（通信与信息系统专业论文）通过arq提高无线网络中tcp的性能.pdf

通过a r q 提高无线网络中t c p 的性能 摘要 7 未来的移动通信将建立在i p 网络之上。作为目前i n t e r n e t 上应用 最为广泛的传输协议，t c p 在无线网络，扣的性能对于未来的移动刚户 至关重要。 在无线网络中，无线链路存在较高的误码率，容易造成分组的丢 失。而t c p 最初是针对有线网络设计的，认为分组丢失主要是网络 拥塞造成的。t c p 会将无线链路误码造成的分组丢失也误以为是拥塞 造成的，并降低发送速率，从而导致性能变差。 目前已经提出了多种改进方案，以s n o o p 为典型代表。a r q ( 自 动请求重传) 通过差错检测和重传，可以避免分组因无线链路误码而 丢失，从而提高t c p 在无线网络中的吞吐量。本文通过仿真数据表 明a r q 的性能优于现有的s n o o p 方案。 a r q 协议的实现可以有多种方式，本文对a r q 协议的实现细节 进行了讨论，并在r l c1 力、议的基础上，提出了- 4 t d s r 改进方案。 与现有的两种方案相比，三者都能保证t c p 的吞吐量性能，而d s r 在实现复杂度和确认帧流量方面都有优势。 a r q 也会给t c p 带来些负面影响。重传和按序提交会增大分 组的链路时延增大。按序提交还会增大流量的突发性，对瓶颈队列形 成冲击。当a r q 的发送窗口容量有限时，也会对吞吐量形成制约。 本文对这些影响进行了分析，并用仿真数据验证了所推导出的理论式 子。 针对上述3 种负面影响，本文进一步提出了3 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，让高优先级的交 互流使用独享的i p 队列和a r q 缓存，减小这类分组的排队时延和链 , 7 各i i g 延。s m o o t h a r q 在收端增加漏桶对流量进行整形，可以减少按 序提交造成的分组突发性。s m a r t a r q 将i p 队列和a r q 窗口两个原 本独立的缓存合并成一个，从而可以更高效地利用缓存容量。这3c f 】 方案在不同方面提高了无线网络中的t c p 倒：能。 本文的内容安排如下： 第1 章介绍无线链路和i p 网络。 第2 章介绍t c p 的基本原理和拥塞控制算法。 第3 章分析t c p 在无线网络中的性能，并将a r q 和现有改进的 方案进行比较，分析了a r q 方案的优越之处。 第4 章介绍a r q 在实现上一些细节问题，在r l c1 力、议的基础上 提出了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 造成时延和分组突发性的增加、有限的缓存容量对吞吐量的制约。 第6 章在上述分析的基础上，提出了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。这两章是本文的重点。 第7 章总结全文，并对研究的后续发展方向进行展望。 关键词：t c p ，a r q ，吞吐量，无线链路，服务质量 o 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 r w i r e l e s sn e t w o r k s t h r o u g ha r q 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 t w i d e l yu s e dt r a n s f e rp r o t o c o li nt 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 e o v e rw i r e l e s sn e t w o r k si sv e r yi m p o r t a n tf o rf u t u r em o b i l es u b s c r i b e r 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 yt h e i rh i g h b i t - e r r o r - - r a t e p a c k e t st r a n s f e r r e di nw i r e l e s sl i n k sa r e p r o n e t ob e c o r r u p t e d t c pw o r k s u n d e rt h e a s s u m p t i o nt h a t a l l p a c k e tl o s s e s a r ec a u s e db yc o n g e s t i o n w h i l et c pr u n so v e rw i r e l e s sn e t w o r k s ，i tw i l lt h i n kt h ep a c k e tl o s s e s d u et ow i r e l e s se r r o r sa r ec a u s e db y c o n g e s t i o n ，t h e nd e c r e a s ei t ss e n d i n g r a t e ，w h i c hr e s u l t si nt h ep o o rp 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 np r o p o s e d ，s u c ha st h es n o o p a r qc a n r e c o v e rt h el o s t p a c k e t s a n dh i d et h ew i r e l e s se r r o r sf r o mt c rt h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i sp a p e rs h o wt h a ta r qi sab e t t e rs o l u t i o nt h a n s n o o p o ni m p r o v i n gt 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 f w a y s t oi m p l e m e n ta na r q p r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r s o m ed 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 na r ed i s c u s s e d a n da n e wa r q s c h e m e ，n a m e d d s ri sp r o p o s e d ，w h i c hi so nt h eb a s i so fr l c p r o t o c o l c o m p a r e d w i t ht w oo t h e ra r q p r o t o c o l s ，a l lt h et h r e ec a ni m p r o v et c p p e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y , m e a n w h i l e t h ed s rc a n s i m p l i f y b o t ht h es e n d e r a n dt h er e c e i v e r a n dp r o d u c et h el e s ta c k n o w l e d g m e n tt r a f f i c t h e a r q a l s oh a v es o m e n e g a t i v e e f f e c t so nt c ea r q r e t r a n s m i s s i o na n di n o r d e r d e l i v e r yw i l le n l a r g ep a c k e t s l i n k - d e l a ya n d i n c r e a s et h ep a c k e tb u r s ti nt 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 s n o t l a r g ee n o u g h ，i t a l s o d e g r a d e t h e t h r o u g h p u t t h e s e e f f e c t sa r e a n a l y z e di nt h i sp a p e r a 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 d b y t h es i m u l a t i o nd a t a i nt h i sp a p e r ，t h r e ea r qs c h e m e sa r ep r o p o s e dt 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 qe x t e n d st h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c et ot h e a r qs u b l a y e ra n dp r o v i d et h ei n t e r a c t i v ef l o w sw i t ha ne x c l u s i v ei p q u e u ea n da na r qe 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 g t ot h e s m o o t h a r q ，t h ea g er e c e i v e r i sf o l l o w e db ya l e a k i n g b u c k e t t os m o o t ht h eb u r s ti nt r a f f i c i n s 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 , i pq u e u ea n da r qw i n d o w , i sm e r g e d i 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 rm o r e e f f e c t i v e l y a l lt h et h r e ea r q s c h e m ec a n i m p r o v e t c p p 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 ft h 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 r1 ：i n t r o d u c es o m e b 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 d i pn e t w o r k c h a p t e r2 ：i n t r o d u c et c p sc 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 et h et c p sp 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 a 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 r 4 ：i n t r o d u c es o m ed e t a i l so na r q i m p l e m e n t a t i o n p r o p o s e t h ed s r s c h e m e ，w h i c hi sb a s e do nt h er l cp r o t o c o l s c h a p t e r 5 ：d i s c u s st h ee f f e c t so nt c p b r o u g h tb ya r q ，t h e i n c r e a s e o fl i n k d e l a ya n dp a c k e tb u r s t ，t h el i m i t a t i o nt ot h r o u g h p u tb yd e f i c i e n t a r q w i n d o w c h a p t e r6 ：p r o p o s et h et 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 c h a p t e r5a n d 6a r et h em o s t i m p o r t a n t o n e si nt h i sp a p e r c h a p t e r7 ：m a k e ac 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 q ，t h r o u g h p u t ，w i r e l e s sl i n k ，q o s 上海交通大学硕士学位论文 绪论 在大学学习通信课程的时候，每一位老师都会谈起通信学科发展的目标是 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 ) 。对于刃b 时网0 冈0 踏入科学殿堂的我，这一幅美好的未来图景是那么让人憧憬。随着技术的发展， 这一过去的梦想似乎越来越近了，i n t e m e t 让地球成为了“地球村”，移动通信 使用户可以随时随地进行交流。随着专业知识的学习积累，我更希望能够作一 名梦想世界的创造者，而不仅仅是一个看客。 我对移动通信的最初了解来自于卡尔霍恩著的数字蜂窝移动通信i l l - - 书，既出于好奇，另外也是为了完成“自然辩证法”课程的作业论文 。通过 研究生专业课程的学习，我进步地了解了许多专业上的细节问题。2 0 0 0 年3 月，我参加了微软中国研究院在复旦大学举办了一个研讨会，会上一位m i t 的 教授展示了他的o x y g e n 计划，主要思想是利用一个类似手机但带有摄像头和 红外接口的手持终端，充分利用现有的技术实现方便的信息交流。例如，手持 终端本身不需要预先存储任何信息，只是将用户的头像传递到中心计算机完成 面部识别，还可以通过用户的声音进行辅助识别，然后将用户需要的相应信息 回送到手持终端里，例如私人通讯录等等。我为科技能为人们生活带来的便利 而激动不已。不过o x y g e n 计划要求在每个房间内都布置有基站，以便手持终 端可以就近接入，这些基站还必须相互连接成为一个综合业务的高速网络，我 质疑如何廉价地实现如此众多小区基站之间的互连。 2 0 0 0 年1 1 月，我听取德国斯图加特大学k u r n 教授在上海交大的一个关于 3 g 的报告。在会上，k u r n 教授展示了张表示未来3 g 网络的示意图，我注意 到图中连接各个小区基站的骨干网是i n t e m e t 2 ，顿时觉得豁然开朗，因为i n t e r n e t 可以实现几乎无所不在的的覆盖。当然，我仍然对在d 网络上实现综合业务的 移动通信存有疑问，因为移动信道的低质量和低带宽、口网络在传输速率和q o s 上的低劣性能，都是众所周知的。但是，我仍然认为这是未来网络的方向，即 i p 作为骨干网，移动网络作为主要的接入方法。我希望能够通过我的研究，解 决其中的一些问题。 我选择的研究方向是“t c p 在无线网络中的性能”。这是出于以下的考虑： 在通信协议的各个层次中，传输层是连接上层应用和下层通信予网的枢纽层。 研究传输层协议，一方面可以在现有的通信子网和上层应用环境下，通过修改 传输层协议来改进现有网络的性能。另一方面，可以对下层通信予网协议和上 层应用协议提出修改方案，使之更适合未来的网络环境。而t c p 是目前i n t e r n e t 上应用最广泛的传输协议，占据i n t e m e t 上8 0 9 0 的流量，多种应用如 w w w 、f t p 、e m a i l ，都是建立在t c p 协议上。选择t c p 作为研究对象具有 上海交通大学硕士学住论文 实际意义。 t c p 协议在有线网络中的成功有目共睹，但是在无线网络上的性能并不好。 因为多径衰落和小区切换使得移动信道不可避免地表现出较高的误码率和不时 的传输中断。而t c p 的一个基本假设是认为网络传输基本无错，分组丢失完全 是由于网络拥塞造成的，显然这一前提在无线网络中不再成立。链路错误导致 的频繁分组丢失会给t c p 源端造成网络捐 塞的锗觉，从而错误地减小发送速率， 并相应产生许多问题。 在比较了多种改进t c p 在无线网络中性能的方法后，我相信a r q 是最有 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出错或丢失，从而使t c p 的拥塞控制不会受到传输错误的 影响。这种方案不需要修改端结点的t c p 软件。与现有方案相比，a r q 具有 诸多优点i “j 。 为了了解3 g 标准对a g q 协议的支持，我查阅了一些相关论文和标准，并 提出了一种基于r l c ( w c d m a 的a r q 协议) 的a r q 方案，称为“延迟状态 报告”( d e l a y e d s t a t u sr e p o r t ，d s r ) z 2 1 ，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。 2 0 0 1 年7 月8 月，我利用暑假时间在微软中国研究院做了两个月的访问 学生，继续延续在t c p a r q 性能方面的研究。微软研究院在多媒体信息的压 缩、处理、管理等方面具有世界领先水平，各个研究小组都开发了许多有趣的 d e m o 以展示他们的研究成果，还经常举办各种学术报告和研讨会。我的研究 集中在无线网络的q o s 方面，提出了一种d i f f s e r v a r q 方案2 3 1 。受到研究院 风气的感染，我也编写了一个d e m o ( 合作完成) 以演示这一方案对网上聊天 和实时视频传输的支持。 返校后，我对仿真数据进行分析，并提出两种s m o o t h a r q 和s m a r t a r q 两种改进方案，这部分内容还来不及总结成论文，也有待进一步的研究。 本文的研究结果都利用n s 2 仿真软件进行了验证。n s 2 是一个开放源码的仿 真工具，具有公认性和权威性。 本文是对我在硕士期间研究成果的总结，所提出的解决方案对于希望提高 t c p 在无线网络中性能的工程设计人员具有借鉴意义。各章内容安排如下： 第1 章“无线数据网络概述”，介绍无线链路和口网络的基本知识，并给 出了简化模型作为后续分析的基础。 第2 章“t c p 原理”，介绍t c p 的基本原理和拥塞控制算法。 第3 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。 上海交通大学硕士学位论文 第4 章“a r q 协议设计”，介绍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 协议的基础上提出了d s r 改进方案，并给出仿真数 据对这3 利，方案进行比较； 第5 章“层间干扰”，讨论了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。 第6 章“三利，基于a r q 的系统方案”在上述分析的基础上，针对a r q 会给t c p 带来的3 种负面影响，提出了3 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，减小交互式应用的时延；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。这两章是本文的重点。 第7 章“总结与展望”对全文进行了总结，并对研究中未解决的问题以及 可迸一步深入的方向作一展望。 上海交通犬学硕士学位论文 1 无线数据网络概述 1 1 无线数据网络的构成 无线数据网络的范围非常广泛，包括各种蜂窝小区制的移动通信系统、无 线局域网、固定点无线接入等。这类嘲络的共同特点是用户和基站( b a s es t a t i o n ， b s ) 之问建立无线链路，通过基站接入主干网。卫星通信网虽然也使用无线链 路，但卫星通信具有信道带宽大、时延大、传输路径不对称等不同于普通无线 网络的特点，本文中不考虑这类网络。 蜂窝制的移动通信系统目| j 发展迅速。在我国应用广泛的g s m 网络是典 型的第2 代移动通信系统，即将大面积应用的n c d m a 和g p r s 属于2 5 g 。3 g 也是基于蜂窝小区的移动通信系统。蜂窝系统的基本原理如图1 1 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络实现互联；用户与本小区的基站建立一条无 线链路，基站负责将用户接入核心网。用户在通信过程中如果从一个小区移动 到另一个小区，则需要进行“切换”( h a n d o f f ) 操作，切断与旧小区基站之间的 无线连接，和新小区的基站之间建立新的连接。其他无线数据网络的原理与蜂 窝系统类似，有的如无线局域网不支持切换，从而将用户的移动范围限制在一 个小区范围内。 “套、m o b i l e ih “飞 铲o 图1 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 来访问固定服务器( f i x e ds e r v e r ，f s ) ，数据流量在正反两个方向是不对称的， j 下向f s m h 的数据流量通常要远远大于反向流量，在m h f s 方向上往往只 有少量的查询请求以及必须的确认信息。因此本文研究的重点主要是f s m h 方向的数据传输。 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 上海交通大学硕士学位论文 络中，b s 相当于i n t e r a c t 中的相当于接入路山器( a c c e s sr o u t e r ) 或称边缘路 由器( e d g e r o u t e r ) 。在本文的分析中使用如下的简化模型。 d a t a 一一一 酽铡一酉 f i x e ds e r v e rb a s es t a t i o nm o b l i el - l o s t ( f s )( b s )( m h ) 图1 2 移动数据网络的分析模型 f i 9 1 2a n a l y s i sm o d e lo f m o b i l en e t w o r k 该模型对于无线局域网是非常适合的。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，本文中主要是将用户移动性作 为无线信道的个不可靠因素来考虑。 1 2 协议体系结构 经典t c p i p 网络体系模型包括4 层协议：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 m i n t e r c o n n e c t i o n ) 7 层模型上做了定简化。其中，o s i 的上3 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，而子网接口层对应于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5 层的协议模型。这几个模型的对应关系如图 1 3 所示。 应用层 表示层 会话尼 传输层 网络层 数据链路层 物四! 层 应j j 层 传输层 嘲绕层 子婀接口层 o s i 的7 层模型t c p i p 的4 层模型= 串：文中的5 层模型 图1 3 分层的协议体系模型 f i 9 1 3l a y e r e dp r o t o c o la r c h i t e c t u r e s 上海交通大学硕士学位论文 各种现有的协议分属某一层。图1 4 列举了一些协议及其所在的网络层次。 匾二；i 孟；百一ji 二二i i 而；i 一一j ；h 川 !竹输址 h 缔仨 觳* 帷i ，# 垃 图1 4 无线数据网络中的一些主要协议及其层次结构 f i 9 14 s o m ep r o t o c o l si nw i r e l e s sd a t an e t w o r k s m h 和f s 属于端结点，具有全部的5 层协议。b s 属于中间结点，具有下 3 层协议( 物理层、数据链路层和网络层) 。在b s 上可以运行一个代理( p r o x y ) p e p i 程序，这种情况下b s 可以扩展到具有传输层和应用层。代理检查所转发的 应用数据，可以增强传输的某些性能。 1 3 无线链路的特性 高层协议( 疋、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辑上的概念，影响其特性的除了无线信道本身外， 还包括数据链路层的编码、交织、接入、差错检验和重传方案对数据帧传输的 影响。 1 3 1 无线信道 由于周围建筑、树木等的遮挡、反射，从基站到用户的无线电波存在多径 传输现象。多径时延和多径衰落( 快衰落) 都会造成误码率的上升。由于用户 和环境物体的运动，多径分量在不断地变化。根据信道衰落的不同特性t 分为 快慢衰落和频率选择性月e 选择性衰落1 2 1 i ”。通常用瑞乔1 ( r a y l e i g h ) 或莱斯( r i c e ) 分布来描述快衰落信道的接收信号功率。 在窄带系统( 时分或频分) 中，使用自适应均衡技术可以有效地减少多径 时延。但窄带系统对于快衰落则办法不多。o f d m 采用多载波调制，每个符号 的持续时间很长，可以有效地抵抗多径效应，目前也是研究的热点，有望在数 上海交通大学硕士学位论文 字电视地面广播d v b 中得到使用。 直接序列扩频可以使用r a k e 接收技术来组合各个多径分量，从而有效抵 抗多径衰落。直扩技术是c d m a 通信的基础，有许多优异的特性，已提出的三 种3 g 标准都是基于宽带c d m a 的系统。 跳频系统中快跳频系统( 每个符号跳频多次) 不多，更多的如g s m l 4 j 、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) ，对于抵抗快衰落影响不大。 相比有线信道，无线信道非常不可靠。多径时延、衰落、噪声和干扰都会 增大无线链路的误码率。用户移动带来的跨小区切换可能会造成短暂的通信停 顿。无线信道的不可靠性带来许多问题。 对于高层而言，希望对物理信道进行适当抽象，得到一个简单易用的分析 模型。最简单的模型是随机出错模型，认为数掘帧中各个比特的出错与否是一 个独立随机事件。这模型过于粗糙。针对信道中错误通常是连续错的现象， 常用的分析模型是2 状态马尔可夫过程【5 l ，信道处于“好”或“坏”两种状态 之一，在每个状态中数据帧都有一定的随机丢失概率，状态之间的转移服从指 数分布。更复杂的模型包括多状态的马尔可夫过程【6 】。 1 3 2 信道编码和交织 收端从解调器得到的比特序列可能会出错，发端必须采用一定的信道编码 技术。典型的无线链路误码率为1 0 1 0 。常用的编码技术包括线性分组码、 c r c 、r s 码、卷积码和t u r b o 码f 2 1 ，通过加入一定数量的校验位，使收端可以 对比特序列进行检错或纠错。 考虑到无线信道中的误码通常是连续错，发端通常使用交织技术，将原始 比特的顺序前后互换。在收端进行相应的解交织后，连续的误码被打乱成离散 的孤立错，信道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的交织，在时间上前后相差很远的比特被相互交织在起。 这种深度交织尽管提高链路传输的可靠性，但增大了链路传输时延。数据分组 的传输通常都使用了深度交织，造成链路传输时延非常大。仿真中使用的典型 链路时延为5 0 2 0 0 m s 。 考虑到交织和信道编码的影响，本文在在仿真中将无线链路建模为一条具 有误帧率( f r a m ee r r o rr a t e ，f e r ) q 、带宽口、时延r 的简单链路。在无线链 路上传输的数据帧的可能会丢失，概率为q ；各帧的丢失相互独立。仿真中使 用的链路f e r 典型值为0 - 0 3 。这里没有使用连续错信道模型，主要是考虑到 经过深交织后，连续误码被分散到各个帧中间，已经失去了其连续特性：使用 随机丢帧模型便于分析，也不会产生大的误差。 上海交通大学硕士学位论文 13 3 自动请求重传 尽管引入了各种技术，在无线链路上传输分组，尤其是长分组，仍然很不 可靠。链路层的自动请求重传( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 技术可以提 供可靠的链路传输服务。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 作为一个较高的子层，工作在上述的无线链路之上。通过确认和计时 器，a r e 发端可以发现出错或丢失数据帧，并进行重传。为了减小重传开销， 长的上层分组在发端被分成多个很短的数掘帧，数据帧是基本的重传单位。本 文的后续章节将对a r q 的细节进行较多讨论，这里不再详述。 混合a r q 技术是编解码技术和a r q 的结合，收端将以前收到的错误数据 帧也保留下来，和新收到的数据帧一起进行联合解码。这一方法可以增加链路 可靠性，但也增加了实现的复杂度。本文中没有对这种方法作过多讨论。 a r q 提高可靠性的代价是增加了链路时延。当重传次数的较多时，a r q 会产生长而可变的时延。现有的无线系统主要提供交互式话音通信，a r e 并没 有得到广泛的使用。但对于无线数据业务，a g o 则非常重要。 1 4 无线网络中的i p 协议 i p 属于网络层协议，是i n t e r n e t 的基础，起源于美国国防部的a p a r n e t 7 】。 电子邮件、u n i x 、浏览器在p 发展的不同时期起了巨大的推动作用。几经发 展，口已经成为网络互联的事实标准，i n t e r a c t 上已有的主机和信息资源，是无 法估价的宝贵财富。 p 网络是一种无连接的数据报子网。源端的数据发送单位称为一个分组”， 分组的礤头部带有该分组的源地址和目的地址。各个中间结点在收到一个分组 后，根据目的地址选择最佳路由转发该分组。源端在发送分组之前无需建立连 接。分组有时也被称为i p “数据报”( d a t a g r a m ) 。事实上，i c m p 和u d p 协议 就是使用一个p 分组来发送个真正的数据报。 1 4 1f p 分组的格式 口分组的格式如图1 5 所示 8 l 。分组头部的各字段含义简单说明如下。 v e r s i o n ( 版本，4 b i t s ) ：当前d 协议的版本号。目前使用的口协议为i p v 4 ， 版本为4 。下一代i p ( i p v 6 ) 的版本为6 1 9 】。 i h l ( i n t e m e th e a d e r l e n g t h ，i p 头部长度，4b i t s ) ：i p 头部的长度，以3 2 b i t 为单位。口头部最长可以为6 0 字节，最短为2 0 字节，变长的头部允许刚带 多个头部选项。除了i p 头部，分组通常还带有各自协议的头部，例如t c p 或 u d p 头部，也至少为2 0 字节。在低速链路中，认为头部开销( 至少4 0 字节) 上海交通大学硕士学位论文 过大，需要进行适当的健壮头部压缩( r o b u s t h e a d e r c o m p r e s s i o n ，r o h c ) 1 0 1 o 现有技术可以将4 0 字节的i p 和t c p 头部压缩到4 字节“1 。 07 8】5 】62 3 2 43 1y p eo f s e r v i c et o t a li x n g l h f l a g sf ；a g m e n lo f f s e l d e s l i n a t i o na d d r e s s ； o p t i o n s p a d d i n g ，payload ， 图15 分组的i p 头部格式 f i 9 1 5 f o m m to f p a c k e t s 1 ph e a d e r t y p eo f s e r v i c e ( t o s ，服务类型，8b i t s ) ：用于标注分组希望得到的服务 质量或者转发优先级。这个字段不断被新的r f c 重新定义。在d i f f s e r v 中，前 六位被定义为区分服务码( d i f f s e r vc o d e p o i n t ) ，用于注明该流所属的业务 类类型。e c n ( e x p l i c i t c o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，显式拥塞通知) 使用了后两位， 用于e c n 协商和拥塞经历标记【1 3 1 。 t o t a ll e n g t h ( 总长，1 6 b i t s ) ：包括头部在内的分组总长度。i p v 4 的分组最 大长度为6 5 5 3 5 字节。 i d e n t i f i c a t i o n ( 分组标识，1 6b i t s ) 、f l a g s ( 3b i t s ) 、f r a g m e n to f f s e t ( 分片 偏移，1 3b i t s ) ：这3 个字段用于p 分片。当某个中间子网所支持的最大传输单 位( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，m t u ) 小于当前分组的长度时，分组必须被 分成若干个小分片后传输。每个分片仍然是一个伊分组，长度均小于子网的 m t u 。在分组的目的端各个分片又被重新还原为原始的大分组。典型的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。目前对p 分片技术 的争议很多，普遍认为口分片会带来许多问题，应尽量避免使用。在i p v 6 中 i p 分片只是作为一个扩展头部。t c p 可以使用“路径m t u 发现”u 4 以避免中 间路由器进行分片。本文中不考虑口分片对性能的影响。 t i m et ol i v e ( t t l ，生存期，8b i t s ) ：目前对t t l 字段的使用与其字面含 义相差较大，分组每经过一个节点后t t l 值减一；当t t l 字段减为0 时，该 分组被抛弃。t t l 字段可以避免分组在网络中游荡或者兜圈子。i p v 6 中将这个 字段改名为h o pl i m i t ( 跳数限制) ，以更准确地反映其含义【9 1 。 p r o t o c o l ( 协议说明，8 b i t s ) ：用于说明d 分组的数据载荷部分属于哪种 上海交通太学硕士学位论文 协议。常用的协议包括i ”j ：i c m p ( 1 ) 、t c p ( 6 ) 、u d p ( 1 7 ) 。 h e a dc h e c k s u m ( 头部校验和，1 6b i t s ) ：i p 分组对其头部计算校验和。每 个中间路由器都要计算这个校验和，如果校验出错则该分组将被抛弃。 s o u r c ea d d r e s s d e s t i n a t i o na d d r e s s ( 源地址& 目的地址，均为3 2b i t s ) ： 分组的源地址和目的地址。i p v 4 使用3 2b i t s 的地址空间，在i p v 6 中地址空i 刈 被扩展到了1 2 8b i t s 。 o p t i o n s ( i p 选项，可变长度) ：i p 选项用于实现一些可选的功能，如路由 记录等。口选项需要加入填充位( p a d d i n g ) 以保证长度按3 2 b i t s 对齐。 1 4 2 l p 网络 p 网络由路由器和连接路由器结点的数据链路构成。路由器根据分组头部 的目的地址，选择最佳路由进行转发。一般认为口网络不保证分组的到达是按 序的。但在实际网络中，分组基本还是按序到达目的端的，除非路由器更改了 它的路由表，而这种情况只有在链路故障时才会发生。 路由器可以分为核心( c o r e ) 路由器和边缘( e d g e ) 路由器。边缘路由器直 接和主机相连，提供接入服务，实现主机和核心网之间的分组转发。边缘路出 器承担的业务量有限，可以针对流进行一些处理，例如安全策略、流量整形等。 而核心路由器的主要工作是实现对大量分组的高速转发，本身工作已经非常繁 忙，将对流的处理部署在核心路由器上是不适合的。 分组流可能在某路由器处汇聚，当输出链路的服务速率低于分组的汇聚速 率时，该链路成为瓶颈。路由器将不能及时得到发送的分组在缓存中排队，并 引入适当的队列管理算法。最简单队列算法的是简单丢尾队列( d r o p t a i l ) ，如 果分组到达但队列长度已经到达缓存的最大容量，则该分组将被丢弃。主动队 列是更好的队列管理算法，例如随机早期丢弃( r a n d o me a r l yd r o p ，r e d ) ，在 防止拥塞和流量公平性上有更好的表现f 1 ”。由于队列溢出造成的分组丢失称为 “拥塞”。在有线网络中，拥塞是分组丢失的主要原因。 链路误码也会造成分组的丢失。数据链路层可能直接丢弃出错的分组而不 通知高层。路由器会对分组的口头部计算其校验和，如果校验出错则分组将被 直接丢弃而不通知源端。t c p 也会对整个分组另行进行计算校验和，发现出错 也会直接丢弃分组。由于无线链路的误码率很高，因此在无线网络中，链路传 输错误也是分组丢失的一个重要原因。但不论是拥塞还是链路误码造成的分组 丢失，源端都不会收到任何显式的通知。在需要可靠传输的场合，端结点必须 自行处理丢失分组的检验和重传。 上海交通大学硕士学位论文 1 5 传输层协议 t c p p 协议族有两个传输层协议：t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传输 控制协议) 用于实现可靠的端到端传输服务；u d p ( u s e rd m a g a mp r o t o c o l ， 用户数据报协议) 提供无连接、不可靠的端到端报文传输。 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 6b i t s 的无符号整数。分组头部的五元组( 协议，源地址，目的地址，源端口，目的 端口) 共1 0 4 b i t s ，可以用来标识一条分组流。为了方便地对流进行操作，i p v 6 在i p 头部增加了2 0b i t s 的流标( f l o wl a b e l ) ，以代替这1 0 4b i t s 的超长流标i 9 j 。 15 1t c p t c p 是目前i n t e m e t 上应用最广泛的传输层协议，占掘8 0 以上的流量。 t c p 提供端到端的可靠传输服务，上层的待传数据被分割成一定大小的报文段 ( s e g m e n t ) 进行传输。目的端在收到每个报文段后回送确认，源端会重传丢失 的报文段。除了差错检测和恢复外，t c p 还实现了拥塞控制以避免过高的发送 速率造成网络拥塞，t c p 的拥塞控制基于滑动窗口。对t c p 的详细讨论见第2 童。 利用t c p 可以很容易地得到一条传输“字节流”的管道，管道的传输速率 受限于网络。但上层应用除了可以被动地向t c p 提供数据外，不需要也很难对 t c p 进行控制，例如应用不能主动提高发送速率。可能的操作包括：“推”数据， 要求t c p 将当前报文段立刻发送出去；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，传输结束后要关闭连接，这需要一些时间开销。 152u d p 相比t c p ，u d p 是一个非常简单的“薄”协议，只是简单地将应用送来的 数据报文加上一个u d p 头部，放在口分组