（计算机应用技术专业论文）有线无线混合网络中基于显式反馈的tcp性能改进方法.pdf

| | i i i rl li iii iii ii i llu l 19 0 912 8 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho np e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to f t c pp r o t o c o lba s e do n e x p l i c i tf e e d b a c k i nw i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r k s c a n d i d a t e ：j i al i n s u p e r v i s o r ：p r o f h uw e i h u a j a n u a r y ，2 0 1 1 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：啧荔木日期：弘，f 年月圬日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 钵 日期： ) w 1 年专月殇日 指导教师签名： 日期：矽l 年弓月谚日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的飞速发展，固定互联网逐渐向着无线移动互联网演进，给 用户的通信带来方便的同时，也给现有t c p 协议的性能造成了较大的影响。这 主要是因为在现今有线无线混合的网络环境下，丢包不仅仅是因为网络拥塞所 造成的，无线链路上的突发性错误、信道衰减、移动设备的切换等原因也会造 成数据包的丢失，且在无线链路中这些因素可能是造成数据包丢失的主要原因。 而由于传统的t c p 拥塞控制协议主要是针对有线网络提出来的，在有线网络中 造成数据包丢失的主要原因是网络拥塞，所以，如果在现今的混合网络环境下 t c p 协议仍然将所有数据包的丢失原因都归结为网络拥塞，进而在发送端采取 错误的拥塞控制机制，将导致发送端不必要的拥塞窗口值的降低，造成网络中 t c p 性能的严重下降。因此，在有线无线混合网络中怎样通过准确地获知网络 的拥塞状况，正确区分数据包丢失的原因，是一个值得深入研究的课题。 本文研究主要围绕现有的t c p 传输控制协议在有线无线混合网络环境下所 存在的问题展开。主要研究内容包括以下几方面： 1 、本文中首先介绍了无线网络的状况及其特点，网络拥塞的概念及其产生 原因，描述了现有的t c p 拥塞控制协议在面对无线网络时所表现出来的问题， 接着对t c p 在无线网络中的性能问题进行了深入的研究，并详细地介绍了当前 针对无线网络中存在的几种t c p 性能改进策略，如端到端、分段连接、链路层 和跨层合作方案，最后对它们的优缺点进行了综合的分析评价。 2 、本文中通过分析e c n 机制中路由器所采取的拥塞标记方法在标记过程 中所表现出来的不足，提出一种动态概率标记的方法，该方法结合模糊控制理 论对数据包进行动态的概率标记，能更准确及时地了解到网络状态的变化，也 使终端对拥塞标记信息的响应更加分散，有效避免t c p 流全局同步现象。 3 、进一步针对中间路由器的拥塞标记信息经过混合网络中无线链路的长延 时后通告到发送端的网络拥塞状况的不确定性，提出了发送端借助当前到达数 据包的r 1 盯值这一直接反映网络当前状况的网络性能指标，将其作为发送端判 断网络拥塞状况的又一因素，进而可以更加准确地获知网络的拥塞状况，从而 采取更合理的拥塞控制机制，解决了反馈信息的时延问题，提高了显式反馈算 法在混合网络中的有效性和适应性。 本文最后对所做的研究工作进行总结，并指出了下一步的研究方向。 关键词：显式反馈，拥塞控制，模糊控制，主动队列管理，反馈延时 i - - _ 。一 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ei n t e r n c th a sg r a d u a l l y e v o l v e di n t ot h em o b i l ew i r e l e s si n t e r n c t ，w h i c hn o to n l yp r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o r t h eu s e r s ，b u ta l s oc a u s e sag r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee x i s t i n gt c p p r o t o c 0 1 i ns u c han e t w o r kc i r c u m s t a n c ei nw h i c hw i r e da n dw i r e l e s s i n t e r n c t h y b r i d ，t h er e a s o no ft h ep a c k e tl o s si sn o to n l yn e t w o r kc o n g e s t i o n ，b u ts u d d e n w i r e l e s sc h a n n e le r r o r s ，c h a n n e la t t e n u a t i o n , a sw e l la st h es w i t c h i n go fm o b i l e d e v i c e s ，a n dt h el a t t e rf a c t o r sm a yb et h em a i nr e a s o n sf o rp a c k e tl o s si n t h ew i r e l e s s l i n k s i n c 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 o lp r o t o c o li sm a i n l ym a d ef o rt h ew i r e d n c t w o r k ，t h em a i nr e a s o nf o rp a c k e tl o s si sn e t w o r kc o n g e s t i o n i fn o wt h et c p p r o t o c o ls t i l la t t r i b u t e s a l lp a c k e tl o s st on e t w o r kc o n g e s t i o na n dt h e nt a k e st h e w r o n gc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi nt h e s i d eo fs e n d e r , a n dt h eu n n e c e s s a r y r e d u c t i o no fc o n g e s t i o nw i n d o ww i l lb ec a u s e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft c pb e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d t h e r e f o r e , h o wt oa c c u r a t e l yl e a r nt h en e t w o r kc o n g e s t i o n c o n d i t i o n s ，a n dc o r r e c t l yd i s t i n g u i s ht h er e a s o n so fp a c k e tl o s si nt h ew i r e da n d w i r e l e s sh y b r i dn e t w o r kh a sb e c o m eat o p i cw o r t h yo ff u r t h c rs t u d y t h i sp a p e rf o c u so nt h et c p p r o b l e m ss h o w e di nt h ew i r e da n dw i r e l e s sh y b r i d n e t w o r ke n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h r e eb a s i ca s p e c t s ：c u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r k s s t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，n e t w o r kc o n g e s t i o nc o n c e p t sa n dc a u s e s ，p r o b l e m sc o m i n g w i t ht h ee x i s t i n gt c pc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 s e c o n d l y , s t u d i e sm o r ea b o u t t c p p e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r ka n ds h o w ss e v e r a lk i n d so fc o m m o n l yu s e d t c pp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ts t r a t e g y ：e n dt oe n d ，s u b c o n n e c t i o n , l i n kl a y e ra n d c r o s s - l a y e rc o o p e r a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n de v a l u a t e sc o m p r e h e n s i v e l y t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 2 w ea n a l y z et h ei n s u f f i c i e n ts h o w e db yt h ec o n g e s t i o nm a r k i n gm e t h o db yt h e r o u t e ri nt h ee c nm e c h a n i s m t h i sp a p e rp r o p o s e sad y n a m i cp r o b a b i l i s t i cm a r k i n g m e t h o d ，w h i c hc o m b i n e sf u z z yc o n t r o lt h e o r yw i t hd y n a m i cp r o b a b i l i s t i cm a r kt h e p a c k e t s ，a n dw i l ll e a r nm o r ea c c u r a t ea n dt i m e l yc h a n g e si nn e t w o r ks t a t e ，t h e t e r m i n a lr e s p o n s e st ot h ec o n g e s t i o nm a r k i n gi n f o r m a t i o nm o r ed e c e n t r a l i z e d ，a n d e f f i c i e n t l ya v o i dg l o b a ls y n c h r o n i z a t i o ni nt h et c ps t r e a m s 3 t h r o u g ht h el o n gd e l a yw i r e l e s sl i n ki nt h eh y b r i dn e t w o r k , t h en e t w o r k 杭州电子科技大学硕士学位论文 s t a t u ss h o w e db yt h ec o n g e s t i o nm a r k i n gi n f o r m a t i o no ft h ei n t e r m e d i a t er o u t e r si s u n c e r t a i n f o rt h i sp r o b l e m ，w ef u r t h e rp r o p o s ei nt h es e n d e rc o m b i n gt h er t t , w h i c hc a nd i r e c t l yr e f l e c tt h ec u r r e n tn e t w o r ks i t u a t i o n ，t a k i n gi ta sa n o t h e rf a c t o r t h a td e t e r m i n e st h en e t w o r ks t a t u s i tw i l la c c u r a t e l yl e a r nt h en e t w o r kc o n g e s t i o n s t a t u s ，a n da d o p tm o r er e a s o n a b l ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，w h i c hs o l v et h e p r o b l e mo fd e l a yo ff e e d b a c ki n f o r m a t i o n , a n d i n c r e a s ee f f e c t i v e n e s sa n d a d a p t a b i l i t yo ft h ee x p l i c i tf e e d b a c ka l g o r i t h m si nt h eh y b r i dn e t w o r k f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e sw h a tt h er e s e a r c hh a v ed o n e ，a n dp o i n t so u tt h e f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：e x p l i c i tf e e d b a c k , c o n g e s t i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a c t i v eq u e u e m a n a g e m e n t ，f e e d b a c kd e l a y i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一l 1 1 研究背景一1 1 2 无线网络概述2 1 3t c p 用于无线网络时面临的问题3 1 4本文的主要研究内容和组织结构。4 第二章t c p 拥塞控制算法5 2 1 引言5 2 2网络拥塞的概念及产生原因。5 2 3网络拥塞控制。6 2 3 1拥塞控制原理6 2 3 2拥塞控制算法分类8 2 4 无线网络中拥塞控制算法的改进策略9 2 4 1 端到端策略9 2 4 2分段连接策略。1 0 2 4 3链路层策略。1 1 2 4 4 跨层合作策略1 l 2 5本章小结1 3 第三章改进的拥塞标记方法1 4 3 1e c n 的拥塞标记方法1 4 3 1 1与r e d 结合的拥塞标记方法1 4 3 1 2e c n 拥塞标记方法存在的问题。1 7 3 2改进的拥塞标记方法l7 3 2 1 问题的提出1 7 3 2 2改进的动态概率拥塞标记方法。18 3 3本章小结1 9 第四章改进的拥塞控制机制2 l 4 1 引言2 1 4 2 e c n 的拥塞反馈机制2 1 4 3 链路延时对网络拥塞判断的影响2 3 4 4 与r t t 结合的拥塞判断信息2 4 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 5改进的t c p 控制机制2 5 4 6本章小结2 9 第五章仿真实验与结果3 0 5 1 引言3 0 5 2 n s 2 介绍3 0 5 2 1 n s 2 原理3 0 5 2 2n s 2 模拟流程3 1 5 3拥塞控制协议的性能指标3 2 5 4仿真实验场景3 3 5 4 1 仿真实验场景的建立一3 3 5 4 2 混合网络场景的建立3 4 5 4 3 窗口采样原理一3 5 5 5实验结果性能分析3 6 5 5 1t c p 窗口值分析3 6 5 5 2t c p 吞吐量分析3 7 5 5 3分组丢包率分析3 9 5 5 4公平性分析。3 9 5 6 本章小结4 i 第六章总结与展望4 2 6 1 总结4 2 6 2 展望4 3 致谢。4 4 参考文献一4 5 附录4 9 v 一 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要介绍了论文的研究背景，无线网络的特点等，指出了传统的t c p 拥塞控制协议在应用于无线网络时所面临的问题，最后给出了论文主要的研究 工作及组织结构。 1 1 研究背景 随着计算机网络的迅速发展，互联网逐渐开始向着移动无线互联网演化， 在给用户之间的通信带来便利的同时，也给当前的t c p 协议的性能带来了较大 的影响【l 】。传统的t c p 拥塞控制协议是针对有线的网络环境设计的，其前提条 件是有线链路的可靠性，在有线链路上数据包的丢失几乎都是由于网络拥塞所 致，发送端根据接收到的重复a c k 判断出网络中出现了数据包丢失的现象，进 而将丢包原因判断为拥塞丢包，接着发送端采用加性增加乘性减少的调控机制 来调节拥塞窗口值的大小。而在有线无线混合的网络环境中，由于无线链路的 存在，假定链路相当可靠这一前提条件已经不再成立，所以之前的对于网络中 发生的丢包原因的判定和采取的调节控制机制也已经不再起作用，而且还会造 成t c p 协议性能的下降。传统的t c p 拥塞控制协议已经不能很好的适应新的 网络环境，逐渐出现了越来越多的问题。 与有线网络相比，无线网络有着误码率高、传输时延较大、链路带宽有限 以及终端移动频繁等特点，这就导致数据在无线链路中传输时可靠度比较低【2 1 ， 虽然目前应用广泛的8 0 2 1 1 协议其在数据链路层提供了一定的数据校验机制来 保证数据的正确传输，但这并不能完全地消除无线链路错误对丢包造成的影响 1 3 , 4 。而传统的t c p 拥塞控制协议将网络中所有的数据包丢失都归结为是由于网 络拥塞所引起的，进而采取相应的拥塞控制措施。这样，在高误码率的网络环 境下，随着链路丢包率的逐渐增大，t c p 协议将频繁地降低发送端的发送窗口 值或数据发送速率，这必将会造成t c p 传输性能的下降，也造成了对网络传输 带宽的浪费【5 】。所以，要使t c p 协议在现有的网络环境下仍然保持较高的吞吐 量和较好的性能，就必须对原有的拥塞控制协议进行改进或者提出新的拥塞控 制协议。 本文将主要研究如何改进目前的t c p 拥塞控制协议，以提高其在有线和无 线混合网络中的拥塞控制能力，使网络具备更加可靠、高效的传输性能，进而 为用户提供更好的、更稳定的网络服务。 l 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 无线网络概述 l 、无线网络介绍 无线网络是一个正在快速发展的研究领域，其扩展了有线网络的服务。1 9 7 0 年a l o h a 分组交换无线网络【6 】开始运行，它是由夏威夷大学研发的，其要用 来在远程终端和主机间进行数据交换，后来出现的载波检测多址接入协议就是 在其所采用的信道竞争协议的基础上提出的。接着，由美国国防部高级研究规 划署于1 9 7 2 年启动了s u r a n 项目，其主要研究内容是一些在无线分组网络中 存在的技术方面的问题。随着硬件技术的发展，移动设备成本的降低，以及因 特网的广泛普及，直到上世纪九十年代，无线网络技术开始投入到商业应用中， 在此之前对无线网络的研究一直是处于实验室研究的阶段。另外，随着人们对 移动计算需求的不断增长以及通信、电子和计算机网络技术的飞速发展，也促 使了无线网络的迅猛发展【7 j 。 无线网络就是以无线介质或媒质进行数据通信的网络。根据网络覆盖范围 的不同，可以分为无线广域网( w w a n ) 、无线城域网( w m a n ) 、无线局域网 ( w e a n ) 以及无线个域n ( w p a n ) 。其中，无线局域网就是利用空中的电磁波等 代替传统的通信线缆进行终端之间的通信的，其伸了传统的有线网络。相比较 有线网络而言，无线网络具有移动性、可伸缩性、灵活性以及经济适用性等特 点，但也不可避免地存在着一些局限性。无线链路是一条不可靠的链路，链路 中存在各种各样的干扰和噪声，会造成信道中传输数据的误码和信号的衰落， 隐藏终端、暴露终端和捕获效应等这些都会影响着信道的可靠性，进而导致网 络吞吐量下降和t c p 性能的不稳定。另外，有限的频率资源也使无线局域网的 链路带宽远远小于有线网络的链路带宽，再加上有限的无线信道数，即使利用 信道复用技术，也使无线局域网的系统容量要比有线网络的容量小很多。无线 局域网的低功率和高频率也限制了其信道的覆盖范围。与此同时，无线节点的 可移动性、安全性、节能管理以及如何保证多业务、多媒体的服务质量都是需 要考虑的问题。 2 、无线网络特点 无线网络除了具有灵活性、可伸缩性、经济适用等优点，也有一些其它的 特点： ( 1 ) 带宽较低。无线网络信道提供的可利用带宽跟有线网络相比较小，无线 局域网中即使带宽最大的标准8 0 2 1 l 也只有5 4 m b p s 。 ( 2 ) 误码率较高。无线链路有着易受气候条件、各种干扰、多径传播、衰落 特性以及多普勒效应等因素影响的特点，导致其误码率远大于有线链路。数据 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 在其中传输时极易受到损伤，损伤的数据直接在链路层被丢弃，这也就是我们 所说的误码丢包。这种由于链路传输质量问题造成的丢包是无线链路上丢包的 主要原因。 ( 3 ) 延时较大。由于无线网络中带宽较小、网络延时以及信道分配不公平这 些特性，使得它的时延较大，同时，较大的时延也对用户之间的交互也会产生 影响。 ( 4 ) 切换问题。移动设备在蜂窝网络之间移动，通信也从一个基站转移到另 一个基站，在这一切换过程中，通常会造成数据包的丢失或延迟。 ( 5 ) 路由中断。移动性很高的无线网络环境中，节点会经常移动，此时，需 要频繁地更新路由表来确保路由器寻址最优，这也会导致数据包的丢失或乱序。 1 3t c p 用于无线网络时面临的问题 传统的t c p 协议主要是针对有线网络而设计的。有线网络中链路的误码率 很低，数据的传输成功率较高，此时网络中发生的数据包丢失基本上都可以归 结为网络拥塞的原因。但在无线网络中，数据包丢失不一定是因为网络拥塞导 致的，很可能是因为无线链路的突发性错误，无线信道衰减以及移动设备的切 换等一些原因。无线链路传输介质的可靠性跟有线链路相比大大的降低了，链 路误码率高是导致数据包丢失的主要原卧引。此时，若t c p 协议仍将丢包原因 归结为是由网络拥塞产生的，从而错误地降低发送端的拥塞窗口值，就会导致 无线链路中的有效吞吐量和带宽利用率的降低【9 , 1 0 。所以，对网络拥塞的准确判 断是t c p 面对无线网络时需要解决的一个问题。 针对上述问题，目前已经有对无线网络中t c p 协议性能改进的多种方案， 如t c p p r o b i n g 、t c p r e a l 、t c ps a c k 1 、t c p 、缅1 0 、t c p h a c k 、j t c p 、 t c p s m a r t f r a m i n g 、s m a r t 、i - t c p 、m - t c p 、a t c p 、i l c - t c p 、t c p j e r s e y t l 2 1 、 s n o o p 、w t c p 、f r e e z e t c p 、a r q t l 3 】、f e c 1 4 】等，但还是存在着数据传输成功 率低、跨层通信、冗余数据过多等问趔5 1 。 很多的t c p 改进协议都是通过一个或者多个方面来反映网络中的拥塞状 况，但是这些所得到的测量结果可能并不能准确地反映出与网络丢包相关的特 性，对网络的实际状况的推断有一定的误差；另外，不管是无线链路导致的丢 包或是网络拥塞导致的丢包都表现出了随机性，这就给发送端在判断丢包原因 时带来了一定的难度。目前，已有一些方法针对这方面做出了改进，如 t c p - w e s t w o o d b s j 6 ，t c p c a s a b l a n c a ，t c p - a b q m ，t c p w e s t w o o d + + ，t c p w - a ， t c p f u z z y 、s t r - v e g a s 、等，它们从不同角度来区分数据包丢失的原因，其中 较为突出的是t c p c a s a b l a n c a 和t c p a b q m ，这两种算法相对简单易实现且 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 丢包区分准确率较高，很大程度地提高了t c p 性能。 1 4 本文的主要研究内容和组织结构 本文在对有线无线混合网络环境中各种t c p 拥塞控制机制和算法进行了具 体的研究的情况下，在已有的t c p 协议的基础上做出了改进，主要是通过增强 其判断数据包丢失原因的能力来实现网络资源利用率的最大化。 本文总共分为六章，各章的组织结构如下： 第一章介绍了本文的研究背景，对拥塞控制的一些基本理论进行了描述， 并指出现有的t c p 协议在无线网络中所面临的问题。 第二章首先简单的介绍了网络拥塞的基本概念，并对网络中拥塞的产生原 因进行了分析，然后描述了拥塞控制的原理，算法分类以及无线网络中的一些 拥塞控制算法改进策略。 第三章中通过分析e c n 机制中中间节点处所采取的拥塞标记方法所表现 出来的不足，提出了一种动态概率标记的拥塞标记算法。 第四章中通过分析无线链路中长时延传输造成的拥塞标记反馈信息延时给 发送端的判断带来的影响，提出了结合当前数据包的r 1 盯值来更加准确地获知 当前的网络的拥塞状况，在获得更丰富的网络信息同时，也解决了反馈信息的 时延问题，增强了算法的适应性和有效性。 第五章先对n s 2 网络模拟器的原理及基本模拟流程进行了简单的介绍，然 后对改进后算法的有效性进行模拟验证。 第六章对本文所作的工作进行了总结，并提出了未来进一步的研究方向。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1引言 第二章t g p 拥塞控制算法 本章主要阐述了与本文研究内容相关的一些基础知识，首先简单的介绍了 网络拥塞的基本概念，并对网络中拥塞的产生原因进行了分析，然后描述了拥 塞控制的原理，算法分类以及无线网络中的一些拥塞控制算法改进策略。 2 2 网络拥塞的概念及产生原因 网络拥塞发生在网络中的负载超出了网络所拥有的资源容量和网络处理能 力的时候，网络拥塞导致的结果就是网络吞吐量下降、网络资源利用率降低、 数据报延时增大、路由器缓冲队列急剧增加、分组丢失率增高，报文到达的延 时抖动加剧等，严重时还可能导致整个系统崩溃。而此时，即便负载有一点点 微小的增量都会造成网络吞吐量的急剧下降。 图2 1 给出了网络负载与t c p 吞吐量和延时之间的关系。从图中我们可以 看出，当网络中负载较小的时候，吞吐量的增长和负载之间基本呈现出线性关 系，此时延时增长比较缓慢；而当网络负载超过膝点( k n e e ) 之后，随着负载的 增加，吞吐量的增长趋于平缓，延时则开始快速增长；当网络负载超过崖点( c l i f f ) 之后，随着负载的增加，吞吐量急剧下降，而延时则急剧上升。从图2 1 还可 以看出，当网络负载在k n e e 点左右时网络的吞吐量最高。 吞 吐 量 膝点茸 点 厂 。? 负载 延 时 l 膝点崖点 f 。 负载 图2 1 网络负载与t c p 吞吐量和延时的关系 导致网络中拥塞发生的主要原因是网络能够提供的资源不能满足用户对网 络资源的需求，这些资源包括缓存空间的大小、链路带宽的容量以及中间节点 处理能力【1 7 1 。而互联网独有的设计机制使其在网络资源不足的情况下无法根据 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 网络的实际状况来限制用户的数量，从而也就无法控制用户使用资源的数量， 导致了服务质量的降低。 虽然网络拥塞是由于网络资源的缺少而产生的，但单单增加网络资源并不 能避免网络中拥塞的发生，且当缓存空间增加到一定程度后，只会使网络的拥 塞变得更加严重。这主要是因为数据包在中间路由器进行长时间的排队并被转 发后，可能已经超时，发送端已经启动超时重发机制，但这些数据包若还是继 续传送给下一个路由器，这样就造成了网络资源的浪费，进而加重了网络的拥 塞。所以我们可以看出，相对不足的网络资源才是导致拥塞发生的最根本原因。 互联网中资源和流量的不均衡分布是广泛存在的，由此导致的网络拥塞也不能 单纯地通过增加网络资源的方法来解决。另外，拥塞的问题还是一个动态的问 题，它不能单纯地依靠静态的方法来解决，而需要有网络拥塞控制协议在网络 出现拥塞时保护网络的正常运行。 综上，产生拥塞的主要原因可小结如下： 1 、缓存存储空间不足。当几个输入端口报文到达同一个输出端口时，这些 输入端口报文就要在这个输出端口的缓冲区中进行排队。若输出端口中没有足 够的缓存存储空间来存储这些排队的报文，就会造成缓冲区溢出，突发的数据 流更容易导致这种结果。从某种程度上来说，适当地增加存储空间可以暂时的 缓解网络的拥塞，但是无限量地增加存储空间的大小，会延长数据包在缓冲区 中的排队时间，从而造成数据包超时，此时发送端误认为数据包已经被丢弃而 触发了超时重发机制，这只会使网络拥塞变得更严重，也造成了网络资源的浪 费。 2 、带宽容量不足。同样拥塞也会产生在高速的数据流通过低速的传输链路 的时候。据香农理论，信道容量即信道的最大带宽值c = b x l o g ，( 1 + s 加，也 就是说发送端的数据发送速率须小于或等于信道容量，否则，网络中的低速链 路就会成为瓶颈链路，进而导致网络拥塞的产生。 3 、处理器的处理速度慢。若中间结点路由器正在执行缓存区排队或更新路 由表，此时若路由器的处理器处理速度跟不上高速链路的速度，也会导致拥塞 网络拥塞的产生。 2 3 网络拥塞控制 2 3 1 拥塞控制原理 拥塞是因为网络中存在着过多的数据包，网络流量超过了路由器的处理能 力，这时路由器会丢弃数据包，因而网络拥塞会引起数据包丢失现象的增加。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 拥塞控制就是一种使网络负载低于网络容量的机制和技术。早期的t c p 协议并 没有采用拥塞控制机制，只采用一种基于窗口的流控制机制，较易导致网络中 发生拥塞。流控制是一种局部的控制机制，该机制只涉及到发送端和接收端， 它只考虑了接收端的接收能力，并没有考虑到网络自身的传输能力。而拥塞控 制则是一种全局的控制机制，更关注传输的整个过程，将网络的传输能力也考 虑了进去。针对传统t c p 在网络拥塞控制方面所表现出来的不足，j a e o b s o n 在 1 9 8 8 年提出了慢启动算法和拥塞避免算法【1 8 】。随后出现的t c pr e n o 版本又新 增了快速重传和快速恢复这两个算法【8 ，1 9 】： l 、慢启动 当一个t c p 连接建立时，拥塞窗口值初始化为一个报文段，缺省情况下为 5 3 6 或5 1 2 b y t e 8 。发送端按照这个值的大小发送数据，每收到一个a c k 后，窗 口值就增加一个报文段。收到两个a c k 时，相应地，窗口值增加为4 个报文段。 随往返时间r t r 的增加，拥塞窗口值成指数规律增长，发送端发送的数据量急 剧增加。慢启动机制主要用来探测网络的可用带宽资源，以确保不会将大量的 报文发送到一个已经拥塞的网络中去。 2 、拥塞避免 慢启动中拥塞窗口值( e w n d ) 按照指数增加的方式太激进，会造成更加严重 的网络拥塞的，需要一个门限来使其停止。t c p 发送端设置一个慢启动门限 ( s s t h r e s h ) ，当拥塞窗口值达到该门限值时，慢启动停止进入拥塞避免阶段，接 下来拥塞窗口值按照加法规律增长，拥塞避免机制主要是在避免拥塞发生的条 件下尽可能大的增加网络的带宽利用率。如图2 2 说明了慢启动与拥塞避免机 制。 往返时延 图2 2 慢启动和拥塞避免 3 、快速重传和快速恢复 一个重复的a c k 报文段可能是由报文段丢失引起的，也可能仅仅是因为几 7 言 删 豺 拥引 a 妣姗 s 杭州电子科技大学硕士学位论文 个报文段之间的重排造成的，但是若只是由于报文段重排，则在下一个新的 a c k 产生之前，只可能产生一至两个重复a c k 。所以，若收到三个或三个以 上重复a c k 时，我们就判定出现了报文段丢失。接下来就不必等超时定时器的 溢出，而立即对丢失的报文段进行重传，即快速重传。如果接下来执行的是拥 塞避免算法而不是慢启动算法时，就是快速恢复。通常情况下，快速重传机制 和快速恢复机制是一起完成的。 当收到三个重复a c k 时，将慢启动门限设置为当前拥塞窗口值的一半，即 s s t h r e s h = c w n d 2 ，并重传丢失的报文段。另外，设置拥塞窗口值为慢启动门限 加上3 倍的报文段大小，即c w n d = s s t h r e s h + 3 ，接着以线性规律增加拥塞窗口值。 如图2 3 说明了快速重传和快速恢复机制。 拥塞 窗口 c m a d 2 3 2 拥塞控制算法分类 图2 3 快速重传和快速恢复 往返时延 拥塞控制就是网络节点采取一定的措施来避免网络中拥塞的发生或者对已 经发生的拥塞做出反应，尽量使网络中的负载保持在k n e e 点附近。拥塞控制主 要考虑两个端节点之间的网络环境，主要是使网络负载不要超过网络的数据传 输能力；接收方也同时提供流控制的机制，主要是使发送端的发送速率不超过 接收端的接收能力。拥塞控制和流控制两个一起组成了t c p 协议的数据传输速 度调整机制l 驯。 l 、根据控制理论，拥塞控制算法可以分为两大类：开环控制和闭环控制。 开环控制适用于流量特征可以准确规定、性能要求可以事先获得的情况，该算 法在设计网络的初期就将可能导致网络拥塞的各个因素全部考虑进去，力求网 络可以无阻塞的运行，但这种算法需要预留比实际所需更多的资源，降低了网 络的资源利用率。闭环控制则适用于网络的流量特征不能被准确地描述或者系 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 统不能提供资源预留的情况下。 2 、根据算法实现的位置，拥塞控制算法可以分为两大类：源算法和链路算 法。源算法在主机或者网络边缘设备中进行，用接收到的反馈信息来调节发送 端的发送速率，执行拥塞控制机制。链路算法则是通过中间设备对网络的状况 进行检测，并将拥塞信息反馈到发送端。中间节点可以比端节点更准确地了解 到网络中的拥塞状况，进而也就可以及时地采取拥塞控制措施。 3 、根据实施控制的类型，拥塞控制算法可以分为两大类：基于速率和基于 窗口。基于速率的拥塞控制通过对t c p 拥塞控制机制建模得出网络参数与t c p 吞吐量之间的关系式，然后动态地调整发送端的数据传输速率。该方法实现了 发送速率调整的平滑化，适合多媒体传输。基于窗口的拥塞控制发送端取拥塞 窗口和通知窗口中的较小者作为发送窗口值，通过调整拥塞窗口值动态改变网 络中负载量，可以对网络中的最大负载进行限制。 4 、根据网络状态的反馈信息的类型，可以分为两大类：显式拥塞控制和隐 式拥塞控制。显式拥塞控制中，端节点利用中间节点的反馈信息获知当前的网 络拥塞状态，隐式拥塞控制方式中，端节点通过流量估计、接收到重复的a c k 数据包超时等这些隐式的信号来推断网络状态，进而采取相应的拥塞控制措施。 2 4无线网络中拥塞控制算法的改进策略 2 4 1 端到端策略 端到端策略是目前研究中最多的一类方法，它与传统的t c p 思想相符合， 只是对传统的t c p 协议进行一些修改，使其适应无线网络的特性。这种方案避 免了复杂的数据链路层协议或者路由器问题的涉入，只是修改t c p 连接两端的 协议，不需要中间节点的支持，保证了从发送端到接收端的t c p 连接的完整性。 经典的t c p 协议有下面几种： n e wr e n o 算法【2 l 】的主要思想是：当多个报文段在一个窗口丢失时，t c p 连接将一直处于快速恢复阶段，直到同一窗口中丢失的所有数据都恢复才退出。 当网络中属于同一发送窗口的多个数据包丢失后，发送端启动快速重传算法之 前，接收端发回重复的a c k 通知发送端重传丢失的包，这个a c k 报文段只是 对丢失的部分数据进行了确认，叫做p a r t i a l a c k 。n e wr e n o 算法用p a r t i a l a c k 来检测窗口中丢失的数据包，很好地避免了有可能引起的多个重传超时，并基 本上解决了同一窗口中多个数据包丢失的问题。但当a c k 在传输链路途中丢失 时