（电路与系统专业论文）atp无线传输协议报文重传机制的研究与实现.pdf

硕士学位论义：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现 第i 页 a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现 摘要 a s y m m e t r i ct r a n s p o r tp r o t o c o l ( a t p ) 是为了适应无线通信的移 动性而设计的传输层协议。以该协议为核心技术的产品a t p 无线 传输网关已经由北京中科网信息技术有限公司申请专利。 在无线通信系统中，由于信道物理特性的限制，误码率相对较高， 这就要求系统具有较强的纠错、容错能力，从而对通信过程的可靠性 提供有力保证。因此，对于无线通信系统的传输层协议a t p 而言，必 须采用合理的报文重传机制，使通信过程中的数据接收方能够即时的 检测到丢失的报文，并通知数据发送方重传这些报文，从而较快的恢 复报文丢失所造成的损失。 本文立足于a t p 无线传输协议的研究与实现，对传输层协议的关 键技术报文重传机制进行了深入探讨。总结全文，作者的主要贡 献可以归结如下： 1 对i p v 6 协议进行了广泛的分析和研究，对t c p 协议为适应 无线传输所实施的改进进行了深入的探讨。 2 参与并论述了a t p 无线传输协议的开发与改进工作。 3 独立完成了传输层报文重传机制的研究与实现。 4 研究并提出了优化的报文重传机制：在所实现的选择重传协 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现 议基础上，结合前沿的远程数据缓存技术d d p ( d i r e c td a t a p l a c e m e n t ) 和r d m a ( r e m o t ed i r e c tm e m o r ya c c e s s ) ，将 a t p 无线传输协议的报文重传机制改进为滑动窗口和缓冲区 管理分离的、支持远程直接数据缓存的可靠性保证机制。 本论文共分为六章。第一章分析下一代i p 技术的重要性，阐述传 输层协议的适应性、可靠性对于无线通信的意义。第二章分析当前主 流的传输层协议的特点和发展状况，阐述为了适应无线通信环境，在 传输层上所做的改进工作，进而论证了设计新的无线传输层协议的必 要性。第三章详细论述a t p 无线传输协议的主要特点与优势、协议的 结构与功能。第四章阐述a t p 无线传输协议的报文选择重传协议的实 现细节与改进措施。第五章详细论述报文重传机制的优化，包括优化 方案提出的理由、技术细节和主要优势。第六章总结全文，并探讨下 一步的研究开发工作。 关键词：a t p 选择确认滑动窗口远程直接数据缓存优雅关闭 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现 第j i i 页 ar e s e a r c ho nt 耻p a c k e t - r e t r a n s m i s s i o n m e c 妇a a s mo fa t pw i r e l e s st r a n s p o r t l a y e rp r o t o c o l a b s t r a c t a s y m m e t r i ct r a n s p o r tp r o t o c o l ( a r p ) i sa = a n s p o r tl a y e rp r o t o c o ls p e c i a l l y d e s i g n e df o re o m m u n i c a t i o n su n d e rw i r e l e s se n v i r o n m e n t s b a s e do na t p - b e i j i n g k j n e ti n f o r m a t i o n t c c h n o l c i g i e s c o l t dh a sd e v e l o p e dt h ep a t e n tp r o d u c t ：a t p w i r e l e s st r a n s p o r tg a t e w a y i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，e r r o rb i tr a t ei sr e l a t i v e l yh i g ha c c o r d i n gt o 也ec o n s t f a i n to fp h y s i c a lc h a r l _ r l e l s o t h e s y s t e mn e e d sm o r ea b i l i t y t oc o r r e c t t r a n s m i s s i o ne r r o r si no r d e rt og u a r a n t e e 也er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n a sa t r a n s p o r t1 a v e rp r o t o c 0 1 a ：r pm u s tp r o v i d er e l i a b l ep a c k e tr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m t op r o v i d ef a s ta n dr e l i a b l er e c o v e r yi nt h ec a s eo f p a c k e tl o s s i nt h es c e n a r i oo f s e l e c t i v er e t r a n s m i s s i o n 也er e c e p t i o ns i d es h o u l ds e n ds e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t o p t i o nb a c kt ot h es e n d e r , s ot h a t 也es e n d e rc o u l dm a k ed e c i s i o n st or e t r a n s m i tl o s t p a c k e t ss e l e c t i v e l y h e n c e t h e c o r r u p t e dc o m m u n i c a t i o nc o u l db er e s t o r e d m o r e r a p i d l y , s ot h a tt h ee f f i c i e n c yo f c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k si sg r e a t l yi n c r e a s e d b a s e do nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f a t p w i r e l e s st r a n s p o r tp r o t o c 0 1 t h i s t h e s i sm a k e s m d e p t hd i s c u s s i o no n t h ep a c k e tr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo f t r a n s p o r t p r o t o c o l s i ns u m m a r y , t h e w r i t e r sc o n t r i b u t i o ni 1 1 e l u d e s ： 1 m a d eaw i d e - r a n g ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ni p v 6 a n dh a da ni n d e p t h d i s c u s s i o no nt h e i m p r o v e m e n to ft c pi n o r d e rt ob es u i t a b l ef o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 2 j o i n e dt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fa t pw i r e l e s s t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 3 m a d er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o nt h e p a c k e t r e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m o f t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 4 p u tf o r w a r dt h eo p f i m i z a t i o no ft h ep a c k e tr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo f a t p ：i m p r o v e dt h ep a c k e tr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mt os u p p o r tt h e r e m o t ed i r e c td a t ap l a c e m e n ta n dr e m o t ed i r e c tm e m o r y a c c e s s ，a n d s e p a r a t e d t h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h es l i d ew i n d o wa n db u 恐r m a n a g e m e n t m e c h a n i s m t m st h e s i si n c l u d e st h e f o l l o w i n g s i xc h a p t e r s ：c h a p t e r1a n a l y z e st h e i m p o r t a n c e 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现 第i v 页 o ft h en e x tg e n e r a t i o ni pt e c h n o l o g ya n da d d r e s s e st h en e c e s s i t yo fr e l i a b l et r a n s p o r t p r o t o c o lf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s c h a p t e r2m a i n l yd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c o fa n dd e v e l o p m e n tc o n d i t i o n so fm a i nt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l s ，a n dd i s s e r t a t e st h e i m p r o v e m e n t sm a d eo nt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l s i no r d e rt o a d a p t t ow i r e l e s s e n v i r o n m e n t s c h a p t e r3d i s s e r t a t e st h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fm a n da d d r e s s e st h ei n f r a s t r u c t u r ea n df u n c t i o n a l i t yo f 也e p r o t o c 0 1 c h a p t e r4d i s c u s s e s t h ed e t a i l e d d e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n t s a n d c h a p t e r 5d i s s e r t a t e sd e t a i l e d o p t i m i z a t i o no ft h ep a c k e tr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，w h i c hi n c l u d e st h er e a s o no f t h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e ，d e t a i l e di m p l e m e n t a t i o no nt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s ，a n d t h ea d v a n t a g eo ft h i ss c h e m e c h a p t e r6s u m m a r i z e st h et o t a lp a d e la n dd i s c u s s e st h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f n e x t s t e p s k e yw o r d s ：a t ps e l e c t i v e a c k n o w l e d g e m e n t s l i d ew i n d o w r e m o t ed i r e c td a t ap l a c e m e n tg r a c e f u ic l o s e y 5 8 s 6 0 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 本人签名日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 卜 日期 日期 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现笙! 堕基! ! 戛 第一章引言 随着无线通信技术、i p 技术的发展，数据业务将取代传统语音业务而得以飞 速增长。随着社会的发展和信息时代的到来，以分组模式为特征的移动数据通信 的需求将会日益强烈，这预示着移动通信中分组模式发展的必然，未来的通信网 络将发展为以i n t e r n e t 为核心的全i p 网络。这就对核心网络的承载技术、i p 层的 移动性与安全性技术和传输层的有效性保证技术提出了更高的要求。 1 1 下一代l p 协议的重要性 i p 技术是数据通信的主流。随着i p 应用的更加广泛、深入，i p 网络出现了 多样化的局面，它已经成为一个综合数据、语音、视讯等多媒体服务的平台。i p 必将成为数据通信新的基础，是通信网络发展的根本力量。i p 已经用了2 0 多年， 随着网络规模的急速发展，出现了许多问题，如规模闻题、移动性问题、安全问 题等等，2 0 多年前开发的坤协议已难以胜任这些问题的解决。作为下一代i n t e m e t 基础的i p v 6 经过几年的开发，终于开始由试验阶段向实用阶段过渡，而且已经 在国外、国内高速网上试运行起来。 传统的i p ，即i p v 4 ( i p v e r s i o n 4 ) 定义i p 地址的长度为3 2 位，i n t e r a c t 上每 个主机都分配了个( 或多个) 3 2 位的i p 地址。3 2 位的地址在d a r p a 时代的 互联网络看来还是足够使用的，同时网络地址的分类( a 、b 、c 、d 、e 类) 和 聚集也提高了路由的效率。但是在8 0 年代早期，即使是最有远见的t c p i p 设计 者们也没有预料到互联网会有后来的爆炸性的增长，更没有预测到今天i n t e m e t 因为发展规模所陷入的困境。1 9 8 7 年统计表明可能将来需要分配多达1 0 0 。0 0 0 个网络，然而早在1 9 9 6 年这个记录已经被打破。自从1 9 9 2 年以来，特别是w w w 服务普及之后，网络节点的数目开始几何级数的增长，d 地址短缺问题日显严 重。地址短缺问题的根源有绝对的一面也有相对的一面。绝对的一面就是3 2 位 的空间是十分有限的：相对的一面就是，尽管现行的3 2 位p v 4 的地址结构可以 为1 6 7 0 万个网络上的超过4 0 亿台主机分配地址，但实际上的地址分配效率远远 达不到这个数值，甚至在理论上也不可能。网络增长不仅导致地址总数量的不够， 也导致路由表的迅速膨胀。 地址即将耗尽和路由表的过度膨胀是促使i p v 6 产生的直接原因。同时i p v 6 还试图解决i n t e m e t 发展中遇到的所有问题。i p v 4 协议是在十几年前设计的，当 时的互联网远远没有达到今天的规模，网络连接的速度十分有限，网络应用的类 型也比较单一，以文本数据的传输为主。互联网商业化，特别是w w w 发明以 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现第2 页共7 4 页 来，互联网在规模和应用上发生了革命性的变化。声音、图像、甚至触觉都已经 或者即将进入互联网络，在分组交换网络中传输这些业务希望具有实时特性，纯 粹的”b e s te f f o r t ”的传输已经很难满足要求；其次，可连接规模的扩大，导致安全 成为日益重要的问题，人们希望能够确认信息的确发给了正确的节点，同时还不 希望在传输的中途被截留或者监听：再者，人们一直幻想”在任何时间( w h e n e v e r ) 任何地点( w h e r e v e r ) 同任何人( w h o m e v e r ) ”进行通信。随着通信技术的迅速 发展，移动性成为对未来互联网的重要期望。因此需要设计个全新的互连网络 协议来支持i n t e m e t 的迅猛发展。9 0 年代初，人们开始讨论新的互联网络协议。 i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 的i p n g 工作组在1 9 9 4 年9 月提出了一个 正式的草案”t h er e c o m m e n d a t i o nf o rt h e1 2n e x tg e n e r a t i o np r o t o c o l ”，1 9 9 5 年底 确定了i p n g ( i pn e x t g e n e r a t i o n ) 的协议规范，分配了版本号6 ，称为”1 2 v e r s i o n 6 ”( i p v 6 ) ，1 9 9 8 年又作了较大的改动 1 1 。 相对于i p v 4 来说，i p v 6 的最大改进在于将i p 地址从3 2 位改为1 2 8 位，这 一改进是为了适应网络快速的发展对i p 地址的需求，也从根本上改变了i p 地址 短缺的问题。1 2 8 位的地址允许i p v 6 定义更多的地址层次结构，地址空间按照 不同的地址前缀来划分，以利于骨干网路由器对数据包的快速转发。i p v 6 对数 据报头作了简化，原i p v 4 报头中的某些字段被删除或者成为可选字段，减少了 一般情况下包的处理开销以及i p v 6 报头占用的带宽。i p v 6 改进了i p 报头选项的 编码方式，删除了i p v 4 中的选项字段，使1 2 v 6 的报头长度成为固定的4 0 个字 节，同时定义了多种扩展报头，使得i p v 6 变得极其灵活，能提供对多种应用的 强力支持，同时又为以后支持新的应用提供了更强的适应性。i p v 6 的数据包具 有标记以说明它从属的信息流类型，使得那些发送者要求特殊处理的属于特别的 传输流的包能够贴上标签，以提供相应的通信服务质量。i p v 6 提供了对数据确 认和完整性的支持，并可通过对数据加密来提高可靠性。i p v 6 的即插即用功能 使整个i n t e r n e t 网的管理变得相当容易，也为移动业务的发展提供了最大支持 2 。 1 2 v 6 是在i p v 4 的基础上发展起来的，它的一个重要设计目标是与原来的协 议i p v 4 兼容。但是，一种新的协议从诞生于实验室和研究所到实际应用于i n t e m e t 是有很大距离的。不可能要求立即将所有的节点都演进到新的协议版本，所以在 一定的时间内，i p v 6 将和i p v 4 共同存在、共同运行。如果没有个过渡方案， 再先进的协议也没有实用意义，因此从i p v 4 向i p v 6 网络过渡的问题从一开始就 列入了开发者的日程表。在过渡的过程中，研究者们追求的目标除了平稳过渡之 外，还尽可能地要求对普通用户做到“无缝”，对信息传递做到高效。为了开展对 于过渡问题和高效无缝互连问题的研究，国际上，i e t f 组建了专门的工作组 n g t r a n s 来处理这个问题。并且有很多国际组织和机构研究和开发了许多1 2 v 4 到 i p v 6 转换的方法和工具。 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现第3 页共7 4 垦 由于i p v 6 克服了i p v 4 的不足，现在已经从试验阶段走向实际应用，支持i p v 6 的产品也大量涌现。 1 2 高可靠性的传输层协议对下一代无线应用的意义 传输层协议( t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是整个网络体系结构中的关键部分之一。 在o s i 的7 层协议参考模型中，传输层位于第4 层，其任务是为上层应用提供一 个透明的、可靠的端到端的服务。正是因为传输层以上的各层不再负责处理信息 传输的问题，所以传输层就成为计算机网络体系结构中最为关键的一层。 在互联网的情况下，各子网所能提供的服务往往是不一样的。为了能使通信 子网的用户得到一个统一的通信服务，就有必要设置传输层。传输层的存在，弥 补了通信子网提供的服务的差异和不足，而在各通信子网提供的服务的基础上， 利用本身的传输协议，增加了服务功能，使得对两端的网络用户来说，各通信子 网都变成了透明的，而对各子网的用户，面向通信的传输接口就成为通用的。换 旬话说，传输层使高层用户感受到的就是在两个传输层实体之间的一条端到端的 可靠的通信通路。 t 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 ) ，目前应用最广泛的传输层协议， 为互联网端到端的应用提供面向连接的、可靠的、按顺序传送的数据服务。t c p 的主要机制包括以下几个方面：首先，是编号与确认的机制。在t c p 中，所传送 的报文被看成一个个字节组成的数据流，每个字节编一个序号。数据的接收方要 向发送方提供成功顺序接收到的数据的序号信息，具体方法是采用所谓的累积确 认( c u m u l a t j v ea c k s ) ，即对所收到的连续数据的最高序号表示确认，并将确认 序号定为最高序号加l 。发送方则根据收到的a c k 判断已经发送的数据是否被成 功接收，如果有数据丢失，则发送方需要重新发送丢失的数据包。这样，t c p 就 通过确认一重复一请求( a c k n o w l e d g e m e n t r e p e a t r e q u e s t ) 的机制实现了传输 的可靠性保证。其次，t c p 还采用可变发送窗口的方式进行流量控制。由于t c p 是针对有线网络的通信环境设计、改进和调整的，而众所周知，有线网络的丢包 率相对很低，因此，t c p 将任何的报文丢失想当然的统统看作是网络发生拥塞而 造成的。于是，拥塞控制机制在检测到有报文丢失后立即触发，从而降低传输速 率。另外，t c p 使用“连接”作为基本的抽象。一个连接由它的两个端点来标识。 这样的端点就叫做插口( s o c k e t ) ，或套接字。插口包括i p 地址和端口号码。在 整个i n t e r n e t 中，在传输层通信的一对插口必须是唯一的。 由t c p 的上述主要机制可见，虽然t c p i p 己成为事实上的i n t e r n e t 标准协 议，但是，就传输层协议而言，现行的t c p 在处理流量控制方面还不是很适合应 用于无线通信领域中。这是由于t c p 不能够区分因网络拥挤造成的丢包，和信道 传输错误所造成的丢包，而是一律视为发生了网络拥堵，进而降低发送速率，结 果造成物理信道带宽的严重浪费，尤其在无线移动通讯和卫星微波通讯领域。虽 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研冤与实现蔓兰亘基型垂 然有陆续对t c p 的改进工作，如i n d i r e c t t c p ( i t c p ) ，数据链路层 ( l i n k l a y e r ，l 2 ) 加超时重传和或前向纠错( f e c ) 的措施，以及实施快速重传 机制的t c p ，但都有各自的局限性，我们将在第二章中详细讨论。而且，在移动 性方面的困境是t c p 很难解决的问题。在移动性方面，移动i p 就是因为t c p 难 以有效支持移动通信而陷入困境的。具体原因是，唯一标识一个t c p 连接的四元 组包括了信源i p 和信宿i p 地址，这样i p 地址就不仅表示了用于路由选择的位 置( 1 0 c a t i o n ) ，同时也是端点的标识( i d e n t i t y ) ，从而为了给t c p i p 增加移 动支持，就区分了担当端点标识的i p 地址( h o m ea d d r e s s ) 与担当路由定位的 i p 地址( c a r e o fa d d r e s s ) ，但这样又引入了路由系统的可扩展性问题。另外， 上层应用需求的增加，以及基础网络的变化也都需要有高效、高可靠性、对移动 环境适应能力强的传输层协议出现。 1 3 本论文的主要研究范围和主要工作概述 本文作者在硕士论文期间研究工作的重点是，在基于下一代互联网协议 i p v 6 、无线通信、及其传输层协议理论研究工作的基础上，进行非对称传输协议 a t p ( a s y m m e t r i ct r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 的设计与开发，并参与了协议的性 能测试和交互性测试。在此基础上，进一步完善了协议的部分功能，实现并改进 了选择重传协议( s e l e c t i v er e t r a n s m i s s i o n ) ，并将其作为a t p 无线传输协议 中报文传输机制的基础，与之结合地实现了连接的优雅关闭( g r a c e f u lc l o s e ) 协议，并进一步提出了更为适应无线通信环境特点的报文重传优化方案。在硕士 论文期间，作者的主要研究工作集中在以下几个方面： ( 1 ) 对i p v 6 协议进行了广泛的分析和深入的研究 持续跟踪i p v 6 协议及下一代i n t e r n e t 的发展状况，对i p v 6 协议族进行了 深入的学习和研究。详细阅读了i e t f 关于i p v 6 的r f c 标准及相关草案，积极参 与r f c 标准及相关草案的研究。在i p v 6 平台上，结合a t p 无线传输协议的测试， 研究了i p v 6 安全协议中的两个重要的加密算法渤a e - m d 5 和h m a c s h a i 算法 的执行速度和可靠性。跟踪研究了在m o b i l ei pf o ri p v 6 系列草案的发展，结 合传输层分析了移动i p 的技术细节和设计目标。 ( 2 ) 对t c p 协议及其为适应无线传输所实施的改进进行了研究 深入研究了t c pr e n o 及其加强版t c pn e wr e n o ，并对t c p 为适应无线传输 所实施的改进措施：i n d i r e c t - t c p ，f a s t - r e t r a n s m i t ，e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ( e c n ) 等技术的实现细节进行了学习，并在选择重传协议的实现 过程中，跟踪研究了t c po v e r2 5 ga n d3 gw i r e l e s sn e t w o r k s 草案从提出到 发展为r f c 3 4 8 1 全过程中的技术细节变化，并将其中的新思想吸纳到了协议的实 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现第5 页共7 4 页 现当中。 ( 3 )参与了a t p 无线传输协议的设计、改进与测试 在a t p 启动协议基础框架的基础上，进一步设计完善了协议功能，并结合测 试对协议进行优化改进。完成了选择重传协议和优雅关闭协议的开发，实现了滑 动窗口和报文缓冲区管理机制，研究了新的缓冲区管理模式并应用到协议的开发 中。进行了加密算法性能的测试，协议的交互性测试。 ( 4 )研究并提出了优化的报文重传机制 在所实现的选择重传协议基础上，结合前沿缓冲区管理技术r d m a ( r e m o t e d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 和远程数据存储技术d d p ( d i r e c td a t ap l a c e m e n t ) ，将a t p 无线传输协议的报文重传机制改进为滑动窗口和缓冲区管理分离的、有效支持远 程直接数据缓存技术的可靠性保证机制。 1 4 论文的整体结构和章节安排 本论文共分为六章。第一章介绍了下一代i p 技术和传输层协议对于无线通 信的重要性，开发适应性强、高度可靠的无线传输层协议的意义，作者的主要工 作以及论文的组织结构。第二章在介绍和分析当前主流传输层协议t c p 的特点 和发展状况的基础上，阐述为了适应无线通信环境，在传输层上所做的改进工作， 并详细分析了这些工作的优缺点，进而论证设计新的无线传输层协议的必要性。 第三章详细论述a t p 无线传输协议的主要特点与优势、协议的结构与功能。第 四章介绍和分析了当前主要的报文重传机制，比较分析这些主流机制的优势与不 足，以及各自的适用领域。并详细介绍报文的选择重传协议，阐述在a t p 无线 传输协议中应用的报文选择重传协议的实现细节与改进措施。第五章详细论述了 报文重传机制的优化措施，包括改进所需用到的主要技术的细节，优化方案提出 的理由及主要优势。第六章总结全文，并探讨了进一步的研究开发工作。 第二章t c p 协议及其改进方案 2 0 世纪6 0 年代初，d a r p a ( 美国国防部高级研究项目局) 投资建立了一个 项目，通过个名为a r p a n e t 的网络将美国各地的大学及硬件部门连接起来。1 9 8 3 年，t c p i p 协议取代了早先的a r p a n e tn c p ( 网络控制协议) 。用来运行这个网 络的t c p i p 协议是开放的、简单的和易于使用的。网络的规模迅速扩大，最终成 为现在人所共知的i n t e r n e t 。i n t e r n e t 也就是运行t c p i p 协议套件的所有网络的 一个大集合。 在8 0 年代，人们普遍使用的还有另一些网络协议体系一i s 0 ( 国际标准化组 织) 的0 s i 、i b m 公司的s n a 以及d e c 公司的d e c n e t 等等。然而，所有这些协议没一 个是简单的，也不象t c p i p 那样是开放的。正是由于这个原因，t c p i p 协议套件 才得到了广泛的实施、开发和支持。 t c p i p 通常被认为是一个四层协议系统， 如图2 1 所示。 每一层负责不同的功能： ( 1 ) 链路层，有时也称为数据链路层 或网络接口层，通常包括操作系 统中的设备驱动程序和计算机中 对应的网络接口卡。它们一起处 理与电缆( 或其它任何传输媒介) 的物理接口细节。 ( 2 ) 网络层，有时也称作互联网层， 处理分组在网络中的活动，例如 分组的选路。在t c p i p 协议族中， i应用层 传输层 网络层 l链路层 图2 1t c p i p 协议族的层次 网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ， i c m p 协议( i n t e r n e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 ( 3 ) 传输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它 所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面 的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。 由于传输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此传输层应用层可以 忽略所有这些细节。 而另方面，u d p n 为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称 6 硕士学位论文：a t p 无线传输坍议投文重传机制的研究与实现墨! 里苤型里 作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报 能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 这两种传输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，u d p 为应 用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的 一个信息单元( 例如，发送方指定的一定字节数的信息) 。但是与t c p 不同的是，u d p 是不可靠的，它不能保证数据报能安全无误地到达最 终目的。 ( 4 ) 应用层，负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p i p 实现 都会提供下面这些通用的应用程序： t e l n e t 远程登录。 f t p 文件传输协议。 s m t p 简单邮件传送协议。 s n m p 简单网络管理协议。 以上是对t c p f l i p 协议族层次功能的概述。鉴于本文所讨论的重点位于传输 层，所以在这里仅对有代表性的t c p 协议的主要技术细节加以详细讨论，对其他 部分可以参考文献 3 。 2 1t c p 的服务 t c p 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用t c p 的应用( 通常是一个客户和个服务器) 在彼此交换数据之前必须先建立一个t c p 连接。在一个t c p 连接中，仅有两方进行彼此通信。在广播和多播不能用于t c p 。 t c p 通过下列方式来提供可靠性： 应用数据被分割成t c p 认为最适合发送的数据块。这和u d p 完全不同，后者 将应用程序产生的数据报长度将保持不变。e 扫t c p 传递给i p 的信息单位称为报文 段或段( s e g m e n t ) ( 参见图2 2 ) 。 当t c p 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文 段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。 当t c p 收到发i 白t c p 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是 立即发送，通常将推迟几分之一秒。 t c p 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检 测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，t c p 将丢弃这个 报文段和不确认收到此报文段( 希望发端超时并重发) 。 既然t c p 报文段作为i p 数据报来传输，而i p 数据报的到达可能会失序，因 此t c p 报文段的到达也可能会失序。如果必要，t c p 将对收到的数据进行重新排序， 将收到的数据以正确的顺序交给应用层。 。既然i p 数据报会发生重复，t c p 的接收端必须丢弃重复的数据。 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现第8 页共7 4 页 t c p 还能提供流量控制。t c p 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。t c p 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致 使较慢主机的缓冲区溢出。 两个应用程序通过t c p 连接交换由字节构成的字节流。t c p 不在字节流中插入 记录标识符。我们将这称为字节流服务( b y t es t r e a ms e r v i c e ) 。如果一方的 应用程序先传l o 字节，又传2 0 字节，再传5 0 字节，连接的另一方将无法了解发方 每次发送了多少字节。收方可以分4 次接收这8 0 个字节，每次接收2 0 字节。一端 将字节流放至j j t c p 连接上，同样的字节流将出现在t c p 连接的另一端。 另外，t c p 对字节流的内容不作任何解释。t c p 不知道传输的数据字节流是二 进制数据，还是a s c i i 字符、e r c d i c 字符或者其他类型数据。对字节流的解释由 t c p 连接双方的应用层解释。 l a p p l i 首都 用户数据 鼍t s o o - 字三 k 一 以太嗣帧一 卜p 一 4 6 节叫 图2 2 数据进入t c p i p 协议栈时的封装过程 2 2 1 0 p 的主要机制 1 编号与确认 t c p 不是按传送的报文段来编号。t c p 将所要传送的整个报文( 这可能包括 许多个报文段) 看成是一个个字节组成的数据流，然后对每一个字节编一个序号。 硕士学位论文： ：r p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现差! 夏茎! 兰堕 在连接建立时，双方要商定初始序号。t c p 就将每一次所传送的报文段中的第一 个数据字节的序号，放在t c p 首部的序号字段中。 t c p 确认是对接收到的数据的最高序号( 即收到的数据流中的最后一个序号) 表示确认。但返回的确认序号是已收到的数据的最高序号加1 。也就是说，确认 序号表示期望下次收到的第一个数据字节的序号。 由于t c p 能提供全双工通信，因此通信中的每一方都不必专门发送确认报文 段，而可以在传送数据时顺便把确认信息捎带传送。 若发送方在规定的设置时间内没有收到确认，就要将未被确认的报文段重新 发送。接收方若收到有差错的报文段，则丢弃此报文段而并不发送否认信息。若 收到重复的报文段，也要将其丢弃，但要发回( 或捎带发回) 确认信息。这与数 据链路层的情况相似。 另外，值得注意的是，若接收方收到的报文段无差错，只是未按照序号，则 处理方式由实现者自行决定。或者将不按序的报文丢弃，或者先将其暂存于接收 缓冲区内，待所缺序号的报文段收齐后再一起上交应用层。一般来说，采用后一 种策略对网络性能更好一些。 2 流量控制 t c p 采用可变发送窗口的方式进行流量控制。 发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信过程中，接收端可根据自己的 资源情况，在当前通信所传送的报文在不对网络造成过载负担的情况下，随时动 态地调整自己的接收窗口( 可增大或减小) ，然后通知对方，使对方的发送窗口 和自己的接收窗口一致。这种由接收端控制发送端的做法，在计算机网络中经常 使用。 窗口大小的单位是字节。在t c p 报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前 设定的接收窗口数值。 要实现正确、及时的流量控制并不容易。对于使用t c p 的主机来说，网络负 荷过重所引起的拥塞，会使报文段的时延增大。但报文段时延的增大，将使主机 不能及时收到确认，因此会重发报文段，而这又会进一步加剧网络的拥塞。为了 避免发生拥塞，主机应当降低发送速率。 因此，t c p 使主机的发送窗口按以下方式确定： 发送窗口= m i n 接收端通知的窗口，拥塞窗口式( 2 - 1 ) 也就是说，发送窗口取“接收端通知的窗口”和“拥塞窗口”中较小的一个。 在不发生拥塞时，拥塞窗口和接收端通知的窗口是一致的，但只要发生数据报丢 失而引起超时重发，就要将拥塞窗口减半，同时还要将在此窗口中发送的报文段 的超时重发时间加倍，直到拥塞窗口缩小为l 时为止。 当拥塞消除时，t c p 使拥塞窗口从l 逐渐增大。采用的方法是：当收到发送 出的报文段的确认后，就将拥塞窗口增加1 。但当拥塞窗口增加到原有窗口值的 硕士学位论文：a t p 无线传输协议报文重传机制的研究与实现第l o 页共7 4 页 一半时，就要在收到当前窗口中发送的所有报文段的确认以后，才将拥塞窗口加 1 。 采用这样的流量控制方法，使得t c p 的性能在i n t e r n e t 的有线互联环境下 有明显的改进。 下面举例说明t c p 的流量控制过程。 如图2 3 所示，设主机a 向主机b 发送数据。双方商定的窗口值为4 0 0 ，也 就是发送端不需要收到接收端的确认就可以发送4 0 0 字节的数据。再设每个报文 段发送1 0 0 字节的数据( 用从a 到b 的箭头表示) ，并且序号的初始值为1 ( 见 图中第一个箭头上的s e q = i ) 。在本例中，主机b 进行了三次流量控制。第次 将窗口减小为3 0 0 字节，第二次又减小为2 0 0 字节，最后减小到0 ，即不允许对 方再发送数据。这种暂停状态将持续到主机b 重新发出一个新的窗口