（计算机应用技术专业论文）异构网络环境下的tcp性能分析与改进.pdf

摘要 f f 无线网络为用户提供了在任何时间、任何地点发送和获取信息，并在自由移 动中保持通信连接的能力。近年来，随着无线通信技术的不断发展，无线应用也 越来越广泛。8 0 2 1 1 系列、h i p e r l a n 等无线局域网，以及蜂窝数字分组数据通 信系统( c d p d ) 、通用分组无线业务系统( g p r s ) 等无线广域网技术正一步 步走向成熟。无线网络正与现有的固定网络逐渐结合起来，形成一个有线网络与 无线网络交错互连的异构网络环境。 面对这样的发展趋势，在互联网上被广泛应用的t c p 协议面临着诸多的挑 战。一直以来，t c p 协议都是针对固定网络的特点进行设计和改进的，包括其面 向连接的特性，以及基于滑动窗口协议的拥塞控制机制。而无线网络在先天上与 固定网络存在着许多重要的差异，比如有限的带宽，更高的丢失率，更长的回路 相应时间等。因此，当t c b 协议应用于异构网络环境时，必然体现出其不合理 性，从而导致性能的下降j 论文根据t c p 协议的设计特点，对t c p 应用于异构 网络环境可能出现的问题进行了全面的分析。 在此基础上，我们考察各种可能的解决方案，如链路层上的方案，基于分段 连接的方案，各种t c p 的改进算法，以及一些全新的运输层协议，对其优缺点 进行详细的讨论。同时，我们通过网络模拟的方法，对t a h o e 、r e n o 、n e w - r e n o 、 s a c k 和f a c k 等各种t c p 变体在异构环境中不同网络参数下的性能作进一步的比 较和分析。 在众多的t c p 改进策略中，显式丢失通告算法( e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ， e l n ) 要求中间路由在发现t c p 数据包丢失时，发送显式丢失通告报文，通知 t c p 发送方数据包的丢失是基于链路原因，而不是由于网络拥塞。后者根据显式 丢失通告屏蔽拥塞控制机制，从而避免了由于不必要的触发拥塞控制而导致的性 能f 降。论文将在实现e l n 算法的基础上，根据跟踪数据和模拟结果对e l n 算 法的性能加以评估。通过实验，我们验证了e l n 算法在有线网络和无线网络互 连的异构网络环境中对t c p 性能的提升作用。 关键词：无线商嘛，异椅询络，传输控带恸议，显式丢失群算法，模拟，网络 拥塞，拥塞控制 ，、 a b s t r a c t w i r e l e s sn e t w o r k sp r o v i d eu s e r sw i t ht h ec a p a b i l i t yo fa c c e s st oi n f o r m a t i o na t a n y t i m ea n da n yp l a c e ，k e e p i n gc o n n e c t i o nv a l i di nc o n t i n u o u sm o v e m e n t r e c e n t l y ， w i r e l e s st e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , a n dw i r e l e s sa p p l i c a t i o ni sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ep o p u l a r w i r e l e s sl a n ss u c ha s8 0 2 11 s e r i e s ，h i p e r l a n ，a n d w i r e l e s sw a n sl i k ec d p d ，g p r sa r eg r o w i n gu p w i r e l e s sn e t w o r ki sm e r g i n gi n t o w i r e dn e t w o r k ，a n daw i r e d - c l a m - w i t l e s sn e t w o r ki sc o m i n g u p t c p , w h i c hi sa d o p t e dw i d e l yo nt h ei n t e m e t ，i sc h a l l e n g e db yt h i ss i t u a t i o n a f t e ra l l ，t c pi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fw i r e dn e t w o r k f o r e x a m p l e ，t h ec o n g e s t i o n a v o i d a n c em e c h a n i s md o e s n t f u l l y c o n s i d e rt h e c h a r a c t e r so fw i r e l e s sn e t w o r ks u c ha sl i m i t e db a n d w i d t h ，l o n g e rr o u n dt r i pt i m ea n d m u c h h i g h e rl o s sr a t e c l e a r l y ，t c p i sn o tr e a d yf o rw i r e d - c u m - w i r e l e s se n v i r o n m e n t s t h i sp a p e ra n a l y z e st h e s ep r o b l e m st h a tt c pw i l le n c o u n t e rw h e na p p l i e di na w i r e d c h i l l w i r e l e s sn e t w o r k f u r t h e r m o r e ，w es u r v e ys e v e r a lp o s s i b l es o l u t i o n s ：l i n kl a y e rs c h e m e s ，s p l i t c o n n e c t i o ns o l u t i o n s ，t c pm o d i f i c a t i o n ，b r a n d - n e wt r a n s p o r tp r o t o c o l s ，a n de v a l u a t e t h e mw i t h r e s p e c t t oaw i r e d - c u r e - w i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t w ew i l lt e s ts e v e r a l t c p v a r i a n t s ，s u c ha st a h o e ，r e n o ，n e w - r e n o ，s a c ka n df a c k ，o nv a r i e ds i m u l a t i o n s ， a n d c o m p a r e t h e i rp e r f o r m a n c e s i na l lt h e s e s o l u t i o n s e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ( e l n ) c l a i m st h a t i fi tw e r e p o s s i b l et oe x p l i c i t l yi n d i c a t ew h e n ap a r t i c u l a rl o s si sd u et oe r r o r si n d u c e db yt h e w i r e l e s sl i n k ，t h e nt c pc o u l db em o d i f i e ds oa st or e f r a i nf r o mg o i n gi n t oc o n g e s t i o n a v o i d a n c e t h i sp a p e rw i l li m p l e m e n tt h i sa l g o r i t h m ，a n de v a l u a t ei ta c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h ee x p e r i m e n t ，w ec a ns e ee l nc a nr e a l l yp r o m o t et c p p e r f o r m a n c e i naw i r e d - c a m 一w i r e l e s sn e t w o r k k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k , w i r e d - c u m - w i r e l e s sn e t w o r k ，t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l ，e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ，s i m u l a t i o n ，n e t w o r kc o n g e s t i o n ， c o n g e s t i o na v o i d a n c e 第一章无线网络的发展和现状 随着经济高速发展，社会信息化程度越来越高，互联网和多媒体的发展、技 术进步以及世界范围内经济和技术的竞争加剧，人们对移动性、个性化、人性化 和智能化提出了越来越高的要求。而无线数据通信作为向社会公众迅速、准确、 安全、灵活、高效地提供数据交流的有力手段，其市场需求也同益迫切。 由于有极好的应用前景，无线通信已成为全球通信和i t 业界共同关注的热 门技术。经过数年的研究和发展，各种无线网络标准f | 渐成熟，无线网络技术已 不再是一种试验性的技术，这种技术已经具有足够的可靠性和可用性，可以提供 可靠的移动计算服务。同时，其传输速率、通信距离也在不断增加，能够满足越 来越多、越来越高的应用需求。 无线网络在很多应用领域具有独特的优势：一是可移动性，它提供了不受线 缆限制的应用，用户可在移动过程中对网络进行不问断的访问，并且可以实现漫 游；二是容易安装、无须布线，大大节约了建网时间；三是组网灵活，即插即用， 网络管理人员可以迅速将其加入到现有网络中，并在某种环境下运行；四是成本 低，特别适合于变化频繁的工作场合。 随着无线网络技术的不断发展，它必然与现有的有线网络逐渐结合在一起， 形成共生互补的发展趋势。可以预见，未来的通信网络将是有线网络和无线网络 混合互连的异构网络。 下面，我们将对各种重要的无线网络技术加以介绍。为了论述的方便，我们 将无线网络划分为无线局域网和无线广域网。 1 1 无线局域网 无线局域网能够提供较高的带宽，但由于其基站的服务覆盖面积较小，所以 其移动性能也相应较羞。无线局域网的应用大致可以分为以下3 类：一是室内应 用，它可以被视为有线网的扩展，尤其适合于办公室场合的数据通信；第二类是 室外应用，其最大优势是能够克服物理障碍，无须进行布线，可以单独成网，也 可以与公用网络相连；第三类是特殊应用环境，例如对于一些要求建设周期短、 见效快的网络，无线方式显然具有得天独厚的优势。 无线局域网有两个重要的协议规范：即i e e e8 0 2 1 1 标准和高性能局域网 ( h i g h p e r f o r m a n c er a d i ol o c a la r e an e t w o r k ，h i p e r l a n ) 。 8 0 2 1 1 协议 i e e e8 0 2 。1 1 是i e e e 带i j 定的无线局域网标准，于】9 9 7 年推出，是在无线局域网 领域内的第一个国际上被认可的协议。8 0 2 1 l 主要针对网络的物理层( p h ) 和媒体 访问控制子层( m a c ) 进行了规定。该标准允许无线局域网及无线设备制造商在一 定范围内建立互操作网络设备。任何l a n 应用、网络操作系统或协议( 包括 t c p i p 、n o v e l l n e t w a r e ) 在遵守i e e e8 0 2 1 1 标准的无线l a n 上运行时，就像它 们运行在以太网上一样容易。8 0 2 1 1 只能提供1 - 2 m b p s 的原始比特率，其覆盖范 围在一百米以内，允许的主机最大移动速率为9 0 公里d 时。由于8 0 2 1 l 在速率和 传输距离上都不能满足人们的需要，因此，在1 9 9 9 年i e e e d 、组又相继推出了 8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 两个新标准。8 0 2 1 l a $ 9 0 2 1 l b 分别在5 8g h z 和2 , 4g h z 的频 段上提供了4 0m b p s 和1 1m b p s 的传输速率。近期又推出了8 0 2 1 1 9 标准。据悉， i e e e8 0 2 1 l 委员会还将推出最新的8 0 2 1 1 i 标准，以提升大家普遍关注的无线局 域网的速率及安全性能。 一、8 0 2 1 1 的体系结构 8 0 2 1 1 体系结构的组成包括：无线站点s t a ( s t a t i o n ) ，无线接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) ，独立基本服务组i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) ，基本服务组b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 和扩展服务组e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。 一个无线站点s t a 通常由一台p c 机或笔记本计算机加上一块无线网卡构成， 无线网卡分为台式机用的p c i 或i s a 插槽的网卡和笔记本电脑用的p c m c i a 网 卡，此外无线的终端还可以是非计算机终端上的能提供无线连接的嵌入式设备 ( 例如8 0 2 1 l 手机) 。 无线接入点a p 可以看成是一个无线的h u b ，它的作用是提供s t a 和现有骨 干网络( 有线或无线的) 之间的桥接。a p 可以接入有线局域网，也可以不接入 有线局域网，但在多数时候a p 与有线网络相连，以便能为无线用户提供对有线 网络的访问。a p 通常由一个无线输出口和一个以太网接n ( 8 0 2 3 接口) 构成，桥 接软件符合8 0 2 1 d 桥接协议。 8 0 2 1 1 茬网络构成上采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称 为个b s s ( 基本服务组) ，多个b s s 构成一个e s s ( 扩展服务组) ，不含a p 的b s s 称为i b s s ( 独立基本服务组) 。 式。 e s s ( 扩展服务蛆) 二、8 0 2 1 1 的工作模式 i b s s ( 独立基本服务蛆) 图i18 0 2 1 1 体系结构 8 0 2 1 1 定义了两种工作模式：a d h o c ( 对等) 模式和i n f r a s t r u c t u r e ( 架构) 模 在a dh o c 模式中，至少需要包含两个s t a ，每两个s t a 之间直接相连实现资 源共享，不需要a p 和分布式系统，由此构成的无线局域网也称为i b s s 网络。 在i n f r a s t r u c t u r e 模式中，各无线站点s t a 通过a p 与现有的骨干网相连接， 这种配置组成一个b s s 。在b s s 中，a p 不仅提供s t a 之间通信的桥接功能， 还提供s t a 与有线局域网的连接，以便无线用户访问有线网络上的设备或服务 ( 如文件服务器、打印机、互联网链接等等) 。 多个b s s 互相连接即组成一个e s s 。e s s 支持漫游功能( 移动性) ，无线站 点s t a 可以在e s s 内不同的b s s 之间漫游。 分布式系统d s 是用于b s s 互联的逻辑组成单元，由它提供s t a 在b s s 之 间漫游的分配服务。 6 h i p e r l a n h i p e r l a n 1 协议规范由欧洲电信标准局制定并提出。它同样采用c s m a 的媒 体控制协议，它能在5 0 米的范围内提供2 0 m b p s 的比特率，或者在8 0 0 米的范围内 提供1m b p s 的比特率。 而h i p e r l a n 2 是目前较为完善的无线局域网协议。h i p e r l a n 标准定义了许 多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动态频率选择、无线小区切换、链 路适配、多波束天线和功率控制等。h i p e r l a n 2 标准是对目前无线接入系统的 补充，与其他蜂窝系统比较，它的户外移动性虽然受到限制，但适用面广，可在 典型的应用环境如办公室、家庭、展览厅、机场、火车站等热点地区，向终端用 户提供高速数据传输。 图1 2 是h i p e r l a n 2 的典型网络拓扑结构。移动终端( m t ) 通过接入点( a p ) 接入固定网，m t 与a p 之间的空中接口由h i p e r l a n 2 定义。一个a p 所覆盖的 区域称为一个小区，一个小区的覆盖范围在室内一般为3 0 米，在室外一般为1 5 0 米。无线终端m t 可以在h i p e r l a n 2 网络中自由移动，并保持与网络间良好的 传输性能。在某一个特定时间，移动终端只能与一个接入点通信。无线网络自动 进行无线频率配置。这一方式不同于原来的无线网络频率规划，系统配置更加方 便。 图1 2 h i p e r l a n 2 网络 h i p e r l a n 2 作为目前性能较高的w l a n 技术，其具体特点表现在 高速数据传输 由于采用了先进的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制 技术，h i p e r l a n 2 可以提供非常高的数据传输速率，其速率在物理层最高达 5 4 m b p s 。在办公室的环境中，o f d m 对多径效应的解决很有效。同时， m a c 采用了动态t d d 模式，使无线资源的利用更加有效。 面向连接 与其他无线局域网技术不同，在h i p e r l a n 2 网络中数据的传输是面向连接 的。在传送数据之前，a p 和m t 之间通过h i p e r l a n 2 控制层的信令预先建立 连接。这种连接在空中接口上是时分双工的，连接分点对点和点对多点。点对点 连接是双向连接，点对多点是下行方向单向连接。另外，h i p e r l a n 2 还可以采 用专用广播信道，由同一个a p 向所有移动终端发送广播消息。 q o s h i p e r l a n 2 面向连接的特性有利于实现对q o s 的支持。由于高传输率和对 q o s 的支持，h i p e r l a n 2 可以同时传输不同类型的数据流，比如视频、话音和 数据等。 自动频率分配 在每一接入点覆盖区域中，接入点a p 能自动选择适当的无线信道进行传输 数据。a p 监听邻近小区及环境中的其他无线资源，根据最小干扰和资源不冲突 准则选择适当的无线信道。 安全性 h i p e r l a n 2 网络支持安全认证和加密功能。 移动性 移动终端与离它最近的一个接入点通信。确切地说，移动终端与具有最好信 噪比的接入点通信。这就是说，在不断移动的情况下，移动用户( 终端) 可能会 侦测到一个无线传输性能更好的接入点，于是，移动终端将执行一次切换，切换 到一个新的a p 中，所有己建立的连接都转移到新a p 上。当然，在切换过程中， 有可能会丢失一些数据包，而且，如果移动终端超出h i p e r l a n 2 网络的覆盖范 围，在一段时间后，终端将会失去与网络的联系，所有连接将被释放。 网络与应用无关 h i p e r l a n 2 网络协议栈具有灵活的体系结构，很容易适配并扩展不同的固定 网络。例如，h i p e r l a n 2 可被用作交换式以太网的无线部分：同样，h i p e r l a n 2 也可作为第三代蜂窝网络的接入网使用。目前在固定网上运行的所有应用都可以 在h i p e r l a n 2 上运行。 省电 h i p e r l a n 2 的省电机制是基于m t 对睡眠期的初始约定。移动终端可以在任 何时间要求a p 进入低功率状态，并且请求特定的睡眠周期。睡眠周期结束时， 移动终端将检测有无a p 发来的激活指示，如果没有检测到，则进入下一个睡眠 周期，继续保持低功率状态。a p 暂不发送用户数据，等睡眠期结束后才开始发 送。网络可以根据对反应时间和低功耗的要求，选择不同的睡眠周期。 h i p e r l a n 2 提供了一个适用于小范围( 1 5 0 米) 、高速( 5 4 m b p s ) 的无线接入 系统。研究表明，在大部分环境下，它都可以具有很高的性能。h i p e r l a n 2 所 具有的q o s 支持、可选择重复a r q 、链路适配以及动态频率选择等特征，使得 该系统可以在传播条件不断变化、干扰严重的无线环境下得到很好的应用。 t 2 无线广域网 相对于无线局域网来说，无线广域网能够提供的带宽较低，一般要比前者低 到两个数量级。但由于基站的服务覆盖面积较广，大约是几十平方公里的范围， 所以它允许更快的主机移动速率。在广域无线数据网络中，有两个突出的协议规 范：即蜂窝数字分组数据通信系统( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t as y s t e m ，c d p d ) 和 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，g p r s ) 。 1 2 1 蜂窝数字分组数据通信系统 蜂窝数字分组数据通信系统，即c d p d ，是由美国移动通信公司( a m c i ) 等 八大公司联合推出的一种无线数据通信技术规范。该标准的制订标志着无线数据 传输成为现实，它是以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的 移动无线数据通信技术。所谓分组数据交换，就是将要传输的数据按一定的长度 分组，然后把来自不同数据源的数据分组在一条信道上交织地进行传输。采用这 项技术可以实现通信资源的共享，大大地提高信道的利用率，降低通信成本。 c d p d 技术将开放式接口、高传输速度、确定用户单元、空中数据加密、标准i p 寻址模式有力结合在一起，成为公认的最佳无线数据通信规范。 9 c d p d 技术通过在蜂窝通信网上增加分组数据处理装置( 无线和放大发射设 备口丁与现有模拟通信系统共用) ，使蜂窝网能同时处理话音和数据业务。其基本 思想是利用蜂窝网的空闲话音信道发送分组数据。它的成本低、覆盖面广。 c d p d 系统是第一个基于t c p i p 的专用移动数据通信网络，已在北美及其 他国家的许多领域中得到了广泛使用。到目前为止，还没有其他专用数据网络比 c d p d 具有更高的传输速率。c d p d 通信网作为一个无线广域网，与现在市面上 所见的无线局域网不同的是，该通信网络的工作在8 0 0 兆频段之间，该频段具有 一定的穿透和绕射能力，干扰较少。该网络所能达到的信道速率为1 9 2 k b p s ， 去掉分组数据打包以及信道复用的一些开销，对用户来说数据传输速率一般为 5 1 0 k b p s ，最高可以达到1 5 k b p s 左右。使用c d p d 技术组成的通信系统，采用 全双工的通信方式，所以它可以同时收发数据，另外该通信网络通过f e c 前向 纠错和自动反馈重发技术，保证在其网络上传输的数据不会出现差错。 、c d p d 技术的特点 c d p d 系统最大的特点就是传输速度快，最高的通信速度可以达到1 9 2 k b p s 。 另外，在数据的安全性方面，由于采用了r c 4 加密技术，所以安全性相对较高； i f 反向信道密钥不对称，密钥由交换中心掌握，移动终端登录一次，交换中心自 动核对旧密钥更换新的密钥一次，实行动态管理。此外，由于c d p d 系统是基 j 二t c p | p 的开放系统，因此我们可以很方便地接入i n t e m e t ，所有基于t c p i p 协议的应甩软件都可以无需修改直接使用；应用软件开发简便；移动终端通信编 号直接使用i p 地址。c d p d 系统还支持用户越区切换和全网漫游、广播和群呼， 支持移动速度达1 0 0 k m h 的数据用户，可与公用有线数据网络互联互通。c d p d 网络在无线数据通信方面具有其他通信方式不具有的特点，例如在资源方面， c d p d 作为一个专用数据网络，它的用户数可以达到很多，对于每一个p s ，可 以有1 5 0 0 0 个用户登记注册，对于一个群，用户数更是多达十几万个，而且同时 e ，有二十几个用户共享信道，进行数据传输；在移动终端方面，c d p d 发展到今 天，开发终端产品的厂商已经有根多。随着适于各种应用的终端产品的不断出现， 终端的价格已呈现出了很快的下降趋势。比之g p r s ，c d p d 的终端有着很大的 价格优势；在建设成本方面，一般来说，在c d p d 的建网初期，基站数不会很 多，加上必须的交换机与网管的投资，平摊到每个用户的成本约为2 5 0 0 3 0 0 0 元左右。随着网络覆盖规模及网络容量的扩大，用户成本会显著降低。还有最后 个特点需要说明的是，c d p d 通信系统便于操作管理，该系统在用户授权登录 上配置了各种功能。系统本身可以设定允许用户登录范围，并对登录进行管理。 只有授权使用的用户才能登录系统。系统可以拒绝付费状态不好的用户登录。 c d p d 系统在用户的通信保密上功能非常强。 二、c d p d 系统的组成 从网络结构上看，c d p d 系统由基站、交换机和网络管理系统组成。每个基 站最多可安装六块信道板，每块信道板为移动终端提供一个1 9 2 k b p s 的空中接 入，使移动终端进行全双工分组数据传输；同时它也负责频谱监测、频率管理。 它通过一根6 4 k b p s 帧中继与交换机相联接。基站上的电路所有组件可以热插拔， 更换元器件不会影响服务。c d p d 交换机主要由两部分组成，它们是分组服务器 和管理服务器。其中分组服务器负责分组数据交换，管理服务器负责用户帐户管 理以及计费信息管理。交换机中的每个模块都是双个的，互为热备份，如一个模 块发生故障，自动切换到另一个。而网络管理系统是负责对整个c d p d 网络进 行管理，网络的任一部分发生故障，就马上能观察到，并能远程进行设置和修改。 基于c d p d 的特点，c d p d 适用的业务种类很多，使用方法灵活。c d p d 特 别适用于：用户点多、分布面广、移动中、短信息使用、频次密的场合。目前主 要应用在金融交易、远程监控、交通运输、移动办公和无线炒股等领域。 1 2 2 通用分组无线业务 通用分组无线业务，即g p r s ，是一种基于包的无线通讯服务。它将使得通 讯速率从5 6 一直上升到1 1 4 k b p s ，并且支持计算机和移动用户的持续连接。较 高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑电脑进行电视会议和多 媒体页面以及类似的应用。g p r s 基于g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ( g s m ) ，并且能 完成现有的些服务，例如：蜂窝电话电路交换( c i r c u i t s w i t c h e d ) 连接和短消 息服务( s m s ) 。 在理论上，g p r s 包服务的花费将比电路交换服务所花的费用要少。信道是 共享使用的，是需要的时候才有包产生。那么比专用的连接要节省很多资源。它 将使得为用户提供应用服务更加简单。因为以往为了适应终端设备的缓慢速度而 增加的缓冲中间件( m i d d l e 、a f e ) 已经没有必要了。旦g p r s 成为现实，移动用 户就可以随时访问自己的虚拟专用网络( v p n ) ，而不是每次都需要拨号上网。 根据欧洲e t s i 的g s m 第2 十阶段的建议，g f r s 分为两个发展阶段( 即p h a s e 1 和p h a s e 2 ) 。 g p r s 的p h a s el 阶段将能支持下列功能和业务： 1 t c p i p 和x 2 5 业务； 2 全新的g p r s 空中接口加密技； 3 g p r s 附加业务； 4 ，增强型的短信业务( e s m s ) ： 5 g p r s 分组数据计费功能，即根据数据量而采取计费。 上述功能业务中最显著的是t c p i p 和x 2 5 功能。g s m 网络可以通过t c p i p 和x 2 5 为用户提供电子邮件、w w w 浏览、专用数据、l a n 接入等业务。 g p r sp h a s e2 阶段的规范尚在制订之中，它将能提供更多的新功能和新业务。 g p r s 将完善b l u e t o o t h 技术( 成为一种标准，代替现有的有线和无线连接技 术) 。另外对于i n t e m e t 协议( i p ) ，g p r s 支持x 2 5 。g p r s 的发展目标是逐渐迈向 高性能数据g s m 环境( e n h a n c e dd a t ag s me n v i r o n m e n t ，e d g e ) 和通用移动电话 服务( u n i v e r s a lm o b i l et e l e p h o n es e r v i c e ，u m t s ) 。 本章小结 在第一章中，我们讨论了几个典型的无线局域网和无线广域网协议，就其体 系结构，工作方式以及性能特征等作了探讨。作为无线因特网的底层架构，它们 与固定网络存在着许多差异。在第二章中，我们将考察为因特网通讯提供可靠连 接服务的t c p 协议。 第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 是为了在主机间实现高 町靠性的包交换传输而设计实现的协议标准。t c p 是面向连接的端到端的可靠协 议。下面我们将对所关心的一些t c p 协议特性进行阐述和分析。 2 1t c p 的连接 连接和无连接不只是传输层一个分层面对的问题。在链路层、网络层和传输 层都存在是面向连接还是面向无连接的问题。所谓面向连接的协议，基本上要解 决这样几个问题。 ( 1 ) 收发双方要建立数据传输的认可关系。简言之，就是发送方要得到接收 方的允许和确认才能发送数据。 ( 2 ) 在数据的传输过程中，双方保持对传输情况的联系。发送方应了解接收 方萨确无误地收到了多少数据，接收方知道所收到的数据的正确性、完整性和数 据顺序。 ( 3 ) 收发双方能通过联系，把在通信子网中受到损坏、丢失和失序的数据恢 复到原来面貌。 ( 4 ) 在遇到难以维持数据传送的情况下，能够通过一定的手段暂时结束数据 传输等等。 这就要求t c p 协议不能象ip 协议那样，发方只管把报文发出而不理睬后果。 因为那是采用面向无连接协议通常使用的方法。为了完成这些任务，面向连接的 传输层要做许多工作。 熟知链路层传输控制规程的用户都知道，链路协议要通过握手方式将数据链 路建立起来。在建立数据链路的条件下，收发双方要实现对传输数据的差错控制， 保持对数据链路上数据流量的控制以及数据顺序的控制等等。另外还要对数据链 路连接情况加以管理。面向连接的传输层所要解决的问题与此相类似，但复杂性 却远远增多了。这是因为链路协议是面对点到点的物理线路，界面与路径都很清 楚和单纯。而传输层面对的是若干个网络，对数据传输的路径，数据在各转送站耽 搁的情况，数据在传输过程中遇到的问题都不能轻易了解。传输层只能采取更为 复杂的方法来解决这些问题。 2 2t c p 的滑动窗口协议 数据传输流量是任何网络都十分关注的问题，也是网络管理关注的问题之一， 流量问题的实质是网络效率。如果网络中数据流量过小，则不能充分发挥网络的 能力，浪费网络资源而且降低网络效率。相反，如果网络中数据流量过大，超过了网 络的承载能力，也会使数据溢出，造成重传频繁出现，同样会降低网络的效率。显然， 为了充分发挥网络的潜力并提高数据传输的可靠性，对网络上数据的流量是需要 加以控制的。 t c p 传输层对数据流量控制采用滑动窗口协议。其出发点就是既要保证网络 传输潜力的充分利用，又要使可靠性得到保证。其方法是允许在网络上一次连续 传输若干个数据报而不必得到确认，但连续传输的数据报的数量受到一定的限制， 并且根据网络的具体情况还可以调整这个数量。滑动窗1 3 协议的具体做法是：设 立一个窗1 3 ，这个窗1 2 1 是滑动的，窗1 3 的大小是可以改变的。这三点是滑动窗口的 精髓。 ( 1 ) 窗口大小的意义。 滑动窗1 2 1 内包含一个顺序排列的报文序号队列，这个队列的长短反映了窗口 的大小。按规定，这个窗口中的序号所对应的报文，如是在发送端，它们是可以连续 发送的。窗口中的序号报文有的已发且获得确认，有的已发出还没有得到确认，有 的还没发出。窗口前面的序号数据报文是已得到确认的，后面的是不允许发送的。 在接收端，窗1 3 前面的序号报文是已收到并发出了确认的，窗口中的序号报文是允 许接收的，窗口后面的报文当前不允许接收，只有进入滑动窗口内之后才能接收。 发方滑动窗1 3 的尺寸反映了当前通信网络对报文的缓冲能力，而收方滑动窗 1 3 的大小则反映了本机接收报文的缓冲区大小，即能存储多少报文。 l2 l 3 4 ；5 考， + 。个发掇义 8911 0li1 2 r 当i ；蕈窗聪 游动腐的簿秘 图2 1t c p 协议的滑动窗口 1 4 ( 2 ) 窗口滑动。 以图2 1 为例来说明窗口怎样滑动。图中有从l 到l2 个待发报文序号，滑动 窗口的大小为5 。图中滑动窗e l 所处的位置由实线方框表示。窗口前的1 ，2 号 报文已经发出并得到了确认，所以窗口滑动到当前位置。假设窗口中的3 ，4 ，5 号 报文都已发出，6 号报文为下一个可发送报文。由于3 ，4 号报文已收到确认，而5 号报文还没有收到确认，故滑动窗口一次可滑动两个数到达虚线所示的位置，而不 能滑动3 个数。发送报文虽然依序先后发送，但实际收到的报文确认却未必是依 序先后到达的。例如图中5 号报文虽比6 号报文先发，而确认可能比6 号后到。 那时窗口不能滑动，要等到5 号报文确认收到后窗口才能一次滑过5 ，6 号报文到 达7 的位置。显然，发方滑动窗口的大小制约了发方一次可发送的报文数量，从另 一个侧面看也影响了协议的执行。例如当滑动窗口小到等于l 时，就变得和基本 型规程一样的等待发送了，协议的先进性能不能发挥。故窗口的大小对收发双方 都颇具影响。 如果我们将图2 1 放到接收端，它就变成了收方的滑动窗口。报文1 ，2 为已到 的报文，且已发出应答。报文3 ，4 都已收到，准备发送应答，报文5 正在接收还没有 结束，报文6 是下个可接收的报文。当3 ，4 号报文都发出确认后，滑动窗口就可移 到虚线位置。 实际上：由于tcp 向下面对一个ip 层，向上面对许多进程。滑动窗口中的 报文未必都是一个传输用户的。 ( 3 ) 滑动窗口的改变。 滑动窗口的采用是为了控制流量并防止拥塞加剧而造成网络崩溃。流量和拥 塞是两个不同的概念，流量指点到点间的速率匹配，而拥塞则指大量数据报拥进网 关而超过其负载能力。但当一个网关发生拥塞时，就可以通过差错控制报文向发 方发出拥塞抑制报文来改变发方的滑动窗口的大小。另外，当发方发现自己发出 的报文发生丢失时，也会调节窗口的大小。总之，滑动窗口不是一成不变的，可以根 据网络上的情况加以改变，从而使网络处于良好的运行状态。 下面我们就对t c p 协议的拥塞控制机制进行详细的讨论。 2 3 t c p 的拥塞控制机制 拥塞产生的直接原因有以下3 点 1 存储空间不足。 几个输入数据流共同需要同一个输出端口，在这个端口就会建立排队。如果 没有足够的存储空间存储，数据包就会丢弃。对突发数据流更是如此。增加存储 空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如果路由器有无限存储量时，拥塞只会 变得更坏，而不是更好，因为在网络里数据包经过长时间排队完成转发时，它们 早已超时，源端认为它们已经被丢弃，而这些数据包还会继续向下一路由器转发， 从而浪费网络资源，加重网络拥塞。 2 带宽容量不足。 低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。根据香农信息理论，任何信道 带宽最大值即信道容量c = b l 0 9 2 ( i + s n ) ( n 为信道白噪声的平均功率，s 为信源 的平均功率，b 为信道带宽) 。所有信源发送的速率r 必须小于或等于信道容量c 。 如果r c ，则在理论上无差错传输就是不可能的，所以在网络低速链路处就会 形成带宽瓶颈，当其满足不了通过它的所有源端带宽要求时，网络就会发生拥塞。 3 处理器处理能力弱、速度慢也能引起拥塞。 如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路由表等功能时，处理速度跟不 上高速链路，也会产生拥塞。 成功传送数 网络最大理想情况一 图2 2 当传入负载过大，拥塞发生，网络性能急剧f 降 要避免拥塞的发生，对以上3 点原因综合考虑。例如，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞。提高链路速率而不改变处理器，只会转移网络瓶颈，而不能避免 拥塞。所以拥塞往往也是系统各部分不匹配的结果。 拥塞一旦发生往往会形成一个不断加重过程。如果路由器没有空余的缓存， 它就必须丢弃新到的数据包。当数据包丢弃时，源端会超时、重传该包。由于没 有得到确认，源端只能保留数据包，结果缓存会进一步消耗，加重拥塞。 目前在i n t e m e t ( i p v 4 ) 实际使用的拥塞控制基本上是建立在t c p 的窗口控制 基础之上的。 、t c p 拥塞控制机制的实现 1 9 8 8 年v a nj a c o b s o n 指出t c p 在控制网络拥塞方面的不足，并提出了“慢 启动”( s l o ws t a r t ) 、“拥塞避免”( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 算法。1 9 9 0 年出现的 t c pr e n o 版本增加了“陕速重传”( f a s tr e t r a n s m i t ) 、“陕速恢复”( f a s t r e c o v e r y ) 算法，避免了网络拥塞不够严重时采用“慢启动”算法而造成过大地 减小发送窗口尺寸的现象，这样t c p 的拥塞控制就由这4 个核心部分组成，最近 几年又出现t c p 的改进版本如n e w r e n o 、s a c k 等。 t c p 拥塞控制是通过控制些重要参数的改变实现的。t c p 用于拥塞控制的 参数主要有： ( 1 ) 捌塞窗口( c w n d ) ：是拥塞控制的关键参数。它描述源端在拥塞控制情况下 一。次最多能发送数据包的数量； ( 2 ) 通告窗1 3 ( a w i n ) ：是接收端给源端预设的发送窗口大小，它只在t c p 连接 建立的初始阶段起作用； ( 3 ) 发送窗口( w i n ) ：是源端每次实际发送数据的窗口大小； ( 4 ) 慢启动闽值( s s t h r e s h ) ：是拥塞控制中慢启动阶段和拥塞避免阶段的分界点。 初始值通常设为6 5 5 3 5 字节； ( 5 ) 回路响应时间( r t t ) ：一个t c p 数据包从源端发送到接收端，源端收到接 收端确认的时间间隔： ( 6 ) 超时重传计数器( r t 0 ) ：描述数据包从发送到失效的时间间隔，是判断数据 包丢失与否，网络是否拥塞的重要参数。通常设为2 r t t 或5 r t t 。 ( 7 ) 快速重传阂值( t c p r e x m 仕h _ r e s h ) ：是能触发快速重传的源端收到重复确认包 a c k 的个数。当此个数超过t c p r e x m t t h r e s h 时，网络就进入快速重传阶段。 t c p r e x m t t h r e s h 缺省值为3 。 二、t c p 拥塞控制的四个阶段 f 1 ) 慢启动阶段 旧的t c p 在启动一个连接时会向网络中发送许多数据包，由于一些路由器必 须对数据包排队，所以这样就有可能耗尽存储空间，从而导致t c p 连接的吞吐 量( t h r o u g h p u t ) 急剧下降。避免这种情况发生的算法就是慢启动。当建立新的 t c p 连接时，拥塞窗口( c w n d ) 初始化为一个数据包大小( 一个数据包缺省为 5 3 6 或5 1 2 1 ：) y t e s ) 。源端按c w n d 大小发送数据，每收到一个a c k 确认，c w n d 就 增加一个数据包发送量。很显然，c w n d 的增长将随r t t 呈指数级( e x p o n e n t i a l ) 增长：1 个、2 个、4 个、8 个。源端向网络中发送的数据量将急剧增加。 但) 拥塞避免阶段 当发现超时或收到3 个相同a c k 确认帧时，网络即发生拥塞( t c p 这一假 定是基于由传输引起的数据包损坏和丢失的概率很小( 小于1 ) ) 。此时