网 络的传输特性，正是这些特性使得原本专为有线网络而设计的传统t c p 协议在应 用于异构网络时出现了很多问题。下面我们对这些影响t c p 性能的无线网络因素 分析如下1 ： ( 1 ) 带宽有限 有线网络的带宽可以达到1 0 0 m b i t s ，甚至千兆比特。但异构网络中无线部分 的带宽一般只有几兆甚至十几兆，最大也不过才5 0 m 左右，这相对于有线网络要 低得多。 ( 2 ) 时延更长 t c p 协议对于时延长的连接具有不公平性，因此如果同时存在不同时延的多 个连接时，时延长的连接性能将受到威胁。 ( 3 ) 误码率高 在有线网络中误码率很小，大概为1 0 1 0 缶；在异构无线链路中，误码率大约 为1 0 - 3 1 0 ，比有线网络中的误码率高出了几个数量级。高误码率不但导致数据包 的大量丢失，并且导致t c p 极易误判丢包原因，进一步降低了网络性能。 ( 4 ) 移动性 终端具有移动性，这不断拓展了无线网络的应用，同时也给网络带来了问题。 比如说有的时候终端的移动导致t c p 数据流需要进行切换，但是发送端并不知道 这一变化，切换造成丢包，导致发送端无法做出正确反映，这大大降低了资源利 用率。另外主机的移动也使丢包原因多样化，增加了发送端判断丢包原因的难度。 ( 5 ) 能量损耗 链接存在的时间越长，移动主机牺牲在维持该链接上的能量也就越多，这对 于使用电池作为电源的移动主机来说是非常具有挑战性的。 3 2 异构网络中的拥塞控制 对异构网络中的拥塞控制研究开始于上个世纪九十年前后期，到目前为止已 经取得了许多的成果，根据其基本原理大致可以分为三类嘞1 ：( 1 ) 端到端方案；( 2 ) 分段连接方案；( 3 ) 链路层方案。 1 3 重庆邮大学硕士论文 第三章异构网络的拥塞控制技术 3 2 1 端到端方案 这种方案是指t c p 发送端能够区分丢包原因究竟是网络拥塞还是无线链路错 误。只有当丢包原因为网络拥塞时，发送端才会采用拥塞控制机制，否则发送端 将采用错误处理恢复措施。该方案保持了t c p 端到端的语义性，只需要对t c p 连 接的两端协议进行修改，而并不需要中间节点的支持。端到端方法一般包括两个 过程：错误检测和错误恢复。 错误检测 错误检测按照其形式的不同，一般可以分为两类：显式错误通知和隐式错误 检测。 1 ) 显式错误通知 这类通知包括拥塞错误通知和无线错误通知。拥塞错误通知是将网络上发生 的拥塞丢包向发送端发出通知；无线错误通知则是将无线链路错误等原因造成丢 包向发送端发出通知。 显式拥塞通知( e c n ) 机制常与主动式队列管理( a q m ) 结合使用。当路由器队 列中发生拥塞但不至于队列溢出时，由于路由器使用a q m 机制，因此对数据包进 行拥塞标记，当接收端收到这种带有拥塞标记的数据包时，就会传送拥塞信息给 发送端，于是发送端将开启拥塞控制机制。这类方法对丢包原因判断准确，但是 对协议改动较大。 文献 3 0 中提到的显式无线错误通知( e l n ) 是指当接收端判断得出丢包原因 不是网络拥塞时，就会在发送a c k 之前对数据包头部的e l n 位进行设置，当发 送端收到这种e l n 位被设置的a c k 之后，就认为网络没有发生拥塞，因此只对 丢失的包进行重传。这类方法存在一定的缺陷，接收端发出的该通知在无线链路 上容易损坏。 2 ) 隐式错误检测 这类方法是发送端以计算的方式隐性的决定丢包原因，但是这