（计算机应用技术专业论文）无线网络下tcp拥塞控制的研究.pdf

摘要 近年来，随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，下一代移动无线两将会 以更高的数据接入速率来满足人们“随时、随地、与任何人”进行交互多媒体 通信的需求。但是，无线网络通常具有误码率高、带宽低、时延大和移动频繁 等特性，这使得无线链路有相对较高的差错率。在无线网络中，网络拥塞不再 是数据丢失的唯一原因，如果直接沿用传统的t c p 拥塞控制技术，很多情况下 会造成数据发送速率不必要的降低，从而导致网络性能的下降。因此，在无线 环境中如何有效的提高t c p 性能自然成了一个重要的网络研究课题。 本文主要从三个方面对无线网络的拥塞控制机制进行研究。 首先，对h 她m e t 中传输控制协议的原理以及t c p 拥塞控制算法中的关键技 术进行了深入探讨和研究。分析总结了t c p 的报文格式、t c p 的连接、连接终 止、连接复位以及t c p 的状态机等：分析比较了几种主要的t c p 拥塞控制算法 ( t a l l o e 、r 蜘o 、n e w r e l l d 、s a c k 和v e g a s ) ，劳对t c p 拥塞控制算法的关键 技术进行了详细的论述。 其次，探讨了无线网络下的t c p 拥塞控制策略及无线网络下t c p 协议的性 能。主要涉及t c p 拥塞控制策略：减缓数据发送速率的波动性，分离拥塞控制 与差错控制，拥塞控制策略与应用的相关性；并针对无线传输错误对t c p 吞吐 量的影响进行了数学分析；总结了无线网络中拥塞判定的方法及当前无线网络 中t c p 拥塞控制的研究进展：并通过n s ，2 仿真实验比较分翦亍了传统t c p 协议 版本在无线网络中的性能，在模拟试验的基础上总结了影响t c p 性能的因素。 最后，提出了一种基于二次滤波带宽估计的t c p 拥塞控制算法。首先对带 宽估计协议进行了全面的解析评估，如带宽估计的吞吐量公式、公平性。尽管 带宽估计协议的公平性可以得到证明，但是当源端对可用带宽估计不准确或者 无线随机丢失趣时一定值的情况下，具体的带宽估计算法的实际实现性能会变 得很差。而本文提出的t c p d f b e ( d o u b l ef i l t e r i n g b a n d w i d t h e s t 妇a t i o r l ) 协议利 用过滤后的平均数据包长度和平均时间间隔计算平均带宽，然后对平均带宽进 行二次过滤估计出可用带宽值，获得更准确的可用带宽估计值。文中给出了 d f b e 协议的算法思想及具体实现。运用n s 一2 进行扩展的仿真研究。从拥塞窗 口的变化、吞吐量和协议的公平性等方面与传统t c p 协议的性能进行了比较。 仿真结果证实了d f l 3 e 算法能够减少链路差错对t c p 性能带来的影响，提高了 t c p 在无线链路上的吞吐量，并且具有较好的公平性。 关键词：无线网络；拥塞控制；t c p 协议：n s 一2 仿真；带宽估计 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ta n dw i d e l ya p p l i c a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k i n g t e c h n o l o g i e s ，t h en e x tg e n e r a t i o m o b i l ew i r e l e s si n t e r n e tw i l lb ee x p e c t e d t o g u a r a n t e ep e o p l ee 1 1 j o y i n gi t e r a c t i v em u l t i m e d i as e r v i c e s “w i t ha n y b o d y ，a t a n ”i m e ，i na n y p l a c e ”h o w e v e r ，c o m p a r ew i t ht h ew i r e de n v i r o n r n e n t ，t 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 k sa r eh i g hb i te r r o rr a t e s ，l o wb a n d w i d t h ，l o n g t i m ed e l a y ，f r e q u e n c ym o v i n ga n ds oo n ，s ot h e r ea r eh i g he r r o rr a t ei n w i r e l e s sn e t w o r k 1 nw i r e l e s sn e t w o r k s ，c o n g e s t i o ni sn o tt h eo n l yr e a s o nf o r d a t al o s i n g i fw eu s et h et r a d i t i o n a lc o n g e s t i o nc o n t r 0 1t e c h n i q u ei nw i r e l e s s n e t w o r k s ，i tc a nm a k et h es e n d e rd e c r e a 5 et h es e n d i n gr a t eu n n e c e s s a r i l ya d r e s u l t st h ed e c r e a s eo f t h en e t w o r kp e r f o m a n c e t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r a n t r e s e a r c hp r o j e c tt h a th o wt oi m p r o v et h ep e r f o r i i l a n c eo ft c pi nw i r e l e s s e n v i r o n m e n t t h et h e s i si n c l u d e st h r e ea s p e c t st or e s e a r c ht h ew i r e l e s sn e t w o r k c o n g e s t i o nc o n t r o l - f i r s t ，t h et c pt h e o r ya n dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft c pc o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h ma r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h e r eh a v ea n a l y z e dt h et c pm e s s a g e f o r m a t 。t c pl i i l k ，l i n kt ot e r m i n a t e ，l i n kt or e s e ta n dt c ps t a t em a c h i n e ；a t t h es a m et i m ew ec o m p a r eaf c wt c pc o n g e s t i o nc o t r 0 1a l g o r i t h m ( s u c ha s t a h o e ，r e n o ，n e w r e n o ，s a c ka n dv e g a s ) a n dd i s c u s st h ek e yt e c h n o l o g yo f t c pc o n g e s t i o nc o n t r 0 1a l g o r i t h m s e c o n d ，t h et c pc o n t r 0 1s t r a t e g i e sa n dt h ep e r f b m a n c eo ft c pi nt h e w i r e l e s sn e t w o r ka r ea n a l u s i s e d t h ec o n t e n ti s m a i n l ya b o u tt h et c p c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c ha r et h ew a v ep r o p e r t i e so ft h es l a c k e nd a t a t r a n s m i tr a t e ，s e p a r a t i n gc o n g e s t i o nc o n t r o la n de r r o rc o n t r o l ，t h er e l a t i v i t y0 f t h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sa n di t sa p p l i c a t i o n a n dt h e nt h e r ei st h e m a t h e m a t i c a la n a y s i sa b o u tt h ee n n u e n c eo nt h et c pt h r o u 曲p u tw h i c hi s f r o mt h ee r r o ro fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；a n ds u m m e r i z e st h ec o n g e s i o n d e c i s i o nm e t h o d sa n da n a l y s e st h er e s e a r c hp r o g r e s so ft h et c pc o n g e s t i o n c o n t r o li nt h ew i r e l e s sn e r w o r k w ec o m p a r et h ep e r f o 珊a n c eo ft h e t r a n s i t i o n a lt c pi nt h ew i r e l e s sn e t w o r ku s i n gt h en s 一2s i m u l a t o r ，i nt h eb a s i s o ft h es i m u l a t o re x p e r i m e n tc o n c l u d et h ec a u s e se n n u e n c et h ep e r f o m a n c eo f t h e t c p i nt h el a s t ，an e wc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nd o u b l ef i l t e r i n g b a n d w i d t he s t i m a t i o no v e rw i r e l e s sn e t w o r ki sp r o p o s e d a tf i r s ts e c t i o n p r e s e n t sat h o r o u 曲l ya n a l ”i ce v a l u a t i o nf o rb a n d w i d t he s t i m a t es c h e m e ， s u c ha s 也et h r o t l g h p u tf o 啪u l a ，f a i r n e s s e v e nt h o u g hi t sf a i r n e s sa n d i i e f 南c t i v e n e s sc a nb ep r o v e d ，t h eb a n d w i d t he s t i m a t es c h e m ew i l lh a v ep o o r d e r f o m a n c ew h e nt h es e n d e re s t i m a t e st h ei n c o r r e c tb a n d w i d t ho rt h er a n d o m p a c k e tl o s sr a t ee x c e e d saf 色wp e r c e n t t h et h e s i sp r e s e t st c pd f b e ( d o u b l ef i l t e r i n gb a n d w i d t he s t i m a t i o ) w h i c hc a l c u l a t e st h e a v e r a 窑e b a n d w i d t hb yf i l t e r i n ga v e r a g ed a t ap a c k e tl e n g t ha n da v e r a g et i m ei n t e r v a l ， a n dt h e ng e t st h em o r ea c c u r a c yb a n d w i d t hv a l u eb yd o u b l ef i l t e r i n gt h e a v e r a g e b a n d w i d t h t h et h e s i s p r o p o s e s t h e a l g o r i t h mt h i n k i n g a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h ed f b e t h ea l g o r i t h mh a sb e e nc o m p a r e dw i t h t r a n s i t i o n a lt c pp r o t o c o l si nt h ew a yo fc o n g e s t i o nw i n d o w sc h a n g i n g ， t h r o u g h p u ta n dt h ef a i m e s si nn s 一2w i r e l e s se n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h ei n n u e n c eb r o u g h tb yl i n ke r r o r a i l di m p r o v et h et c pt h r o u g h p u to v e rw i r e l e s sn e t w o r ka n dh a v et h eb e t t e r f h i r n e s s k e y w o r d s ： w i r e l e s sn e t w o r k ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；t c pp r o t o c 0 1 ；n s 2 s i m u l a t i o n ：b a n d w i d t he s t i m a t i o n i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论 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 制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题 再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：，乏驾二主至j c 指导教 m 。f 年月日 西北大学学位论文独创性声明 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，本论文 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其 它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：歹弓主氓、 b 。f 年月日 第1 章绪论 现在网络的影响力已经为所有人所认可，网络无处不在已经不仅成了人们的 希望，更成为一种必须。而无线网凭借其良好的移动性，正越来越受到人们的 关注，越来越多的人开始接受并采用无线技本不仅是在企业中，还包括家 庭、公共按入和嵌入式设备市场等。无线网络技术正改变人们的种种观念，改 变着人们传统的工作学习和生活方式。不可否认，无线网已经走上了迅速发展 之路。 随着人们对无线多媒体应用需求的越来越强烈，当前对无线多媒体数据网络 中的关键理论与技术的研究已成为网络领域一个重要的研究课题。基于t c p p 协议体系结构的分组交换网实现简单，可扩展性好，允许许多设备共享少数的 通信频道，以及有线t c p ，职的成功应用，这一切无疑会促使以口为核心的网络 结构成为无线通信网络的主导形式。t c p 协议是目前i n t e m e t 上使用最广泛的一 种传输协议，它为用户提供了可靠、健壮的端到端数据通信服务。但是t c p 协 议是为固定圭机和有线两络设计的一种滑动窗口协议，适用于差错率低、报文 丢失主要有拥塞造成的有线链路。而无线网络具有差错率高和移动性等异于有 线网络的特点。因此，当t c p 协议应用于无线网络上时，其性能出现显著下降。 t c p 协议的拥塞控制机制是导致t c p 协议在无线网上性能下降的主要原因，因 此，目前对于t e p 协议的改进主要集中在对拥塞控帛4 机制的改进上。本章主要 介绍无线网络的发展及现状以及无线网络中t c p 协议的研究概况，在此基础上 弓l 入本文所做的工作。 1 1 无线网络中t c p 协议研究概述 1 1 1无线网络的发展殛现状 无线网络是一种快速涌现的研究和发展领域，是对已经存在的有线网络和服 务的自然扩展和增强。无线网络极大地增强了便携式电脑的应用，它允许用户 和其他人多方面通信、关于重要事件的即时通告以及方便地访阍最新信息，而 7 且比便携式电话和寻呼机具有更大的灵活性；也提供了对固定计算机网络服务 和资源的连续访问。无线网络计划对便携式电脑提供服务，就像传统网络对桌 面p c 提供服务一样。网络使单个的p c 能够参与分布式系统，这种系统允许用 户无论在网络的任何地方都能访问共享资源。 无线通信的历史非常悠久，但是无线计算机通信的历史却并不长。无线网络 出现于1 9 世纪7 0 年代，在至今短短的三十年时间里，无线网络得到了极大的 发展，并成为通信领域的一大支柱。 1 9 7 1 年，夏威夷大学的a l o h j 心m t 一项研究课题首次将网络技术和无线电 通信结合起来。a u d h 越咂t 使分布在4 个岛上7 个校园里的计算机可以利用新 的方式与位于瓦胡岛的中心计算机通信，而且不利用已有的电话线路。该网络 所采用的信道竞争协议为后来出现的载波多址接入协议( c s m a ) 奠定了基础。 2 0 世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者设计并建立了终端节电 控制器( t n c ) ，将各自的计算机通过无线发报设各连接起来。终端节点控制 器工作起来就像电话m o d e m 一样，把计算机数字信号转换为无线电收发报文机 可以调制并利用分组交换技术通过广播频道发送出去的信号。 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 授权普通用户可以使用“工业、科技、 医学”( i s m ) 频段而使无限局域网向着商业化发展。1 9 9 7 年6 月，国际电子 电气工程师协会( i e e e ) 完成了m e e 8 0 2 1 l 标准的制定，1 9 9 7 年1 1 月2 6 日正 式发布，1 9 9 8 年各供应商推出了大量基于m e e 8 0 2 1 l 标准的无线电卡和访问结 点，大力开发符合m e e 8 0 2 1 1 标准的产品。 无线网络连接也广泛应用于开始于2 0 世纪9 0 年代初期的无线广域网服务。 a r d i s 和r a mm o b i l ed a t a ( 移动数据随机存储公司) 最先推出便携式计算机、 公司网络和因特网的无线连接设备。后来，各公司又提供蜂窝数字分组数据 ( c d p d ) 服务，从而使用户可以通过数字传输服务进行数据分组的收发。 目前，无线网络主要分为两种：带固定设施的网络和无固定设旖的移动网络。 前者受到固定网络基础设旅( 如基站系统等) 的支持；后者无固定的路由器， 网络中的节点既是通信终端，同时也是转发数据包的路由器，通常又称这种形 式的网络为a dh o c 网络( m a n e t ) 。相应网络技术有无线个域网、无线局域 网、无线广域网和移动a dh o c 网络等【1 3 】。 1 无线个域网 8 1 9 9 8 年提出的个人局域网( p e r s o n a l 肘n 咖f k ，p a n ) 是与广域网、局 域网相并列、范围更小的网络，通信距离为1 0 m 左右。1 9 9 8 年3 月，e e 正式 成立了研究无线个人局域网( w i r c k s sp a n ，w p a n ) 的小组，以制定无线个人 局域网的通信标准，寻求能耗少、体积小、价格低廉的无线通信技术。目前无 线个人局域网的技术主要有h o m e r f 和蓝牙。 2 无线局域网 1 9 9 0 年，早期的无线网络产品w i r c l e s sl a n 在美国出现。此后，关于无线 网络技术不断发展。目前应用于无线局域网的技术主要有疆e e 8 0 2 。l l 系列标准 和e t s i ( 欧洲电信标准学会) 无线局域网h i p 时l a n 系列标准。也提出了蓝牙 局域网的概念。 3 无线广域网 无线广域网技术可使用户通过远程公共网络或专用网络建立无线网络连接。 通过使用无线服务提供商所维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆 盖广大的地理区域。随着人们对数据传输的要求，g p r s 技术、第三代移动通 信技术等提供了分组数据的传输能力。移动m 由因特网工程任务组m t f 于 1 9 9 2 年6 月制定，于1 9 9 6 年1 1 月由因特网工程指导组s g 通过，并公 布为建议标准，其中r f e 2 0 0 2 定义了移动口协议；r f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 l 定 义了移动口中用到的一种隧道技术；r f c 2 0 0 s 叙述了移动口的应用； r f c 2 0 0 6 定义了移动口的管理信息库m 。 4 a d h o c 网络 移动a dh o c 网络无固定的路由器，网络中的节点既是通信终端也是转发路 由器。由于发送端与接收端之间常涉及多段无线链路，它有被称为多跳网络。 在a d h o c 网络中，节点可以自由移动，任意组台形成网络，这与传统的蜂窝移 动通信系统不同。a dh o c 网络采用完全分布式结构，具有组网灵活、快捷、抗 毁能力强等特点。它在许多特殊的环境中具有独特的优势，如可以做紧急搜救 的通信系统，战地通信系统等。在国外，有许多研究机构如b e r k l e y 大学、国际 标准化组织、n 0 1 ( i a 公司等正在对a dh o c 网络的关键技术进行研究。 9 1 1 2 无线网络所表现出的特性 t c p 在因特网上取得了巨大的成功，但是当它应用于无线网络时，所面临的 是与有线网络截然不同的网络环境，原有的算法和策略已不适应新的网络环境， 表现就是性能的显著下降。无线网络与有线网络的不同特性，也就是t c p 在无 线网中所面临的挑战主要有以下几方面： 1 差错率高：无线链路与有线链路相比有更大的开放性，这就意味着无线链路 更容易受到干扰。有线链路上的位差错率通常只有1 0 4 1 0 - 8 ，而在无线链路 上位差错率为1o 3 ，甚至1 0 。如此高的报文丢失使得t c p 无法充分利用带 宽，导致性能下降。 2 。时延大：通常，无线链路的时延远大于有线链路的时延。较大的时延会影响 t c p 的吞吐率，因为t c p 发送窗口的增长会相对比较缓慢；同时时延大也影 响了服务端与用户之间的交互。 3 链路带宽小：与有线网络相比，无线网络的带宽资源非常有限。最初的 m e e 8 0 2 1 l 协议只能提供2 m 的带剜”。8 0 2 g 也才提供s 4 m 带宽。 4 移动性：无线网络为用户提供了随时随地接入网络的功能，也使用户可以在 移动状态下使用网络。但是这种方便的特性也给t c p 协议带来了新的课题。 在蜂窝无线网络中，主机的移动需要在不同基站问进行切换，这样会使得链 路短暂断开，造成报文丢失，从而触发t c p 源端启动拥塞控制，降低t c p 的性能：在a dh o c 网络中，主机移动使得网络拓扑动态改变，也使得已建 立的路由失效，带来报文丢失导致t c p 性能降低。 5 能量有限：对于使用电池的移动设备，如p d a 和移动电话等，电池的能量 十分宝贵。一般来说，是用无线网络进行通信所消耗的能量比c p u 所消耗的 能量还要多。但是目前对t c p 的研究还很少涉及到节能问题。 1 1 3 传统t c p 协议直接应用于无线网络的局限性 t c p 是目前n e m e t 中广泛采用的传输控制协议，为各主机之间提供可靠 按序的传输服务，在保障网络通信性能方面起着非常重要的作用。t c p 设计主 要针对系统稳定性、协议兼容性、业务公平性、资源利用率以及拥塞控制等问 题a 无线网络通常表现出误码率高、传输时延及时延抖动大、有限的链路带宽、 1 0 移动终端的频繁移动等特性，使两络通信性能和业务服务质量难以保证。这样， 传统的t c p m 协议也就无法直接适用于无线网络环境。同样，目前针对话音 业务设计的移动通信网也不适于传送数据和多媒体业务。t c p 直接用于无线环 境的局限性主要表现在以下几个方面： 1 t c p 差错检测。t c p 的差错检测无法区分不同类型的数据丢失。t c p 根 据重复应答或超时来推断数据的丢失，并认为数据的丢失是因网络拥塞引起。 显然，这种丢包检测机制已无法应用于无线环境。由于无线网络中除了网络拥 塞引起数据丢失外，无线链路错误同样也会导致数据的丢失。因此，无线网络 中必须能有效区分网络拥塞引起数据丢失和链路错误导致数据丢失的情况。 2 t c p 差错控制。t c p 按序发送当前发送窗口内的报文段。无线网络中小 区切换或信道突发干扰常常引起多个相邻数据的丢失，从而影响通信性能。另 外，t c p 通过拥塞窗口线性增加来实现差错恢复，这明显对链路错误引起数据 丢失的情形比较保守。 3 t c p 拥塞控制。t c p 拥塞控制无法分别对待不同原因引起数据丢失的情 形。这样，当数据的丢失是链路错误所致时，如若仍调用t c p 拥塞控制，会引 起数据发送速率的不必要降低，吞吐量下降，时延加大等。另外，t c p 拥塞控 制主要基于a 蹦d ( 咖) ( a = 1 ，b = 0 5 ) 算法，即在拥塞避免阶段，拥塞窗口 大约每往返时间r t t 加a ，而在网络发生拥塞时( t c p 发送端收到3 个重复 应答) ，拥塞窗口减小为当前值的( 1 - b ) 倍。明显有，其数据发送速率的波动性 较大，带宽利用率不是很高。这对于那些要求速率波动性不太大的应用( 如时 延敏感的应用等) 以及资源比较紧缺的应用环境( 如无线网络) 来说，是不大 适宜的。况且，速率波动较大，也不利于无线网络中往返时延的估计。 4 t c p 没在考虑能量消耗的问题，无法在性能和能源消耗之间进行折衷。 对无线网络而言，移动设备( 如便携式电脑) 的能量消耗是一个非常重要的问 题。电池是便携式电脑中最重的单一部件。最小化的能量消耗能够减少电池重 量和延长更换时间，从而提高便携性。t c p 在保证其通信性能( 如吞吐量、时 延等) 的同时，可能会引起大量不必要的数据重传，从而导致移动设备不必要 的能源消耗。 1 2本文的结构和安排 我们将在本文集中探讨无线网络下的t c p 拥塞控制技术，以期待能为改善 无线网络下的t c p 拥塞控制提供有价值的参考。本文的其他章节内容安排如下： 第二章分析研究t c p 协议中端到端的拥塞控制算法。首先简要介绍t c p 协 议，然后讨论产生拥塞的直接原因以及端到端拥塞控制算法的评价方法；并对 t c p 拥塞控制算法的关键技术进行深入的分析；最后对t c p 拥塞控制算法的发 展历程及现在的研究热点做出全面的分析论述。 第三章探讨无线网络下的t c p 拥塞控制策略及无线网络下t c p 协议 的性能分析。主要涉及如何减缓数据发送率的波动性以及如何分离拥塞控 制和差错控制；针对无线传输错误对t c p 吞吐量的影响进行了数学分析； 分析总结无线网络下拥塞判定的方法；并通过实验分析传统t c p 协议版本 在无线网络中的性能：在模拟试验的基础上总结出影响t c p 性能的因素， 为改进研究奠定基础。 第四章提出一种无线网络下基于二次滤波带宽估计的t c p 拥塞控制算法。 首先对带宽估计协议进行全面的解析评估，如带宽估计协议的吞吐量公式以及 带宽估计协议的公平性；并详细分析t c pv e g a s 和t c pw e s 呐0 0 d 估计算法。在 此基础上提出t c pd f b e ( d o u b l ef i l t 鲥n gb a l l d w i d t l le s t i m a t i o n ) 算法，对该算 法进行详细的描述，并利用n s 2 所提供的无线环景，通过试验与传统t c p 协议 进行比较，结果表明该算法能减少链路差错对t c p 性能带来的影响，提高了t c p 在无线链路上的吞吐量，并且该算法具有较好的公平性。 第五章对全文所做的工作进行总结和分析，并对后续的研究工作提出设想。 1 2 第2 章t c p 协议及其拥塞控制机制 t c p ( t r a l l s m i s s i o nc o n 仃d 1p r o t c c 0 1 ) 是一种面向连接的传输协议，为两端的 应用程序提供可靠的端到端的数据流传输服务，在保障网络通信性能方面起着 非常重要的作用。它完全不同于无连接的、提供不可靠的数据包传输服务的u d p 协议。 本章着重介绍基于有线网络而设计的t c p 技术，主要涉及t c p 报文格式、 t c p 的连接、t c p 的拥塞控割的关键技术。 2 1传输控制协议原理 2 。1 。1t c p 的报文格式 两台计算机上t c p 实体之间传输的数据单元称为报文段s e g m e n 昏。t c p 通 过报文段的交互来建立连接、传输数据、发出确认、通告窗口大小以及关闭连 。 接。 t c p 数据被封装在一个坤数据报中w 】，如图2 1 所示。 卜一 i p 报文段一 卜一t c p 报文段1 i p 首部t c p 首部t c p 数据 2 0 字节2 0 字节 图2 1 t c p 数据在口数据报中的封装 图2 2 显示t c p 首部的数据格式。如果不计任选字段，它通常是2 0 个字节。 1 源端口( 1 6 位) ：定义了在主机中发送该报文段的应用程序的端口号，以识 别本地的t c p 用户。如常用的虚拟终端协议t e d 幔t 的端口号为2 3 、文件 传输协议的端口号为2 l 、电子邮件协议s m t p 的端口号为2 5 、域名系统服 务d n s 的端口号为5 3 等。 2 目的端口( 1 6 位) ：定义了在主机中接收该报文的应用程序的端口号，以识 别目的t c p 用户。 1 3 3 序号( 3 2 位) ：指明当前数据段在发送方数据字节流中的位置。 4 确认序号( 3 2 位) ：指出了本机希望接收下一个数据字段的序号。 5 首部长度( 4 位) ：以3 2 比特为单位的首部长度值。 6 保留( 6 位) ：保留给将来使用。 o1 5 1 6 3 l 1 6 位源端口号1 5 位目的端口号 3 2 为序号 3 z 位确认序号 d 俺苘部 保留( 6 侮) u ra cp sr s譬艮 1 6 俺窗口大小 度 gkht 1 6 位睑验和1 6 位紧急指针 选项 数据 图2 2 t c p 包首部 7 标志( 6 位) ：各标志位置“l ”是分别表示以下含义： u r g ：紧急指针字段有意义。 a c k ：确认字段有意义。 p s h ：本报文段请求急迫( p u s h ) 操作。 r s t ：连接复位。 s y n ：序号同步。 f 玳：发送端不再发送数据。 8 窗口大小( 1 6 位) ：流量控制使用的信号量，表示接收主机能够接受的数据 大小，单位是字节。 9 校验和( 1 6 位) ：提供了对包括t c p 首部在内全部数据完整性的校验。 l o 紧急指针( 1 6 位) ：指向紧急数据的最后一个字节。 1 1 数据选项( 3 2 位) ：为可选部分。用于t c p 具体选项。 1 4 2 1 2t c p 的连接 t c p 是一个面向连接的协议。无论哪一方向向另一方向发送数据之前，都必 须先在双方之间建立一条连接。本节将详细讨论一个t c p 连接是如何建立的以 及通信结束后是如何终止的。 2 1 2 1t c p 的建立 t c p 以全双工方式传输数据。当两个机器中的t c p 建立连接之后，它们应 当能够同时向对方发送报文段。这就表示，在任何数据传送之前，每一方都必 须对通信进行初始化，并得到对方的认可。主机a 和主机b 在传输数据之前， 应当完成4 个动作： 1 主机a 发送报文段宣布它愿意建立连接，报文段包括关于从a 到b 的通信 量的初始化信息。 2 主机b 发送报文段确认a 的请求。 3 主机b 发送报文段包括关于从b 到a 的通信量的初始化信息。 4 主机a 发送报文段确认b 的请求 在步骤2 和3 之间没有时间间隔，即主机b 可以同时证实主机a 的请求， 并发送自己的请求。 上述的连接建立叫做“三次握手”。在这个过程中，叫做客户的应用程序愿 意与另一个叫做服务器的应用程序使用传输层协议中的t c p 建立连接。“三次 握手”过程从服务器开始。服务器程序告诉其t c p ，它已经准备好接受一个连 接。这就叫做请求被动打开。它表示虽然t c p 已准备好世界上任一个机器来的 连接，但他自己并不能完成这个连接。客户程序发出的请求叫做主动打开。打 算与服务器进行连接的客户告诉其t c p ，它需要连接到特定的服务器。如图2 3 为t c p 的三次握手过程。 具体过程如下： 1 。客户发送第个报文段称为s y n 报文段。这个报文段包括源端口号和目的 端口号。目的端口号清楚的定义了该客户打算连接到的服务器。这个报文段还 包括了客户初始序号( i s n ) ，用来对客户发送到服务器的数据字节。应注意这 个报文段不包括任何确认号。它也没有定义窗口大小：只有当报文段中包括了 确认号时，窗口大小的定义才有意义。 1 5 主# h主帆b 美送s y ns e q = 接收甜n “报文段 笈送 “p l 接收s 怀撤支殷 靛嚣s y _ s e q = c k ” 接收肺k l f 克段 图2 3 三次握手的报文序列 2 服务器发送第二个报文段，即s y n 和a c k 报文段。这个报文段有两个目的 第一，它使用a c k 标志和确认序号字段确认了已收到第一个报文段。确认序号 是客户初始序号加l 。服务器还必须定义客户窗口大小。第二，这个报文段用来 对付武器的报文段进行初始化。 3 客户发送第三个报文段。这仅仅是一个a c k 报文段。它使用a c k 标志和确 认序号字段来确认收到了第二个报文段。确认序号是服务器的初始序号加1 。客 户还必须定义服务器窗口大小。另外，在这第三个报文段中，可以发送数据。 2 1 2 2t c p 连接终止 使用t c p 通信的两个程序可以使用关闭操作来结束会话。t c p 协议内部使 用改进的三次握手来关闭连接。t c p 连接是全双工的，可以看作是两个不同方 向数据流的独立传输。当一个应用程序通知t c p 数据已发送完毕时，t c p 将单 向地关闭这个连接。为了关闭自己方的连接，发送方的t c p 送完剩下的数据 之后等待确认，然后再发送一个将码元字段的f 矾比特置1 的报文段。接收方 的t c p 软件对f i n 报文段进行确认，并通知本端的应用程序：整个通信已结束， 后面再也没数据了。 1 6 一旦在某一方向上的连接已关闭，t c p 就拒绝该方向上的数据。这时，在相 反方向上。发送方还可以继续发送数据，直到发送方关闭连接。当然，尽管连 接己关闭，确认信息还会反馈给发送方。当连接的两个方向都已关闭后，该连 接的两个端点的t c p 软件就会删除这个连接的纪录。 关闭连接操作的细节比上面所说的还要复杂，因为t c p 使用改进的三次握 手协议来关闭连接。如图2 4 所示： 董机t机b ( 应用程序芙绷连接) 段送f i xj c q ：x 接收f 1 x “c l ( 撤盘段 投送a c k 扩l 接收f i n 报空段 笈进 c kx 十1 通知j 踅f i i 科序) ( 威j 秘j 葶关闭琏接) 发避f l xg p q ：， c k x + l 接收a c k 报文段 图2 4 用于关闭连接的改进的三次握手操作 具体过程如下： 1 客户t c p 发送第一个报文段，称为f i n 报文段。 2 服务器t c p 发送第二个报文段，即a c k 报文段，用来确认从客户发来的f 矾 报文段a 在这种报文段中使用了确认序号，它等于收到的f 玳报文段中的序 号加l 。 3 服务器t c p 可以在服务器到客户方向继续发送数据。当它没有更多的数据发 送时，它就发送第三个报文段，这个报文段就是f i n 报文段。 4 客户t c p 发送第四个报文段，即a c k 报文段，用来确认从t c p 服务器收到 1 7 了f 报文段。这个报文段包括确认序号，其值等于从服务器收到的f n 报 文段序号加1 。 2 1 2 3t c p 连接复位 在正常情况下，应用程序使用完连接后才使用关闭操作来结束一个连接，因 而关闭操作可以看成正常使用的一部分，类似于关闭文件操作。有时会出现异 常情况使得应用程序或网络软件要中断这个连接。t c p 为这种异常的断连操作 提供了复位措施。 要将连接复位时，发起段发送出一个报文段，其码元( c o d e ) 字段的r s t 比特置1 。另一端对该报文段的反应是立即退出连接。t c p 要通知应用程序出现 了连接复位操作。复位是即时的退出，即连接两方立即停止传输，立即释放该 传输所用的缓冲区之类的资源。 出现以下三种情况发生复位： 1 某一端的t c p 请求了一条到并不存在的端口的连接。此时，另一端的t c p 就可以发送报文段，其r s t 比特置为l 以取消该请求。 2 由于出现了异常情况，某一端的t c p 可能愿意将连接异常终止。于是，它 就可以发送r s t 报文段来关闭这一连接。 3 某一端的t c p 可能发现另一端的t c p 已经空闲了很长时间。这样，它就 可以发送r s t 报文段来撤销这个连接。 2 1 3t c p 状态机 与大多数协议类似，t c p 协议的操作也可以使用一个称为有限状态机( f i n i t e s t a t em a c l l i n e ) 的理论模型来作出解释。图2 5 描述了t c p 的有限状态机，图中 的圆圈表示状态，箭头表示状态之阊的转换。每个状态转换箭头标出了t c p 是 收到何种信息才进行转换以及为此送出了何种信息。例如，每个端点的t c p 软 件都是从关闭( c i ，o s e d ) 状态开始的。应用程序或者发出被动打开指令( 等待 其他机器来建立连接) ，或者发出主动打开指令( 发起连接) 。主动打开指令 促使状态从关闭状态转换成同步发送( s y ns e n t ) 。如果t c p 的状态出现这 样的转换，它就发出同步信号s y n 报文段，另端收到后就回送一个包括了同 步信号s y n 和确认信息a c k 的报文段，t c p 转换到建立( e s t a b l i s h e d ) 状 态，开始传输数据。 图2 、5 t c p 有限状态机 超时等待( t m 皿dw t ) 状态显示出t c p 如何处理不可靠交付问题。t c p 有一个最长报文段寿命的概念，它表示互联网上有一个旧的报文段所能存在的 最长时间。为了避免把以前连接的报文段与当前连接的报文段混淆起来，t c p 在关阕一个连接之后就进入超时等待状态。他在这个状态中停留的时间达到最 长报文段寿命的两倍时，就删除该连接的纪录。如果在这个时限之内有重复的 报文段到达，t c p 就会拒绝接收它。然而，为了处理上一个确认丢失的情况， t c p 对有效的报文段进行确认并重新设定定时器。定时器使得t c p 能够辨别出 新的连接和旧的连接，这就防止了本端以一个复位r s t 操作响应另一端重传的 f 【n 请求。 1 9 2 2端刭端的拥塞控制 端到端的拥塞控制是目前h l t 锄e t 的一个研究热点。在最初的t c p 协议中， 只有流控制机制( f 1 0 wc o n 仃0 1 ) 而没有拥塞控制，接收端可以使用t c p 报头的 窗口值将自己的接收能力通知发送端。由于这样的控制机制只考虑接收端的接 收能力，而没有考虑网络的承受能力，不可避免的导致了网络崩溃( 咖g c s d o n c o l l a p s e ) 现象的发生。 网络中的拥塞来源于网络资源和网络流量分布的不均衡性。拥塞不会随着网 络处