（电路与系统专业论文）基于Internet的网络控制系统传输延迟估计算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

a b s t a c 童 t w m 甜c o n t r o l s y s t e m( n 鹳) i s柚 i n t e 辨t i o n o f n e 柳o r k i n g m m h n j c a 娃o n | c c h n o l o g y 勰dc y 堍m 畦i c 搬c o f c l i c + an ( 焉c o 勰e d s 也e 删t l o l l e l s ， t h e n s o 瞄蛆dt h ea c t u a t o r s 咖吣u 曲o n es h 觚c dn e t w o 橱n 鬈t o 硒蛳f e c 曲a 呔c 0 曲r o l 蛔s 。耐b 册a t i o ni st 瑚s m i t 姆n e t w o r k 颡也cn c s 。蚀m p 埘dw i t h 蠊埘撼锄越 o d n t f o ls y s t e m s ，t h en e sh 舔a d v 粕t a g e so fw 裙ec o n t l o l 鲥e a ，撕g hr c l i a b i l i t y ，窖d n e x i b i l i t y e 罄ym a l f l l n c t i o nf ：i n d i n g 蠲ds i l n ci 黼t a n a t i o na n dm a i n t e n 鼬妣，e l c 触gw i 瞧也e 住s td e v e 垂o p m 黼t so fn e l w o | 溶t e c h 妁赫g i c s 鹳p c d a n y 甄t e 殛e t t e c l l l | o l o g y ，n c sb a s e do n 触e m e t ，w h i c l li st h ed e v e l 叩m 蝴td i 州i o no ft h ec 咖l t c e 函l 蕊。鬈冀h a sb e e na h o tf 鹅e a f c hp f 曲l e 藏熏越h o 丑辩a n d 曲嚯移矗d 。 c o m p a 他dw j t ht r a 出t i o n a lc o n 的ls y 8 t c m s ，c o m m u n i 始t i mn e 柳o r kh 鹳b e e n i n s e 蹴d 撅n c s 。s o m en 嚣wi s 辩龉瓣穗抟l 搬e d a 蔓霜。馥s 扫豳嘲醣z a 娃。珏姥dl a s t o fp a c k e t 孰t h e s ep r o b l e m sm a k et h en ( ：s sc 弧t r o lq u a l j t yw o r 辩，蛐ds o m e t 自咀e 瓣鑫蠡。 ：s 歉黜e 纽酗纛i l y i nt l l i st h e s 鲰e n d t o - c n dd c l a yo ft l l ei l l t c m e ti st a l k e da b o u tw i t hc m p h a s 嚣藏d - l 争e 藏dd d 8 y 髓强e 琢姆挪e li s 牲i 撒辨f | 牡| 垂a 渤f 耋。粼l 毽蹴毛融举越轻y 薛囊e n e f w o f k d u et ot b ef a c t t h a tt h ed o c k sa te n ds y s t 蝴i s 戤eu s u a l l y 雏o ts y n c l l r 雌i 忿d a 稿n l 黜趣ga 重d 主e e 瑚ts 洋相鞍e x 辨f i 珏l e 狂t a l 幽l 鑫轰毫v e 童ok o o 雌s 积w 妯s 嘲e a l 喾d r i t h m st og e tt h e 仃u ed e l a y l b 蛾i s 攮e s i 8 ，趣c fv a i i d 嬲a l y s i so fc x p e 砖m e n t a l 妇魄ab 辨a m i ch 愆a f a l g o r i t l l m ( g r a d u a ls u b s e c t i o nl i n e 射m e t h o d ) i sp r o p o s e dt oe s t i m a t e 柚dr c m o v et l i e e r f o r 妇t h ee x p e f i m e n t a l 幽哇a 。e 麟c i e n c yo ft 挞sa l 剃如mi s 卿e db ye x p 喇m 螺重s 。 1 渤i sa l g o r 主t h mc a i la l s ob eu s e di l lo i l l i n cm e 勰u 陀m c n t yw o r d s ：n c s ；e n d - t o c n dd e l a y ；d y n 姗i c “n c a r 烈g 嘶t 概 i l 彗主再；! ! ：要暮毒墓 i 王 蠹重| 孽羔l 蚕i 目至? i 目i ；j 乏莹量至g 睾荤耋三；誉i i 量蚕季皇i 妻s 奄三? ；匿l i s 毫i 蔓 i g 匪目疆 勇黧 i 矗誓! 霸璺蠡! ! 垦薹酲。虿0 ；云善9 一 ；垂 l 薹霎墓茎；旌u 主蓁荤自主蓊$ ? 察。虿目蕈| fi 譬譬i i 若邑蓦莲 星雹蘸舞! 囊基鞠堑耋囊誊誊量l 虽搿重譬巍雾篓手耋 霎连耋i 目g 登蘸譬嚣霉瞳巨睦霆霉事i i g 荸奏i ! 自| ：，毛荦雾l 事9 罨晕垂j 蘑# 訇毒囊差萏耋l 羹参，萤；l 型i i i 费_ 耋季i ；毒ii 薹；jj 雪i ! 目! ：l ；喜藿一辱；醇擎 i i ；i 垂目。i ，吲| ；，i ；嗡嘲i g ；i | ；| h g ；# # i l l o ? l | g s = ； 聚骶目l ；蟹i 一 ；， l 舅萌屠苣“孥喜量西 l ；蠢嚣 醵鲑雪曼器鬟曼蓉! 南南王i 彝a | =垦墅霎。塞耋l 虽l ? ! 蓁蓍毫一i 霎薹薹 l i 蓁l 西虿垂薹i i 薹j璧。孽? 攀垂垂善 =d 白i 霸睦 囊蓁董萎；i i ! j i l i i ? 警；i 二，基芋鞠珏量嚣l ；翻差；譬霸塞 l l ! ；j ! | g ih ! ! ；。l i i | ? ! 釜| 目! i | 。l | i i ：；l ；：j 目! 基i i 目 l s l l l 二i | i i l ；! ji o i g i 蚕! l 毯二l l l b r l gg j j s i i j j ：i _ ? i l | | 强目| i ；i j ；| 烨l 奏i f o 、毫i 萎室； l 自，荤i 麦，爹垂耋：妻搴耄| 擎囊f 墓富o ；l 爹1 囊! 茎i ! 夯氢| ； ；i ! ! | i ，! ；| l | i li ：目目! = i ；i * 4 ；i ；：! 自目i ；s ! l 3 a 二i s i 0 # g i ；l = l i 壬瑚耋警| ；妇鼍矧嚣曩# 鲁；l 冀蓄罾曼擎笋嘻毒料鲴善茸苣拦= 舀l 雾妻! 冀囊囊：季二l 蕈；l 掣塞一i 露； i ! ；m 善j 荤黍籍黼鬈趔f 邪羚巅釜，麓凹! 鲤研裁参鬈f 自i l | i i 留垄：i c 曩。丽誉霪理灞障西叫。譬耳；孓溺交鬣焉j ； i ；i i 粪疆g ! 萎；期鞑= 再酝器! 敬隧鬈驰墓园汪霪蠼融滋警望善薹摔藿。舀型匿囊爵弘j 童壅冀。i 圉 l ! ；蕾乎慝j 鳖簪，i 嚏! ：冀割蠹j 誊鼎肇备链莩凄釜撬翌煎藩喾? 国磋嚣霎蓁耋曩l 薹： 奏雾薯 j：彗i 每i 。i 蠹一i ! 喜 i 垂薹；壹耄；耋? 蚕! !募募耋垂i 汨婵一季；垦螽i $ i 羹l ；盖| 锃耋 l 摹孝；耋i 薹尊引妻鼋蠢摹付l 辱妻l 蚕薹io 蓠。一弱里 ? ? l a i 目= ；i l i = l l 二g 目i r rg i 目目日女女# ；目o l 自，l i l 。到i l g ll8 i g | | ； i 耋囊l 妻蓄茜i ! ? 塞= = 垂j 墅蚕蚕鲁露曼垂；封；雾! ；i ! 曩墓l 舅茜蕈型錾暑i d 氢i 雷誓强薯镁莲毒；冀目i j 章垂- ；羔! ! 鼍蓦l 蛩二s 哇 i 0 ee l “g g 芝；| i 8 l l ；i 自l f f j 二二；j ；i g ：i g i ；? l g ；i ；l g 目l g ! ；i ；g | = i ；l ! l 藿囊孽转量i 臻副茎i ，；i i i 蟊。露薹? i 畴主目! 耍喜薯妻i 曼；盖重g q q 若i i 窒三薹茎警蠡i i 鄹 x 络控制系统的算法研究也就变褥极其重要。国内外部对纂于因特网的n c s 控制 系统的算法给予了积极的探索。 两络信怒传输延遴问题是研究基于函特弼的控制系统必须讨论的问题。在这 一方嚣大多讨论双程延迟，对擎程延迟讨论较少。 o 2 课题研究内容与意义 单程因特网传输延迟魁因特两性能评价的一个蘸要指标。单程延迟的测擞不 仅可以为基于因特网的网络控制提供算法设计依据，也可 以为提高网络实时传输 嚣鼹络缀务援量( q o s 提供重簧参考。本谍舔蘑黧讨论了单程廷遮，提出了新 的算法，并将其应用到基于因特网的n c s 中。 o 3 课题研究的技术路线 构建网络延迟测爨系统，对单程延迟避锯测量，在实际数据的基础上，结合 相关参考文献，进行分析研究。 0 4 论文的工作和内容安排 本论文掇出了一种关于单程网络传输蜒迟的测爨计算方法，并将其试着应用 到蒺于嚣特隧的n c s 中延迟的分析。 本论文圭要分曳蹬辫分： 一、基于因特网网络控制系缝介绍 主要介绍了网络控制系统及其特点，基于因特网的网络控制系统结构与存在 的阏麓、以及目前的研究现状。 二、网终传竣深理及拯议、 主蒙介缡了计算机踺络的体系结槐、删p 及英相关协议，包括韵留、u ，等 协议。 三、基于h l t e m e t 的网络实时传输延迟的测赞与分析 主要奔缨：瓣量方法及穗关概念定义与测蘩结栗静分析及试验结栗。 四、d l 算法狂网络控制系统中的应用。 2 l 基于因特网的网络控制系统介绍 1 1 阿络控翩系统概述 1 1 1 网络控制系统的描述 般将控铡国籍通过实辩网络闭合豹反馈控铡系统穗凳瓣终控制系统 ( 跑啪癔e de o 曲o ls 斡l 嘲s ，或n c s ) 1 1 2 j 。该词簸旱乎1 9 9 8 年出现在马燕兰大 学q c w h l s h 的论饕中，但未给出明确的定义，只是用图示说明了网络控雠系统 的结构，指出猩该系统中控制器与传感器通过串稃通信形成闭环。网络控稍系统 又可称为阏络亿控制系统，箕奉震是傣怠国：考输入、对象输出翻控稍输入等浓 控割系统各郝传闻( 抟感器、按镯爨翻扶行器簿) 遁过鼹络进行交抉。n c s 巾的掰 络是个广义蠹勺范蜷，包含了f c s 、工业以太网、无线通信网络、甚至m t 啪a t ， 这也是与网络技术的发艘相遗应的。根据萁圈路中所嵌入的弼络结构不同可以将 萁大致分为广义圈绦控涮系统和狻义跨络控髑系统。般诀鸯遴过f c = s 鞫王熊 墩太耀等组戏豹翅终控刳系统是狭义约鼹络控期惹统，嚣由通用计算规网络，托 如计算机广域潮、h l t 锄e t 等网终缎成的控制系统嬲被视为广义姻网耋舞控制系统。 n c s 典型的系统结构图如图1 1 所示 圈1 一l 网络控制系统的结构 1 1 2n c s 的特点 n c s 建计舞杌技术、通信技米与控稍技术发展取融台的产耪，它蓬诗髯梳控 潮系统瓣霆塞发震，其蠢热下特点： ( 1 ) 结构网络化：n c s 最显蔫的特点体现在网络化体系结构上，它支持如总 线型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比，具有更好的平 稳性。 弱络延迟阂疆。在n e s 孛，由于各粼锌之阖怒透过公芙豹瓣缮奔簇送行 信息传输，因此，在嬲终中避毒亍信息交换埘会为控制系统引入时阕延迟，遮静延 迟包括传感器爨i 控制器的传输延迟和控制器到执行器的传输延迟，延迟可能是定 常的、也w 自& 是时嶷的、甚至是随机的，延遮的存在衾降低控制系统的毪能，茬 至谈控制系统不稳定。 对照户来说，鄹络延迟是掺用户发出请求到远端系统对该 蠢求擞出嫡瘟传圄 给用户的这一段时闻。对基予t c p ，口协议的i n t e r n c t 来说，对每一请求都要作如 下处理：路由处理、a d u ( 用户数据单既) 在网络上传输以及服务器对请求进行矬 瑾，这些避程都会雩| 超延迟。 路囊延迟1 6 j 路由延迟包括域名请求碱迟、t c p 连接建立延迟、卫凹连接释放延迟和撑 在各个网关的寻径延迟。 若用户应蠲中使用静是对方未梳的壤名鬻不楚臻缝繁，在痰瘸稷孝遥信之藏 应勰辑出慰方熊撑蟪址，域名解辑过程零| 起敷延迟称挎域襄请求延迟。盛翅程序 将域名交给本地解析器软件，该软件首先在本地缓存区中焱找相应域名，称之谓 地址联编；如找不到，本地解析器构造一个询问报文，发往初始域名服务器( 本 缝服务器) ，域名联务器禳撼辩祈情况豳答牵晌斑报文。城名糯务器解析采璃 秀步法：当初始服务器找不剽该域名孵，则将诲润擐文发校棂暇务器，遴磐自项 向下的搜索( 域名服务器组织成树彤层次结构) 。本地缓存区对域名请求的响应延 迟愚由c p u 、内存、外存速度决定的，该延迟相对来说很小。域名服务器的响应 s 与鼹络负载、服务器的速艨和负载有关。当需鬃从根服务器开始煮找域名时，传 输延迟则成为l 气n 上的蜒迟，此延迟相对较大。 t c p 连接建立延迟搬从传输服务用户要求建立连接到收到遮接证实之间的 时阙，宅霞括远溃传输爨豹处理工痒露延。连羧释敷延迟摇扶一蝼鹣传簸层厝户 发起强放连接请求到勇一溃熬释教实舔发璧舞壹之闽豹对延。逶绥建立和释敷延 迟与湖络负载及服务器负载有关。 t c 肌p 协议中，每个l p 数据包是独立寻裰的。i p 寻径延迟搬l p 数据包从源 端到瞬的端的各个网关上的寻径延迟，包括网关寻径表处理延迟和地址解析延 迟。翊关地址解毫蓐由t c 彰撑提供魏a r p a d 船龋sr c s o l u t i l o c o l ，地址解板 资渡 泉宠裁。囊手鼹关零强在奉瓿蠹完藏，蕊缝垃薅辑遣在零黼痰迸霉亍，藏戳 i p 寻饺延迟相对较小。 a d u 在网络上的传输延迟【6 】 位于应用层的用户数据单元( a d u ) 在成用层协议调用下层协议提供的服务 之展形成协议数据单元( p d u ) ，p d u 作为独纛的数据单元在髓络上传输。p d u 在潮终乏懿簧辕莛返叁疆下足熬分缝残：嚣憩延迟、捷送廷运、健攒延运、撵敬 延迟及处理延迟。 打包延迟是实时流威用独有的延迟。实时流应用是指对基于时问的信息f 比 如视频、音频和动画等1 谶行实时传送的应用。察时信息流是有时间性的，按时 间顺1 | 擎毒规律地产生，要镣待信息流达到一定朗数量以满足协议数据单元口d u ) 有效受装方努包成p d u ，这段等待时阕称佟挺篷延迟。打包延遴梵s 彰其串 s p 必p d u 有效负载长壤，k 为应用静编鹤遮发。因瑟辩予低速编弼器来说，延迟 比鞍大。 传送延迟是指p d u 数据全部传送到线路上的这段时延，或者说p d u 的第一 个比特从端点传送到线路上童到最后一个比特离开端点的这段时间间隔。传送延 迟与p d u 大小以及局部线路主的传送速率露荚，对于低速链接，传送延迟相当 哥躐。 传播延迟是p d u 在介质中传播所用的封寸闻，取决于信号穿避介质的速度。 也就魁说，这个延迟由链路的物理特性决定，与链路的业务量无关。传播延迟随 距离线性增加，l n 和m 州中的传播延迟只谢5 0 2 0 0 u s ，这并不是重要的延迟 组成部分。丽w a n 中的传播延迟就变褥比较熬要了，因为远距离传送使裁削薹 稳嘲签簧蛹震藏臻辖豢! 戆饕翼魏畿剿螫霹黧墅嚣 x 头部校黢窝确保头部在传送过羧中不梭改变：埘选项字段允许糟支持不厨豹可 选取项，如路由记漾、时间戳、安全性等；壤究字段用于确保数据头橼是接字节 的倍数。 2 。2 3l p 协议嬲数撂擐路由选择 i p 协议烧h l t c r n c t 的网络朦协议，它所面对的环境是由多个路由嚣( 或阏关) 和物理阏络掰缀藏静弼终。每个路嘲器爵能连接不正令耪理翳络，每个秘毽网 络中可戆连接羞于台主枫。疆路由选择怒指寻找一蓉将数据掇从信澈机镥往信 宿机的鼹佳传输路径的过程。其主要掇据是路由表。为说明方便，下谳通过个 爨子来说明豁由器船工捧漾璎。 路出嚣的分布虫n 图2 4 所零。站点a 瓣要囱站点b 传送信息澳站点b 的口 蛾址为2 0 2 o o 1 1 ，它们之间需要通过多个踌由耱的接力传递，冀工作原理如下： 1 ) 菇点a 将站熹b 豹恁缎2 。2 疆o 1 连嚣数据信愚戳簸舞攘鑫孽形式发送绘鼹 由器r l 。 2 1 路由器r l 收到站点a 的数据撤盾，先从撤头中取出地址2 0 2 n 0 1 ，并 稷据蘸经表谤算出发站焘b 蠹孽最佳薅径瀑l - 鬟2 - r 5 b ；势将数据擐发往珞瘗纂 r 2 。 3 1 龉由嚣r 2 匿复路由器r l 的工作，并将数据转发绘髂由糕r 5 。 辩貉鸯器r 5 隧祥淑密鬻豹穗簸，发瑗2 睨矗晷1 藏纛该魏赉嚣掰连接豹瓣 段上，于是将该数据直接交绘王作站b 。 5 ) 站点b 收到站点a 的效据报，一次通倍过程结束 圈4 蛄点气b 之间的鼹由器分布 在i i l t e n l e t 中，路由袭的作用燕为i p 路由选择提供两种信息：发送数据报时 傻羯的阏络接霉落怠帮敬久本途数摇头椽恚懿信宿蟪蛙辩籍径稽塞。糟层掰撬 行鲍路由算法如下： 1 ) 首先程数据报头部提取目的站b 的i p 地址及其网络号n 。 萄若n 就是与诧黪由嚣塞接鞣连魏莱一个瓣络号，蘩| l 不蠢接逶过该爨络将 数据报交给尉的站b ；磷则执行3 1 。 3 ) 若路由表中有目的地址为b 的指明主机路由，则将数据报传送给路由表 串掰明熬下一站臻 = l 器；否羹| l 魏彳亍4 。 4 ) 若路出表中有到达网络n 豹路由，则将数据搬传送给路由表巾所指明的 下一站路由器；否则执行5 1 。 5 ) 若路由表中有子网掩码一项，需对路幽袭中的每一行，谶行子网掩码和 目的i p 地址相“与”的遴嚣。设得出的结果为m 。如果m 等于邋一行中的目的 站稻络号，煲l 将数握摄传送绘路由表孛掰摆嘴翡下一菇鼹由器；孬舞l 执蠢囝。 & 若路由表孛有一个默认路壶，荽孽将数攥攫传送绘籍由表窜矫捂鞠豹默试 路由器；否则执行n 。 7 1 报告路由选择出错。 i p 数据报中不出现下一站的口地址，奠头部只有源站和目的站的i p 地址。 璎软传中鲍路由选择雾法褥逝下站的p 她娥_ 兹交下一层的网络接鼗较锌，网络 菝鼙较侉受责耱下一蘩黪蠢器懿瑶疆氆转羧戒锈瑾遥缝，莠毒謦藏物理遮缝菝在 链路联的m a c 帧豹头部，再用这个物理蟪址找到下一站路由器。对应于路由选 择算法、使用场合等因素存在着不同的路由选择协议。h l t e m e t 采用的路由选择 协议怒自适应的、分布筑路由选择协议，主要分为内部网关协议i g p ( i n l e r i o r g a t e w a y 跏t o c 0 1 ) 和外部嘲关协议e g p ( e x t e 黼a lg a t e w a yp r o t o 1 ) 。内部鼹关协 议瓣 是在一令叁漆系统蠹罄镬焉熬爨痰选择捺议，其钵鸯爨垂售爨凌滚 r 珏 ( 歉o u l i n gi n f o 玎n a t i o np f o t o c 0 1 ) 、磁! l 差囝协议、开放最愆邋路优先协议 o s p f ( o p e ns h o np a t l lf i r s t ) 。外部网关协议e g p 是将数据报从一个自治系统传 送到另一个自治系统时的边界协议，具体有边界网关协议b g p ( b o u n d a r y g a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 。 2 。2 。| 鼹由算法 l p 济议捂述了数瓣掇进行路由选葬静一般琢理移规囊| j ，宅馒弼路由表寒遗 行路由选择，而i p 本身不提供建立和维护路由衷的机制，这个功能由选择拚议 承担，不同的路由选择协议采用不同的路由算法。 路由算法分静态和动恣蹲太路由算法。静态算法是建立链接时预先算出的， 它不能对薅络静变钝敲澎反应，现在己缀少袋躅。动态路由算法分为鼹摹孛：商量 一距离f w d ) 算法窝链路状态( o s ) 算渡。彝鬟蹲离算法懿愚怒是，绘轰孛懿每一 个翻麴地址指定一个距搿魔量，一般是从本地主机至目的遗址的站点个数。理论 上选榉经过站点数最少的路径，这样要交换的信息量极大。为了巍服这个缺点， 在链路，状态算法中定义了个网络拓扑数据摩，因此节点只要发送数量少得多 的信惑裁可以确定路由路径。 2 ，2 。5i c m p 、a l 潆煮熟气l 潆渗谈 麓错与控皋报文协议l c m p ( 孙e m e te o n t r 0 1m e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 用于传输差错 和控制信息以及一些其他的网络信息，i c m p 怒完整的i p 的组成部分，i c m p 软 件作为i p 软件的一个模块而存在。当i p 模块发现传输错误后，荫先丢弃该出错 数据报，然后调用l c m p 模块向信源机发送整锚报文，该报文包搔i p 数据报头 1 4 字段和出错数据报的前6 袖i l 数据。l p 的按制服务体现在i a 卿所提供的控制报 文上，控制掇文分为源抑制报文和羹定向搬文，同差错报义一样，该报文包括球 数据报头宰段帮出错鼗霸擐懿蘩6 乓韬t 数镞。玲磁p 掇交必须经过露次封装，第 一次将其封装在l p 数据擐的数据区中，第二次叉将该口数据报封装在网络数据 帧中。i c m p 的目的并不蹩使i p 完全可靠，而仅仅是对通倍中所产生的阿鼹提供 爱馈僖爨。 网络层使用职地址，但最终数据在_ 物理网络上橹输时还是要用硬件地址， 地址解析协议a r p ( a d d r e s sr e 8 0 l u t i o np m t o c 0 1 ) 就是用来实现l p 地址刘硬件殛址 转这羧瓣诲议。熊 技术豹关键是a r p 嶷，在舞有主辍懿高速缓存审维持一令 从其他网络收信来的硬件地址和口地址的陕射表。对于以太网地址解析的过程 悬：主机上的应用程序列( 如f r p ) 发送一个应用报文( 包含隧标l p 地址) 到t c p ， 聪 揍块囱撑模块发送耀虚静弱留健输撤文，撑模块缝残撂数据报并套找觚p 表得到该目标心地址所对应的以太网地城，然后由以太髓驱动程序通过魁络将 报文传送给该以太闷地址所对应的目标主机。 爰囱建载解轿协滚釉蠊p ( r e v 嘲ea d d f c s s 鬏e 舔毽蛙髓豫d t c 嘲l 辩怒将疆箨毽 址转换成i p 地址。黜慷p 与a i 撑协议报文格式相同。m 嫌p 嚣要个或多个r 似疆 服务器来维持一个硬件地址到i p 地址的映射表，r 艨p 服务器在收到客户机广 撬黜嫌p 请求f 包含其硬佟遗缝) 后遴遘尝袭返翻带骞客户梳瑶憋垃鹣穗瘫羧交。 r a r p 主要用于无盘工伶站。 2 0 6 传输层协议简述 瘸络瑟及其下簇仅仪提供了两令籀邻苓熹之闺豹煮裂点豹传辕，瓣鹁这秘 点到点特性没有应用程序的概念，猩多任务操作系统如w 孙m o w s 中，数据传 到信宿杌时该由哪个进程来处理到达的数据，豫是无能为力的。传输层协议能 够瓣决这令溺题，宅提供了信漾穰辍信露壤之鹅瑞至端豹透信，鞠撵供7 瘦鼹程 序之问的通傣，为上层协议建立了一个完落的服务接口。端到端信道嗽一段点到 点信道组成。 l p 之上豹传输层有鼗输整露l 按议贰潲& n s 搬i s s i o 盎c ( 瓣r o lp l o 1 ) 秘建户 数据报协议u x 一个地传送，但不是一个字节接着传送一个字节。 1 t c p 差错控制 t c p 的差错控制功能，使得t c p 成为可靠的传输方式。下面谈t c p 数据 传输的正确性所涉及到的三个字段：确认号( a c l 【1 l o w l e d g e ) 、序列号( s e q u e n c c ) 和 检查和 ( c h e c k s u m ) 。 从图2 7 所示，第一步骤，当传送端和接收端建立好联机后，传送端a 开始 传送数据越，此时根据t c p 协议会以随机方式产生一个s e q u e n c c 肌m b e r ，作为 此包的顺序号码。第二步骤，接收端b 在收到a 所传来的包舢时，会对该包做 c h e c k s u m 处理。第三步骤，若起码确无误，则b 会将此包的s c q u e n c en u m b e r 加上该包的长度之值，作为a c l 【i l o w l e d g c 腓m b c r 字段的值，并回传此确认包b l 。 第四步骤，传送端a 在收到此确认包后，先对其做c h e c k s u m 检查，然后再检查 其a c l 【1 l o w l e d g en u m b e r 是否等于原先传送的包舢的s e q u c en u m b e r 加上该包 的长度之值。若正确无误，则重复步骤一至四继续传送其它的数据包。 在第三步中，将a c k 设为1 ，表示其包的确认号( a c k n o w l e d g en u m b c r ) 是有 效的，它可以使传送端知道上一次送出的数据长度，是否被接收端所正 x s o c k e t 套接字规范是一套网络编程的接口，它包含了一系列的与套接字使 用有关的库函数，是一个面向网络通信编程的a p l 。 2 5 1s o c k e t 套接字 为了在不同计算机之间使用硎p 协议进行网络通信编程，b e 成b l e v 大学 最早开发了针对u n i x 操作系统的套接字s o c k e t s 规范。随着计算机操作系统的 发展，w i n d o w s 操作系统也引入了这种接日，它不仅包含了b e r k e l e vs o c k e t s 风 格的库函数，也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库函数，以便能利用w i n d o w s 消息驱动机制进行编程应用程序调用s o c k e t s 的a p i 实现相互之间的通讯，而 s o c k e t s 又利用下层的网络通讯协议功能和操作系统调用实现实际的通讯工作 它们之间的关系如图2 1 2 所示。 心搿挥廖1 k- l 拽瑚档f 2 0毒 剃络编秘接口( ! i ! w i i d o 螨s k e t s )跨络鳊秘接口( 如惭埘。娜s 燃， +千 嘲掰避1 “协议瞻务援l _ _ ：l ( 趣 t m p )网终媳讯协议瓢势按门f 如下c p ，i p 千十 i撵作承统( 如w i l ( i 。w s )搬作系统( i 啊、v i n d o w s ) 0千 将艘避讯舟质物理避讯赍旗 图2 1 2 应用程序和s 0 c k e t s 的关系 t c p m 的套接字有三种类型：数据报套接字( s o c kd g r a m ) 、流式套接字 ( s o c ks t r e a m ) 和原始s o c k e t ( s o c k 弛w ) 。数据报套接 不同向连接的编程相对 比较简单。原始sockct套接字允许对较低层协议，如口、i c m p 的直接访问， 它常用于检验新的协议实 现或访问现有服务中配置的新设备。2 5 2 客户机朋 匪务器模式及其实现客户朋程务器( a i e n 幅e r v c r 简称c 搐) 模式兴起于2 0 世纪9 0 年代初，到了9 0年代的中期开始成为 流行的使用的模式。它的基本思想是把集中在一起的应用划分成功能不同的两个 部分，分别在不同的计算机上运行，通过它们的分工合作来实现一个完整的功能 。这两个部分中，一个 为服务器程序，用来响应和提供因定的服务；另一个为客户机程序，用来 向服务器提出请求和要求某种服务。“服务器”和“客户机”是软件的概念，是相 对的概念。比如台机予上可以同时运行着一个客户机程序和一个服务器程序， 配置较离盼计算穰上，瑟怠骚务器一般搿虢同辩穗应蔻个客户梳豹请求。 从服务器所提供的服务类型角度，可分为文件服务器、打印服务器、数据库 鼹务器和透信辍务器等。阏终控秘系统蘧生要是遴信强务器。辍务器逶遐戳下步 骤和客户进行交互； 第一步，整辨等待一令窖产豹请求懿夔| 来。 第二步，启动个新的服务进程来处遵客户的请求，而原来的服务器进程则 继续蓝氍蹩否畜毅豹客户溃求豹戮来。客户豹蘧求处理终袭螽，这令蓑鹣避程被 终止。 第三步，返溺劐第一步。 s o c k e t 是面向客户，服务器横型而设计的，因而其有繇餮詹貊麓霉强器 i = i n + j 到f 这，l 磊裂 ，调瓣j 鑫听函数使它处于监听状态；2 ) 客户橇奁镲建套接字完肇螽，为囊 接字分配逢缓，然爱谶瘸连接溺数，请求与服务器套搂字连接；3 ) 溅务器 套接字在数戮客户筑鹃连接请求纛，瀑爝接收交数束载建令霸连接的套接 3 ，2 1 测黧方法 本实验中，a 、b 两节点分设在东北师范大学物理学院和东北师范大学研究生 宿舍，a 、b 两节点网关不同，采用t c p i p 协议，用j a v ac s 模式谶彳亍编程和通 讯，实验过程中每分钟发送次信息，数据包信息量等大，发送信息为a 节点的 发送时刻，该时亥l 准确到毫秽，也是软件提供豹壤准确兹嚣间。 在l a v a 豹a p 舜i c a 珏强震怒翟穿l 硐 蠲孛穗s 鹣t 类霹s e f v 嚣s o c 鹣t 类分舅g 震 于客户枫和服务器端，在任意鼯台枫器之间建立造接。j a v a n e f 包中掇供的s o c k e t 类实现了霹户端的通信功能、s e n ，e r s o c k e t 类实现了服务器端的通信功能。当客 户机和服务器连通后，它们之间就建立了一种双向通信模式。 在使粥套接字通信过程中燕动发起通信的一方称为客户枧，接受请求的进行 遥售熬一方熬受鼹务器。逶j 雯饔接字建立连接豹j 篷程分灸戮下3 令疹骧： 1 ) 暇务器建立守护逑獠，负责监听每个端翻( 客户端) 是否瑟求通信。 2 ) 客户端创建一个s 0 c k e t 对象，包括连接的主机号和端口母，指定使用的 协议，邋过发出通信请求，岛服务器试图建立遴接。 3 ) 服务器监听到客户桃的请求，创建一个s o c k e t 接收连接对簸，与客户机 送行蘧绥。 奁j a v a 网络鳊程孛，逶i 筵创建套接字霹骧建立与其它枫器静逶接势龟l 建套 接字b p u t s _ 【r e 扭和o u t p u t s ”e a m 流对象，套按字输入、输出流完全可以将连接 作为一个i 0 流对象来对待。 在使用套接字写客户机朋睦务器应用程序时，建立客户机和服务器两端相互 通信豹j 窭簇是一样的，该过稷熬主要工终可妇纳必鞫个方嚣：打开套接字、蠢开 爨套接譬的赣知赣蠹漾、壤撵鞭务器谤议读霉套羧字、逶僖结紊蓠豹清瑾工终。 客户端应用套接字进行网络通讯的基本模式为： i n ti n d a t a ，o u t d a t a ； s o c k e tc s o c k e t ： ，定义s o c k e t 类测 t r y c s o 呔e t = n e ws 破“嬲瑙楚篷l 堂翅型星 鐾气8 国；裁建套接字对象 h p u l s 靠e 8 掇妇= c s o 婊e t 。嚣。| l 矗弦t s 拄e a m 积赡l 建输入对象 o u t p u f s t r e 锄o u t = c s o c k e t 毽e 1 0 u t p u t s t r e a m o ；创建输出对象 i n d a t a = i n r e a d 0 ；，从套接字输入流中读鞭数据 o u t w r i t e ( o u t d a t a ) ； 向套接字输出流中筲数据 c a t c l h ( u n k n o w n 壬o s l e x c e 舛i o ne ) 发生异常 c a t 穗( 输e x p 曩鲤e) 数瓣传辕发生雾鬻 鼹务器端应用套接字遴行黼终通讯的基本模式为： i n ti n d a t a ，ou t d a t a ； s e i 、，e r s o c ke ts e r v e r ： s o c k e ts s o ck e t ： t r y 2 8 定义“监听”套按字 s e r v 嚣= n o ws e 辩e 堪。矗e f 鞠钓；腿建“簸瞬”对象 s v s k = s e r v e r a c c c p t ( ) ； 接蹙客户端连接请求 轴p u t s t r e a mi n = s s o c l ( e t g e t i n p u t s 酏a m o ；艟l 建输入对蒙 铂t p h l s t o u l = s s o c k # 1 g c t o n p n l s 拄穗糟o 创建输出对象 j l l d a t a = i n 他a d 0 ；，从套接字输入流中读取数据 1 w 妊l o u 国a 汹； 淘套接字辏出流中笃数据 c a t c h ( i o e x c c p 娃o nc ) ) 腈常处瑾 程痔挺图懿下： 客户端溅务器 建立流式监昕s o c k e t 将s o 矗e t 与本缝遣继相连 毒 - | 建立s e c 虹l ：辩镑巴在f 辩裁豹漂移为，对爨g 与e 。在f 薅弱 的相对漂移为q ( f ) 一a ( f ) 。 时钟比率( c l o c kr a t i o ) ：时钟q 与c 4 在t 时刻的时钟比率为q o ) c ：( f ) 。 假设时钟q 与t 频率懒定，括c ：( f ) 一c ：( f ) 和am q ( f ) c ：( f ) 分别表示两时 镑稳对翅麴秘孵镑毙率，粼辩钟翅麴和霹镑魄率的关系： | i 篇c ：( f ) 一c ：( t ) ；口c ：( f ) 一e ：0 ) 篁( 口一1 ) c ：8 ) 所谓时钟同步，是指两个时钟在任意时刻，相对搬曲和相对漂移均为o 。当 然，这嚣个霹键哥戆都不是粪实舞锋。 3 3 测量结果的分析及试验结果 3 3 。l 辩闻段嚣爨 若用p ，如，c 。) 表示真实时钟c | 跌 剿f ：所测得的时间。园着时钟函数分段 遗续，则该时间段为： a ；， ：，e 。) 一f 2 c ：摩 ；r c ：出+ r a 出+ + e ，c ：m + j = ：c ：出 这墨：只n 识，f 2 ) = l ，尹2 ，或 著虽气热尹2 以 2 。 游览n 0 。，f ，) 一妒，则： ( f ，f 2 ，q ) - f 2 c ：础一c 。p ：) 一c 。瓴) ( 1 ) 当两时钟不黼步的时候，并且当蘸辩锋其有不霹的频率霹，两辩镑溺蠢丽一 时间段的测壁结果不同的。蓿两时钟具有相同的频率，不同的时钟偏差，则对同 一时间段的测嫩结果是相弼的；若两时钟具有非零时钟扭曲，那么两时钟测量的 缀莱遣是不弱熬。 当测量惩迟涉及多个时钟时，两时钟之闻的同疹对测量的准确性有着非常 煎凄的影响。现在讨论一下；两台电脑之间传送数据能的延迟。当发送端发送数 攒包对，记录发送对钟的酵阉信息，当接受端接收到数据包对，记袋接受端对钟 的对闻信息。警两个时锌完全弱多辩，接受端对闻减去发送璇懿闯鞠为数据惫靛 单程传输延迟。若两时钟具有非零的时钟偏差，没有时间扭曲，那么接受端时间 减去发送端时间为单程传输延迟和时钟偏差之和。只礴知道了单程传输延迟，我 们才戆涛露镑镳差分褰出来。毽单程毽单程转辕延迟是蔫蔓测鳖的垂。懿蘩辩镑翼有嚣零时钟扭 蓝，那么测得的延遮(接受端时闻减去发送端时间)还包含时钟扭醢产生的影响 ，并盥若发送时钟比接受时钟逡行的速度慢，经过一段时问单程测得的延迟会增 加；嚣发送时钟比接受时钟运行豹速度快，那么，经过一段对闼单程测褥的延送 3 3 2 延迟分析与算法 下覆来讨论怎撵簸擎程延迟孛嫠诗莠溪狳瓣镑褪魏。霰浚辩镑塑蘸怒耱零显 恒定的，我们来看下时钟扭曲对单程网络传输延迟的影响。 从3 3 1 知道，如果发送时钟比接受时钟的运行速度快绒慢，单程网络延迟 经过段溅量时闻会变大或变小。攀程阚络延避测量中，消除时镑拯基是必了转 挟延迟测量，使之与发送对锌或接受对锋傈簿一致。茹粟选辩筵运溅萋与接受时 钟的时间保持一致，那么，接受时钟就没有必嚣接近真实时钟，只需要和自己的 时钟保姆一致。也就是说单程延迟测量依照接受时钟。简单的说，假设接受时钟 为真实辩镑，鄯：岛国一l 置素一a 秘) 。 对于不同大小的数据包，无论如何我们也不能将时钟扭曲从延迟的趋势中分 离出来。举个例子来说，数据包随满时间增大且发送端到接受端昀传输路径发生 竣交，伎辕延逡会逐激灌热，氇戆无法将瓣铮臻藏秘黉辕瑟遴鞠区鬟。嚣魏下瑟 的分析假设数据包嶷有相同的太小。 单程延迟测量中用到的术语如下： c 。：发送时镑 文：接受时钟 ：接受端收到数据包的个数 控；：为节点a 发送第i 令雹袄照 寸镑麓参考熬嚣瓤，f z l ，2 ，。 以：为节点b 接收第i 个包依照时钟g 为参考的时刻，f 一1 ，2 ，。 蕞：为节点a 发送第i 个龟袋爨黩铮惫幺参考瓣霹蘩，f 一重，2 ，。 吐：测量的单程延迟，d 。= 6 ，一n 。，f l 2 ，。 口1 4 2拜f 盐+ 。，二- 二。 t 7 鼍卜 w ? 1 九 一 d 圈3 4 恒延迟计算演示图 c 。 乞 墼巾是当c 。以c 。一半的速度运行，且延迟楣等孵，e 与c 。的时间差系。第 f 包韵单程延迟和g 保持一致静延迟为岛一毛。然两，在接受端接牧裂数据包时， 不知道时间气我们计算延遐为：或。岛一口。这样所计算的延迟郎不与q 也不 与。保持一致e 为了使单程延迟与q 保持一致，需要知道q 与g 的楣对时钟 扭曲，并且需要把它从中分离堪去。 当聪聪钟之闯具有瞧定的聪钟扭曲，那么嚣对镄蜓时蝇镳差经过一段对闻会 逐渐增加或减小，这取决予时钟扭曲的符弩。时钟偏差豹增加或减小的藿稻所麓 察的孵阅成更比。可以利用时钟傻差来估计时钟扭曲。因此利用某些相对特殊的 时闻点，如第一个数据龟离开或至g 达瓣辩刻，比用绝对的发送、按牧对粼是方便 的。下驻奔缨c 。与幺摆对的发送、接受时刻。 ：醴瓯为参照献第一个发如的数据包掰第f 个数据截时离开所经掰黪黠 闻。 墨一o 或嚣矗( 岔l ，牙j ，c 。) = 痒i d l 2 ) 嚣：以c 5 为参照接受第一个的数据包劐接受第f 个数据包所经历的时间。 式。o 专t 一6 e 一壤 0 ) 髓焉c ：p ) ，c ：0 ) 端c ：0 ) 瓴 ，c 。) * f 2 出一t o 。) 一c 。o ，) ( 4 ) a l ，岛，c 6 ) 一砖一5 ， 毒a 薜篇8 ( 摩i 一球1 )疆 篱3 - 4 指出了o ，s ，) 与砭在时间上的关系。 进行估童i = 强囊澎噻浸；啜圆超霎 蕊萋耋翦函耄垂囊两萋三三冀兰。 囊塞蓊爨静甍别掣零“捌捌基蓊；戳鬻斟鬈k 酎j 善塑列鬈、娶釜舀 醺塑鋈蠹羹隧篓誉鬟；雾稿墓馥酲潮两鍪竣嵫嘲琵孽薤黥，霹建囊翻澍要笺囊 琴镰羹蘑蟹篓固噬t 基一鍪i 蓉鑫篓蓦一毽珀弱磊魏浚篷荔l 羹。 舅参毒登j 登矣秀鏊萋囊薹锂囊薹誊蟹委拿毳鏊霉j 弱鬈銎藿套蠢臻鬻拂 x 准确反映单程延迟的变化趋势。 本章针对网络单程延迟测量中数据的处理问题，提出了动态线性算法( d l 算法) ，这种算法可用于实际测量的延迟数据处理。这种算法还可用于时钟比率 发生变化的情况和实时、在线的单程延迟测量过程。 纛d l 算法在网络控制系统中的应用 基予l 嗣匿菰掇灌静n c s 瓣控裁效栗，主要壤决予霹终镑辕矮量，弼终建辏 的质量决定了n c s 的采样频攀。一般来说，采样频攀越高，系统越接近于连续 系统，控制效果越好，但在基于嗍r n l 滞的n c s 中，采样频率高会加重朗络 蒋输药受攫，隧之髓来靛莛延迟灌麓，丢毽，数据擐辩痔镱乱等现象变褥严重， 因此，对网络质量做出及肘评测就变得尤为重要。另外，我们可以利用单程蹰络 已有的实时测嚣对网络传输延送进行估计，来掇商基于i n 糯r n e t 的n c s 的控 裁矮量。 4 。ld l 算法在单程网络实时传输延迟测擞中的应用 先记录前力个扛。，以) ，用直接算法求出膏和6 ，以后计算机只需存储 ( n 。，d ，。+ ，) 到- ；，d ；) 以殿也与趣。便可实时的 矗算出网络她迟。未经d l 算法处 理的单程传输延迟随时间变化的图像如图4 1 所示。利用n l 算法估辣单程网络 实辩传输延迟效果翔器4 屹掰暴。 图4 - 1 照始测量的单穰传翰鹾迟 图4 。2 用d l 算法估算的单科传输鼹迟 图中横坐标表示时间的推移单位为秒，纵坐标表示延迟单位为毫秒，采用的 是e p 貉议。霹冕，零l 建篓法 鑫雾瓣延迟变纯憋势与实际延迟交证趋势攘一致， 可见，本簿法可用予安时的延迟馈计。 4 2 隧络质量的实时评溅 由于t c p 协议不存在丢包现象，采用毋c p 协议来实对测爨网络延迟，我们 观察网络延迟就可以得到网络质量的真实反映。糟将网络质量分为五个等缀如表 4 1 所示： 表4 一l 程络震量浮秘袭 弼络质量等级网络传输延迟d 优( 5 )0s d 墨1 0 m s 夔好( 4 )1 0 靠2 0 m 一般3 ) 2 0 蠢3 巷m 差( 2 )3 0 d 矗4 0 坍5 非常差( 1 ) d 麓4 0 m j 因湖络传输质量不可能有急剧