（计算机应用技术专业论文）无线网络中tcp拥塞控制机制的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 t c p 协议是因特网上使用最为广泛的协议，它为用户提供了可靠的、健壮的端到端数据通信服 务，其中t c p 拥塞控制机制一直是保证因特网正常运行的关键技术之一。但是传统的t c p 拥塞控 制机制已经无法适应链路质量较差的无线网络环境，因为t c p 最初是按照有线网络来设计的，在有 线网络中网络拥塞基本上是分组丢失的唯一原因，因此t c p 假设所有丢包是由网络拥塞引起，相比 之下。无线网络具有较高的传输误码率，容易因传输出错而引起分组丢失，因此网络拥塞不再是数 据丢失的唯一原因，如果继续沿用传统的t c p 拥塞控制机制，就会造成传输速率的不必要降低，结 果导致网络性能严重下降。因此在无线网络下如何有效改进t c p 性能自然成了一项非常重要的网络 研究课题。 本文提出了一种基于自适应带宽估计的拥塞控制算法( a d a p t i v eb a n d w i d t he s t i m a t i o n c o n g e s t i o nc o n t r o l ，a b e c ) 。该算法根据t c p 确认报文返回信息来估计当前网络的实际可用带宽，在 丢包时不盲目降低拥塞窗口，而是根据当前可用带宽来设置拥塞窗口，从而提高t c p 吞吐量和网络 利用率，改进t c p 在无线网络下的性能。 该算法相比以前算法有三个方面的重要改进：通过判断报文丢失的原因来选择合适的采样间隔 时间，在丢失原因可能为网络拥塞时，增加取样间隔时间，以避免w e s t w o o d 带宽估计偏高的问题， 提高新算法和传统t c p 算法之间的公平性，在丢失原因可能为传输出错时，缩短间隔时间，以尽量 提高网络的利用率；根据网络状态自适应选择t c p 的带宽估计响应程度，如网络抖动较剧烈，则尽 量降低响应速度，保持t c p 的稳定，如网络可用带宽发生永久变化，则提高t c p 的响应速度，迅 速适应这种新的变化，保证带宽估计的准确性：通过观察往返时延的变化来探测网络中路由的变化， 带宽估计类算法需要准确获知端到端的最小往返时延，而路由的改变会使计算到的晟小往返时延失 效，导致带宽估计值偏低，因此本文通过观察往返时延的变化来判断路由是否发生变化，如发生变 化，则更新最小往返时延，提高带宽估计的准确性。 本文通过n s 2 仿真软件对a b e c 算法进行了大量的实验，在各种不同网络环境中观察它的性能， 并和其他的拥塞控制算法进行比较。仿真实验结果表明，a b e c 算法不但能有效提高t c p 在无线网 络中的吞吐量和链路利用率，同时也能保证它在有线网络中和传统t c p 的公平性，解决了w e s t w o o d 带宽估计偏高、r e 算法在无线网络中吞吐量偏低等问题，并且能够避免确认报文压缩、路由改变 等特殊网络环境带来的影响。 最后我们在l i n u x 系统上将a b e c 算法实现为一个内核模块，通过内核模块我们能够实时的切 换l i n u x 系统上的拥塞控制机制。实现后我们又在实际网络中对其进行了测试：无线网络中的传输 性能和有线网络中与传统t c p 之间的公平性。结果表明，a b e c 算法能够在保证有线网络中和传统 t c p 保持公平的前提下充分利用无线网络中的链路资源，这个结果也是a b e c 算法设计的出发点。 本文的工作对于t c p 拥塞控制机制的研究有着重要的意义，a b e c 算法除了性能优越，公平性 好之外，只需修改t c p 的发送端，可部署性强，因此有应用到现实网络中的实际意义和进一步研究 的借鉴价值。 关键词：t c p 拥塞控制机制，无线网络，带宽估计，n s 仿真，内核模块 a b s t r a c t t c pp r o t o c o l i st h em o s tw i d e l yu s e dp r o t o c o li nt h ei n t e m 吡w h i c hp r o v i d e sr e l i a b l e ，r o b u s te n d - t o - e n d d a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e a n dt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi nt c pi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st o k e 印t h ei n t e r n e ts t a b l e b u tt h eo r i g i n a lt c pw a so n l yd e s i g n e df o ral o wb e r ( b i te r r o rr a t e ) w i r e l i n e n e t w o r k , b a c a n s oi ta s s u m e st h a ta n yi o s tp a c k e ti sd u et oc o n g e s t i o nr a t h e rt h a nt r a n s m i s s i o ne “o r b u t w i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yh i g he r r o rr a t e sa n dl o wb a n d w i d t hc o m p a r e dt ow i r e d n e t w o r k s s ow h e nr a n d o ml o s so g c u i si nw i r e l e s sn e t w o r k s ，t c pm i s t a k e st h ec a u s ef o rc o n g e s t i o na n d r e d u c e st h et r a n s m i s s i o nr a t e ，l e a d i n gt ol o wp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c e u n d e rw i r e l e s sn e t w o r k si sc u r r e n t l yav e r yi m p o r t a n tt o p i c m st h e s i ss t a t e sa na d a p t i v eb a n d w i d t he s t i m a t i o nc o n g e s t i o ne o n t r o lm e c h a n i s m ( a b e c ) , w h i c hi sa s e n d e r - s i d em o d i f i c a t i o no ft h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e a c h a n i s mt h a ti m p r o v e su p o nt h ep e r f o r m a n c e o ft c pn e wr e n oi nw i r e da sw e l la sw i r e l e s sn e t w o r k s 1 1 1 ek e yi d e ni st oc o n t i n u o u s l ym e a s u r et h e b a n d w i d t ha tt h et c ps e n d e rs i d ev i am o n i t o r i n gt h er a t eo f r e t u r n i n ga c k s t h ee s t i m a t i o ni st h e nu s e dt o c o m p u t ec o n g e s t i o nw i n d o wa n ds l o ws t a g tt h r e s h o l da f t e rac o n g e s t i o ne p i s o d e , t h a ti s ，a f t e rt h r e e d u p l i c a t ea c k n o w l e d g e m e n t so ra f t e rat i m e o u t i nc o n t r a s tw i t ht c pn e w r e n ow h i c h “b l i n d l v ，h a l v e st h e c o n g e s t i o nw i n d o wa f t e rt h r e ed u p l i c a t ea c k s a b e ca r e m p t st os e l e c tas l o ws t a r tt h r e s h o l da n da c o n g e s t i o nw i n d o ww h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e f f e c t i v eb a n d w i d t hu s e da tt h et i m ep a c k e tl o s si s e x p e r i e n c e d s ot h et c pp e r f o r m a n c eu n d e rw i r e l e s sn e t w o r k si si m p r o v e d i nc o n t r a s tw i t ht h ef o r m e rs i m i l a ra l g n r i t h m s s u c ha sw e s t w o o d 。t l l e r ea r et h r 0 0s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t s f i r s t l y ，w ec a nc h o o s et h et i m ei n t e r v a lo fb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tm o r ea p p r o p r i a t e l yb ye s t i m a t i n gt h e c a u s eo fp a c k e tl o s s ，t h a ti s ，w h e nt h ec a u i sm o r el i k e l yc o n g e s t i o n ，w ep r o l o n gt h et i m ei n t e r v a lt o a v o i dt h ee s t i m a t e db a n d w i d t ht o oa g g r e s s i v e l ys ot h a tt h ef a i m e s si si m p r o v e d ；w h e nt h ec a u s ei sm o r e l i k e l yr a n d o ml o s s ，w es h o r t e nt h et i m ei n t e r v a lt ok e e pt h el i n ku t i l i z a t i o nf r o mb e i n gt o ol o w s e c o n d l y w ec a nc h o o s et h eb a n d w i d t he s t i m a t i o nr e s p o u s er a t ea d a p t i v e l yh a s e do nt h ec u r r e n tn e t w o r ks t a t e w h e n t h en e t w o r kd i t h e d n gi sh i g h , w el o w e rt h er e s p o n s er a t et ok e e pt c ps t a b l e ，b u tw h e nt h ea v a i l a b l e b a n d w i d t hc h a n g e ds i g n i f i c a n t l y , w ei n c r e a s et h er e s p o n s er a t et ok e e pt h ee s t i m a t i o na c c u r a t e l y t h i f d i y ， w ec a nc a t c ht h ec h a n g eo f r o u t eb ym o n i t o r i n gt h ec h a n g eo f r o u n dt r i pt i m e ( r t t ) b a n d w i d t he s t i m a t i o n a l g o r i t h m sn e e dt og e tt h em i n i m a lr r 丌a c c u r a t e l y , b u tt h ec h a n g eo fr o u t ew i l lm a k et h ee s t i m a t e d m i n i m a lr t tu n a c 圮u r a t es ot h a tt h ee s t i m a t e ds s t h r e s ha n dc w n da p p l i e dt ot c pa r eu n a c c u r a t e a b e ci se v a l u a t e du n d e rv a r i o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t sb a s e do nn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m 。a n dc o m p a r e d t 0m a n yt c pa l g o r i t h m s ，s u c ha st c pn e w r e n o ，w e s t w o o d ，a n dr a t ee s t i m a t i o n ( r e ) t h er e s u l t d e m o n s t r a t e st h a ta b e cn o to n l yi m p r o v e st h et c pp e r f o r m a n c eu n d e rw i r e l e s sn e t w o r k ，b u ta l s o g u a r a n t e e st h ef a i r n e s sw i t ht c pn e w r e n ou n d e rw i r e dn e t w o r k s a n di ta l s og a l la v o i dt h en e g a t i v e i n f l u e n c eo f n e t w o r kd i t h e r i n g ，a c kc o m p r e s s i o na n dr o u t ec h a n g e a b e ci st h e ni m p l e m e n t e di nl i n u xa sak e r n e lm o d u l e w j t l lw h i c hw ec a l lc h a n g et h et c p c o n g e s t i o n c o n t r o lm a c h e n i s md y n a m i c a l l ye v e nt h o u g ht h el i n u xo si so n l i n e t h ep e r f o r m a n c eu n d e rw i r e l e s s n e t w o r k sa n dt h ef a i r n e s sw i t ht c pn e w r e n ou n d e rw i r e dn e t w o r k so fa b e ca r et h e ne v a l u a t e di nr e a l n e t w o r k s t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a ta b e cp e r f o r mv e r yw e l lu n d e rb o t hw i r e l e s sa n dw i r e dn e t w o r k s i i 东南大学硕士学位论文 b e s i d e sa b e ch a sh i g hp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r k sa n dg o o df a i r n e s sw i t ht c pn e w r e n o , a b e c o n l yh a st om o d i f yt c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma tt c ps e n ds i d e ，s oa b e ch a sh i 【g hd e p l o y m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o ni nt h i sp a p e ri sv a l u a b l et oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c ei nr e a l n e t w o r k s ，a n dt h et h e s i si sm a y b eu s e f u lf o rr e f e r e n c e k e y w o r d s ：t c pc o n g e s t i o nc o n t r o l ，w i r e l e s sn e t w o r k , b a n d w i d t he s t i m a t i o n , n ss i m u l a t i o n i i i 论文插图索引 图2 - 1 缓存结构示意图5 图2 2 接收窗口示意图5 图2 - 3 发送窗口示意图5 图2 - 4 发送窗口的滑动6 图2 5 发送窗口的滑动6 图2 6 发送窗口的调整6 图2 7 当网络传输负载过大时，拥塞就会发生，网络性能下降7 图2 - 8r e d 算法中丢弃概率和平均队长的关系8 图2 - 9 慢启动的时序示意图1l 图2 1 0 慢启动和拥塞避免1 2 图2 1 1 快速重传和快速恢复1 3 图3 1 ”分离连接”方案图示2 0 图4 - 1 通过插入虚拟确认报文保证采样间隔的上限2 7 图4 2 网络拓扑。2 9 图4 3t c p 网络传输模型3 0 图4 - 4t c p w 和r e 算法在无随机错误网络中的带宽估计比较3 l 图4 5t c p w 和r e 算法在多t c pn e w r e n o 数据流无随机错误环境下的比较3 2 图4 - 6t c p w 和t c p l r 之间的公平性3 2 图4 7r e 和r e 之间的公平性3 3 图4 80 5 随机错误下t c p w 和r e 的比较3 3 图4 91 随机错误下t c p i | 和r e 的比较。3 4 图4 一1 0t c p w 和r e 在非响应流环境中的比较3 5 图4 1 1t c p w 和r e 在和r e n o ，非响应流共存下的网络中的比较3 6 图4 1 2 确认报文被压缩时的情况3 7 图5 一l 网络拓扑3 9 图5 - 2 只有拥塞丢弃的网络中c w n d 和r 力：。+ c s r 的比较4 0 图5 3 随机错误概率较高时c w n d 和r t r m 。+ c s r 的比较4 l 图5 - 4 混合状态时c w n d 和r z l 。+ c s r 的比较4 1 图5 5 判断丢包原因的方法一4 2 图5 - 6 自适应采样时间间隔4 3 图5 7a b e c 算法的公平性测试4 6 图5 - 8a b e c 算法的t c p 友好性4 7 图5 - 9t c p l | 算法的t c p 友好性。4 8 图5 1 0t c p 吞吐量v s 随机错误率4 9 图5 1 1a b e c 估计带宽v s 确认报文压缩4 9 图5 一1 2a b e c 算法v s 路由改变5 0 图5 1 3t c p w 算法v s 路由改变5 0 图6 1 网络拓扑结构5 4 图6 - 2a b e c 算法在随机错误下的有效吞吐量5 5 图6 3a b e c 和n e w r e n o 的公平性5 6 v i 东南大学硕士学位论文 论文表格索弓 表1t c p 和i p 拥塞控制机制比较1 4 表2 估计带宽和实际吞吐量列表( 两条t c p 流共享瓶颈链路) 3 3 表3 估计带宽和实际吞吐量列表( 五条t c p 流共享瓶颈链路) 3 4 表4 估计带宽和实际吞吐量( 两条t c p 流和2 m 的u d p 流共享瓶颈链路) 3 6 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所，国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：臻导师签碑日期：- - 钐, 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景和目标 第一章引言 随着因特网的迅速发展和广泛应用，人类进入了真正的信息时代，因特网以其信息的即时性、 交互性、快速、无地域限制以及信息丰富等特征而已经成为人们获取和收集各种信息的最主要来源。 因特网中的数据传输协议主要采用t c p i p 协议族，其中t c p 协议是因特网上使用最为广泛的协议， 它为用户提供了可靠的、健壮的端到端的数据通信服务j 。根据m c i 的调查，因特网上总字节数的 9 5 和总数据报文数的9 0 都是使用t c p 协议传输的 0 2 j ，由此可见t c p 协议的流行及其重要。为 了保证网络的正常运行，t c p 在传输时必须考虑网络的可传输能力，因此现在的t c p 协议中都包含 了拥塞控制机制，如传统的t c p n e w r e n o ，它通过线性增加指数衰减( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ，a i m d ) 的方式控制拥塞窗口的大小1 0 3 1 。进而控制发送方注入网络的数据量。该机制首先 以线性逐步增大发送窗口，一旦发现分组丢失。就将拥塞窗口减半，从而降低发送速率，保证网络能 够稳定的运行。目前这种拥塞控制算法已经在误码率低的有线网络中取得较好的性能。可以说，t c p 拥塞控制机制是维持网络顺利运行的关键技术之一。 最近几年，移动设备的不断普及使得人们可以更方便更自由的进行工作，这也使得无线网络的 需求越来越商，人们希望能够在任何时间、任何地点访问互联网，因此可以预计无线网络将会是未 来i n t e m e t 的一个重要组成部分。目前几乎所有网络都采用了t c p i p 协议族作为网络传输协议，因 此在无线网络中使用t c p i p 也是必然的趋势，然而已经有数据表明州1 0 5 1 ，t c p 在无线网络中的性 能非常低劣。例如t c p 在误码率为2 3 的1 e e e8 0 2 11 网络中所获得的吞吐量只能达到总带宽的 4 9 ，同样情况下t c p 在i e e e s 0 2 1 i b 网络中只能达到3 9 1 蚶州。又例如t c p 在误码率( b i t e r r o r r a t e ， b e r ) 为2 的蜂窝无线网络中只能获得2 7 | 3 的吞吐量i u ，j ，其中t c p 报文大小为1 3 7 1 字节。产生 这种性能低劣现象是因为t c p 最初是按照有线网络来设计的，有线网络非常可靠，误码率非常低以 至于可以忽略，而相比之下，无线网络具有较高的传输误码率，因此也就使得t c p 在传输过程中可 能会因为无线网络传输出错而产生报文丢失，也就是说在无线网络中除了丢包是由于拥塞引起的， 还有很大可能是由于传输出错引起的。但是前面提到，t c p n e w r e n o 假设所有丢包都是由于网络拥 塞引起的，即使发现因传输出错而丢失的数据包也认为是网络发生了拥塞，盲目的降低发送速率， 导致t c p 的传输性能下降，也使得网络资源利用率过低。同时无线网络的传输速率相对较低，即发 送时延相对较高，t c p 窗口增大速率相对较慢，过低的慢启动阂值也使得t c p 数据流所在的链路在 很长一段时间内无法获得很高的链路利用率。 t c p 在无线网络中性能低劣的问题严重影响了t c p 协议在新网络环境中的应用，同时也阻碍了 无线网络的进一步普及。因此，如何提高t c p 在无线网络中的传输性能成了当前网络领域的一个热 门课题。 最直接最有效的办法就是改进端系统的t c p 协议，使其在无线网络下也能同样获得很好的传输 性能，但我们在改进时也必须考虑新协议的兼容性和可部署性，改进的协议必须能够和传统的t c p 很好的共存，且必须在网络中能够很方便的部署，使其迅速有效的应用起来。拥塞窗口是影响t c p 传输速率的最关键因素，慢启动阈值又是拥塞窗口的起点( 拥塞避免阶段) ，因此，改进t c p 协议 的重点就是改进慢启动阈值和拥塞窗口的设置方式。而我们知道，这两个参数都是在t c p 发送端的 拥塞控制机制中进行设置的，因此改进t c p 发送端的拥塞控制机制就能改进t c p 在无线网络中的 传输性能，它不需要对t c p 接收端进行任何改动，可部署性很好。 因此，本文的研究目标就是改进t c p 拥塞控制机制，使其在无线网络下的传输性能得到提高， 并仍能和传统t c p 之间保持友好公平。 第一章引言 1 2 论文的主要贡献 本文提出了一种基于白适应带宽估计的拥塞控制算法( a d a p t i v eb a n d w i d t he s t i m a t i o n c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 a b e c ) 。该算法通过t c p 确认报文返回的时间间隔及其确认的数据量来估计当前 网络的实际可用带宽。在遇到分组丢失时不盲目降低拥塞窗口，而是根据当前可用带宽来设置拥塞 窗口，从而提高t c p 吞吐量和网络利用率，改进t c p 在无线网络下的传输性能。该算法相对于已 经提出的带宽估计算法w e s t w o o d 0 6 有三个方面的改进，首先是通过判断分组丢失的原因来选择合 适的采样间隔时间，在丢包原因可能为网络拥塞时，增加间隔时间，以避免因t c p 数据的突发性而 导致带宽估计偏高，提高新算法和传统t c p 之间的公平性，在丢包原因可能为无线网络传输出错时， 缩短间隔时间，以提高网络的利用率：接着是根据网络状态自适应选择t c p 的带宽估计响应程度， 如果网络抖动比较厉害，则降低响应速度，保持t c p 的稳定，如网络可用带宽发生永久变化，则提 高响应速度，保证带宽估计的准确性：最后是通过监视往返时延的变化来探测网络中路由的变化， 带宽估计类算法需要准确获知端到端的最小往返时延，而在无线网络中，移动主机经常需要在不同 的无线接入点之间进行切换，也就是说路由会经常发生改变，因此最小往返时延也会相应发生变化， 使带宽估计算法测量到的最小往返时延不再是真实值，进而导致带宽估计不准确，因此本文提出的 a b e c 算法通过监视往返时延的变化来分辨是路由变化还是持续拥塞，提高带宽估计的准确性。 本文通过n s 2 o ”仿真环境对该算法进行了多种网络环境下的仿真，并和现有一些拥塞控制算法 进行比较。结果表明，a b e c 算法不但能有效提高t c p 在无线网络中的吞吐量和链路利用率，同时 也能保证在有线网络中和n e w r e n o 的公平性，解决了w e s t w o o d 带宽估计偏高、r e 算法在无线网 络中吞吐量偏低等问题，并且能够避免确认报文压缩、路由改变等特殊网络环境带来的影响。 最后我们在l i n u x 系统上以内核模块的方式实现了a b e c 算法，该方式使得我们能够实时的切 换l i n u x 系统上的拥塞控制机制。并且我们在实际的网络中对a b e c 进行了两项重要的测试：无线 网络中的性能和有线网络中的公平性。这两个测试的结果都验证了a b e c 算法能够在保证有线网络 中和传统t c p 保持公平的前提下充分利用无线网络中的链路资源，这个结果也是a b e c 算法设计的 出发点。 概括的说，本文在研究和实现a b e c 算法时主要有以下几个创新点： 提出自适应带宽估计算法，适应有线网络和无线网络对新算法的不同要求。 提出自适应网络响应速率算法，保证带宽估计算法的稳定性。 提出路由改变检测算法，保证最小往返时延测量的准确性。 以内核模块方式实现a b e c 算法，方便l i n u x 系统实时切换t c p 拥塞控制算法。 1 3 论文的主要内容和组织结构 本文主要针对传统t c p 在新的无线网络环境中性能低劣的问题，提出了自一种基于自适应带宽 估计的拥塞控制算法，该算法不但能够使t c p 在无线网络中能够充分的利用可用带宽，同时又能在 有线网络中和t c p n e w r e n o 保持友好公平。 论文的内容安排如下： 第二章，主要介绍了t c p 协议的主要原理，并对拥塞控制机制进行了详细的分析，包括网络层 拥塞控制策略和传统的t c p 拥塞控制机制，介绍了无线网络的特征和它相对于有线网络的几个不同 点，最后指出现有的t c p 拥塞控制机制在无线网络中面临的问题。 第三章，主要介绍了目前已经提出的一些解决t c p 无线问题的解决方案，包括“端到端”、“中 间结点”、“链路层”和“分离连接”这四种解决方案，并在介绍过程中指出了每一种解决方案的优 缺点，最后给出本文选择基于带宽估计的拥塞控制算法作为主要研究方向的原因。 第四章，首先给出了基于带宽估计拥塞控制算法的理论依据，接着说明带宽估计算法解决t c p 2 东南大学硕士学位论文 无线网络问题的有效性，之后给出带宽估计算法估计网络可用带宽时需要解决的问题，然后着重对 带宽估计算法的两种不同类型算法( w e s t w o o d 算法和r e 算法) 进行了详细的分析、比较和仿真验 证，最后给出这两种算法各自的优缺点，并加以总结。 第五章，根据前一章对现有带宽估计类算法的分析，提出了一种新的基于自适应带宽估计的拥 塞控制算法a b e c ，并从自适应估计、自适应响应速率和路由改变检测三个方面对其进行了详细的 论述，并在最后通过多个仿真实验和现有算法进行验证和比较。 第六章，首先给出如何在l i n u x 内核中以内核模块方式对a b e c 算法进行实现，并在实际网络 环境中对a b e c 算法和t c p n e w r e n o 算法进行比较和测试。 在第七章中，我们对本文所作的工作进行了总结，同时也指出了研究存在的不足，并提出了未 来可能进一步研究的方向。 3 第二章研究基础 第二章研究基础 2 1 t c p 协议和网络拥塞控制 2 1 1t c p 协议 t c p 协议全称为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 ，是目前互联网上应用最广泛的传输层协议。它 主要提供端到端可靠的字节流传送服务。 t c p 是一个面向连接的协议，即在端系统进行数据传输之前要建立连接，连接属于全双工方式 ( 即数据可以在两个方向上同时进行传输) 。t c p 在不可靠的i p 网络层上提供可靠的数据传输服务， 即所有被传输的数据最终都应到达接收端。在t c p 中，接收端对其所接收的每一个分组都进行确认， 在一定时间范围内没有得到确认的分组会被发送方重新进行发送。接收端如果收到一个重复的分组， 将会丢弃该分组，如果收到乱序的分组，则对这个分组进行重新排序。每个分组都会有自己对应的 序列号，发送方可以通过分组确认报文获得接收端所希望接收的下一个分组的序列号。当通信双方 均有数据要发送时，t c p 可以将确认信息放在数据分组中发送以减少控制信息带来的额外流量。t c p 协议对数据单元的传输及重传策略，对于网络的拥塞状况有着深刻的影响。 概括一下，t c p 协议主要有以下几个特点： 1 ) t c p 协议为应用层提供了以下服务： 流交付服务t c p 协议允许发送进程以字节流的形式来传递数据，而接收进程也把数据作 为字节流来接收。这样，t c p 协议使得两个进程好像在一个假想的“管道”中传送两个进 程的数据。 全双工服务即数据可在同一时间双向流动。每一个t c p 端系统都有发送缓存和接收缓 存，而两个方向都可以发送报文段。 面向连接服务t c p 通过一条虚拟连接来传送数据。当t c p 报文被封装成i p 分组后，每 一个分组可以走不同的路径来到达目的端，因此收到的l p 分组可能会乱序，可能会丢失， 或者受到损伤，并可能经过重传。但是t c p 创建了面向流的环境，它负责按顺序将完整的 数据交付给应用程序。 2 1 流量控制 流量控制定义了发送端在收到从接收端发来的确认之前可以发送的数据量。t c p 协议在缓 存上定义了一个窗口，缓存是用来暂时存放从应用程序传递来并准备发送的数据，t c p 发 送端就根据这个窗口的大小来发送数据。这就是所谓的滑动窗口机制。 3 ) 差错控制 t c p 是可靠的传输层协议，这就表示，当应用程序把数据流交付给i p 层后，t c p 协议应 当把数据流按顺序，没有差错，没有损伤地交付给另一个应用程序。为了实现差错控制， t c p 协议采用了以下几种机制：检测受到损伤的、丢失的、失序的和重复的数据包；在检 测到差错后，能够纠正差错。 4 ) 拥塞控制 互联网由许多网络和连接设备组成。发送端发送的分组要经过多个路由器后才能到达最后 的接收端。路由器为了保证链路的利用率，一般都会提供缓存来暂时存储突发到达的分组， 但是当路由器接收过多的分组时，就可能导致路由器缓冲区溢出，即该路由器节点发生拥 塞，部分分组就会被丢弃。当发送端重传这些分组时，会造成更加严重的拥塞，以致于使 网络瘫痪。因此我们必须在端系统采用一些拥塞控制机制来保证网络不会发生拥塞，同时 4 东南大学硕士学位论文 又能充分利用网络的链路资源。t c p 协议采用了慢启动，拥塞避免等算法来对网络拥塞进 行控制，从而在一定程度上保证网络的稳定运行。 下面重点介绍一下t c p 协议采用的滑动窗口机制。滑动窗口的大小规定了t c p 发送端同一时 间可以注入网络的数据量，在一种极端情况下，滑动窗口为1 个字节，这时t c p 只可以发送一个字 节的数据，然后等待接收端的确认。这样的话，发送端就会把很多时间都浪费在了等待上。另一种 极端情况是滑动窗口无限大。这时t c p 的发送端可以一次把所有的数据都发送给接收端，而不必等 待确认，但是这时接收端很有可能无法及时处理接收的数据，从而导致分组大量丢失。 上述两种数据发送方法的效率都不是很高，t c p 采用了一种称为滑动窗口机制的折衷方法。 两个主机各为一个连接设置一个窗口，该窗口只占缓存的一部分，该窗口的大小规定了主机可 以发送出去但还未得到接收端确认的数据的最大值。可以发送而不必考虑从另一个主机发来的确认。 该窗口称为滑动窗口，因为当发送的数据获得接收方的确认时该窗口能够在缓存上向前滑动。 1 ) 发送缓存 发送缓存的结构示意图如图2 1 所示： 一空的 、 城什霞白朋芏州 一 部分 。 女m i，j4 l ! + m 、巴反琏戗木敢硼认己确 i 图2 - 1 缓存结构示意图 第2 0 0 个字节以前的是已经发送且己被确认的。发送端可以重用这部分缓存。字节2 0 0 - - 2 0 3 已 发，但是还没有收到确认。发送端必须保留这些字节，以便在它们发生分组丢失时进行重传。字节 2 0 4 - , 2 1 0 在缓存中，还没有发送出去。 2 ) 接收窗口 接收窗口的示意图如图2 - 2 所示： 图2 - 2 接收窗口示意图 应用程序下一个要读取的字节是字节1 9 4 ，接收端期望接收到的下一个字节是1 9 9 。如果接收缓 冲的总容量是n 而已经占用了m 个位置，那么现在只能再接收n m 个字节。这个数值就是接收窗 口的大小。 3 1 发送窗口 发送窗口控制发送端的数据流量，它会根据对方的接收窗口进行调整，一般情况下，它小于或 等于对方的接收窗口如图2 - 3 所示 大小= 接收窗口 l i 2 0 5 2 0 4 沥彰沥髟沥形够铴 i 图2 - 3 发送窗口示意图 当前发送窗口与接收窗口的大小相等。但是这并不表明发送端可以再发送四个字节。它只能发 三个字节，因为已经发了一个字节。图上箭头所指字节为下一个要发送的字节。 4 ) 发送窗口的滑动 5 第二章研究基础 发送端会根据接收到的确认，来调整发送窗口的大小。如下图2 - 4 ，接收窗口为4 ，下个要发送 的字节是2 0 1 。 大小= 接收窗口 i li 2 0 5 2 0 4 沥钐沥豹殇鲵2 黝 图2 _ 4 发送窗口的滑动 当发送端接收到字节2 0 0 的确认( 期望接收字节2 0 1 ) 且接收窗口大小不变时，发送端就要滑 动它的发送窗口，如下图2 - 5 所示 l2 0 5 沥彩磁形饧彩沥钐渊 图2 5 发送窗口的滑动 原字节2 0 0 所占据的缓存可以继续被使用。整个发送窗口向前移动了一字节。 5 ) 发送窗口的调整 当t c p 接收端从网卡接口上读取数据的速度和应用程序读取的速度不相符时，接收方就需要告 知发送方调整发送窗口的大小，告知方式是接收方向发送方发送接收窗口的大小，当发送窗口与接 收窗口大小不相等时，自动将发送窗口调整为接收窗口的大小。以扩大发送窗口为例，当发送方收 到确认时，接收方通知发送方调整发送窗口为6 ，则发送方对其进行调整，如图2 - 6 所示： 2 1 2 拥塞控制概述 l 沥彩饧彩沥彩沥钐沥豹殇朔湖 图2 - 6 发送窗口的调整 i n t e m e t 在过去的几十年中经历了飞速的发展，通信量的增加使得主干网日益拥塞。1 9 8 6 年1 0 月，由于拥塞崩溃的发生，美国l b l 到u cb e r k e l e y 的数据吞吐量从3 2 k b p s 跌落到4 0 b p s 。在那之 后，人们在拥塞控制领域便开展了大量的研究工作。 据统计，i n t e m e t 上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议，所以t c p i p 的拥塞控制机制对网络的 正常运行具有重要的意义。目前，i n t e r a c t 中主要使用的是t c p 拥塞