（计算机应用技术专业论文）基于tcpw的无线网络tcp改进算法研究.pdf

中文摘要 传输控制协议( t c p ) 被广泛应用于有线网络中。作为传输层协议，它提供端到 端的可靠传输服务，被公认为是有线网络中一种很有效的传输层解决方案。拥塞控 制是t c p 协议研究的一个热门领域。在传统的有线网络中，拥塞被作为丢包发生的 主要原因，t c p 正是基于这种假设而工作的。相比之下，无线网络由于具有高误码 率以及其它方面的特点，也会因此发生丢包，网络拥塞不再是丢包的主要原因，而 t c p 又不具备区分丢包原因的能力，完全遵循加性增加乘性减少( a i m d ) 的机制， 这将极大地影响t c p 在无线网络中的性能。因此，研究无线网络中的t c p 拥塞控制 机制具有很强的现实意义。 目前，已经有许多关于提高无线网络t c p 性能的的研究成果，本论文研究其中 一种算法一t c pw e s t w o o d ( t c p w ) 。t c p w 的核心思想是带宽估计，发送端在检测到 丢包时利用带宽估计值b w e 来动态修改拥塞窗口c 聊a r 与慢启动阀值s s 芒枷曲。因 为这种方式在慢启动与拥塞避免阶段的窗口增长方式与传统t c p 相同，而在遇到丢 包时根据当前网络状况来修改c 聊d 和卵如r p 幽，因此这种方式又被称为加性增加 适应性减少( a i a d ) ，这与传统t c p 在碰到丢包时的处理方式有很大的区别，使得 带宽利用率得到极大提高。 本文提出两种基于t c p w 的改进算法。算法一主要研究t c p 算法的快速重传与快 速恢复阶段，提出一种新的基于网络稳定性的带宽估计方法。其核心思想在于利用 相邻带宽样本之间的差值来估计当前网络的稳定性，将其作为网络稳定性因子。、在 得到一定数量的因子后计算出最大值，通过当前因子与最大因子之间的比值来动态 设定带宽估计中使用的低通滤波器权值。在发生拥塞以后利用带宽估计值来调节 c w n d 秃as s t h r e s h o 算法二主要研究t c p 算法的慢启动与拥塞避免阶段。该算法使用t c p w 带宽估计 思想来动态修改慢启动阶段的慢启动阀值，这样有助于避免t c p 算法使用固定的预 设值s s 芒府p 幽来结束慢启动阶段而引起的问题。如果s s 芒厨p 幽设得过高，会引起 拥塞窗口c 肋d 持续长时间的指数级增长，发送端在后期会在短时间内发送许多分 组，从而造成瓶颈链路不必要的丢包；如果s s 舌打e 曲设得过低，则慢启动将很快 结束而进入拥塞避免阶段，这又将导致带宽的浪费。从以上分析来看，采用带宽估 计的思想来动态修改慢启动阀值将有助于提高带宽的利用效率。 本文的仿真实验环境基于无线有线混合网络，通过仿真实验验证算法的性能， 结果表明两个算法在一定程度上提高了t c p 在无线网络上的吞吐量。另外，本文对 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 算法一的公平性与友好性也做了仿真验证，并通过与其它t c p 算法的计算结果比较 表明，在大多数情况下，算法一在设定的仿真环境中有更高的公平性索引值，友好 性也较优于其它算法。 关键词：传输控制协议；带宽估计；慢启动改进算法；拥塞避免；稳定性因子； 阀值 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t 1 s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) ，w h i c hi sa 觚l s p o r tl ，e rp r o t o c o l ，i su s e db y m a n ys t a i l d a r dd a t aa p p l i c a t i o ni nc u r r e n t 、加r e dn e t w o r k s i tp r o v i d e sr e l i a b l ee n d t o - e i l d d a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi sah o tf i e l di nr e s e a r c h i n go n t c p ，w h i c hh a sp r o v e nt o 、 ，o r kw e ui n 仃a d i t i o n a ln e l r o r k sw h e r ep a c k e t sl o s s e s 锄e m a i n l yd u et 0 in e 帆r kc o n g e s t i o n o nt h eo t h e rh a i l d ，at o t a l l yd i 行e r e n ts c e n a r i oi s h 印p e n e di n 也e 埘r e l e s sl i n k d u et ot l l eh i g l lb i te 玎o rr a t e ( b e r ) a 1 1 do t l l e r 诵r e l e s s r e l a t e dc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n g e s t i o ni sn ol o n g e rt h er e a s o no fp a c k e tl o s s e s i i la d d i t i o n ， t r a d i t i o n a lt c pi sn o ta b l et od i s t i n g u i s ht h ec a u s e so f p a c k e tl o s s e s i ti st o t a u yc o m p l y w i t ht h ep r i n c i p l eo fa d d i t i v e1 1 1 c r e a s e 厂m u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ( a i m d ) h e n c e ，t c p p e o m a n c ei sa f 王- e c t e d r e s e 扣c ho nt c pc o n g e s t i o nc o r l t r o li nw i r e l e s sb e c o m e s e s s e n t i a lw i t h 伊e a ta p p l i c a b l es i g n i f i c a n c e t h e r ea r em a i l yr e l a t e dp r o p o s a l sc o n c e n l i n ga b o u tt c p i m p r o v e m e n to v e r 诵r e l e s s n e t w o r k s 7 1 1 1 er e s e a r c hf o c u s e so no n eo ft h e m ，t c pw e s t 、o o d ( t c p w ) t h er a t i o n a l e b e h i n di st h a tt h et c ps e n d e ru s e sb a n d w i d t he s t i m a t i o n 饵w r e ) t od r i v ec o n g e s t i o n w i n d o w ( 洲刀回a n ds l o w s t a r r t 缸e s h o l d 珐馏s 办) t h e 蛳l o s o p h yi sc a l l e da d d i t i v e i n c r e a s e a d a p t i v ed e c r e a s e ( a i a d ) t h i sm e c h a i l i s mi sd i 虢r e n t 行o mt r a d i t i o n a l c o n g e s t i o nc o n t r o la r e rp a c k e tl o s so c c u r sa n di th a sn l u c hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n i nt l l et l l e s i s ，帆oa l g o r i t h m sb a s e do nt c pw e s t w o o da r ep r o p o s e d t h ef i r s to n ei sav 撕a n to fb a n d 、i d t l le s t i m a t eb a s e do nn e t w o r ks 纪6 f ，f 砂t h eg a p b e t 、e e n 铆oa d j a c e n tb a n d w i d t l ls 锄p l e si se s t i m a t e di naf i l t e rt or e p r e s e n ts 协i l i 付o f t h ec u r r e n tn e 咖r ka st h es t a b i l i t yf a c t o r t h em a x i m u mf a c t o ri sc a l c u l a t e dd 嘶n ga c e r l a i nn u m b e ro ff a c t o r sa tm o s t t h er a t i o no ft h ec u n e n tf a c t o ra n dt 1 1 em a x i m u mo n e i su s e dt oa d i u s tt h ef i l t e rg a i no ft h ee w m af l l t e ro ft c p w t h eb a n d w i d t l le s t i m a t ei s t h e nu s e dt od r i v ec w 刀da n d 船砌，s 办a r e rp a c k e tl o s s e so c c u r i na d d i t i o n ，t h eo t h e ra l g o r i t l l i i li sas i m p l es e n d e rs i d em o d i f i c a t i o no fs l o ws t a n w h i c hi sb a s e do nt c pw b s t w o o d t h ep h i l o s o p h yi st ou s eb a i l d w i d t he s t i m a t i o nt 0 a d a p t i v e l ya d j u s tt h ej 苫，i 陀s 办i ns l o ws t a r tp h a s e t l l i sw o u l de n a b l es l o ws t a l i te x i t si n t o c o n g e s t i o na v o i d a j l c ep h 2 l s ea tam o r er e a s o n a b l et i m ei n s t e a dt 1 1 a tt 1 1 es 伽d a r ds l o ws t a r t u s e sa 1 1a r b i t r a r y 船历陀s 办i f 船砌坨妫i ss e tt o o1 1 i 2 h ，t l l ee x p o n e n t i a li n c r e a s eo f 删门d 埘ug e n e r a t et o om a j l yp a c k e t st o oq u i c l ( 1 y i ft h ei n i t i a l 鼢胁陀幽i ss e tt o ol o w ，t l l e s e n d e rd o e sn o te f f e c t i v e l yu t i l i z et 1 1 ee x p o n e n t i a li n c r e a s eo fp w 门正t h eu t i l i z a t i o no fa l a r g eb a n d w i d t hi sn o te f - 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c e sa i l di tw o u l db er e a m l yo p e r a t i o n a l o nt h ec u r r e ma p p l i c a t i o n s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 3n ss i m u l a t o r n ss i m u l a t o ri sb a s e do nt w o1 a n g u a g e s ： a i l dao t c l ( a no b je c to r i e n t e de x t e n s i o n c o m m a n d s c r i p t s a i lo b j e c to r i e n t e ds i m u l a t o r ，w r i t t e ni nc + + ， o ft c l ) i n t e 印r e t e r ，u s e dt oe x e c u t eu s e r s n sh a sar i c hl i b r 砌了o fn e 铆o r ka n dp r o t o c o lo b i e c t s t h e r ea r e 细oc l a s sh i e r a r c h i e s ： t l l ec o m p i l e dc 卜+m e r a r c h y 甜l dt 1 1 ei n t e r p r e t e do t b lo n e ，诵t ho n et oo n e c o r r e s p o n d e n c eb e 铆e e nt h e m t h ec o m p i l e dc + + h i e r a r c h ya l l o w su st oa c h i e v ee m c i e n c yi nt h es i m u l a t i o na i l d 风t e re x e c u t i o nt i m e s t h i si si nd a n i c u l a ru s e 向1f o rt h ed e t a i l e dd e f i n i t i o na n d o d e r a t i o no fp r o t o c o l s t h i sa 1 1 0 w so n et or e d u c ep a c k e ta n de v e n tp r i o c e s s i o nt i m e t h e ni nt h eo t b ls c r i p tp r o v i d e db vt h eu s e r t h eu s e rc a nd e f i n eap a r t i c u l a rn e t 、o r l ( t o p o l o g y ，m es p e c i f i cp r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n st h a tt h eu s e rw i s h e st os i m u l a t e ( w h o s e b e h a v i o ri sa l r e a d vd e f i n e di nt h ec o m p 订e dh i e r a r c h y ) a n dm ef o mo ft h eo u t p u tt h a ti s t ob eo b t a i n e d 行o mt h es i m u l a t o r t h eo t c lc a l lm a k eu s eo ft h eo b e c t sc o m p i l e di nc + + t 1 1 r o u 2 1 la n0 1 c l l i n k a g et h a tc r e a t e sam a t c h i n go f0 1 1 c lo b i e c tf o re a c ho ft h ec + + n si sad i s c r e t ee v e n ts i m u l a t o r w h e r et l l ea d v a n c eo ft i m ed e p e n d so nt l l et i m i n go f e v e n t sw h i c ha r em a i n t a i n e db vas c h e d u l e r a ne v e n ti sa no b i e c ti nt h ec + + l l i e r a r c h y w i t ha nu n i q u ei d ，as c h e d u l e dt i m ea n dt h ep o i n t e rt oa no b ie c tt h a th a n d l e st 1 1 ee v e n t t h es c h e d u l e rk e e d sa n do r d e r e dd a t as t m c t u r ew i t l lt 1 1 ee v e n t st ob ee x e c u t e da n df i r e s t 1 1 e mo n eb yo n e ，i n v o k i n gt h eh a n d l e ro ft h ee v e n t am o r ed e t a i l e di 1 1 f o m a t i o na b o u tt l l es i m u l a t o ri sa v a i l a b l ea t 10 1 f = = 1 ；j f ：f fi 0 t c is c 由t s 曲向如o n p r o 蓼锄 o t c l ：t c li r l t e 巾r e t e r w j m0 0e x t e f 血o n n ss i r n m a t o rl i b r a 珂 e v e n ts c h e d u l e ro b j e c t s 。n e 七w o r kc o r n p o n e n to b j e c t s n e 聃o r ks e 脚h e l p 地 m o 枷es 口h 蛆b 地m o 州e s ) 2 4c o n c l u s i o n s 罾啼悉k s i m u l a t i d n r e s l l l t s 、 f i g u r e2 5t h es i m u l a t i o np r o c e s so fn ss i m u l a t o r 冈 i _ j n a m n e t w o r k a n i 皿a t o r i n “sc h 印t e r s o m e 缸1 d 锄e n t a ll 【1 1 0 w l e d g eo ft c pi si n t r o d u c e db r i e f l yf r o mf i o u r e s s e n t i a la s p e c t s ：r e l i a b l e 仃a n s m i s s i o n ，s l i d i n gw i n d o wm e c h a m s m ，t i m e o u t 锄d r e t 啪s m i s s i o n s ，t c pc o n g e s t i o nc o l l t r 0 1 t h et h e s i si sf o c u s e do nt h et c pc o n g e s t i o n c o n t r o l i s s u e so v e rw i r e l e s sn e t w o r k st op e r f o mt h r o u g ht l l er e s e a r c h t h ec o n c l u s i o no f t l l ed i f f e r e n c eo ft c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mt a c “i n gw i t l l 证r e da n dw i r e l e s s 1 4 e n v i r o i n e n t si sd r a 、 ，n f u r t l l e m o r e ，s o m ed e v e l o p m e n t so ft c po v c rw i r e l e s sl i i l l ( si nl i t e r a t l l r ea r e i l l u s 仃a t e dt h r o u g l lt h r e ec a t e g o r i e s ：l i i l l ( 1 a y e rs o l u t i o n s ，s p l i tc o 衄e c t i o ne 1 1 l l a i l c e m e n t s ， e n d t o e n de r l l l a n c e m e n t s t h ea d v 锄g e sa i l dd i s a d v 衲g e so ft l l e ma r es l l m m 撕z e d 锄dw ec o m p a r ee a c ho fm e mv i aat a b l e w ec a i ls e e 丘o m l ec o m p 撕s o nt l l a tt l l e e n d t o - 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s p e e dh e t e r o g e n e o u s n e t w o r l ( si n c l u d i n g 、析r e da i l dw i r e l e s sl i n k s u n l i k e 、访r e dn e t w o r l ( sa s 、 ，eh a v e m e n t i o n e d ，i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，m a n yo f t l l ep a c k e tl o s s e sa u r ed u et on o i s ea n de x t e m a l i n t e 疵r e n c eo v e rw i r e l e s sl i n k s c o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e si nc u r r e n tt c pa l s s u m et h a t ap a c k e tl o s si si n v 撕a b l yd u et oc o n g e s t i o na i l dr e d u c et 1 1 e i rc o n g e s t i o nw i n d o wb yh a l m st l l ep e r f i oh 【l a n c ed e t e r i o r a t i o ni sm e n t i o n e da b o v e t h em a i nr e a s o nf o rt l l ep e r f - o m a i l c ed e 铲a d a t i o ni st h a tt c p 、o r k s1 e s se m c i e n t l y i nw i r e l e s sn e t w o r k s i nm e s en e t w o r k s ，d a t ai sl o s tm a i n l yd u et ot m s p o r tc o n g e s t i o n s t c pi n t e r p r e t sa l ld a t al o s sa l sc o n g e s t i o ni nt ：h en e t w o r k ，a n di nc a s eo fd a t al o s st c p s l o w sd o mi t st r a n s m i s s i o nr a t ei no r d e rt or e d u c et h ec o n g e s t i o n i naw i r e l e s sn e 锕o f k ， i ti sn o1 0 n g e ra p p r o p r i a t et oa s s 啪et i l a tm o s t1 0 s s e sa r ec a u s e db yc o n g e s t i o n d a t al o s s i so r e nc a u s e db yt l l er e l a t i v e l yl o wq u a l i t ) ，o ft h ew i r e l e s sl i r l l ( t e m i n a lm o b i l i t y ， w h j c hi ss u p p o n e db ym a n yw i r e l e s sn e t w o r k s ，m a ya l s or e s u l ti nd a t al o s s i fd a t ag e t s l o s tf o rs o m eo t h e rr e a s o nt l l a i lc o n g e s t i o n ，t l l e np e o m a n c ei su r u l e c e s s a r i l yd e g r a d e d 嬲t c pr e d u c e si t st r a n s m i s s i o nr a t ei nr e s p o n s et o 也el o s s t oh a n d l ew i r e l e s sl o s s e si nt h o s e 、v i r e l e s sn e t w o r k s ，t h ep r o p o s e dt c pw e s t 、) r o o d 【3 】i m p r o v e se 伍c i e n c yo fc l a s s i ct c pc o n g e s t i o nc o n t r o lb yi n t r o d u c i n ga ni 皿o v a t i v e e n d t o e n db a i l d w i d me s t i m a t ea l g o r i t l l i l l i tl e a v e su n c h a n g e dt l l ep r o b i n gp h a s eo f 1 6 c l a s s i c t c p ，t 1 1 ea d d i t i v ei 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 u s e ( a i m d ) 3 2 2 】，b u t i t s u b s t i n l t e st h em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s ep h a s e 诵t ha i la d a p t i v eo n e ( a i a d ) ，w 1 1 i c hs e t s 也e c o l l t r o lw i n d o w sb yt a l ( i n gi n t oa c c o u n tt h eb a l l d 谢d t he s t i m a t e t h e r ea r ean 啪b e ro f e s t i m a t ea l g o r i t h m st h a th a v eb e e np r o p o s e di nt h el i t e r a m r e 2 6 2 7 i i lt l l i sp a p e r ，w e p r o p o s eam o d i f i c a t i o no fe s t i m a t ea l g o r i m mi nt c p wa n dt h e ne v a l u a t e l ep r o p o s a l t h er e s to ft l l ec h a p t e ri so r g a i l i z e da sf o l l o w s i ns e c t i o n3 2 ，w eb r i e n ys h o w b a c k g r o u i l do fo u rr e s e a r c ha l o n gw i t l lab r i e fo v e n ，i e wo ft c p w a j l dn u m e r o u sr e l a t e d w o r k so nb