（计算机应用技术专业论文）无线tcp+veno在3g网络中的移动性研究.pdf

重庆邮电人学硕十论文摘要 摘要 近年来，随着无线通信的迅猛发展，越来越多的无线通信技术被应用 于数据通信中，w l a n 、g p r s 到w i m a x 、3 g 等无线通信技术的逐渐成熟， 无线接入已经逐渐成为当前用户终端接入的热点。t c p 在无线环境下将由 于误码引起的丢包也看作是网络拥塞，这将引发不必要的拥塞控制，从而 导致t c p 性能的下降。为克服无线环境下由于随机丢包而产生的性能下降， 傅成鹏博士提出了一种新的无线网络环境下t c p 拥塞控制机制一一t c p v e n o 。t c pv e n o 综合了t c pr e n o 和t c pv e g a s 的特点，通过对慢启动、 拥塞避免和快速恢复算法的改进，使t c p 协议在无线网络环境下性能有了 较大的改善。但尚未根据3 g 系统的特点，针对移动性进行性能分析和改进。 本文研究了t c pv e n o 在u m t s3 g 蜂窝网络中的性能和移动性支持方 案。首先描述了t c p 的基本原理，拥塞控制机制，t c p v e n o 的算法思想。 其次，分析了t c p v e n o 在u m t s 网络中的性能及由于切换、小区边缘信号 下降等原因对t c pv e n o 的性能影响，并通过仿真实验对t c pv e n o 的基本 参数进行了改进和优化。最后，为了克服越区切换造成的t c p v e n o 性能下 降，结合显式切换通知( e h n ) 机制，提出了一种t c p v e n o 协议的改进版 本t c p m v e n o ，并通过仿真进行了性能验证。 关键词：无线t c p ，u m t s ，t c pv e n o ，移动性 重庆邮电人学硕士论文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n dm o r ea n dm o r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nd a t a c o m m u n i c a t i o n ，w l a n ，g p r st ow i m a x ，3 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y w i r e l e s s a c c e s sh a sb e c o m et h eh o t s p o to fc u r r e n tu s e r s a c c e s s t e c h n i q u e i nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t c pt r e a t st h ed r o pc a u s e db ye r r o ra s n e t w o r kc o n g e s t i o n ，w h i c hc a ng i v er i s et ou n n e c e s s a r yc o n g e s t i o nc o n t r o la n d c a u s et c pp e r f o r m a n c ed e c l i n e i no r d e rt oo v e r c o m et h ep e r f o r m a n c ed e c l i n e c a u s e db yr a n d o mp a c k e tl o s si nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，d r f u c h e n g p e n g ， r a i s e dan e ww i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n tt c p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m t c pv c n o t c pv e n oi n t e g r a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft c pr e n oa n dt c p v e g a sa n di m p r o v e ds l o ws t a r t ，c o n g e s t i o na v o i d a n c ea n dr a p i dr e c o v e r y a l g o r i t h m ，s ot h a tt c pp e r f o r m a n c eh a si m p i o v e ds i g n i f i c a n t l yi naw i r e l e s s n e t w o r ke n v i r o n m e n t b u tn o ta c c o r d i n gt ot h e3 gs y s t e m ，i nl i g h to fm o b i l i t y f o rp e r f o r m a f i c ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h ep e r f o r m a n c ea n dm o b i l i t ys u p p o r tp r o g r a m m e do ft c p v e n oi n3 gu m t sc e l l u l a rn e t w o r kw e r er e s e a r c h e d a tf i r s t w ed e s c r i b et h e r 出i o n a l eo ft c p , c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n di d e ao ft c pv c n o s e c o n d l y w em a k eap e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft c pv e n oi nu m t sn e t w o r ka n d a n a l y s e st h er e a s o n so f t h ep e r f o r m a n c ed e c l i n eo ft c pv e n oc a u s e db yt h e h a n d o f fa n ds i g n a ld e c l i n e ，a n dw ei m p r o v ea n do p t i m i z et h eb a s i cp a r a m e t e r s o ft c pv c n ob yt h es i m u l a t i o n f i n a l l y ，i no r d e rt oo v e r c o m et h et c pv e n o p e r f o r m a n c ed e c l i n ec a u s e db yt h eh a n d o f f , w ec o m b i n ew i t he x p l i c i th a n d o f f n o t i f i c a t i o n ( e h n ) m e c h a n i s ma n dp r o p o s ea ni m p r o v e dv e r s i o no ft c p m v e n o s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i ss c h e m eo u t p e r f o r mo t h e r s k e y w o r d s ：w i r e l e s st c p , u m t s ，t c p v e n o ，m o b i l i t y 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽整虫太堂或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：冬耄质j 签字日期：，修7 ，年霸蹈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞塑电盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，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，允许论文被查阅 和借阅。本人授权重麽塑曳盔堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密韵学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丝咚磊夏j 导师签名 签字日期：呻7 年r 月y 日 签字日期： 重庆邮电人学硕+ 论文 第一章绪论 1 1t c p 协议 第一章绪论 t c p i p 协议使得世界上不同体系的计算机网络互连成一个全球性的广 域网并r 趋成为网络通信协议的标准。根据m c i 的统计，i n t e r n e t 上总字 节数的9 5 及总数据包数的9 0 使用t c p 传输。t c p 的目的是为了解决 i n t e r n e t 的稳定性、异质性( 接收端缓冲区大小、网络带宽及延迟等) 、公平 性、使用效率及拥塞控制等问题，从而为i n t e r n e t 提供可靠、健壮( r o b u s t ) 的端到端通信。i n t e r n e t 近十年来的迅猛发展已经证明t c p 在设计上的成功 性，然而，随着无线i n t e r n e t 迅速发展，t c p i p 在无线网络上的应用出现 了新的挑战。t c p 是基于有线信道设计的，数据包丢失是网络拥塞的主要 原因，在传统的有线网络中，发送端通过确认或超时机制来启动拥塞控制 机制，从而减少网络因拥塞而发生的分组丢包率。t c p 的拥塞控制算法虽 然在传统的有线网络中能够有效地提高网络传输效率，但是在有线和无线 的异构网络中，t c p 的拥塞控制算法则面临巨大的挑战。该算法将所有的 有线的和无线的分组丢失都视为网络拥塞的指示，进而，t c p 和t c p 的各 种改进版本如t c pr e n o ，t c pn e w r e n o ，t c ps a c k , t c pv e g a s 等，都启动 拥塞控制算法，减小发送端的捌塞控制窗口大小，等待重复确认的到来以 触发丢失分组的重发，从而导致t c p 连接端到端吞吐率的不必要降低，同 时重传超时计时器计时长度的“指数后退”算法也进一步延长了误包恢复 的时间。由于无线网络上的高分组丢失率引起的拥塞控制算法的频繁调用 必然导致整个网络传输性能的严重降低。 为了使t c p 更能适应无线网络的特点，各国的研究人员在这方面进行了 大量的工作，提出了许多的优化方案，其中，t c pv e n o 就是一种较好的适 用于无线网络的传输层协议。 1 2 第三代移动通信系统 近2 0 年来，随着通信技术的飞速发展，第二代移动通信系统以其令人 瞩目的优越性逐渐取代模拟系统，在世界范围内得到普及和应用，并己进 入向第三代移动通信系统过渡的阶段。 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信的概念，当 时称为未来陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年 后取得了迅速的进展，并被正式命名为国际移动通信一一2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。 【l 】 在第三代移动通信系统所要实现的目标( 亦即系统的特点 中，最核 心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现对全球无缝覆盖 的立体通信。第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的主导地位，所 以又称为未来个人通信系统。 为了满足未来业务的需求，相对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具有 下列特点1 2 ： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一 致 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 1 4 4 k b p s ，步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ； ：高质量业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要 求； 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 频谱利用率高、通信容量大； 。 袖珍、多频、多模、通用移动终端； 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升 级； 低的费用，包括设备和服务两方面。 2 0 0 0 年5 月，i t u 正式批准5 种第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无 线接口技术规范( r s p c ) 建议1 2 ： 三种c d m a 标准：m c c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) 、d s c d m a ( w - c d m a ) 和c d m at d d ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) ： 两种t d m a 标准：s c - t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) 和f t - t d m a ( 欧洲 的e p d e c t ) 。 第三代移动通信系统要求最大程度的利用频带，在提供大容量传统业 务的同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和 多种通信网络中，因此它的实现需要各种强有力的技术支持。 2 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 1 3 无线t c p 的国内外研究现状 移动通信网络作为无线网络的重要组成部分，是t c p 研究工作中提出 改进方法最多的网络模型。目前移动通信网络中t c p 的研究工作集中在对 t c p 协议本身的改进和t c p 与链路层的联合改进，主要基于两个思路：屏蔽 发送端，发送端觉察：把这些改善t c p 性能的方法大致分为以下5 类p j ： 纯端到端方案，纯端到端方案直接修改t c p 连接两端的协议使之 更好的应用于无线环境，如t c pv c n o ，t c pr e n o ，t c ps a c k 和随路t c p 等； t c p 分段连接方案，该类方案最典型的就是i - t c p ，它建议根据有 线和无线链路的不同特性而分别采取不同的发送策略，将移动主机m h 和 通信对等端问的t c p 连接在中间节点分成两段，有线连接段使用基本t c p 协议，无线连接段使用适于无线环境的改进协议。无线链路上的数据丢失 对发送端是屏蔽的，中间节点保留了数据的硬状态，切换时是基于数据的 转发，该处的数据丢失不能被t c p 恢复，这类方案破坏了端到端的t c p 连 接语义，且需对移动主机和中间节点的t c p 软件作修改。 t c p 缓存方案，分段连接方案改变了t c p 端到端传输的基本语义， 因此出现了t c p 缓存方案，它在代理中采用了软状态方式，软状态的丢失 虽会影响性能，但不会阻止t c p 端到端的数据传送，这类方案最具代表性 的是s n o o p 方法，此外还有不完全应答法a c k p 和w t c p b a l a k r l s h m a n 提 出的s n o o p 方法；在中间节点增加探查代理来缓存和探测，通过检查t c p 报 头，发送移动主机的t c p 数据段和返回的确认，根据情况决定是否重发缓 存中的数据段，它提供可选择性的重传，使中间节点可较准确的区分拥塞 和无线传输产生的错误。 交叉层解决方案，该类方案由链路层或网络层将链路环境状态反馈 到t c p 层，t c p 采取相应的方法来处理数据段丢失，根据低层通知方式和 t c p 处理措施的不同。交叉层解决方案又可分为三类： 1 ) 重传机制改进方案传统t c p 中的快速重传方法虽然可以解决切换 造成的性能衰退，但对高误码率的情况效果不大，因此出现了重复确认延 迟发送d e l a y e dd u p a c k s 。它提出在发送端重传丢失数据段之前进行无线链 路层的重传，采用对重复确认进行延迟发送的机制。 2 ) 精确状念通知法链路层将精确状态通知信息，精确坏状态通知 e b s n 和精确丢失通知e l n 和显式拥塞通知e c n 等，作为t c p 的选项捎带 在t c p 确认a c k 中发送给t c p 发送方，这样发送方就不会启动不必要的 重庆邮电人学硕+ 论文第一章绪论 拥塞控制算法而是采用新的处理机制，这类方法一般较难实现，因为需要 修改中间节点和发送方的t c p 协议，同时在网络加密情况下也无法起作用。 3 ) 超时冻结机制这类方法运用了t c p 的一个基本特性当t c p 接收方 将接收窗口大小减小为零时t c p 的发送方会进入坚持模式( p e r s i s t m o d e ) 。 它会冻结所有数据段的重传计时，并且不减小拥塞窗口。这样慢启动阶段 的空闲时间可以避免，可利用这个特性来改善t c p 连接断开情况下的性能， m t c p 方法j 下是应用这个思路。但检测通知的功能由基站b s 实施，当基 站检测到一个连接断开或数据丢失时它将一个零窗口大小的确认送回给发 送方，使发送方t c p 进入坚持模式。此方法需要修改中间节点和接收方的 t c p 。 链路层解决方案，链路层协议是克服链路高误码率特性的常用方 法，采用本地丢失恢复的思想，使无线链路向上呈现非常低的丢失率，从 而对发端完全透明，这种方法最大的好处是符合网络协议的分层思想。传 统的方法包括前向纠错f e c 和自动重传请求a r q 及这两种方法的混合。 综上所述，t c p 分段连接方案，t c p 缓存方案破坏了t c p 协议端到端 传输的基本语义，而纯端到端方案只是对t c p 协议本身做了些改进，对整 个系统的体系结构几乎不影响，可以保持较好的兼容性，但并不能解决无 线网络中碰到的所有问题。交叉层解决方案可以结合其他层提供的当前网 络信息，较好的解决无线网络中的丢包及移动性问题，但也存在缺点，这 种方案实现较为复杂，有时需要对t c p 协议的两端都进行改动，相对纯端 到端方案，兼容性较差。 1 4u m t s 网络中t c p 国内外研究背景和动态 目前u m t s 中t c p 研究大体情况是：针对u m t s 链路特点从t c p 提 出的优化方案很少，主要关注于对u m t s 链路级r l c 层进行研究，并提出 优化方案。 参考文献 4 】中针对u m t s 的a r q 和t c p 协议，提出了t c po v e r g ob a c k n a r q 的分析数学模型，并且在随机、慢、快衰落信道条件下研 究了t c p 的吞吐量与有线部分的丢包率和无线部分的误码率的关系，并且 总结出了公式，该研究表明a r q 机制对提高t c p 的吞吐量有很重要的作用。 参考文献 5 】在仿真平台上进行了混合f e c a r q 基础上的无线t c p 协 议的仿真研究，证明了充分但非全坚持的a r q 机制可以较好的提高t c p 的性能。 4 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 参考文献【6 】中的仿真结果指出正确配置一些r l c 参数如p o o le m p t y t xb u f f e r ，p o o le m p t yr e t xb u f f e r ，p o o le v e r yxs d u sa n ds d ud i s c a r d 等对整个系统的性能有比较重要的影响。 参考文献【7 】中详细研究了最大允许重传次数( m a x d a t ) 对t c p 性能 的影响。 参考文献【8 】中详细探讨了r l cw i n d o ws i z e 的窗口尺寸大小和不同的 r l ct i m e r 的设置对t c p 性能的影响。 参考文献【9 】中总结了不同的r l c 参数设置，提出了3 种不同的r l c 参数设置模式，时延优化，能量优化，吞吐量优化，并且在独立错误和关 联错误的情况下进行了性能分析，并且考虑了e p c 机制的影响。 1 5 论文结构 本文主要研究了在3 g 网络中，由于无线链路特性及移动性对t c p 产 生的影响并加以改进。全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了t c p 协议、第三代移动通信系统及无线t c p 的国内外研 究现状。说明本论文的研究意义。 第二章首先介绍t c p 的基本原理，然后重点讨论分析了适合无线网络 的t c pv e n o 技术，包括状态区分算法、拥塞控制机制等。 第三章分析了u m t s 无线链路特性并归纳出这些特性对t c p 协议所产 生的影响。针对这些特性对t c p v e n o 在u m t s 中不同信道下的性能进行了 仿真分析，并对t c p v e n o 的基本参数( 通告窗口，初始化窗口，t c p v e n o 的t 3 值，t c p 时日j 戳选项) 进行了改进和优化。 第四章首先讨论了u m t s 移动性对t c p v e n o 的影响。针对移动性造成 的t c p v e n o 性能下降，将现有的t c pv e n o 算法结合显式切换通知机制 ( e h n ) ，提出了一种t c pv e n o 协议的改进版本t c pm v e n o ，并给出了 t c pm v e n o 的实现流程。在u m t s 系统中对t c pm v e l l 0 进行仿真分析， 得出t c pm v e n o 能够在移动终端发生切换时获得较好的性能。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 5 重庆邮电人学硕士论文第二章t c p 基本原理和版本介鲟 第二章t c p 基本原理与t c pv e n o 协议 t c pf 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 ) 是一种端到端的面向连接的传输控 制协议，为应用提供可靠的数据传输服务，在保障网络通信性能方面起着 非常重要的作用。本章首先介绍t c p 的基本原理，然后重点讨论分析了适 合无线网络的t c p v e n o 技术，包括状态区分算法、拥塞控制机制等。 2 1t c p 协议概述 在i n t e m e t 中，路由器的处理速度、通信信道及缓冲空间通常既是网络 中所有主机共享的资源，也是网络系统潜在的瓶颈。随着主机数和数据业 务量的不断增加，瓶颈处就会发生资源竞争，从而导致网络拥塞。网络拥 塞控f l i i j ( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 的基本思想是在共享资源管理的基础上，按一定 的算法控制发送端的数据发送量合理使用网络资源，保证网络的稳定性。 传输控制协议即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 ) ”。在r f c7 9 3 中给出了明确的描述。它是i n t e r n e t 中的传输层协议，位于o s i 参考模型网 络层协议i p 之上。图2 1 为o s i 的参考模型。 稀 表示层 螺糍 黼雠 f 璐层 p 粥层 数据链路层 数据链路层 嬷 物理层 信输介质 珏在倘介耻的甥鳓 图2 1o s i 参考模型 t c p 是一种提供可靠端到端字节流服务的传输层协议。t c p 对用户数 据进行透明分段和重组，并进行流量控制和拥塞控制。在基于不可靠的i p 协议之上， 6 敷暑在各层的物理藐动曩鼍在各层的物理藏动 重庆邮电人学硕十论文 第二章t c p 基本原理和版本介纠 t c p 协议提供以下服务以保证可靠的面向连接服务： 基本数据传输：t c p 能够在用户之间传输连续字节流。一般由t c p 协 议自身算法决定发送数据的数量和速度，也可由用户使用推操作强制发送。 拥塞控制：发送方可以根据网络的拥塞状况自适应调整数据发送的速 率，以缓解网络拥塞状况。 流量控制：发送方必须保证发送数据速率不超过接收方处理能力，避 免因接收方处理能力有限造成的丢包。 复用：为了使得同一台机器中的多个应用程序可以复用t c p 连接，引 入了端口的概念。每个主机分配一系列的端口，可以和不同应用程序绑定， 以区分同个主机的不同数据流。 可靠性：t c p 必须保证用户提交的所有数据j 下确传输，处理破坏、丢 失、重复和失序数据报的情况。t c p 通过为数据流分配序列号以及肯定确 认等机制来保证可靠性。 流量控制用来防止发送方超限额使用接收方的容量，避免因接收方处 理能力有限造成的丢包，处理端到端的问题；拥塞控制用来防止过多的数 据送往网络，造成路由交换和链路的负担过重，处理主机和网络交互的问 题。 t c p 协议传输的数据单元称为报文段( s e g m e n t ) ，通过报文段的交互涞建 立连接、传输数据、发出确认、通告窗口大小以及关闭连接。图2 2 为t c p 报文段在i p 数据包中的封装，图2 3 给出了t c p 的报文段格式。 2 0 字节3 2 字节 图2 2t c p 数据在l p 数据报中的封装 源端l 目的端口 序号 确认号 uaprsf h l e n保留rcs syi 窗口 gkhtnn 校验和 紧急指针 选项( 若有) 填充 数据 幽2 3t c p 报文段格式 7 重庆邮电人学硕+ 论文第二章t c p 基本原理和版本介圣f 每个报文段包括两个部分：头部和数据。t c p 头部携带了所需的标识 和控制信息。源端口和目的端口字段包含了连接双方对应用程序进行标识 的t c p 端口号，实现复用功能。序号字段指出了这个报文段在发送方的数 据字节流中的位置，确认号字段则指出了本机希望接收下一个字节的序列 号，提供精确的可靠性传输。由于选项字段长度会根据包含内容不同而有 变化，引入了头部长度字段，它以3 2 字节为单位，其中2 0 字节为固定格 式。6 比特的保留字段是为将来的应用而保留的。在t c p 协议中使用6 个 比特来指示报文段的目的和内容，具体参加表2 1 。报文段有不同的类型， 比如有些报文段是仅仅携带确认信息，有的携带建立或者关闭连接的请求。 由于t c p 使用了捎带确认技术，对于从x 主机到y 主机的确认信息， 尽管它是对从y 到x 的数据确认，但可以放在从x 到y 的数据中。 表2 1t c p 头部部分标志位的含义 字节名称含义 u r g 紧急指针 a c k 确认字段 p s h报文请求p u s h 操作 r s t 连接复位 s y n 序号同步 f i n发送方字节流结束 经过十多年的发展，目前t c p 主要包含有多个版本，具有代表意义的 有：t c pt a h o e 、t c pr e n o 、t c pn e w r e n o 、t c ps a c k ，t c pv e g a s ，t c p v e n o 。 2 2t c p 基本原理 2 2 1t c p 连接建立与终止 t c p 连接过程分为三步。接收方t c p 处于l i s t e n 状态，等待发送方 发送连接请求。发送端发送一个带s y n 标志位的请求，向接收端表示需要 连接，假设发送包请求序号为o ，则为：s y n = 0 ，a c k = 0 。然后等待接收端 的响应。接收端收到请求后，查看是否在l i s t e n 指定的端口，若不在指定 端口发送r s t = i 应答，拒绝建立连接。如果接收连接，那么接收端发送确 认，s y n 为接收端的一个内码，假设为1 0 ，a c k 位则是发送端的请求序号 8 重庆邮叱人学硕十论文第二章t c p 基本原理和版本介绍 加1 ，本例中发送的数据是：s y n = 1 0 ，a c k = 1 ，用这样的数据发送给发送 端，向发送端表示，接收端连接已经准备好了，等待发送端的确认。发送 端接收到消息后，分析得到的信息，准备发送确认连接信号到接收端。发 送端发送确认建立连接的消息给接收端。确认信息的s y n 位是接收端发送 的a c k 位，a c k 位是接收端发送的s y n 位加l ，即：s y n = 1 ，a c k = 1 1 。 此时，连接已经建立起来，然后发送数据。这是一个基本的锖求和连接过 程。 断开连接有两种方式：一是主动断开连接；另一是被动断开连接。t c p 通过发送控制位f i n = i 的数据片来关闭本方数据流，但还可以继续接收数 据，直到对方关闭那个方向的数据流，连接关闭。由于t c p 的半关闭性， 协议使用修改的三次握手协议来关闭连接。关闭的原则就是当一方完成它 的数据发送任务后就能发送一个f i n 来终止这个方向连接。当一端收到一 个f i n ，它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向的数据传送。发送 f i n 通常是应用层进行关闭的结果j 。 2 2 2t c p 流量控制机制 2 2 2 1 确认机制 t c p 协议使用带重传的肯定确认机制来提供可靠性，接收方收到数据 以后向源站发送a c k 报文。发送方对发出的每个分组都保存记录，并启动 一个定时器，在发送下一个分组之前等待确认信息，如果定时器超时没有 收到确认信息则重发分组。图2 4 分别给出了数据发送成功和未成功两种情 况下的事件序列。 发送分组1 寤动定时器 接收a c k l 发送分组2 接收a c k 2 取消定时器 接收分组1 发送a c k l 接收分组2 发送a c q 发送分组1 启动定时器 定时器超时 发送分组1 启动定时器 接收a c k l 墩消定时器 发送成功情况 出现差错情况 图2 4 t c p 确认机制机制 9 接收分组1 发送a c k l 重庆邮电人学硕士论文第二章t c p 基本原理和版本介纠 可靠性还需解决分组重复问题，由于网络时延较长，导致发送方误以 为分组丢失而重发分组，因此分组和确认信息都可能会重复。t c p 协议通 过给每个分组指定序号并要求接收方记住接收分组的序号来检测重复现 象。为了避免迟到确认和重复确认带来的混乱，肯定确认协议在确认信息 中携带一个序号，这样接收方就能正确的把分组与确认关联起来。 2 2 2 2 滑动窗口 发送方送出一个分组以后，等待相应确认信息而不能发送下一个分组， 在一段时间内，数据只在机器之间单向传输，且在机器延迟响应( 如计算路 由或者检测校验和等) 时间段中网络完全是空闲的，浪费了大量宝贵的网络 带宽。 滑动窗口机制是对带重传的肯定确认机制的改进，可以提高数据流传 输效率以便充分利用网络带宽。它允许发送方在等待确认之前发送多个分 组，可以发送的分组个数取决于窗口大小，当发送方收到对窗口内第一个 分组的确认信息后，窗口可以向后滑动并发送下一个分组。随着确认的不 断到达，窗口也在不断的向后滑动。滑动窗口协议的效率与窗口大小和网 络接收分组的速度有关。图2 5 是一个发送3 个分组的滑动窗口协议操作示 意图。在该图中，发送方在接收到确认之前就发送了全部3 个分组。 滑动窗口还需记录己经确认的分组，并为每一个未确认分组设定定时 器。如果某个分组丢失，对应的定时器超时之后发送方就会重新传输该分 组。 在接收端也有类似的窗口，在分组到达之后送回确认信息。 发送方接收方 发送分纽1 发送分组2 发送分纽3 接收a c k l 接收a c k 2 接收a c k 3 接收分组1 发送a c k l 接收分组2 发送a c k 2 接收分组3 发送a c k 3 图2 5 滑动窗口协议操作示意图 重庆邮电人学硕士论文第二章t c p 基本原理和版本介绍 2 2 2 3 累积确认 t c p 协议使用累积确认机制，当前数据包的确认也隐含了对该数据包 之前到达的所有数据包的确认。发送方对每个t c p 连接保留三个指针，如 图2 6 所示，最左边的指针区分己经发送并得到确认的字节序列与尚未得到 确认的字节序列，最右边的指针标出了窗口的右边界，指出序列中在未得 到确认的情况下可以发送的最高字节序列号，位于窗口中间的指针划分出 已经发送的字节序列和尚未发送的字节序列的边界。即滑动窗口将数据流 分为4 个部分：己发送并得到确认部分、已发送但等待确认部分、可以发 送还未发送部分和窗口外不可发送部分。接收到有效的确认后，窗口将向 前滑动，以允许新数据发送。接收方也要维持一个类似窗口把接收到的字 节序列重新拼装起来。 当前窗【 i i234s6 7 891 0l l i ttt 图2 6 t c p 的滑动窗e l t c p 滑动窗口协议和简单的滑动窗口协议不同之处在于t c p 根据一定 算法改变窗口大小，以适应网络需求。 2 2 3t c p 拥塞控制机制 拥塞控制机制 幢1 是t c p 协议的核心。拥塞是由路由器流量过载引起的， 即流量超过了路由器的缓冲处理能力时，路由器丢弃数据包，因而拥塞会 引起数据包丢失和高延时。由于大多数的i n t e r a c t 数据流是由高速可靠的有 线链路来传输的，因而现有t c p 的实现针对网络拥塞状况加以优化，即假 设数据包的丢失是由于拥塞引起的并进行相应拥塞控制。检测到数据包丢 失后，除了重传丢失的数据包以外，t c p 还降低传输速率，以减少网络中 的数据流量，从而使路由器有足够时间来转发数据包。然后t c p 逐渐增加 传输速率同时探测网络容量，以避免拥塞再次发生。 2 2 3 1t c p 拥塞检测 t c p 协议有两种机制来检测数据包丢失或者网络拥塞：重传超时 ( r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ，r t o ) 和重复确认。t c p 使用超时机制检测错误， 即在规定时间内不能接收到有效确认则认为数据包丢失了。在任意时刻， 重庆邮电火学硕士论文第二章t c p 基本原理和版本介引 t c p 的发送方都为报文段设置重传定时器，定时间隔为r t o 。一般使用指 数退避规则动态更新r t o ，如果经过一个r t o 后没有接收到报文段的确认， 除了重传报文段以外还要将r t o 的大小设置为原始值的两倍，即r t o n e w = 2 r t o o l d 。如果数据包非连续到达将导致接收方重复确认，发送方检测到 多个重复确认后，一般是3 个，将认为数据包丢失。 2 2 3 2 慢启动 慢启动( s l o ws t a r t ) 机制观察新报文段进入网络的速率和接收方接收报 文段的速率，并设法使其相等。 t c p 连接建立以后，拥塞窗口c w n d 大小初始化为1 个报文段( 段的大 小为接收方的通告值或默认值，典型的默认值是5 3 6 或者5 1 2 ) ，每接收到 一个确认信息，拥塞窗口增加一个报文段。每经过一个往返时间( r o u n dt r i p t i m e ，i 盯t ) ，拥塞窗口大小就会增加一倍。拥塞窗口大小近似指数增长( 接 收方可能延迟发送确认信息) 。慢启动经过一定的时间后可能达到网络容量 极限，中自j 路由器发生丢包，通知发送方拥塞窗口过大，须对其进行调整。 2 2 3 3 拥塞避免 在拥塞避免阶段，假设当前拥塞窗口大小为e w n d 个字节，则可以发送 的报文段数目为c w n d s e g s i z e 个( s e g s i z e 表示报文段大小) ，如果接收到全部 确认信息则e w n d 可以增加一个报文段的大小。 慢启动机制和捌塞避免机制是相互独立的算法，但是当拥塞发生以后， t c p 先减慢数据包传输速率，然后调用慢启动机制来恢复数据传输。在实 际的实现中将两者结合起来，并为每个t c p 连接维护两个变量：拥塞窗口 f c w n d ) 和慢启动门限( s s t h r e s h ) 。完成三次握手信号建立连接以后，两者联合 操作的算法可描述如下： 初始化：将c w n d 初始化为1 个报文段，s s t h r e s h 初始化为6 5 5 3 6 字节； 慢启动：可发送的报文段数目为c w n d 和通告窗口中的最小值，每 接收到一个成功的a c k 后将c w n d 增加一个报文段； 拥塞控制：当拥塞发生时，将s s t h r e s h 设置为c w u d 当前值的一半， 如果拥塞是由于超时引起的，则将c w n d 复位为1 个报文段并转到慢启动状 态，否则调用拥塞避免机制； 拥塞避免：每接收到一个确认信息后，e w n d 增加s e g s i z e s e g s i z e c w n d 个字节，在一个r t t 中成功接收了所有报文段的确认信息c w n d 增加一个报文段的大小。 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 基本原理和版本介绷 2 2 4t c p 差错控制机制 t c p 是一个可靠的传输层协议。这就表示，将数据交付给t c p 的应用 程序依靠t c p 将整个数据流交付给另一端的应用程序，并且是按序、无差 错、也没有任何一部分丢失或重复。t c p 使用差错控制提供可靠性。差错 控制包括以下的一些机制：检测受到损伤的报文段、丢失的报文段、失序的 报文段和重复的报文段。t c p 中的差错检测是通过一种简单工具来完成的： 校验和、确认和超时。每一个报文段都包括校验和字段，用来检查受到损 伤的报文段。若报文段受到损伤，就由目的t c p 将其丢弃。t c p 使用确认 的方法来证实收到了某些报文段，它们已经无损伤地到达了目的t c p ，t c p 不使用否认。若一个报文段在超时截止期之前未被确认，则被认为是受到 损伤或己丢失。t c p 重传受到损伤或丢失的报文段。t c p 对失序的报文段 不确认，直到收到所有它以前的报文段为止。 当然，若确认晚到了，源t c p 的失序报文段的计时器会到期而重新发 送该报文段。目的t c p 丢弃重复的报文段。 2 3t c p v e n o 协议 t c pv e n 0 1 1 3 】【1 4 】d5 【1 6 】是华人傅承鹏博士综合了t c pr e n o 和t c p v e g a s 的优点而提出的一种新的t c p 协议。它成功攻克了互联网的传输协议在无 线环境下不能有效运行的公开难题，提出一个与现存网络完全兼容的极易 实施的传输技术，并得到真实网络环境的验证。 2 3 1t c pv e n o 的状态区分算法 t c pv e n o 通过使用和t c pv e g a s 相类似的机制估计当前连接所处的状 态，推断数据包的丢失是拥塞丢包或者随机丢包【1 7 】。当连接处于拥塞阶段， t c p v e n o 认为丢包是由于网络拥塞引起，而其他阶段则认为是随机丢包。 在t c pv e n o 中，发送端测量两个数值一一期望发送速率( e x p e c t e d ) 和 实际发送速率( a c t u a l ) ： e x p e c t e d = c w n d b a s e r t t ( 2 11 a c t u a l = 刑耐置刀 ( 2 2 ) 其中：c w n d 是当前t c p 的拥塞窗口大小，b a s e r t t 是测量到的最小 r t t ( r o u n d t r i pt i m e s ) 值，l 玎t 是最后一次测得的r t t 值。定义d i f f 为两 者之差： d 矽= e x p e c t e d a c t u a l ( 2 3 1 重庆邮电大学硕十论文第二章t c p 基本原理和版本介绍 当l 盯t b a s e r t t 时，说明在瓶颈链路中出现了数据包的积压，定义 队列中的报文积压长度为n ，则有： r 玎= 肋卵只玎+ n a c t u a l ( 2 4 ) 可以看到r t t 和b a s e l 玎t 相比的额外延时正是由于队列中报文积压导 致。将( 4 ) 式整理得： n = a c t u a l ( r 7 7 一b a s e r t t ) = d i g + b a s e r t l r ，钔 、- 。， t c pv e n o 使用n 值不是像t c pv e g a s 作为一种主动的窗口调整策略， 而是用来指示当前连接是否处于拥塞阶段。v e n o 中设定一个门限值1 3 ，通 过对n 和1 3 的比较来区分当前连接所处的状态。如果n 1 3 ，则认为连接 处于j 下常工作状态，此时如果发生丢包均被认为是由于链路造成的随机丢 包，而不是由于网络拥塞导致，故采用不同于r e n o 的窗口调整算法；当n 1 3 时，连接处于拥塞阶段，此时v e n o 认为丢包是由于网络拥塞产生， 相应的采用r e n o 的窗口调整算法。有实验证明i l3 l ，门限值1 3 取3 较为合理。 2 3 2t c pv e n o 的拥塞控制机制 t c pv e n o 对t c pr e n o 中的慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复 等机制做了创造性的改进。 慢启动( s l o ws t a r t ) 慢启动算法是一种t c p 窗口增加算法。在连接建立后，t c p 窗口数目 设置为l ，并发送第一个数据包。在此之后，每收到一个a c k 确认，窗口 数据增加l 。例如，在第一个r t t ( r o u n d t r i pt i m e ) l 为，当第一个数据包发 送并收到确认后，窗口数增加为2 ；在第二个r t t 内，发送两个数据包， 并收到两个a c k 确认，窗口数增加为4 ，依次类推，直到丢包发生。可以 看到，t c p 窗口数目是以指数形式增加。 拥塞避免( c o n g e s t i