（通信与信息系统专业论文）tcp+veno在3g环境下的性能测试.pdf

独创性声明 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，也不包含为获得重鏖整壹太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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：范 恢 签字日期： 加。占年朗矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：重废邮电太堂有关保留、使用学位论文的 e 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重鏖整血太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：龙谈 导师签名 签字日期：撕占年f , e l 够日 签字日期： ：鲨历鳖 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 为解决t c p 协议在无线环境中的随机丢包问题，近年来提出了t c pv e n o 协 议。经过大量的有线无线网络实验，证明了t c pv e n o 在无线环境中有较大的 改善。目前，我国的3 g 时代即将到来，t c pv e n o 是否适应3 g 环境，在3 g 环 境下性能如何，这成了本文的关注焦点。 本文首先对t c p 协议的发展现状进行阐述，从而引出更适合无线环境传输 的t c pv e n o 协议，然后对t c p 、t c pr e n o 和t c pv e n o 中的拥塞控制方法进行 讨论。为了测试t c p v e n o 在3 g 环境下的性能，本文在n s 2 环境下开发出t c p v e n o 模块，完成了测试软件平台，并对此模块代码的正确性进行了测试。最后，本 文将t c pv e n o 运行在3 gu m t s 仿真环境下，采用多种方法对其性能进行了测试， 得出了一些对t c pv e n o 理论研究和应用有一定参考价值的测试结论。 关键词：t c p v c n o ，t c p r c n o ，拥塞，快速重传，超时，u m t s 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t m a n yr e s e a r c h e sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oa p p r o v e t h a tt c pv e n oh a sb e t t e rp 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 tt h a n o t h e rt c pp r o t o c o l s i ti sv e r i f i e dt h a tt c pv e n oc a ns u c c e s s f u l l y r e s o l v et h ep r o b l e mo fr a n d o mp a c k e tl o s sw h i c hi sh a p p e n e di nt h e w i r e l e s sn e t w o r k sr a t h e rt h a ni nt h ew i r e do n e s w i t h3 g sc o m i n g u pi no u rc o u n t r y ，c a nv e n ok e e pt h i ss u p e r i o r i t yi n3 ge n v i r o n m e n t ? t h i sp a p e ri sa na t t e m p tt os h o ww h e t h e rv e n oh a sg o o dp e r f o r m a n c e o rn o to nt h i se o n d i t i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e rg i v e ss o m eb a s i cp r i n c i p l e so ft c p 。t c pr e n o a n dt c pv e n o ，s u c ha sm o ws t a r t 。f a s tr e t r a n s m i t sa n da i m d i no r d e rr t op r o g r a mt h ec o d eo ft c pv e n oi nt h eb a c k g r o u n do fn s 2e n v i r o n m e n t ， t h ep a p e ra n a l y z e st h ec o d eo ft c pv e g a sa n d t c pr e n oi nd e t a i l t h e n ， t h ec o d eo fv e n oi sp r e s e n t e d t ov e r i f yt h ec o d e ，e x p e r i m e n t su n d e r n s 一2a r ea l s oc a r r i e do u t a tl a s t ，b ya p p l y i n gt h eu m t sm e d u l e ，t h i s p a p e rm a k e ss o m ee x p e r i m e n t st ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft c pv e n oi n n s 2 ，a n dt h e ng i v e st h ec o n c l u s i o nw h i c hs h o w se v e ni n3 ge n v i r o n m e n t ， t c pv e n os t i l lm a k e sg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t c p v e n o ，t c p r c n o ，c o n g e s t i o n ，f a s tr e t r a n s m i t ，t i m e o u t ， u m t s 2 重庆邮电大学硕士论文第1 章 绪论 第1 章绪论 1 1t c p 协议的发展现状 近十年来，互联网得到了快速发展和广泛应用。而这些应用很大程度上是 在t c p i p 协议上发展起来的。国际上对t c p i p 协议的研究和改进始终是一个 热门话题。 t c p i p 协议的提出最早是在7 0 年代中期，用以实现异种网络之间的互联 与互通。1 9 8 6 年，在一系列拥塞导致系统崩溃之后，t c p 协议被正式提出，以 解决拥塞问题。经过多年的发展，出现了多个t c p 改进版本。t c pt a h o e 是早 期的t c p 版本，它包括了3 个最基本的拥塞控制算法一一“慢启动”、“拥塞避 免”和“快速重传”t c pr e n o 在t c pt a h o e 基础上增加了“快速恢复”算法。 t c pv e g a s 使用了“前摄拥塞检测”，使其相对于r e n o 流量有了大幅增加，但 在实际网络中相对于r e n o 竞争性却不够。t c pn e v r e n o 对t c pr e n o 中的“快 速恢复”算法进行了修正，它考虑了一个发送窗口内多个数据包丢失的情况。 t c ps a c k 关注的也是一个窗口内多个数据包丢失的情况，它避免了之前版本的 t c p 重传一个窗口内所有数据包的情况，包括那些已经被接收端正确接收的数 据包，t c ps a c k 只是重传那些被丢弃的数据包。 以上这些版本的提出，极大地提高了t c p 的性能，但在无线网络中，这些 改进协议由于都没能解决随机丢包的问题，t c p 协议的使用得到了限制。2 0 0 1 年，傅承鹏博士提出了t c pv e n o 的方案，结合和r e n o 和v e a o 的长处，在网络 拥塞和随机包丢失中寻找到平衡，成功解决了t c p 协议在无线环境中存在的问 题。经过这几年的研究和大量的有线无线环境测试，t c pv e n o 被证明在不损 失有线网络带宽的情况下，在无线网络环境中流量的得到了较大的提高。通过 全球g t m f 项目的启动，v e n o 性能得到了肯定，并开始进入实用。目前，傅承 鹏博士在v e n o 的基础上，已经提出了在4 g 网络下的t c pv e n 0 2 的新构想。 1 2 本论文的意义和研究重点 由于t c p 协议最初是针对当时的有线网进行制定的，其设计理论是基于“i p 5 重庆邮电大学硕士论文第l 章 包的丢失是网络拥塞引起的”这一假定。在无线环境中，除了网络拥塞会引起 i p 包的丢失，无线环境还存在着普遍的随机包丢失，导致t c p 协议性能的下降。 因此设计一个既适用于有线环境又适用于无线环境的传输层协议是非常有必要 的。t c pv e n o 成功地解决了有线环境和无线环境在传输层的统一，它既解决了 无线环境的随机丢包问题，又使有线网络和无线网络无缝地连接起来。可见， t c pv e n o 在将来的应用上是非常有潜力的。目前国际上对t c pv e n o 在无线局 域网环境，特别是8 0 2 1 1 协议下做的研究比较多，测试的结果也比较理想。但 是在3 g 环境中，对t c pv e n o 的研究还很少，特别是3 g 环境下t c pv e n o 的性 能还有待测试。 目前，全球3 g 已经开始广泛使用，3 g 在中国也即将大规模商用，对t c p v e n o 在3 g 中的性能进行测试无疑具有比较重要的意义。本论文将在对t c pv e n o 原 理进行深入研究的基础上，通过搭建n s 2 的3 gu m t s 测试软件平台，在网络模 拟环境下通过几种方式对t c pv e n o 在3 g 环境下的性能进行测试，并与t c pr e n o 和t c pv e g a s 的实验结果进行对比分析，观察t c pv e n o 在3 g 环境中的性能是 否有所提高，以及提高的程度 论文主要做了以下工作： l 、对t c pt a h o e 、t c pr e n o 和t c pv e n o 协议的原理进行了阐述，详细分 析了三种协议各自的拥塞控制机制。 2 、分析了n s - 2 下的t c p 和t c pr e n o 协议，介绍了t c p 协议的分组头和参 数，详细分析了t c pr e n o 协议，为实现t c pv e n o 模块的编写打下了基础。 3 ，开发出n s - 2 下的t c pv e n o 模块，并搭建了测试平台，对t c pv e n o 模 块代码进行了测试，保证了其运行的正确性。 4 、搭建了仿真的3 g 平台，将t c pv e n o 运行在3 gu m t s 仿真环境下，通过 两种方案，考虑了五种情况，对t c pv e n o 的性能进行了较为详细的测试，得出 了一些对t c pv e n o 理论研究和应用有一定参考价值的测试结论。 6 重庆邮电大学硕士论文第2 章t c p 、t c pr e n o 和t c pv e n o 的原理 第2 章t c p 、t c pr e n o 和t c pv e n o 的原理 本章介绍了论文中涉及到的t c p 、t c pr e n o 和t c pv e n o 原理。对于t c p 协议，详细介绍了超时重传机制、流控制和拥塞控制机制，其中，拥塞控制机 制又包含了慢启动和拥塞避免，t c p 协议的总体介绍请见【l 】。对t c pr e n o 协议介 绍了快速重传 2 1 1 3 1 5 1 1 快速恢复团【3 1 策略。在t g pv e n o 4 5 6 ，对拥塞丢失【4 】和随 机丢失刚的判定方法以及v e n o 的a i m d 策略 2 1 1 4 做了较为详细的分析。 2 1t c p 的拥塞控制 2 1 1 超时重传 对于每一个发送的t o p 报文，都设置一次重传计时器。如果在报文段被确 认前重传计时器超时，那么发送端认为该报文段在网络上已经丢失，将该报文 进行重传，并将超时值加倍，若再次该丢失报文则需等待更长的时间再重传。 每个报文都设定一个定时器开销太大，是不现实的，实际只用了一个定时器。 定时器的使用方法如下( 定时器使用的详细方法请见 7 1 ) ： 1 、只设定一个重传定时器，对于一个即将发送的分组，设分组号为a 。 2 、对于每个发送包检查该定时器是否已经在用，若未用，则设定该定时器， 此时该定时器的超时是该分组号的超时；若在用，则不修改，继续传该分组。 3 、当本端收到对方对分组a 的确认a c k ，则将重新设定定时器，到下一个 分组号a + l ，此时定时器的超时即为a + 1 分组的超时；以后，每收到一个新确 认，都将定时器对应到该分组号+ 1 。这样，每次都对第一个未被确认的分组的 超时情况进行监控，以保证此分组一旦得不到确认就超时 2 1 2 流控制 开始建立连接时，发送窗口与接收窗口一致。通信过程中，接收端根据本 端资源状况，调整接收窗口，将接收窗口随t c p 包发给对方，使对方的发送窗 口与接收窗1 3 一致，即限制对方发送量。这是一种由接收端控制发送端的流控 重庆邮电大学硕士论文第2 章t c p 、t c p r e n o 和t c p v e n o 的原理 制机制。流控制的具体策略为：源端的发送窗口按照下面公式确定：发送窗 口= m i n ( 接收窗口，拥塞窗口) ，其中拥塞窗口是发端根据网络拥塞情况设定 的窗口，用来限制发送端的流量，接收窗口是收端允许发端发送的最大窗口。 这样，通过控制本端发送量，使发送数据不超过接收端的接收能力，即用接收 端控制了发送端。 2 1 3 拥塞控制 拥塞控制：包括慢启动和拥塞避免，使用了拥塞窗口的概念。 慢启动：在连接或超时重传后，t c p 会采用慢启动策略。在t c p 开始连接时， 拥塞窗口初始化为1 。即只发送一个报文段，发送后等待确认。每次收到一个 确认，拥塞窗口就增加1 ，直到接收窗口大于拥塞窗口。这样，开始的发送是 按照指数进行增长的。在超时发生后，将拥塞窗口置1 ，回到慢启动状态。 拥塞避免：在收发端缓冲足够大时，t c p 是不断探测网络的容量的。在超过 网络容量( 即拥塞) 时，会导致超时，而频繁超时将使流量大为降低。为减少 超时的次数，提高效率，采用了拥塞避免策略，其中用到慢启动门限参数。在 首次连接后，由于慢启动按指数方式增大发送窗口，很快就会超过系统容量， 产生超时，此时将按照如下规则调整窗口大小： 1 慢启动门限s s t h r e s h - - - - - 1 2 * c w n d ，即用超时的方法来探测到慢启动门 限值： 2 拥塞窗口置1 ，回到慢启动过程，直到拥塞窗口等于慢启动门限值； 3 当拥塞窗口慢启动门限时，每过一个传输往返时间就使拥塞窗口加l ， 使拥塞窗口线性增长，避免拥塞较快出现。 2 2t c pr e n o 的快速重传和快速恢复机制 2 2 1 快速重传 快速重传是当t c p 发送端收到到三个重复a c k 时，即认为有数据包丢失， 此时发送端立即重传丢失的数据包，而无需等待r t o 超时：同时将慢启动门限 s s t h r e s h 设置降低当前c w n d 值的一半，并且将c w n d 减为原先的一半。即： s * ， 。 绷幽誓 重庆邮电大学硕士论文第2 章t c p ，t c p r e n o 和t c p v e n o 的原理 s s t h r e s h - - - - 1 2 c w n d ；c w n d = s s t h r e s h 。这样，在丢失一个( 或几个) 数据包的 情况下，使该连接不必经历慢启动，改善了该连接的传输效率。 2 2 2 快速恢复 快速恢复是基于“数据包守恒”和限制传输机制，即同一时刻在网络中传 输的数据包数量是恒定的，只有当“旧”数据包离开网络后，才能将“新”数 据包发送进网络。如果发送方收到一个重复的a c k ，则认为已经有一个数据包 离开了网络，于是将拥塞窗口加l 。因此，上面快速重传中的拥塞窗口实际应 为c w n d = s s t h r e s h 3 ，在快速重传后的每个重复a c k ，拥塞窗口都要加1 。 2 3t c pv e n o 的原理 t c pr e n o 将数据包的丢失归咎于网络拥塞，并针对网络拥塞做出了相应的 改善在有线网络中，数据的传输是比较可靠的，误比特率一般较低，一般认 为数据丢失都是拥塞造成。其中拥塞造成的丢失我们称为拥塞丢失，而因为同 步问题或线路问题等造成的丢失称为随机丢失。但在无线环境中，这就不适用 了，无线链路不够可靠，常常伴随较高的误比特率，导致随机丢失经常出现， 如果仍然使用r e n o ，就会把随机丢失当成拥塞丢失来处理，导致t c p 性能的下 降。无线环境中，t c pv e n o 协议针对这一问题，区分了这两种情况。 2 3 1 拥塞丢失和随机丢失的判定 t c pv e n o 根据拥塞丢失和随机丢失的特征，做出了区分，并进行区别处理， 较大地改善了在无线环境中的传输率。v e n o 充分利用了t c pv e g a s 中的机制， 根据拥塞窗口c w n d 和往返时间对拥塞丢失和随机丢失进行区分。具体如下： 采用了期望速率和实际速率的概念： 期望速率：e x p e c t 叻= c w n d b a s e r t t 实际速率：a c t u a l = c w n d r t t 其中r 1 u r 为平滑的t c p 数据包往返时间，而b a s e r t t 为观测到的最小的r t t 。 两个速率的差为；d i f f = e x p e c t e d a c t u a l 设置参数n = a c t u a l 宰( 盯t b a s e r t t ) = d i f f 奉b a s e r t t 9 绷勿l 重庆邮电大学硕士论文第2 章t c p ，t c p r e n o 和t c p v e n o 的原理 假设b a s e r t t = 1 2 * i t l 7 ，则s = 1 2 乖c w n d ；假设b a s e r t t = 1 3 幸r t t ， 则n = 2 3 木c w n d 可见，如果n 越大，表示r t t 与b a s e r t t 差距越大，即网 络越拥塞。因此，可以用n 值的大小来代表拥塞的程度。 在检测到包丢失时，如果n s s t h r e s h 时，将进入拥塞避免阶段。这时，在每个往 返时间里，拥塞窗口都增加1 。即：每次收到一个a c k ，拥塞窗口变为 c 硼n d + i c w n d 。而在v e n o 中，则采用以下的策略： i fn n u m d u p a c k s _ 时，即快速恢复时，d u p w n d 每次还要+ 1 ， 一2 ) _if(frto_ w i n = f o r c ew n d ( 2 ) ； i f ( w i n i n t ( w n d ) ) ，比较接收窗口和加上d u p w n d - 的拥塞窗口w i n = i n t ( w n d _ ) ； r e t u m ( w i n ) ；得到发送窗口 l d o u b l e r e n o t c p a g e n t ：w i n d o w d 0 ，同上，不同的是得到的是双精度的发送窗口 d o u b l ew i n = c w n d + d u p w n d _ ； i f ( w i n w n d j w i n = w n d _ ； l e t x l r n ( w h l ) ； v o i dr e n o t c p a g e n t ：r c c v ( p a c k c t p k t , h a n d l e r * ) h d r t c p * t c p h = h d r _ t c p ：a c c e s s ( p k t ) ； i n tv a l i d _ a c k = o ： i f ( t c p h - s c q n 0 0 l a s l o ，本a c k 序号 上次记录的a c k 序号，表示是新的a c k d u p w n d _ = o ； 的a c k , 设置d u p w n d _ = 0 ，用于下次计算发送窗口w i n r e c v _ n e w a c k _ h e l p e r ( p k t ) ； i f ( 1 a s t _ a c k 0 & d e l a y _ g r o w t h _ ) ，是连接以来的第一个a c k c w n d _ = i n i t i a l _ w i n d o w 0 ；砌始化c w n d e l s ei f ( t c p h - s e q n 0 0 一i a s t _ a c k _ ) ，本次不是新a c k ，是上次的重复a c k r e t u r n ； ) ，以下是重复数a c k = i - 2 、3 和3 以上的三种情况的处理 f ( 抖d 1 晔k s - 一n u m d u p a c k s ) ，默认n u m d u p a c k s _ = 3 ，有3 个重传就执行快速恢复和快速重传 d u p a c k _ _ a c t i o n 0 ； ，改变s s t h r e s h 、c w n d ，并重设定时器超时 i f ( e x i t f a s t r e t m n s _ )e x i t f a s t r e t r a n s _ 默认为1 ，r e n o 专用 d u p w n d 2n u m d u p a c k s _ ； e l s ei f ( d u p a c k s _ n u m d u p a c k s & ( ! e x i t f a s t r e t r a n s _ ，超过n u m d u p a c l s 次重传 ，且上次也是重传 a c ka c k l il a s tc w n da c t i o n _ 一c w n da c t i o n _ d u p a c k ) ) + + d u p w n d ； ，执行快速恢复：在超过n u m d u p a c k s 次重传a c k 后， ，每次再收到一个重复a c k , 使发送窗i = l + l ，加快发送 e l s e 计( d u p a c k s _ n u m d u p a c k s _ 1 ) ，如果是新的a c k 或者重复a c k 数 = - 3 。尽量发送更多的数据 s e n d _ m u c h ( 0 ，0 ，m a x b u r s t _ ) ； ，即如果重复a c k = 1 或者2 ，则不这样传，而按照上面只发送一个分组 v o i dr c n o t c p a g e n t ：d u p a c ka c t i o n 0 用于处理快速重传 s l o w d o w n ( c l o s e _ s s t h r e s hh a l f i c l o s e _ c w n d _ h a l f ) ； 执行快速重传，s s t h r e s h 和c w n d 都降低一半 船e t 呶廿m 呱1 ，0 ) ； 俨重设重传定时器，m i l d = l ，使t _ s e q n o _ _ i _ h i g h e s t _ a c k _ + l 。保持原来的值 o u t p u t ( 1 a s ta c l 【_ + i ，t c p _ r e a s o n _ d u p a c k ) ； d u p w n d _ = n u m d u p a c k s _ ； r e t u r n ： ，重传，即发送上次未确认的分组 ，发送窗口增加数 v o i dr e n o t c p a g e m ： t i m e o u t ( i n tt o o ) i f ( t n o = ；t c p _ t i m e rr t x ) , 次超时是否用于重传 d u p w n d _ = 0 ； 超时后，d u p w n d - 和d u p a e k s _ 置零，重新进行统计 d u p a e k s _ ；0 ： i f ( b u gf i 】) t e c o v c f _ = m a x s c q _ ； t c p a g e n t ： t j l i l e o u t ( t n o ) ；，圣k 行t c pv e g a s 的超时 le l s e t i m c o u tn o n r t x ( t n o ) ； ，非重传超时的情况 ) 3 2t c pv e n o 模块的实现 3 2 1 基于t c pr e n o 模块的t c p v e n o 要实现对t c pv e n o 的测试，就必须开发出n s - 2 的t c p 模块。通过前两节 对t c p 和t c pr e n o 的分析，在了解这两种协议在n s 一2 下的工作机制的基础上， 就可以开始编写t c pv e n o 代码了。 代码上的修改有几个要点： ( 1 ) i 订t 和b a s e r t t 的计算 r e n o 在计算超时时计算了r t t ，因此只需要稍作修改即可。 b a s e r t t 是r t t 的在一段时间内的最小值，每得到一个r t t 样本就比较一 次，将上次b a s e r t t 和r t t 样本值的较小值作为新的b a s e r t t 。在重复a c k 超 过3 次和超时发生时，b a s e r t t 会置零，重新进行统计，并在其后的慢启动或 快速恢复中进行更新。 1 7 重庆邮电大学硕士论文第3 章n s 2 下的t c pv e n o 模块的实现 ( 2 ) n 值的确定 n 的值由前面所述，在b a s e r t t 和r t t 不为0 时，可由以下公式计算： n = d i f f 卧s e r t t = ( e x p e c t e d a c t u a l ) 木b a s e r t t = ( c w n d b a s e r t t - - c w n d r t t ) * b a s e r t t ( 3 ) 线性增加策略 在拥塞避免阶段，即c w n d s s t h r e s h 时，采用了针对拥塞窗口的线性增加 策略： i fn t - s r t t _ b i t s ) ；d = ( m - a 0 ) i f ( ( t _ s r t t _ 4 - = d e l t a ) 每日 “a l = 1 i 毫a q + 、掩m t s r t t 一= l ； i f ( d e l t a o 、 d e ! t a = - d e l t a ： d c l t a 害( tr t y c a r tr t t 、，a rb 1 t s ) ； i f ( ( t _ r t t v a r - i - = d e l t a ) f f io ) ，v a r l = 3 4v a r 0 + i 4l d i t r t t v a r 一= l ； le l s e t s r t t 一2 t r t t 一“t _ s r t t _ b i t s ； s r t t = r t t t g t v a r 一2tm _ “( t _ r t t v a r _ b i t s - 1 ) ；r r y a