（计算机应用技术专业论文）dccp传输协议的研究与仿真.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着网络业务类型的日趋多样化，i p t v 、网络电话等宽带流媒体业务发展迅猛， 为宽带网络运营商带来了巨大利润，市场前景十分广阔。实时流媒体业务主要采 用u d p ( 用户数据报协议) 传输数据，这使得u d p 应用大量增加，从而加深了u d p 因为 缺乏拥塞控制机制而带来的潜在危害。众所周知，i p 网络因为“尽力交付 的特 点使得网络拥塞不可避免，发生拥塞时t c p 可以通过拥塞控制来控制发送速率；而 同一网段的u d p 由于没有拥塞控制机制，无法控制其数据包的发送速率，因此影响 了t c p 公平性，如果网内u d p 流量过大，还会加剧拥塞程度，甚至造成拥塞崩溃。 目前解决这个问题的常用方法是在应用层实现拥塞控制，或者在路由器中使 用尾部丢弃、随机早期检测( r e d ) 等丢弃技术来减少过大的u d p 通信量。但这些方 法会加重应用程序的负担，或者增加路由器的成本并影响到其性能。鉴于此，在 实时性和可靠性之间做出折中的数据报拥塞控制协议( d c c p ) 应运而生，它在数据 报传输中加入灵活的拥塞控制机制，成为当前通信业界讨论研究的热点。 但在国内，对于d c c p 传输协议的研究基本处于空白状态，本论文选择了无 线局域网这种传输协议较少涉及的特殊的环境，用n s 2 软件对视频数据通过d c c p 的传播进行了仿真，并与常用的u d p 协议传输结果进行了对比，数据分析的结果 表明与通常所使用的u d p 协议传输相比，d c c p 传输协议在无线网络上的流媒体 传输性能较好。并且针对无线网络的特点给出了基于r 1 r r 的修改d c c p 报文头的 一种方法，并将修改前后d c c p 传输的情况进行仿真，结果表明d c c p 的性能有 小幅度提高。 本文首先对d c c p 传输协议的内容做了详细的介绍，其中包括d c c p 协议的 传输模式，数据类型，报文头格式，并针对其中最有特色的拥塞控制机制做了详 细的解释，最重要的是对无线网络传输的特点提出了一种基于r 1 盯的对d c c p 传 输协议报文头进行修改的方法。 其次，对仿真的背景协议做了一定介绍，第一是两个流媒体传输协议 r t p r t c p ，第二是无线局域网协议8 0 2 i i 。 最后，本文详细介绍了仿真的过程。 通过模拟固定网络通过接入点向一台移动终端在一定范围一定时问内发送流 媒体数据的情景，将应用不同传输协议所得到的流媒体数据进行对比，横向分析 了d c c p 传输协议在无线网络流媒体传输中在对网络情况的适应和保持图象质量 湖北工业大学硕士学位论文 方面与传统传输协议之问的优劣； 仿真结果表明在对网络情况的适应和保持图象质量方面，d c c p 传输协议均有 较大优势。 关键词：数据报拥塞控制协议，无线局域网，流媒体传输，仿真 湖北工业大学硕士学位论文 h 阿- 州啊目h 口叶h 自庠爿目褂o h s h 鹩* _ 恽9 鞠哺书目砩蠕啊 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t h eg r o w t ho ft h es t r e a m m e d i ab u s i n e s s e si n b r o a d b a n dn e t w o r kl i k ei p t vi p p h o n ei sr a p i d l y i tb r i n g sh u g ep r o f i t st ot h et e l e c o m o p e r a t o r , h a sab r o a dv i s t a c u r r e n t l y , m o s to ft h er e a l t i m es t r e a mm e d i ab u s i n e s s e s a r eb a s e do nu d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，t h eg r o w i n ga p p l i c a t i o no fu d pd e e p e n s t h ep o t e n t i a lh a z a r df o ri t sl a c k i n gf o rt h ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h e “b e s te f f o r td e l i v e r y ” c h a r a c t e ro ft c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) m a k st h ec o n g e s t ， i o no f networkinevitablew h e ni tc o m e st oac o n g e s t i o nt c pu s et h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mt o c o n t r o lt h er a t eo fd e l i v e r yw h i l et h eu d pc a n tc o n t r o li t sd e l i v e r yr a t e s ot h eu d p w i l ls e i z em o s to ft h eb a n d w i d t hi n c r e a s et h ec o n g e s t i o n n o w , t h ew a y sa r eu s e dt os o l v et h o s ep r o b l e m so f t e ns a c r i f i c et h ep e r f o r m a n c eo f a p p l i c a t i o np r o g r a mo rr o u t e r t os o l v es u c hp r o b l e m s ，d c c p ( d a t a g r a mc o n g e s t i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) w a ss u g g e s t e d ，i tb a l a n c e st h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o na n dr e l i a b i l i t y , o f f e r sc o n g e s t i o nc o n t r o lt od a t a g r a mt r a n s m i s s i o n b u tt h e r ea r ef e wd o m e s t i cs c h o l a r so ro r g a n i z a t i o n sp a ya t t e n t i o no ni t i nt h i sa r t i c l e ， w i f iw h i c hi ss e l d o mm e n t i o n e db ym o s tt r a n s m i s s i o np r o t o c o li sc h o s e nt ob et h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t w eu s en s 2t os i m u l a t et h ev i d e od a t a g r a m st r a n s m i s s i o no v e r d c c pa n du d p t h e nw ec o m p a r et h er e s u l t sb e t w e e nt h o s et w op r o t o c o l s w ea l s o s u g g e s taa d j u s tm e n t i o no fd c c p b a s e do nr t l 眙o r g a n i z et h ea r t i c l ea sf o l l o w ： f i r s t ，w cs t u d yt h ec o n t e n to fd c c p , e s p e c i a l l yf o c u so nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s m ，a tt h e e n do ft h i sp a r t ，w ep r o p o s eaa d j u s t m e n to fd c c pb a s e do nr t r o v e rw i r e l e s se n v i r o n m e n t s e c o n d ，w ei n t r o d u c et w or e l a t e dp r o t o c o l s ，o n ei sr t p ( r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) t h eo t h e ri s8 0 2 1 1 f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h es i m u l a t i o nd e t a i l e d l y 胎s i m u l a t et h es i t u a t i o no fap e r s o nw a l k so nt h es t r e e ta n dw a t c hn o d ( n e w so f d e m a n d ) w i t hh i ss m a r tm o b i l ep h o n e w eu s ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o np r o t o c o l st or e p e a t t h ee x p e r i m e n t ，c o m p a r et h er e s u l t s w ef o u n dt h a t d c c pp e r f o r m a n c eb e t t e ri nb o t ht h ea d o p t i o no ft h en e t w o l r ka n dt h e q u a l i t yo fv i d e o k e y w o r d s ：d c c p , w i f i ，s t r e a m m e d i at r a n s m i s s i o n ，s i m u l a t i o n ! i i 湘办j 誉火謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 “ 学位论文作者鳓：彳夸嘲吼刈”月i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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e p 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者鲐嗍指导教9 池：颤数炊 日期：晰9 月厶1 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题提出背景 第1 章引言 众所周知，网络的音频视频服务在飞速的发展，但是流媒体的传输质量却不尽 如人意，应用的开发者尽力的从各种方面来提高流媒体服务的稳定性，目前的解决 方案大部分基于t c p 和u d p 协议，t c p 协议可以提供可靠的传输控制，但是流媒体 传输并不需要完全可靠的传输；u d p 协议以其简单实用的优点，在网络流媒体传 输中担任了重要的位置，但同时它也具备了一个与生俱来的弱点，它无法提供适 当的拥塞控制，无法和t c p 友好共存，为网络的通畅埋下不小的隐患1 1 j 。 随着科技的进步，移动网络和互联网的融合进一步增加，使得移动数业务应用 范围越来越广阔，s m s ，w a p ，m m s 等业务开展如火如茶；随着3 g 时代的到来，无线网 络带宽的提高，为移动流媒体业务创造了良好的条件。 本课题结合以上背景，以一种新的网络传输协议，数据报拥塞控制协议【z j ( d c c p , d a t a g r a mc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。为基础，对其原理进行了研究， 并在n s 2 3 】( n e t w o r ks i m u l a t e ) 软件上对其在无线网络中的传输情况进行了仿真 和比较。 1 2 国内外研究近况 从0 2 年基本设计得到i e t f 承认结束至今，有多个组织和个人对该协议进行 了仿真研究或实现，到目前为止，该协议已在l i n u x 内核中基本实现，对其中的 拥塞控制模式也已进行了仿真和验证，并于0 6 年对该协议做出了进一步的修订， 目前从论文的内容上看，研究的重点已渐渐从初期的内核实现，拥塞控制方式的 仿真等方面逐渐转换到了在路由器上的实现，在各个情况下d c c p 传输协议的仿 真表现，接口的设计，算法的选择和设计等方向。 从国内权威数据库的搜索情况来看，涉及d c c p 传输协议的论文数量不超过 2 0 篇，主要集中在内容的介绍，拥塞控制方式的仿真，算法的选择和在路由器上 的实践等各方面，总的来说关注力度较小。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 研究方法 由于d c c p 传输协议还未得到广泛的应用，目前为止对其研究通常还是通过 模拟软件，本课题在参阅大量中外文献的基础上，对d c c p 传输协议的内容及原 理进行了详细的了解，之后应用n s 2 网络模拟软件对特定环境下d c c p 传输协议 的传输情况进行了仿真，并与同类型传输协议做比较分析其优劣。 同时由于课题内容还涉及到流媒体传输以及无线网络的部分，因此对此部分 的内容也进行了大量的资料查阅并借鉴了相关的内容。 1 4 研究意义 随着网络业务类型的日趋多样化，i p t v 、网络电话等宽带流媒体业务发展迅猛， 为宽带网络运营商带来了巨大利润，市场前景十分广阔。实时流媒体业务主要采 用u d p ( 用户数据报协议) 传输数据，这使得u d p 应用大量增加，从而加深了u d p 因 为缺乏拥塞控制机制而带来的潜在危害。众所周知，口网络因为“尽力交付”的特 点使得网络拥塞不可避免，发生拥塞时t c p 应用根据a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s e m u h i p l i c a t i v ed e c r e a s e 和式增加积式减少1 拥塞算法控制发送速率；而同一网段的 u d p 由于没有拥塞控制机制，无法控制其数据包的发送速率，因此影响了t c p 公平 性，如果网内u d p 流量过大，还会加剧拥塞程度，甚至造成拥塞崩溃。 目前解决这个问题的常用方法是在应用层实现拥塞控制，或者在路由器中使 用尾部丢弃、随机早期检测等丢弃技术来减少过大的u d p 通信量。但这些方法会 加重应用程序的负担，或者增加路由器的成本并影响到其性能。鉴于此，在实时 性和可靠性之间做出折中的数据报拥塞控制协议( d c c p ) 应运而生，它在数据报传 输中加入灵活的拥塞控制机制，成为当前通信业界讨论研究的热点。 作为一种新型的传输协议，d c c p 主要服务于流媒体的传输，它结合了t c p 与 u d p 双方面的优点，虽然其尚未成为一种通用的传输协议，但随着网络技术和计 算机技术的不断发展，以及网络应用对流媒体传输日益增加的需求，快速稳定的 数据传输要求必然要求_ 种新的协议作为坚实的基础，有理由相信对d c c p 传输协 议的研究，无论是为产生一种新型的主导传输协议，或者是为产生新型的传输协 议产生启发性的作用，都对推动网络传输技术向前发展有极大的积极意义。 本课题在传输协议较少涉及的无线网络方向，对d c c p 这种新兴的国内关注力 度较低的传输协议进行了探索性的研究，相信对未来的进一步研究能起到抛砖引 玉的作用。 2 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章d c c p 传输协议的研究 2 。1d c c p 传输协议概述 随着网络技术的发展，大量的实时应用项目广泛的涌现，例如实时音频视频，网 络电话，在线游戏等，这些应用的特点是延时、抖动敏感，应用开发商尽量采用各种 技术来保持流媒体传输的平稳性，目前的解决方案大部分是基于t c p 协议( 传输 控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 协议的【4 j 。 因为t c p 协议本身的特性，它不适合应用于流媒体的传输，实时业务传输中 u d p 协议采用的较多，u d p 协议简单实用，但是它无法提供拥塞控制，大量的使 用很容易造成网络的堵塞。 在比较和分析了各种协议以及目前的应用对协议的要求之后，研究者们提出 了一种新的协议，d c c p ( d a t a g r a mc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议。d c c p 传 输协议的是一个提供双工、拥塞控制、单播、不可靠数据报传输的传输协议，它 综合了t c p 协议和u d p 协议的特点。 d c c p 协议力争在延时和可靠的顺时传播上取得平衡，它提供了内置拥塞控制， 包括为不可靠数据报流提供e c n 支持这就在很大程度上解决了t c p 协议因为可 靠的顺序传递和拥塞控制容易导致较长的时延无法适应流媒体传输要求，以及u d p 协议虽然避免了长的时延，但不具备拥塞控制的功能的问题。 为了有更好的可移植性，d c c p 在设计的时候使用尽量小的报文头，将尽可能少 的基本信息包含在d c c p 中，其他的一些功能置于d c c p 的顶端。 d c c p 传输协议还有一个很大的特点就是它提供多种拥塞控制模式，针对不同 的网络需要可以采用不同的拥塞控制算法，例如在线游戏要求能够迅速的使用可用 的带宽而流媒体则更需要稳定的的流量，在d c c p 所提供的两种拥塞控制模式中， 第一种t c p 1 i k e 拥塞控制，可以满足在线游戏要求最大限度利用带宽的需要，第二 种t f r c ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 拥塞控制模式可以满足流媒体尽量减小发送端 速率突然变化的要求。 除此之外，在数据包的类型上，d c c p 传输协议也做了很大的扩充，大大增加了 其扩展性。 3 湖北工业大学硕士学位论文 2 2d c c p 的数据包类型 d c c p 传输协议提供了九种数据包类型： d c c p r e q u e s t 由客户端发送来建立一个连接，通常位于握手协议的第一部 分； d c c p r e s p o n s e 由服务器发送来回答d c c p r e q u e s t ，通常位于握手协议第二 部分； d c c p d a t a 用以传输数据； d c c p - a c k 用以传输纯确认信息； d c c p d a t a a c k 用以传输捎带a c k 的数据； d c c p c l o s e r e q 由服务器发送请求客户端关闭连接： d c c p c l o s e 由客户端或服务器发送关闭连接； d c c p r e s e t 任何情况下重置连接； d c c p s y n c ，d c c p s y n c a c k 在出现大的数据拥塞或丢失后整理顺序号。 在0 6 年公布的最新的r f c 档案中，增加了d c c p s y n c ，d c c p s y n c a c k 数据包类型，删去了原有的d c c p m o v e 的数据包类型。 2 3d c c p 报文头格式及其含义 d c c p 报文头如下图2 1 及图2 2 所示： 源端口目标端口 数据偏移 c c v h lc s c o v 校验和 x r e s 类型 = r e s e r v e d 顺序号( 高位) l 顺序号( 低位) 图2 1d c c p 报文头a d c c p 报文头有两种不同类型，取决于x 的值，当x 等于1 的时候，顺序号 有4 8 位，报文头有1 6 字节，当x 等于o 时，只有低位的2 4 位顺序号被传送， 报文头大小1 2 字节。 4 湖北工业大学硕士学位论- 文 源端口目标端口 数据偏移 c c v r a lc s c o v 校验和 x r e s类型= or e s e r v e d顺序号( 低位) 图2 2d c c p 报文头b 源端口和目的端口均为1 6 字节，用以确定当前连接；数据偏移为8 字节，指 明从d c c p 报头到应用数据的长度，以3 2 字节为度量，对于数据偏移小于最小报 文头字节，或者大于d c c p 包本身的数据包，接受端忽略；c c v a l 为4 字节，发 送端用它来表明c c i d 类型；4 字节c s c o v ( c h e c k s u mc o n v e r a g e ) 位指明了数据包 中被校验和覆盖的区域；3 位的r e s e r v e d ( r e s ) 区域在发送端置零，接受端忽略其数 值：类型区域为4 字节，表明数据包的类型，除了以上列举的九种数据包类型之 外，还预留了1 0 1 5 的编号可以进行扩展；x 为1 位的扩展顺序号，用以确定顺 序号的长度；最后的顺序号为4 8 位或者2 4 位，由x 的值来确定。 2 4d c c p 的连接方式 。 图2 3d c c p 半连接示意图 如图2 3 所示，每一个d c c p 的连接由两个独立的单向连接构成，称为半连接 ( h a l f - c o n n e c t i o n ) ，每个半连接由从一端发送的应用数据和另一端发送的确认信息 组成。 如下为在一次通讯中d c c p 数据包的发送过程： s 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! 苎竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼竺i i i i ii-! 客户端 服务器 0 【c l o s e d 】 【u s t e n 】 ( 1 ) 握手 1 d c c p r e q u e s t 2 ( 2 ) 数据传输 4 d c c p d a t a d c c p - a c k ，d c c p d a t a a c k 一 一d c c p d a t a 。d c c p a c k ，d c c p d a t a a c k ( 3 ) 中止连接 5 7 d c c p - r e s e t 8 【t i m e w a i t 1 客户端发送d c c p r e q u e s t 报文确定客户端和主机端1 2 1 ，所请求服 务类型，需要协商的半连接参数； 2 服务器发送d c c p r e s p o n s e 报文响应客户端的请求，回答对半连 接特性参数的意见； 3 客户端发送d c c p - a c k 报文响应d c c p r e s p o n s e ，确定服务器端 第一个报文序号，并可能进行进一步协商； 4 客户端和服务器进行数据传输，数据报按照不可靠的方式进行发 送，数据报不一定被确认，未被确认的数据包不象t c p 连接那样被重传： 5 数据发送完毕，客户端发送d c c p c l o s e r e q 数据报请求关闭连接； 6 客户端发送d c c p ：c l o s e 数据报确认关闭连接； 7 服务器发送d c c p r e s e t 数据报，编码“1 一关闭当前连接，并清 空连接状态； 8 客户端接受d c c p r e s e t 数据报并预留出一定时间来接收剩余的数 据。 d c c p 传输协议的可靠连接，不可靠数据传输特性，能更好的满足流媒体传输 的需要。 2 5d c c p 协议的拥塞控制机制 d c c p 传输协议设计的一大特点为它的拥塞控制机制，这就解决了u d p 协议 6 湖北工业大学硕士学位论文 传输由于缺乏控制可能会造成网络堵塞的问题，d c c p 协议提供多种拥塞控制机 制，每一种应用程序可以根据自己的需要来选择拥塞控制的模式。 每一种d c c p 所支持的拥塞控制机制都拥有一种拥塞控制标号c c i d ：0 - - , 2 5 5 ， 当两个终端进行拥塞控制机制协商的时候，它们通过发送c c i d 的编号来确认拥塞 控制的类型。d c c p 通过这样的设计保证了如果出现新的拥塞控制机制，它可以很 方便的将之归纳到现有的协议中，通过增加新的拥塞控制描述符，来采用新的拥 塞控制机制。 目前为止，已经确定的c c i d 有：c c i d o 1 为保留类型；c c i d 2 5 j 为t c p 1 i k e 拥塞控制机制；c c i d 3 6 】为t f r c ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 拥塞控制机制。c c i d 2 采用类t c p 的拥塞控制机制，这种控制机制采用经典的+ a i m d ( a d d i t i v e i n c r e a s e ，m u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 拥塞控制算法，包括了控制窗1 3 ，慢启动，传输 超时等等，这样的拥塞控制机制实现了最大限度的于t c p 的兼容，可以在网络环 境变换的情况下最快的获得相适应的带宽。 c c i d 3 采用t c p 友好传输速率控制机制，这是一种基于方程的拥塞控制算法， 发送端统计该方向上的半连接的丢包率p 和往返传输时延，根据方程调整其发送 速率t f r c 算法能提供更平稳的数据流，并且数据流的发送速率能较快地收敛， 吞吐率也较高。 本课题仿真所采用的为t f r c 算法，将在后文中详细讲解。 2 6d c c p 的半连接协商机制 d c c p 的各半连接特性在连接建立过程中，以及在数据传输中途，根据应用 程序的需要进行协商，协商过程中丢失的报文被强制重传，以保证可靠性。 所有的d c c p 报文中，接着通用d c c p 报文头部后面都有一个选项( o p t i o n ) 字 段，用来扩展d c c p 报文的功能选项字段的第一个八位字节标识了扩展功能的 类型。其后的几个八位位组标识选项字段的长度和内容主要的用于特性协商的 功能扩展有：c h a n g e ( 类型值3 3 ) 、p r e f e r ( 类型值3 4 ) 和c o n f i r m ( 类型值3 5 ) 内容字 段中，第一个八位位组指示了协商的内容，比如是c c i d ，或者是关于是否支持确 认向量、e c n 、移动性，以及商量确认速率的大小等等，第二个八位位组指示了 具体的特性值。c h a n g e 被用来向特性拥有方( f e a t u r e sl o c a t i o n ) 请求改变特性值特 性拥有方可能会以p r e f e r 叠知对方：将采用另一种值，或者可能以c o n f i r m 同意对 方要求改变的值。未经协商，任何属性都不能改变。一个简单的c c i d 协商的过程 如图3 ：b 请求a 应用d 为3 或者4 的拥塞控制算法( 注意按照i d 排列顺序，b 7 湖北工业大学硕士学位论文 更希望a 采用c c i d 3 ) ，a 则认为c c i d l ，c c i d 2 和c c i d 5 的算法比较好，b 只 好重新请求a 使用c c i d 5 ，a 最终确认了c c i d 5 。 2 7d c c p 协议的t o p 友好性分析 d c c p 协议本身所具有的特点决定了在未来i p 网络单播领域的实时应用中， d c c p 必将取代u d p ：而在网络层组播领域和d n s ( 域名服务器) 、s n m p ( 简单网 络管理协议) 等数据长度很短的请求应答式应用中，u d p 仍将占据主导地位。因此， 在未来口网络中，d c c p 将和t c p 、u d p 一样成为主流传输层协议，这样很有必 要对d c c p 协议的t c p 友好性进行一定的研究。 图2 4 模拟网络拓扑图 图2 4 的拓扑结构，是u d p 与t c p 争抢带宽问题的一个典型网络拓扑结构图。 当没有拥塞控制机制的u d p 流出现，与t c p 流争抢r 1 r 2 带宽时。t c p 的发送 端会 减小自己的发送速率，绝大多数的带宽将会被u d p 占用，尽管u d p 仍然丢失了 很多的包。 ， 8 湖北工业大学硕士学位论文 g 却叭k b p l 1 0 f a 觚p s u d p a n l v a l s u d p g o o d 严t 弧p g 细却嘣 t u ，矗o - yi n ， 图2 5 7 13 个t c p 流和一个u d p 流对线路占用状况的分析 一图2 5 描述了这一典型问题。本图中，t c p 连接有3 个，都从s 1 s 3 ，每条连 接都有无限的数据要传送；u d p 连接有一条：s 2 s 4 ，该连接的传送速率为常数。 x 轴表示u d p 包的发送速率；“g o o d p u t 表示一个流占用的带宽，不包括重复发 送的包；实线表示u d p 发送的速率；虚线表示u d p 占用的带宽；点线表示t c p 占用的带宽。 d c p a _ 一v x s i i i 1 x - v c , t x x t t 皿 i i i - i i i i i i _ t ：p a 仪岫 图2 63 个t c p 流和一个d c c p 流对线路占用的情况分析 9 湖北工业大学硕士学位论文 由图2 5 可见，当u d p 的发送速率较小时，带宽几乎全部为3 个t c p 连接所 占用。当u d p 发送速率变大时，带宽全部为u d p 抢用，t c p 丢失了全部的带宽不 可靠流( 无拥塞控制机制) 和可靠流对带宽的争抢造成了这种情况：另外一个方面， 这种情况也源自于f i f o 型的路由器排队算法。 在图2 6 中，采用了d c p 代替u d p 。同样的，有3 条t c p 连结和1 条d c p 连接。x 轴表示d c p 包发送的速率，其他以此类推。由图可见，d c p 在需要带宽 小于1 3 的t c p 总带宽的时候，可以发送出自己需要发送的包。而由于此时与 t c p 包的冲突，开始时有部分包不能成功地发送到接收端( 与t c p 流互相退避，空 出带宽的阶段) ，最后占用的带宽小于请求的带宽。而当发送端请求发送超过1 3 总带宽时候，由于拥塞控制机制的抑制，这些包没能在发送端发送出去，避免了 网络的拥塞。这一点可以从当发送端应用c b r 发送速率大于1 3 t c p 时，d c p 发送端速率一直保持不变看出。 通过上面的性能分析图，可以发现d c c p 是一种可以在网络中和t c p 共享带 宽的协议。一旦网络发生拥塞，d c c p 流将和t c p 流依照各自的发送速率分配带 宽，而不是各自抢占带宽。这种方式极高地提高了网络资源的使用效率。 随着更多方式的拥塞控制机制加入到d c c p 协议中，拥塞控制更广泛地引入 非可靠传输协议中，网络中u d p 对网络资源的争抢造成的不公平将成为过去。 2 8 一种基于r t t 优化d c c p 的方法 由于无线网络的不可靠传播，在8 0 2 1 1 协议中允许m a c 重传，因此，8 0 2 1 1 协议尝试将一个存在数据丢失并且有时延的网络转换成为一个不存在数据丢失以 及可变时延的网络。另外，数据包的丢失，通常认为是由冲突引起的，而这些冲 突被认为是暂时的，r t r 不会被它们所影响。可以基于r t t 提出一种方法来改进 m a c 无线传播中的延时情况。 这种对d c c p t f r c 的改进基于t c pv e g a s 相同的理论，在d c c p 报文头中 加入一种可选项，r e t s 。每一个无线网卡都有一个计时器，在第一次发送数据包的 时候，计时器的内容被加到报文头中r e t s 的值中，每次当它发送的时候，计时器 的值就添加在r e t s 中，这样就可以精确的记录重传过程中所消耗的时间。当接收 端接收到数据包的时候，它也采取相应的举动，比如它可以从r t t 中将r o t s 中的 值减掉。 在关于重传的时间计算上，每当一个数据包准备发送的时候，它的r e t s 域中 记录下计时器记录的值，这种记录是允许时间累计的，在一个a c k 数据包中通常 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 就包含了一个d a t a 数据包的时间消耗。在每一次传输中，计数器的值都会被记 录在数据包报文头的r o t s 选项中。 在关于r e t s 区域包含的位数的考虑上，假设该域占2 b y t e s ，那么该域溢出的时 间为t = 6 5 5 3 6 2 0l as ，大约为1 3 秒，这个对于8 0 2 1 l b 标准中对于最大 c w ( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 的要求来说是足够的。假设该域占4 b y t e s ，它的溢出时间是 t = 6 5 5 3 5 * 6 5 5 3 6 2 0us ，大约是一天的时间。 这种机制只有当发送端，接入点以及接受端都接受的时候才会起到作用，如 果有任何一方不接受，则该值将设为o ，它不会对数据包产生任何其他的影响j 与以往不同的是，在这种方法里，接收方才是控制拥塞控制的角色， d c c p t f r c 的接收方用正确的r 订值来进行估算i 岍的值，然后再由发送方根 据估算值来调整发送速率，这种方式比较起来能够更准确的了解带宽的变化更好 的控制发送的速率。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章仿真相关背景 在本仿真实验中，整体的实现框图如下图3 1 所示： 在数据平面压缩打包后的音视频数据被封装进入r t p 数据包，再根据d c c p 传输协议以r t p 数据包为数据进行进一步封装，最后再根据8 0 2 1 1 协议进行最后 的封装之后，就可以在移动终端和接入点之间发送接收。 在此将流媒体传输的传输协议r t p 和传输控制协议r t c p 以及无线局域网协 议8 0 2 1 1 作为相关背景知识进行介绍。 3 1 流媒体传输协议 图3 1 仿真数据发送框图 3 1 1 实时传输协议 实时传输协议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，r t p ) 是一种独立于应用程序的协 议规范，是用来i p 网上为传送实时数据包的i e t f 标准协议，其目的是为了满足 用于音频和视频这类连续每体数据的实时通信的要求，在会话中提供协同工作和 控制的能力，为具有事实特性的数据传送提供服务1 8 】。r 1 r p 主要用于承载多媒体数 据，并通过包头时间参数的培植使其具有实时的特征。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 r t p 提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传送实时数据，但没有 涉及资源预定和质量保证等实时服务。 r t p 报文格式中包括固定的r t p 报文头、可选用的作用标识( c s r c ) 和负载 数据。如果r t p 所依赖的底层协议r t p 报文的格式有所要求，必须对r t p 报文的 格式进行修改或重新定义。通常，单一的底层数据报文仅包含单一的r t p 报文。 版本填充扩展c s r c 计数标记负数类型序列号 时戳标记 同步源标识( s s r c ) 贡献源标识( c s r c ) 图3 2r t p 报文头 以上图3 2 为r t p 数据报头格式。其中： ( 1 ) 版本( v ) ：r t p 协议版本号，占用2 b i t 。 ( 2 ) 填充( p ) ：指明负载区最后是否有填充数据。如果有填充数据，则负 载区的最后一字节中装载填充数据的长度，占用lb i t 。 ( 3 ) 扩展( x ) ：指明1 2 个字节后是否存在扩展部分，占用1 b i t 。 ( 4 ) c s r c 记数( c c ) ：指明c s r c 的个数，占用4 b i t 。 ( 5 ) 标记( m ) ：根据装载数据类型的不同而不同，占用l b i t 。 ( 6 ) 负载类型( ”) ：表示负载类型和媒体的编码方式，占用7 b i t 。 ( 7 ) 序列号( s n ) ：接受端可以通过序列好检测数据包传输过程中的丢包情况和 失序情况。序列号的初始值都是随机分配的。每发送一个数据包，序列号就 加1 ，占用1 6 b i t 。 ( 8 ) 时间戳( t i m e s t a m p ) ：描述砌r p 包中数据的采样时刻，主要用于同步和计算 机时延。时钟频率和数据格式有关，不能使用系统时钟。对固定速率的音频 来说，每次取样的时戳时钟增1 ，其初始值也是随机分配的，占用4 b y t e 。 ( 9 ) 同步源标识( s s r c ) ：用于标识同步资源，s s r c 是随机选取的，在一个 r t p 会话中，两个s s r c 不能有相同的值，占用4 b y t e 。 贡献源标识( c s r c ) ：用以辩别与r t p 包中负荷相关的源。由于c c 项只 有4 位长，当贡献源超过1 5 个的时候，只能识别1 5 个。c s r c 由混合器( m i x e r ) 通过贡献源的s s r c 识别符插入到r 1 1 p 包中。c s r c 包含0 - 1 5 项，每项占4 b y t e 。 标准r 皿数据报文头部参数对r t p 支持的所有应用类的共同需要是完整的。 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 然而为了维持应用分层帧的设计原则，报文头部还可以通过改变、增加参数实现 优化，或适应特殊应用的要求。由于标志位和负载类型段携带特定设置信息，所 以很多应用都需要它们，否则要容纳它们，就要增加另外3 2 位字，因此，标志位 和负载类型允许分配在固定头中。包含这些段的八进制可通过设置重新定义以适 应不同要求，例如采用更多或更少标志位。 如果r t p 协议需要负载其他特殊格式( 如视频编码) 的音视频数据，所要求 的信息应该携带在报文的数据负载部分。所需信息也可以出现在报文头部，但必 须总是在载荷部分开始处，或在数据模式的保留值中指出。如果特殊应用类需要 独立负载格式的附加功能，应用运行设置应该在现存固定报文头部s s r c 参数之 后，定义附加固定段。这些设置能使客户端迅速而直接访问附加段，同时监控器 和记录器武官设置仍能通过仅解释开始1 2 个八进制来处理r t p 报文。 3 1 2 实时传输控制协议 r t p 本身并不能为顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制 或者拥塞控制，它依靠r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o c o t 0 1 ) 提供这些服务。 4 r t p 的r t c p 通过在会话用户之间周期性地递交控制报文来完成监听服务质 量和交换会话用户信息等功能。根据用户间的数据传输反馈信息，可以指定流量 控制的策略，而会话用户信息的交互，可以制定绘画控制的策略。 r t c p 将控制包周期发送给所有连接者，应用与数据报相同的分布机制。底层 协议提供数据与控制包的复用，如使用单独的u d p 端口号。 r t c p 提供以下功能 ( 1 ) 数据传输的质量提供反馈，并提供q o s 的检测，接收方把它最近的接收情 况报告给发送者，这些信息包括所接收到数据包的最大顺序号、丢失的包数、乱 序包的数量以及用于估计传输时廷的时间戳的信息。而这些信息反映了当前的网 络状况，发送方在接收到这些信息后自动地调整它们的发送速率。 ( 2 ) 提供不同媒体间的同步。在视音频传输服务中，r t p 源可能会有几种媒体( 如 视频和音频) 需要传输，这些不同的媒体之间的同步需要依靠r t c p 中包含的时钟信 息和相关的r t p 时间戳信息来进行同步。 ( 3 ) 在会话的用户界面上显示会话参与者的标识。r t p 报文中提供t s s r c 字段 来进行源标识，然而，进一步的会话参与者的描述是需要的。r t c p 报文中的源描 述( s e d s ) 提供了会话参与者的详尽描述，包括姓名、住址、h a j l 等。主要是为 会议电视提供更体贴的支持。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 3r t p 在d c o p 中的实现 r t p 仅仅实现了网络传输层的功能，要真正实现流媒体的网络传输，网络层 和会话层协议也必不可少，在会话层，r t s p ( r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 和 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议完成会话控制；在传输层，为实现真正的端对端 传输，r t