（通信与信息系统专业论文）移动ip下tcp友好速率控制的研究.pdf

北京邮r “大学硎士论文移动i p 下的t c p 友好速率控制的研究 摘要 当前因特恻上的绝大多数尽力而为的流量是由传输控制协议( t c p ) 来承载的。t c p 采用和式增加积：式减少( a i m d ) 的端到端拥塞控制机制来维持当前因特网的稳定性并 同时造成了传输速率的频繁波动和较大的时延。然而，当前得到越来越多应用的网络 多媒体业务和实时传输业务如音频视频点播、i p 电话和网络即时互动游戏等都要 求能够提供实时性好、可靠性略差和传输速率较为平滑的传输机制。由于目前这些突 发量小、实时性要求高的业务多采用u d p 来传输而缺乏拥塞控制机制的u d p 流容易 恶意同t c p 流抢占带宽并最终造成网络拥塞乃至崩溃。所以出于同t c p 公平竞争带宽 和承载实时或多媒体业务的双重考虑，因特网工程任务组( i e t f ) 提出了t c p 友好的速 率控制机制( t f r c ) 。 因特网与移动通信的飞速发展使得人们越来越迫切的要求将因特网与移动通信结 合起来为移动用户提供丰富多彩的数据业务，移动互联网是下代网络发展的趋势之 一。然而在移动场景下的数据传输有不同于固定网络中的困难。比如大传播时延和过 长的切换造成盼分组超时等等。 我们研究了移动i p 环境下的拥塞控制机制t c p 和t f r c 并得出了移动网络中 专输 性能下降主要发生在切换事件中。我们因而提出了自适应发送速率的t c p 友好速率控 制( s r 稍c c ) ，种可以主动适应切换前后网络状况变化的速率控制机制，并通过仿 真和试验证明了它的性能。 关链字：速率控制，r c ，自适应发送速率，移动口 北京邮i u 大学顺七论文移动l pf 的t c p 友封述率控制的研究 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c o l c r c e ) i s t b e d 0 釉i 舶n t 昀n s p o r t 掣a 咖i i n t h eh i 衄n 乩a n d 龇c u r c e n t s t a b i l i t y o f 廿1 e i n t e m e t d e p e n d s o i l i t s e n d - t o - e n d c o n g e s t i o n c o n t r o l w h i c h u s e s a n a d d i t i v ei n c r e a s em d 卸l i c a t i v e d e c r e a s e ( a n v i d ) a l g o r i t h m a n da l g o r i t h m m a k e s f m - q u e n t l y c h a n g i n g t n n s m i s s l o n r a t e a n d h g e d e l a y h o w o x “9 1 , m o r e a n d m o r e r e a l - t i m e t m n s l r ts e r v i c e s a n d m u l t i m e d i as e r v i c e s r e q u i r e b e t t e r i n w , a l - t i m e m a d l i t t l e w o r s e i n r e t i a b i l i t ya n ds t e a d y 豫她r a t e , s u c h a s v o d , p p h o n e a n d n e t w o r k i n t e t a c f i w g a m e s , n o w a d a y ss u c h t r a f l i c 8 a 啦u s e r d a t a g r a m p m t o e o l ( u d p ) b u t w i t h o u t e n d - m - o n d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s ms u c h u d p f l o w s a e v e r y e a s i l y t o d i s i ：a 他b a n d w i d t h w i t h t c p f l o w sv j c 缸l yw h i c hl e a d st o 把m n b l ec o n g e s t i o na n d c o l l 叩戳s o a i m s b o t ht ot h ef a i r 啪洋妇1 w i t h t c p a n d t o 出e r e a l - t i m e m e d i a 鞴w i 嘲功把m e 置理由岫g t a s k f o r c e p i i 删t c p f r i e n d l y r a t e c o n n o lf r n c ) t h e g r e a t d e v e l o p n m a o f i n t e r n e t a n d m o b i l e e o n m a u r d e a t i o n s m a k e p e o p l e d e m a n d m o r e s o i v i c o v e r b o t h o f t h e m , a n d m o b i l e i n t e m e t i s t l * g r a r a c d m m d o f 妇n e x t g 即鼯幽 n e t w c a k ( n o - ；n ) b u t d a t a w a n s 向i n m 曲j l e m h a s d i t l r d e s d i 蠡髓呲f r o m i n f i x e d n e t w o r k , l i k e p a c k e t s t i m e o n t d u e t o l a r g e d e l a y a n d t o o l o f i g h 日麒栅抽 w es 恤由她c m 坦嚣妇c o n u d l 在旧d 觚栅皓h 如e t c p a n d u d p i n m o b i l e 碑e l t i v i l o r a n e 砘 h - 叫m 由a t t h e 矗：姆r i m a d 帆o f 位m s 南r 珥d 缸m 腑加a i l i 妙o c c u r s i n h a r d o v 日e v e n t t h u s 。 w e p r 0 0 0 s e d a d a p 吐w s e n d i n g r a t e t f r c ( a s r - t f r c ) a i 啦a 如血o l 加d ：h 疵湖m a t c a i l a c t i v e l y a d a p t t d t h e v a r i a t i o n o f n e t w o r k c o n d i t i o n s b 赫a n d a i t 口h a n d o v e r w e v a l i d a t e i 担 p e 枷b 玎雠t h r o u g hs i m u l a t i o n a n d 蹦p e 瘟i 确憾 k e y w o r d s ：m o b i l e1 1 , t f r c ，a s r , r a t e c o n t r o l n 北京邮电大学硕士论文移动i p 下的t c p 友好速书控制的研究 第一章课题介绍 1 1 课题研究背景 1 1 1 网络拥塞 以前i e t f 工作人员的体恤衫上写着“i po v e re v e r y t h i n g ”，这个短语表 明i p 伽议可以运行在任何传输媒体上，在任何系统平台之间通信很大程度 上正是由于这种灵活性和简单性使得i p 协议获得了巨大成功。 i p 的设计基本准则是“端到端”观点 1 ，把“智能”处理放在网络的终 端源主机和目的主机，而使网络核心简单化。这样作的结果导致无法预测 的数据包延迟和丢失率，这种因特网服务称为“尽力而为”服务c 2 。由于因特 网是个开放型的网络随着新的服务、新的用户的不断增加，整个网络上的数 据量也随之成指数倍增长，因而我们面临了一个新的问题：网络的拥塞。 网络产生拥塞的根本原因在于用户( 端系统) 给网络提供的负载大干网络 资源容量和处理能力；其产生的直接原因是 3 ： i ) 存储空间不足。如果几个输入数据流共同需要同一个输出端口，那么在这个 端口就会建立排队。如果没有足够的存储空间，数据包则会被丢弃。对突发 数据流更是如此。增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但当路由 器有无限存储量时，不仅造成网络资源的浪费而且还加重了网络拥塞。 2 ) 带宽容量不足。低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。所有信源发送 的速率必须小于或等于信道容量，。一旦发送速率大于信道容量，在陬缗低 速链路处就会形成带宽瓶颈，当其满足不了通过它的所有源端带宽的要求 时，网络就会发生拥塞。 3 ) 处理器处理能力弱、速度慢。如果路由器的c p u 在执行排队缓存、更新路由 表等功能时处理速度跟不上高速链路，也会产生拥塞。 i i 2 拥塞控制的概念 4 北京邮电大学硕士沦文移动i p 下的t c p 友好速率控制的研究 当蚓络中存在过多的报文时，网络的性能会下降被称为拥寨 4 5 。使用图 1 来描述拥塞的发生。当负载较小时，吞吐量的增长和负载相比基本呈线性关 系，延迟增长缓慢：在负载超过k n e e 之后，吞吐量增长缓慢，延迟增长较快； 当负载超过c 1 i f f 之后，吞吐量急剧下降延迟急剧上升。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作出反应 6 ，在图l 中就是使负载保持在k n e e 附近。拥塞控制 主要考虑端节点之间的网络环境，目的是 使负载不超过网络的传送能力：而流控制 主要考虑接收端，目的是使发送端的发送 速率不超过接收端的接收能力。拥塞控制 算法包含拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 和拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 这两种 不同的机制 4 。 图l ( 上为吞吐量、下为响应) 拥塞控制是恢复机制，它用于把网络从拥塞状态中恢复出来；拥塞避免是预 防机制，它的目标是避免网络进入拥塞状态使网络运行在高吞吐量、低延迟 的状态下。计算机网络爆炸式的增长随之而来的是越来越严重的拥塞问题。 网络带宽的增加，是否就可以解决髓络拥塞呢? 我们可以看到，城市的道路 越修越宽，越修越好但是交通拥挤照样发生。同样，网络拥塞也会随着上网 用户和数据传输量的增加，以及突发性需求的增加而变得难以控制。拥塞控 制是确保i n t e r n e t 稳定的关键因素也是各种管理控制机制和应用的基础，因 此网络拥塞机制的研究就变得非常重要。 北京部电大学硕士论文 移动持下瓣t c p 发好速率控制鹃研究 l 。1 3 端戮端的搁塞控铡 端到端拥寨控制是目前i n t e r n e t 的一个研究热点在最韧的t c p 掷议 7 中 只有渡控裁( f l o wc o n t r 0 1 ) 嚣没有援塞控铡。接收瑟巍愿t c p 缀头将搂嫂藐力 通知发送端这样的控制机制只考患了接收端的接收能力。面没有考虑网络的传 羧蕤力，导数了网终蘩泼( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 豹发生。1 9 8 6 年| 0 嚣，鑫子搦 褰糍溃的教生，美圜l b l 到u cb e r k e l e y 的数据孬吐爨从3 2 k b p s 跌落剿 4 0 b p s 8 在薅之露，耱塞羧秘矮壤开矮了大豢憝毳 究工箨。特巍蓬褥捷窭豹 蹩，j a c o b s e n 调套了这次产重豹网络崩溃，并由此掇出了他的划时代的成就一 一教遴磊静t c p 传输控制辘露。那戴是往t c p 在网终籀塞显然发生戆辩谈 冀标惠是蠢分组丢失通过和式瓒趣积式减少( a l i n e d ) 方式改变湾渤窝口大 小来控帛发送速奉。郎使在t c p 成功应瘸予簸联网已经2 0 年静今天，这顼成簸 静作用依然引入注瓣。据塞控澍算浚对保证t n t e r n e t 觞稳定舆有十努重要鲍作 用。但燕阏络中的捅塞来源予网络资源和嘲络流量分布韵不均衡性。拥塞不会 聪誊网络簸理鼹力辩搀离两渣除。爨塞控铡冀法豹分帑性、蹭络的复聚性和对 拥塞控制算法的性能要求叉使拥塞撩散【算法的设计具有搬高的难度。刹目前为 止，糖塞鲻题还没蠢褥到缀究警豹织凌。 l 。1 。4 鼢友努憋速率接割 近年来。多媒体业务越来越多地拨应用剥因特网上。由于udp 没有像tc p 熬榉筠三次握手以及重镗撬裁，霹戳获褥较枣豹孵筵，嚣以这塑多媒体韭务 一般采用udp 作为传输屡协议。很由于udp 缺少搬塞控制的机制。大量馒 爝udp 滚缀胃夔会造藏瓣络瓣建簸。阂霎重。舞秉褒嚣将瘸牵大量後建罄dp 液，没有瀵攀控制鹣u dp 攘会过分捻古tep 的流量，造成udp 溅和t c p 流乏闯黟耋豹不凳早。嚣既。器婺给驻dp 增鲡速率控甏辘龋。这耪速率藏 剖拢剿应该苓仅可璐避免赠络掏过载，还应该与tcp 酌速率控制辊剿是公平 的。这种公平性的其钵靛禽义燕指：瓷tcp 流帮吴露速率控露l 瓿截豹udp 流 焱褶同麴鞲固时阍( r i t ：r o u n dt r i pt i m e ) 翱包簧失率鲍慵猿下，蠢育翱网的 带宽。这种udp 的建率投靠机制瓣特性可豺被称为tcp 友好住 9 。 6 北京邮电大学硕士论文移动i p 下的t c p 友好速牢控制的研究 t f r c ( t c pf r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 是一种基于速率的端到端拥塞控制机 制。t f r c 的设计日的和应用方向就针对与当前在互联网上越来越广泛的众多对 传输的实时性和稳定的传输速率的要求远大过于对传输可靠性的应用，如i p 电 话，视频传输以及刚络互动游戏等等。并且它具有t c p 友好的性质，也即在长 时期的吞吐量上和相同r t t 和丢包率的t c p 流相同，而短期的传输速率远较 t c p 来的稳定。而且由于t f r c 的端到端设计思路，可以在不对现有的数量庞大 的路由器进行改动就可以投入使用。 t f r c 的控制机制可以简单介绍为：发送的每一个分组都会包含一个时戳和 一个序号，接受端反馈的分组包含接收端收到的最近一个分组的时戳和序号。 然后发端依据反馈估算出链路的r t t 并包含在发送分组中；接受端则根据r t t 和最近几个r t t 内收到的分组的时戳来估算出丢失事件率，并把它反馈回发 端；发送端再依据收到的丢失事件率来计算出当前链路条件下的适当发送速 率。 世界范围内的研究者们做了相当数量的仿真和试验。结果表明t f r c 具有相 当好的实时陛和较为稳定的传输速率，并且t c p 友好的方面也相当出色 i 0 。 1 1 5 移动性的需求 近年来，移动通信发生了重大变革并取得了迅速的发展。同时，i n t e r n e t 的网络规模也不断扩大，这两个目前最成功的信息技术走向融合，从而突破基 于有线方式的i n t e r n e t 所受到的时空限制，满足用户随时随地能够接入 i n t e r n e t 的要求已是大势所趋。随着移动计算的日益普及，对因特网设备的移 动性支持也变得很重要。大量的移动计算设备如移动电话、笔记本电脑和掌上 电脑等，随着价格逐渐被大多数人所接受，正在被日益广泛地应用。而各种无 线接入技术如g p r s 、i e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n 、b l u e t o o t h 等的相继应用则 使得越来越多的移动计算设备通过无线上网。因此对移动性的支持是下一代网 络所必须具备的功能。 在解决了无线接入问题之后亟待解决的问题就是移动主机或节点( m h o r 州) 如何能够在不同的无限按入点( a p ) 之间移动并且能够保持它的i p 地址并且 不中断与通信节点( c n ) 的通信。i e t f 因此制定了用于解决移动主机在不中断 袭索郏电夫学嫒= ： 奎文 移囊l 下瓣t c p 袭 速率控涮豹磺变 通信的情况下接入网络的一黢套体系移动i p + 移动i p 是神在全球因特 嘲上提供移幼功能的方案，露使移动节点总燕使用它的家乡地址来被寻址，而 不饕移动节点当蓠是连接在家乡链路还是移动刭羚地镶路。移动 p 通过在网终 层加入一些新的特征使得运行在移动节点上的应用程序在移动的过程中能够保 持连接，穆凌挂对予土层协议及应用羧j | 事像势透明性。它主要瀵是了越下要求 1 1 ： i ；移秘节点改变其链黪层连接煮惹，毅够螽 持ip 逮珏蚕嶷，获悉鬻鞋继 续和其他节点通信，同时移动节点还能够和其他没有采朋移动ip 协议的节点进 行遴售。 ( 2 ) 移动ip 应与现存的ip 协议兼容不需要对当前的网络连接、用户设 藏和鼹峦器瓣配置谶行更改，不应影魄当蘸嚣lp 追簸鲸分配方法，氇不辩要对 协议数据单元进行更改。 ( 3 ) 移动节点不澎眈因符瓣上的黼定节意凿箍更多静安全威胁。 ( 4 ) 移动】p 协议向上屡屏蔽主机的移动，使褥上层应用獠序不受移动性的 影响。 同时，为了使移动】p 得蒯广泛的藿己置和皮明，还农以下方藤作了专门豹改 进：尽量减少路由更新信息的数量和频率：移动ip 的废用不会躲化目前ip v 4 娥蛙短缺瓣困境：为了毙够遗应移凌生规不鞭璞长鲍蒺求。移动lp 具骞较好 的w 扩展性。 然覆蠹予当今要联瘸爨落式豹发袋，势虽涎藿下一搜穆i 秀遴撞蓑零粒发 展，各种无线接入技术层出不穷基平无线接入的业务应用需求不断增长各 耱燕子移象麓浚备魏络氇簿低赘麦大 f l 费莸接受羧莲蘩。夭襄越来越黍麓将塞 己的计算机或移动设备永远保持在线，即使悬在移动状态也能够被其他人访 闷。这样藏薅l p 遗缭有巨夭熬嚣求。茜踅基予i p v 6 毅米懿移动i p v 6 援零不褥 不被提上日獠，并且被公认为未来移动计算环境中的关键技术。i e t f 墩制定了 移动i p v 6 酌方案 1 2 1 。通过使用移动i p v 6 ，移动餮备可鞋在移动计算繇凌中 自幽移动，不用手工配置任辩网络信息就能够继续通储，并且能保持正在进行 的网络连接幂被中断。i p v 6 楚在i p v 4 巨大成功的基磁上发展越来的新麓联协 议版本。i p v 6 地址为1 2 8 位，具有臣丈的地址空间，熊够非常容易地满足因特 8 北京邮电大学硕士论文移功i p 下的t c p 友好述牢控制的研究 蚓的快速发展，并且i p v 6 对移动性、安全陛和服务质量都有很好的支持。移动 i p v 6 的诞生被认为是移动汁算领域的重要里程碑。 这里特别提出一点：本文中所涉及的移动i p 概念如果没有特别指出，则所 指为既包括了移动i p v 4 也包括了移动i p v 6 的整个体系。 1 1 6 移动性对拥塞控制的影响 衡量传输性能的主要参数有数据包延迟、数据包丢失率、延迟抖动和吞吐 率等。传统的端到端拥塞控制机制( 如t c p ) 在这方面做得非常出色良好的 速率和流量控制保证了整个因特网的健康运转，使得丰富多彩的网上生活成为 现实。但是随着近年来无线网络的迅猛发展，越来越多的终端通过无线的方式 接入互联网，而传统的传输控制协议( 如t c p ) 在无线通信网络中得到了越来 越广泛的应用的同时也遇到了似乎无法克服的困难。例如：当前在无线蜂窝网 络中对各种数据业务量的需求越来越多，在卫星通信、无线广域网及无线局域 网络中都有着t c p 的身影。但在有线网络中表现上佳的t c p 在无线链路上并不 能取得好的运行性能，这是由于有线网络中链路的可靠性前提在无线网络中并 不成立 1 3 。就这一点我们分析如下： 我们首先强调一个事实_ t c p 的端到端和式增加积式减少( a i m d ) 的拥 塞控制机制有一个最基本的假设而这个假设毫无疑问是整个控制机制最为根 本的基础。这个假设就是：传输中链路上的一切分组丢失都是由于网络拥塞造 成的，而网络拥塞的原因是系统产生了瓶颈，即发送的数据量超出了网络孵传 输能力因此t c p 的拥塞控制机制对于分组丢失做出了没有任何区分的唯一的 应对措施，那就是以积式减少( m u l t i p l yd e c r e a s e ) 发送速率。然而无线网络 中报文的丢失或延迟到达并不一定是由于网络中间节点出现拥塞造成的，很大 程度上是由于无线链路本身的特性，诸如：高误码率、大传播对延、终端的频 繁移动或切换的潜伏期过长等原因所致。而t f r c 作为一个和t c p 有者相似的端 到端控制机制的传输控制协议也将在无线链路的传输中遭遇到相同的尴尬。因 此，我们若要在无线网络中保持较高的通信效率，较好的网络吞吐率。就必须 改进原有的传输控制协议。在本论文中我们将对移动i p 下的t f r c 性能做较为 深入的讨论和分析并介绍我们的改进方案。 北京邮电犬攀硕士论文移动撑下豹t c p 友好建率控制的研究 1 2 课题研究意义 当煎的互联阏发鼹熬旨两丈趋势。一是由于多种光线接入方式的出现和可 移动静终端设备价格静下降，使褥移劲诤算帮移魂蕊联融或为了囊靛登赛范戮 内研究的热点，而移动环境下的数据传输自然也就成为了具有重骥意义的研究 方向：第三个趋势是指越联网所提供豹般务越来越多样化，已经从麓单豹文件 传辘、远嘏登录、电予郎俘等转向了毽搔音颓、褫鬏、互魂游戏麓至虚掇天生 在内的庞杂集合。而在繁多的应用服势中对于实时性和稳定的传输速率的要求 远高过对于传输可靠性黉求的服务如i p 电话、视频点搔等所占比例越来越大。 据统计，1998 年t n t e r n e t 上g5 瓣流量是溪l 建t cp 秘滚馋辕蘸，毽醚 着用户接入带宽的增加，v0 ip 、网络音频和视频等业务的发展，通过ud p 协议传输的流量不断增加，目前已蠢到了30 1 4 。因此对于当前网络土 弱藕塞羧籀挺毒了瑟缝甏求，郡羲是褒苓影响兰懿熬令嚣赘嚣垒豢瑷凝薛演嚣 下对予箨种实时业务做出具有t c p 友好性的行之有徼的拥塞控制。而t f r c 协议 不仅具备了t c p 友好性，同时特别面向对实时性和稳定速率有较商要求的业务 提供了莛菇豹麴塞控裁。本潆题将蕾疑点藏在移囊l 下夔t f 愆蕊辕毪毙装势 析和优化上面，具有较为重要的应用价值和较为重太的前瞻意义。 1 3 国内外研究现状 当前领导这一领域研究的是i e t f 的d c c p ( 数据报拥塞控制) 工作维， t s v w g ( 传输领域) 工悔组和i c i r 的t f r c 工作组，他们提出了冀要的标准和草 寨。嚣蘩在整雾莲嚣疼t c p 友好熬逮攀控割量经成为疆究囊冬熟煮，诲多丈学积 研究机构都在不同领域做出了自己的辩献。在有线镳路上t f r c 瞧能的研究已经 较为成熟，所得到的结莱也已为大家所公认 1 0 。程实现领域做樽较为出色的 霆卡内蒸一撵建丈学( c 涮：c a n e g i e - m e l l o mu n i v e r s i t y ) 豹覆燕缀援架掏翡 i n t e r n e t 会议系统i t s 。 在移渤i p 环境下的t f r c 性能的分析目前尚属较为前沿的课麟，开展同类 醭究戆掇掏缀乡。 j 衷辫电大学磺士论文移动疆下糖t c p 发努速睾控溯的群 究 1 4 论文王律 奉论文来源于与诺基亚( 中国) 研发中心的台作项目一移动环境下t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o l 的仿真和实现及性能评估，完成于诺蕊亚( 中豳) 研 发中心。 1 5 论文组织结构 本文共分为6 章。 第一章楚瀑题夯缓，毽撬了据塞拨裁瓣嚣求，t f r c 产生豹鬻最窝它戆主要 特点：t c p 发好性和稳定的速率。同时简单介绍了移动i p 下的t f r c 。 第二章审奔绥7t f r c 基搴携毒爻，毽蕹它熬设诗愚臻，赘议裁素l ，燕毒l 莫 法。后边对她的性能进行了讨论。 第三章审首先奔缮了移魂i p 协议，包括耀捌静米谮，数豢络构，撵幸筝过程 等等，而后介绍了移动i p v 6 ，并指出了移动i p v 6 的优点。 第西章介绍了移动i p 环境下t f r c 的性簸。分析7 移动i p 下据塞穗涮所瑟 临的问题，辨利用仿真耜实现的手段对比? c p 分析了t f r c 的性能。并风提出了 我们辩移动i p 下的t f r c 性能的改谶；自道应发送速率( a s r ) 静t f r c ，介绍了 算法的主要慰悲并进季亍了理论可行性分析，势通过仿真和实现说硬了a s rt f r c 对于移动i p 场景中t f r c 流传输性髓的提高。 第五章对我们静王撑彝成果敬了糖单妁总缮。讨谚了仍然嚣在豹阍聪，指 出了下一步研究的方向。 北京邮电大学明士论文移动i p 下的t c p 友好述牢控制的研究 2 1 简介 第二章t c p 友好的速率控制 t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o l ( t f r c ) 即t c p 友好的速率控制是一种端到端的基 于等式的速率控制机制，是一种在因特网环境中和t c p 竞争的具有较t c p 速 率变化缓和得多的用于单播流的控制机制【9 】。 从它的概念我们可以看出，t f r c 具有两个最重要的性质 1 ) 和t c p 竞争的公平性t c p 友好性 2 ) 较t c p 缓和的速率变化 这些性质使得t f r c 非常适用于当今互联网上越来越多的，需要一种数据流 平滑性的实时流媒体应用，如视频、音频业务等。同时由于t f r c 所具有的 t c p 友好性，不会造成实时媒体流对网络中t c p 流资源的恶意抢占，可以减少 因此而产生的拥塞，保证因特网的健康运转。 我们还应该注意以下几点： 1 ) t f r c 是一种控制机制，而不是具体定义的传输层控制协议。它可咀配 合传输层协议如u d p 使用，也可以在应用程序中实现，也同样可以配合应用层 的传输控制协议如r t p 等使用。也就是说t f r c 的引用场合非常广泛。 2 ) t f r c 所针对的是那些具有固定分组长度，通过改变单位时间内的发包 数目来改变速率的应用。而有些语音传输的应用需要在单位时间内发送固定数 目的分组，而通过改变发送的每个分组的大小来调节发送速率。对于这些分组 长度不厨定的应用在t f r c 中不予涉及。随后将会有单独的t f r c - p s ( p a c k e t s i z e ) 草案的推出，专门用来解决具有可交分组长度的传输速率控制。 3 ) t f r c 是一个基于接收端的机制，对于拥塞控制信息( 如丢失事件率) 的计算都在接受端完成而非发送端。因此它对于发送端的计算能力要求不高， 从而非常适用于发送端为一个较大的服务器，而同时许多个有更加充裕的计算 能力的客户端作为接收端的情形，例如广播的拥塞控制。 北京邮电大学坝七论文移动l p 下的t c p 友好速率控制的研究 2 2 文献标准 i e t ft r a n s p o r ta r e aw o r k i n gg r o u p t c pf r i e n d l yr a t ec o n t r o l ( t f r c ) ：p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ( r f c 3 4 4 8 ) m h a n d l e y s f l o y di c i r 7 p a d h y em i c r o s o f t j w i d m e ru n i v e r s i t yo f m a n n h e i m i e t fd c c pw o r k i n gg r o u p d r a f t i e t f d c c p - c c i d 3 一0 0 ：p r o f i l ef o rd c c pc o n g e s t i o nc o n t r o li d 3 ：t f r cc o n g e s t i o nc o n t r o l j i t e n d r ap a d h y em i c r o s o f tr e s e a r c h s a l l yf l o y de d d i ek o h l e ri c i r 2 3 协议机制 出于t c p 友好性和获得稳定的发送速率的双重考虑，t f r c 的协议机制实 现采用了基于等式的拥塞控制算法，来改进t c p 的数据流的剧烈抖动性，同时 保证t f r c 流对t c p 流竞争的公平性。 基于公式的拥塞控制的原理是通过一个以丢失事件率和环回时间( 烈盯) 等 为参数的公式来计算发送方的发送速率上限发送方以此公式的计算结果为依 据来对自身的发送速率进行调整，并保证发送速率不会高于这个值。 t f r c 的协议机制可以简要描述如下： 接收端估算丢失事件率并将其反馈回发送端 发送端通过得到的反馈来估算环回时间( r t t ) 发送端将丢失事件率和环回时间代入拥塞控制等式计算出当前的适当发送速 蛊 发送端依据计算出的速率调整实际发送速率 北京邮电大学顶士论文 移动i p 下的t c p 友好速：笨控制的研究 2 3 1 拥塞控制等式 图2 1t f r c 协议机制的图形说明 要实现基于等式的拥塞控制最基本的条件是要有一个速率控制等式。由 于t c p 是目前i n t e r n e t 中最主要的拥塞控制算法，i n t e m e t 中7 0 以上的流量都 是基于t c p 的，因此如果一个基于此公式的流争抢带宽的能力比t c p 强那么 就会导致相同条件下的t c p 流得不到应有的带宽而导致基于t c p 的应用不能正 常运转。同样的道理如果此速率控制等式的争抢带宽的能力过分地弱于 t c p ，则会导致应用得不到应有的带宽。所以一个正确的速率控制公式所计算 出的速率值应该与一个t c p 在相同条件下的稳态的发送速率相近，甚至相同，以 此来保证基于此等式的应用与一个基于t c p 的应用的争抢带宽的能力相同，这 就是我们所说的t c p 友好性。 在t f r c 协议中，我们采用p a d h y e 等人给出的公式作为模拟t c p 流的稳态 的发送速率的等式【9 】，如下： s x = r * s q r t ( 2 * b + p 3 ) + ( t _ _ r t o + ( 3 * s q r t ( 3 b p s ) + p + ( 1 + 3 2 + p 2 ) ) ) ( 式1 ) 上式中s 是分组大小的字节数p 是丢失事件率，t _ r t o 是超时时间，r 是 r 1 r r 时间，b 为一个应答所代表的接收到的报文数，这里我们推荐值为1 。通过 1 4 北京邮电大学硕士论文移动i p 下的t c p 友好速牢控制的研究 此公式就可以汁算出在当前参数值的情况下一个t c p 流的稳态的发送速率x 。 对于此公是我们可以进一步简化认为tr t o = 4 * r t t ，同时我们也可以限 制t _ r t o 小于1 秒，来匹配对r t o 的推荐最小值。 9 这中间值得我们注意的是在式1 中我们用丢失事件率来代替了t c p 控制等 式里的丢失率。丢失事件率是t f r c 中非常重要的一个概念，一个丢失事件是 指丢失间隔里的数据至少有一个分组发生丢失，而不管这个丢失间隔内分组丢 失的个数。因此，一个丢失事件可能包含几个分组丢失。丢失事件率就是指丢 失事件发生的概率。丢失事件率的引入使得发送速率不会因为偶尔的分组丢失 而产生剧烈波动，依据t f r c 计算丢失事件率和丢失间隔的算法，只有当连续 的分组发生丢失甚至连续的丢失事件产生时发送速率才会有明显的下降这就 在避免拥塞的同时抑制了发送速率的抖动。 2 3 2 分组内容 发送端发出的分组包含了如下内容： 分组序号：每发送一个分组这一分组序号就将加1 ，从而可以唯一标识每个 分组 时戤：记录了每一个分组发送时的时刻。接收端就是利用时戳来判断哪些分 组丢失是属于同一个丢失事件。序号为i 的分组的时戤标记为t s _ i 发送端对i m 的估算值：接收端也利用这个i m 值来判定丢失间隔和丢失 事件序号为i 的分组所携带的础r r 估算值标记为r j 接收端反馈的反组包括如下内容： 最后一个收到的分组的时戳i 发送端利用这个数值来估算础广r ，标记为 t _ r e e v d a t a 。 接收最后一个分组所用的时间：发送端同样利用这个数值来估算r t t - 标记 为t _ d e l a y 从上一次反馈发出起接收端对于接收速率的估算值标记为) ( _ r v 接收端对于丢失事件率的估算值，标记为p 1 s 张哀辩电大学磺士论文罄动l p 下豹t c p 友好谜攀控割款研究 2 3 3 发送端行为 2 3 3 1 估算分组长度 由于t f r c 针对分缀长度固定的应用，所以这一数据通常怒融知的。 2 3 3 。2 接浚餮爱馕露瓣发送装疗秀 1 计算新的r 1 德样本：r _ s a m p l e 。( tn o w t r e c v d a t a ) 一t _ d e l a y 2 ，更新r ：r _ i m q + r _ i - 1 + ( 1 - ( 1 ) rs a m p l e 这里常量q 为0 9 3 ；更薮l r t o ：l r t c t - 4 + r 4 。菱薮发送速攀：x = m a x ( m i n ( x _ c a l c ，2 * x _ r e c v ) ，s tm b i ) 其中xc a 】c 时通过式1 计算出的遴举，tm b i - - - 6 4 秒，表示持续分组丢失 情况下的最大分组间隔 5 重新设定无反馈定时器：定时器会农m a x ( 4 * r 。2 * s x ) 后超时 特裂戆，鲡暴酵簸予蠖杂费获态，那么发送速辜大致将会凌镣令嚣回酵闻 瓣髑期内翻倍壹塑l 有繁失事停产生【9 j 2 3 3 3 无反馈定时器趣时时的发送端行为 首先发送端会将发送速率减半，然后依据1 3 3 2 节中的内枣煎新计算发送 速率。黉且重薪设定定时器在m a x f 4 + 2 * s x ) 屡超时。 2 3 3 4 荬毽 t f r c 的发送端出了上述的主要行为辨遥具有如抑制抖动、调度分组发送等 行为，由于和我们的课题关系不甚紧密，因而这里不加赘述。 2 。3 4 揍牧端嚣戈 t f r c 翡接枝端簿襻具有一系戮翁学为，瘦对于分缎鲸接牧、无分组接蔽定 时器的超对等等事件，但是接收端在整个协议机制里最为重要的杼为便是对于 礞嫩时间间隅和丢失攀件的判定以及丢失搴件率的计算，下面我们主要介绍一 下t f r c 对于丢失事件率的计算方法。 2 3 。4 。1 丢失事势搴熬谤纂嚣姻 丢失事件率的计算燕t f r c 中最关键的一个肉容，而丢失事件率的计算比 1 6 北京邮屯大学硕士沧文移动i p 下的t c p 友好建牢控制的研究 较复杂，因此我们首先列举出需要遵循的基本原则：首先，当嗍络中实际的丢 失事件率稳定时，我们所h 算的丢失事件率也应是平滑稳定的：其次，当发生 几个连续的丢失事件时，计算出的丢失事件率要大幅度地增长；最后，计算出 的丢失事件率只应随着新的丢失事件的发生而增长。 2 3 4 2 检凑j 分组的丢失 t f r c 的协议规定每一个发送的分组都携带一个唯一的序号，此外我们特别 规定在每一个重传的分组中它所携带的序号都将是整个序列中最近产生的新 序号，这样我们就在时间轴上保证了每个分组序号的全局唯一。 如果传输层的协议对于分组的序号有着特殊的要求，比如要求重传的分组 的序号必须为该分组的原始序号那么t f r c 协议要求相应的传输层协议给出 检测分组丢失的方法。 我们判断分组丢失的依据是至少收到了三个序号大于( 向后) 丢失的分组 的序号的分组，此时找们可以判定该分缎丢失。这同t c p 的判别丢失依据是相 同的【1 6 】，这样使得t f r c 具有校正分组乱序的能力。由于t f r c 的分组序号的 全局唯一性，t f r c 可以在接受到重传的分组之前如果接收到了已经判定为超 时的分组那么它可以自己填补缺失分组的漏洞，并重新计算丢失事件率【9 。 2 3 4 3 转化丢失纪录为丢失事件 t f r c 控制机制中最为重要的环节就是丢失事件率的计算，要正确计算丢失 事件率，就必须做到正确判断那些分组丢失属于一个丢失事件。类似于t c p 在 一个r t t 内只会一次将拥塞窗口减半，这样可以保证连续的分组丢失时传输速 率不会过于迅速的下降避免传输性能的恶化。t f r c 采用如下的机制来完成 分组丢失和丢失事件之间的映射。 每发现一个丢失的分组，接受端通过如下方式来估算出丢失的分组本应该 到达的时刻： tl o s s = t _ b e f o r e + ( ( t - a 觑r tt * f o r e ) + ( sl o s s s _ _ b e f o r e y ( s _ a f l e r ：s ：b e f 0 哟) ( 式2 ) 其中：t j o s s 、tb e f o r e 、t _ a f t e rs _ t o s s 、sb o f o r * 、跏n e r 分别是丢失 分组、接收到的序号小于丢失分组中最后收到的分组、接收到的序号大于丢失 分组中最先收到的分组的到达时刻和序号。 1 7 北京邮电大学硕士论文移动i p 下的t c p 友好速率控制的研究 需要注意的是由于乱序的发生，tb e f o r e 有可能大于也有可能小于 t a i d e r 。 如果我们将以前的丢失的分组so l d 作为一个丢失事件的开始，那么我们通 过下式来判别新的分组丢失sn e w 是否和它同属于一个丢失事件： to l d + r ( 式3 ) tn e w 其中t - o i d 和t _ n e w 分别是so l d 和s _ n e w 的到达时刻，r 是发送端估算 出的r y r ( 见2 3 3 节1 。 如果式3 成立，那么s _ n e w 属于已经存在的一个丢失事件：反之s _ n e w 应 当成为一个新的丢失事件的开始。 2 3 4 4 计算平均丢失阃隔和丢失事件率 丢失间隔就是相邻丢失事件之间的发生间隔。要计算丢失事件率我们首先 计算平均丢失间隔。我们通过对n 个最近发生的丢失间隔进行加权运算来得到 较为平滑的丢失事件率的变化的描述。 对最近n 个丢失间隔的权值w 的计算：从w _ 0 到w - - ( n 一1 ) i f ( i 1 1 2 )w i = 1 e l s e w _ i = 卜( i 一( n 2 1 ) ) ( r j 2 + 1 ) 式4 例如当我们取n = 8 ，那么从w ( 0 ) nw ( 7 ) 分别为： 1 0 ，1 0 ，1 o 1 0 ，0 8 ，0 6 ，0 4 ，0 2 在这里我们需要特别提出一点：这里的n 值的选择直接决定了t f r c 对于 拥塞的响应快慢，经过研究我们认为这个数值取8 最为合适【9 】。 下面我们计算丢失事件率，首先我们记最近发生的丢失间隔为从l 0 到 i j 。 i _ t o t 0 2 0 ： l t o t l = o ： wt o t 釜0 ： f o r ( i = 0 t o n 1 ) i _ t o t 0 = i _ t o t 0 + ( i - i + w j ) w _ t o t = w _ t o t + w j ； i b 托京邮电大学硕十论文移动i p 下的t c p 友好速率控制的研究 f o r ( i = it on ) i _ t o t l2i t o t l + ( i _ i + w - ( i 1 ) ) ； i _ t o t = m a x c i _ t o t 0 ，i _ t o t l ) ； _ m e a n = i _ t o t f w _ t o t ； 通过上述算法我们得到i _ m e a n 为平均丢失间隔。那么丢失事件率 p 2 1 i _ m e a n a 2 4t f r c 在有线链路中性能的分析 介绍了t f r c 的原理和协议机制之后，我们利用仿真和试验对它的性能做 了以下的分拼： 2 4 1 利用仿真对t f r c 在有线链路中性能的分析 目前对于t f r c 在有线链路上的性能分析已经做得相当完善而众多研究 掇告表臻t f r c 在t c p 友籽性秘稳定平滑的传输速率两方露都表现十分出色。 t f i 龟c 辅t c p ，d m p r _ t q t u 啮 t f h t c p t 睢d q u 础 图2 2t f p c 的t c p 友好性 所以对于t f r c 在有线链路上静性能分析结果已经得到了公认。我们在这里主 1 9 北京邮电大学顶士论文移功i p 下的t c p 友好速率控制的研究 要； 用已经发表的研究成果申的数据来对t f r c 的性能进行分折说喇 图2 2 反映了t f r c 的t c p 友好性。上图和下图分别是相同数目的 t f r c 流和t c p 流在采用r e d 和d r o p t a i l 同一条瓶