（计算机应用技术专业论文）有线无线网络中基于丢包区分的tcp改进研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 t c p 是基于有线网络而设计的，并认为网络发生的丢包是拥塞丢 包。但是，无线网络常常伴随着无线发送错误丢包。在这种情况下启 动拥塞控制机制就必然减小发送端的拥塞窗口。丢包区分的目的，就 是对丢包原因进行区分，避免无视丢包原因而采取过激的拥塞控制机 制，从而提高网络性能。 本文首先讨论了吞吐量的相关信息，找出了t c p 在无线网络中 性能低下的原因，是缺乏区分丢包和对不同的丢包进行相应的处理； 接着对一些丢包区分的思想进行归纳和分析，得出a b q m 丢包区分 思想能够反映网络状况的变化。在此基础之上，本文做了如下工作： 首先为了保证在标记间隔内只有一个o u t 分组，提出一种自适应 调整机制。这种机制采用a i m d ( 1 ，口) 来调节标记间隔，变动乘性因 子a 是根据3 次统计中o u t 丢失分组个数来变化，使标记间隔反映网 络的实际状况。 其次对于连续丢包还是单个丢包的情况下，提出就近原则算法来 区分丢包。通过丢失分组前接收到的最大序列号分组的标记、标记间 隔、序列号和丢失分组的序列号，接收端可以计算出丢失分组的标记。 再次提出了在发送端标记间隔赋值方式，为了保证丢包区分的准 确性，对标记间隔变化范围进行了确定，在不同环境中得到了最大标 记间隔等于瓶颈链路缓存队列容纳分组最大个数。 由此得到了a + b q m 丢包区分方法。实验表明，不管在有没有无 线错误丢包下，a + b q m 方法不仅能够提高网络的性能，而且也具有 比较高的准确率、健壮性和公平性。 关键词有线无线网络，丢包区分，a i m d ，自适应调节，区分队 列 硕+ 学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t c pi sd e s i g n e db a s e do nw i r e dn e t w o r k a n dc o n s i d e r sa l l l o s s e sa s c o n g e s t i o ns i g n a l s b u ti to f t e ng o e sw i t hw i r e l e s sl o s s e si nw i r e l e s sc i r c u m s t a n c e ，s ot r i g g e r i n gc o n g e s t i o nc o n t r o lw i l lr e d u c et h es e n d e r s c o n g e s t i o nw i n d o w t h ea i mo ft h el o s s d i f f e r e n t i a ls c h e m ei st od i s t i n g u i s hc o n g e s t i o nl o s s e sf r o mw i r e l e s sl o s s e s ，b yt h i sw a ya v o i d i n g s t a r t u p i n gc o n g e s t i o nc o n t r o lb l i n d l ya n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h er e l a t e di n f o r m a t i o no ft h et h r o u g h p u t ， a n df i n d so u tt h er e a s o n sf o rp o o rp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r k t h i s c a nb ea t t r i b u t e dt ot h el a c ko fl o s s d i f f e r e n t i a la n dr e l e v a n td i s p o s a l ，t h e n w es u m m a r i z e da n da n a l y s e ds o m eo t h e ri d e a so ft h el o s s - d if f e r e n t i a l s c h e m e s ，a n dc o n c l u d e dt h a ta b q ms c h e m ec a nr e s p o n dt ot h ec h a n g eo f n e t w o r ks t a t e s ，b a s e do na b q ms c h e m e ，t h ep a p e ri m p r o v e st h es c h e m e f r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l yi no r d e rt oe n s u r eo n l yo n ep a c k e tm a r k e do u ti nam a r k e d i n t e r v a l ，w eg a i nt h es e l f - a d a p t i v ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mw h i c ha d o p t s a i m d ( 1 ，a ) t oa d j u s t t h em a r k e d - i n t e r v a l ，t h ev a r i a b l eac h a n g e s a c c o r d i n gt ot h e n u m b e ro fp a c k e t sm a r k e do u ti n c o n t i n u o u st h r e e 1 0 s s e s ，a n dm a k e sm a r k e d - i n t e r v a lr e s p o n d st oa c t u a ln e t w o r ks t a t e s s e c o n d l yf o r c o n t i n u o u sl o s s e so r s i n g l e l o s sw ep r o p o s et h e p r o x i m i t yp r i n c i p l ea l g o r i t h mt od i f f e r e n t i a t et h e mo ri t b ys e q n oo ft h e l o s tp a c k e tt o g e t h e rw i t hb i a s ，m a r k e d - i n t e r v a la n ds e q n oo ft h eb i g g e s t p a c k e tw h i c hi ss e e nb e f o r et h el o s tp a c k e t ，t h er e c e i v e rc a nc a l c u l a t eb i a s o ft h el o s tp a c k e t o n c em o r ew ep r o p o s et h ea s s i g n e dw a yo ft h em a r k e d - i n t e r v a li n t h es e n d e r i no r d e rt og u a r a n t e et h ep r e c i s i o no fl o s s d i f f e r e n t i a ls c h e m e ， t h ep a p e rc o m f i r m st h er a n g eo fm a r k e d - i n t e r v a la n dt h em a x i m a lv a l u e o fm a r k e d - i n t e r v a le q u a l st ot h ev a l u et h a tt h eb o t t l e n e c kl i n kc a n a c c o m m o d a t et h ep a c k e t si nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e t h e r e o u t ，t h ep a p e ra t t a i n sa + b q ms c h e m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w sa + b q ms c h e m en o to n l yi m p r o v e st h en e t w o r k sp e r f o r m a n c e ， b u ta l s oh a sh i g h e ra c c u r a c y ，r o b u s t n e s sa n df a i r n e s si na n yc i r c u m s t a n c e 硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d sw i r e d - w i r e l e s sn e t w o r k ，l o s s d i f f e r e n t i a ls c h e m e ， a i m d ，s e l f - a d a p t i v ea d j u s t m e n t ，b i a s e dq u e u em a n a g e m e n t 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特另t i , d n 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：烨魄堕年月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 盏 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1t c p 概述及拥塞控制机制 随着通信和网络技术的发展，网络的范畴也从单一的有线扩展到有线网络和 各种无线网络的混合，在一个集成了w a n 、l a n 、w l a n 和3 g 的混合网络中， 传统的t c p 已不能满足网络的需要，但t c p 仍然是目前网络中的核心组成部分。 1 1 1t c p 概述 t c p i ( 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 ，传输控制协议) 是专门为了在不可靠的 互联网络上提供可靠的端到端字节流而设计的。互联网络与单个网络不同，因为 互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑、带宽、延迟、分组大小和其他的参 数。t c p 的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且当面对多种失 败的时候依然足够健壮。 t c p 通过以下技术来提供可靠的数据通信： ( 1 ) 应用数据被分割成t c p 认为是最适合长度数据链来发送，而由t c p 传 送到i p 的信息单元叫做数据段。 ( 2 ) 当t c p 发送一个数据段时，维持一个定时器，等待接收端确认已接收到 数据。如果确认没有及时收到，发送方重新发送该数据段。 ( 3 ) 当t c p 一端接收到数据段时，不会立即发送确认，一般来说要延迟一段 时间，这种确认方式我们叫它为“延迟确认”。 ( 4 ) t c p 在报头有一个端到端校验码域，其目的就是探测传送数据的改变， 如果接收到的数据段具有一个无效的校验码，t c p 接收端丢弃它，同时也不确认 该数据段。 ( 5 ) 由于t c p 数据段是通过i p 来传输的，而i p 传送可能引起无序，所以 t c p 接收端需要负责重新排序数据段，然后把数据传递给应用层。 ( 6 ) 通过i p 传送，也可能造成i p 数据报的复制，t c p 接收到这样的数据段 会丢弃它。 ( 7 ) t c p 也提供流控，连接的双方拥有有限的缓冲空间，接收端只允许发送 端发送能够缓存的数据量。 硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 拥塞控制机制 拥塞控制机制是t c p 协议的核心。最初的t c p 协议中，只有流控s o ( f l o w c o n t r 0 1 ) 而没有拥塞控制，接收端利用t c p 报头将接收能力通知发送端，这样的 控制只考虑到了接收端的接收能力，而没有考虑到网络的传输能力，从而导致了 网络崩溃( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 的发生。1 9 8 6 年l o 月，由于拥塞崩溃的发生，使 得美国l b l 到u cb e r k e l e y 的数据吞吐率从3 2 k b p s 跌落到4 0 b p s l 引。在那以后， 拥塞控制领域开展了大量的研究工作，拥塞控制算法对保证i n t e m e t 的稳定运行 具有非常重要的作用。 在拥塞控制实现算法方面，于1 9 8 8 年j a c o b s o n 首先提出了把几种革新的拥 塞控制算法运用到t c p 协议中，就是t c pt a h o e ，它包含了慢启动( s l o ws t a r t ) 、 加性增乘性减( a d d i t i v ei n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 3 j 和快速重传( f a s t r e t r a n s m i t ) 。两年后，快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 增加到一个新的t c p 协议中一t c p r e n o l 4 。，而目前t c pr e n o 是i n t e m e t 主要的t c p 版本。 随后的几年，涌现出许多t c p 协议的改进版本，如t c pn e w r e n o l 5 j 、t c p s a c k 引、t c pv e g a s 1 7 】等引入了拥塞控制机制，目前为止，t c p 协议改进版本包括 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等拥塞控制算法。而在具体的拥塞感知 方面，t c p 协议根据由t c p 接收端返回来的a c k ，当接收到3 个重复的a c k 时，确认为网络中出现丢包，并归咎于网络拥塞引起的，同时发送端根据a i m d 算法机制自适应调整拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w ，c w n d ) 。可以说a i m d 机制 在最近一段时间得到广泛的应用，但随着网络的发展，a i m d 机制的不足不断现 露出来，不能满足如实时多媒体应用的需要。 1 2 无线网络t c p 面对的问题 首先，问题出现在对拥塞控制的检测上。现在，由于有线网络环境中，传输 错误而导致的分组丢失情况相对较少发生，因此，i n t e m e t 上的大多数传输超时 都是由于拥塞而引起的。而在无线链路的环境中，传输介质的可靠性相比有线电 缆而言大大降低，链路的误码取代网络拥塞成为分组丢包的主要原因。由于此时 t c p 协议仍旧会将网络的丢包归结为网络拥塞造成的，从而会错误的降低发送端 的拥塞窗口，并由此带来无线链路中有效吞吐量和带宽利用率降低。针对这些问 题，特别是在有线无线的混合网络中，需要对丢包的原因进行区分，对由于链 路的误码只进行重传，不需减少拥塞窗口，而网络拥塞造成的丢包，t c p 对拥塞 窗口采取相应的动作。所以也出现了大量集中于区分无线丢包和拥塞丢包机制的 2 硕十学位论文第一章绪论 改进，如t c p s p i k e t 8 1 、t c p b i a z 9 1 、t c p z i g z a g l l0 1 、t c p z b s t l0 1 、t c p s p 1 i t i l l 、 t c p s n o o p 1 2 】【13 1 、i - t c p 1 4 1 、t c p d c r b s 、w t c p l l 6 】【1 7 1 1 1 8 l 1 9 l 、w t f r c l 2 0 、p l c 2 1 、 t d 2 2 1 、s p l d t 2 3 1 、t f r c j r 2 4 1 、t c pl d 2 5 1 ，但没有一种丢包区分机制得到令人 满意的广泛推广。 另一个问题则是在测量的角度上。许多基于丢包区分的t c p 改进通过一个 或者多个测度来反映网络的某种特性，但是却没有考虑到测量的结果是否能够准 确反映与丢失相关的特性，所以也就造成了对网络实际状况推断的偏差；特别是 最近有人研究了关于l 册和吞吐量的变化与网络拥塞的关系，如s a a db i a z 等人 提出r 1 阿和拥塞窗口之间的关系是非常微弱的啪1 ，也就是说任何使用r t t 来推 断出网络拥塞不是必然的；另外，无论是无线丢包还是拥塞丢包都表现出丢包的 随机性，这也就增加了判断丢失原因的难度，在拥塞程度低的情况下，r t t 和分 组到达间隔时间的增加并不是由于网络拥塞丢包引起的。还有就是涉及到了跨层 通信问题，往往这些跨层由于在分组丢包和无线错误采取不同的机制进行恢复， 这必然会影响到传输层对丢包原因的判断。目前，针对此问题展开的研究方兴未 艾，t c p w e s t w o o d 2 7 1 1 2 8 】f 2 9 1 、l i m d h d o 、t c p c a s a b l a n c a d 、t c p a b q m l 3 姐、 t c p w e s t w o o d + + 【3 3 1 1 3 4 1 3 5 1 、t c p w - a 1 3 6 1 、t c p v e n o 【3 7 1 3 8 1 1 3 9 4 0 4 、t c p f u z z y 4 2 】f 4 3 】、 s t t - v a g a s t 4 4 】、t c ps a n t ac i - i l z l 4 5 1 、t c pf r e e z e - p r o b i n 9 1 4 6 l 一大批研究成果在最近 几年脱颖而出，它们从不同的角度来区分丢包的原因，其中最为突出的是 t c p c a s a b l a n c a 和t c p a b q m 提出的思想，实现简单、丢包区分准确率也高， 同时很大的程度上提高了t c p 的性能。但是却也有许多不足之处， t c p c a s a b l a n c a 中采用固定的标记间隔参数，不能够根据网络的状况自行调节。 后来，t c p a b q m 克服了这个问题，采用自适应调节标记间隔参数，但是却不 能保留t c p c a s a b l a n c a 的思想，自然而然在实现中遇到了阻碍。 综上所述，对于新的网络环境，t c p 协议在实际应用中遇到了越来越多的问 题，而主要集中在传统t c p 协议的改进，故本文致力于在t c p a b q m 的基础上 进行改进，由于t c p a b q m 是根据某种特定的队列管理模式进行区分，并通过 反馈机制影响t c p 的窗口调整，通过标记间隔参数的自适应调节来提高区分的 准确率，但是因为该调节并不能反映网络的状况，也就与原来的设想大相径庭。 比如在无线链路误码率比较高时，标记为o u t 分组被丢弃了，而接收方却判断是 网络拥塞所为，固然启动不必要的拥塞控制机制，结果也就降低了网络的性能。 本文认为这都是由于不能够正确调节标记间隔引起的，所以提出了在a i m d 机 制上，采用变动的乘性因子，使标记间隔的变化能够反映网络的状况；同时变动 标记间隔所带来的丢失分组标记辨识困难问题，本文提出了就近原则算法给予解 决：最后确定了标记间隔的变动范围并验证其合理性。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究内容和论文结构 1 3 1 研究内容 针对t c p 协议在新的网络环境中出现的种种问题以及上述提到的两个关键 协议，本论文集中于能够自适应的调节标记间隔这个重要的参数，其中参数调节 采用a i m d 变动的乘性因子，而这个因子是根据网络的状况来变动的；最重要 的是解决了由于标记问隔的变化引起接收方无法确定丢包分组标记的难点；另 外，通过实验分析验证标记间隔的调节范围和影响范围的因素。经过测试可知， 改进后的网络更公平、更健壮，且丢包区分准确率更高。 首先，为了和t c p c a s a b l a n c a 协议中丢包区分机制“d e r a n d o m i z e ”的基 本思想一致，在协议的发送方规定只有当用原来的标记间隔标记完所有的分组后 才可进行标记间隔的更新，这样保证调节后的标记间隔真正意义上根据网络的状 况做出的调整，并且反映到分组的标记中；提出为了使t c p 接收方能够熟知标 记间隔的变化，采用类似e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) 中的t c p 层捎带机 制，由t c p 层进行信令传递。虽然存在着时间上的延迟，但是在后面的实验分 析中证明了这和取得性能提高相比是值得的。 其次，针对t c p a b q m 中对标记间隔更新调节的不适，本文提出了a i m d 的乘性因子根据网络的实际状况进行变动调节的方法，实际测试表明，变动因子 相对于固定因子更能提供网络的公平性和稳定性；而对于标记间隔更新的事件采 用基于事件驱动的方式，也就是说根据接收方反馈回来的a c k 来确定网络的状 况，相比于基于时间驱动的根据历史数据和当前的采样进行统计的方法，该方法 实现简单，也能够反映网络的运行情况。 最后，由于标记间隔的变化，在接收方接收到无序的分组时，不能通过使用 该分组的序列号与标记间隔求余获得，因为标记间隔是变化的，从当前的角度无 法知道丢失分组标记。而本文提出了相应的算法和实现；同时也确定了标记间隔 的变动范围和共享瓶颈链路缓存的队列的关系，指出了在其它环境下范围的变 化。通过仿真可知，该算法克服变化的标记间隔给接收方带来的影响，提高了丢 包区分算法的准确率以及t c p 的性能和公平性。 1 3 2 论文的结构 本文其余章节的内容安排如下： 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析。从t c p 吞吐量公式来分析无线 4 硕+ 学位论文第一章绪论 网络对t c p 性能的影响，并且用n s 2 网络仿真平台仿真其变化，为改进t c p 在 无线网络上的性能提供研究的目的。 第三章改进t c p 的相关研究。分析和研究了基于丢包区分来提高t c p 性能 的相关方案，指出其优点和缺点，从而为本文研究工作奠定理论基础。 第四章a + b q m 丢包区分机制。概述了改进丢包区分机制a + b q m 的原理， 并用n s 2 仿真得到在不同的网络环境下最佳的最大标记间隔，同时也验证采用 a i m d 变动乘性因子更适合丢包区分。在t c pn e w r e n o 协议基础上引入改进 a + b q m 丢包区分机制，得到t c p a + b q m 协议。并运用n s 2 网络仿真平台进 行模拟分析，指出该协议中的丢包区分算法更能够准确地区分丢失分组的原因， 同时提高了网络的性能。 第五章结束语。对本文进行总结并指出下一步的研究方向。 1 4 本章小结 本章首先概要的介绍了t c p 协议和其中的拥塞控制机制，指出当前传统t c p 协议在新的网络环境下存在的问题，并针对此问题，介绍了国内外的一些研究方 案和进展，并由此引出本文的研究内容，最后列出了本文的结构。 硕士学位论文第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 与有线网络相比，无线网络通常表现出高的误码率、有限的链路带宽、传输 时延大及时延抖动大、主机或路由器频繁移动等特性，这些特性使得在有线网络 中运行良好的t c p 并不适合于无线环境。 2 1 无线传输错误对t c p 吞吐量的影响 传统t c p 是基于有线网络设计的，并认为网络丢包是拥塞丢包，一旦发现 数据包丢失，发送方就减小拥塞窗口大小，因为无线传输错误会造成数据包丢失， 所以发送方把无线传输错误丢包也归结为拥塞丢包，并无谓的减小窗口大小，从 而造成吞吐量的严重下降。 经典t c p 吞吐量【47 j 是丢包率p ，平均往返时间r 刀，第一次超时t o 和每个 a c k 确认的分组数目b 的函数。 即) 郦野五1 一 亿1 ) 在无线网络中，无线传输错误也会造成分组丢包，假设在有线一无线网络中 拥塞丢包率为只，无线传输错误率为己，同时认为e 不会因为无线传输错误而 变化，故分组丢包率p = + 乞，那么总的t c p 吞吐量为： 烈耻引研雩甄面1 孕磊而 ( 2 - 2 ) 若没有考虑到超时，即t c p 从快速重传和快速恢复中恢复丢失，那么t c p 吞吐量为： 即，击嘉 陋3 ， 同理，当在无线网络时，则t c p 吞吐量为： b ( p c + p w ) 而1 当己为0 时，即有线网络的吞吐量g o 为基准，则 6 ( 2 - 4 ) 硕士学位论文第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 吞吐量b 可表示为： b 8 0 木 岛击压 ( 2 5 ) 州， - - p 6 ， 式( 2 - 6 ) 表明，无线传输错误会降低t c p 的吞吐量。当0 时，无线链路 错误对吞吐萆影响不大；当己只时，无线链路的错误会严重的降低t c p 的吞 吐量，与只2 近似成正比。 2 2n s 2 网络仿真器 n s 2 是n e t w o r ks i m u l a t o r 2 英文缩写，版本是a s a l l i n o n e 2 2 8 ，运行在c y g w i n 的w i n d o wx p 操作系统上。本文以t c p n e w r e n o 协议为基础，分析其在有线无 线网络中的性能表现。 近年来，随着计算机网络技术的快速发展，特别是互联网的广泛应用，研究 人员对于网络协议的研究越来越深入。在网络协议的研究过程中，对协议和算法 进行正确性验证和性能评价是非常重要的，而构建真实的网络测试平台成本高、 灵活性差、周期长，因而开发出灵活、稳定、支持多协议的网络模拟器成为首选 的替代方案。1 9 9 6 年，由u s c i s i ，x e r o x ，p a r c ，l b n l 和u cb e r k e l y 联合 成立v 烈t ( v i r t u a li n t e m e t w o r kt e s t b e d ) 项目组。该项目组得到d a r p a 资助， 其目地是实现一个可扩展的支持多协议的网络模拟器。v i n t 包括网络模拟器的 核心n s 以及相关的辅助软件。目前n s 已经在计算机网络研究中得到广泛的应 用，最新版本为2 3 l ，并且一直在不断的扩展和完善中。 2 2 1n s 2 网络模拟器的特点 n s 2 是一个开源项目，所有的源代码开放，任何人可以获得、使用和修改其 源代码。正因为如此，世界各地的研究人员每天都在扩展和更新它的功能，为其 添加新的协议支持和功能模块。这是n s 2 的特点之一。 n s 2 使用了被称为分裂对象模型的开发机制，采用c + + 和o t c l 两种开发语 言进行开发。他们之问采用t c l c l 进行自动连接和映射。考虑效率和操作便利 的原因，n s 将数据通道和控制通道的实现相分离。为了减少分组和事件的处理 时间，事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象都使用c + + 编写，这些对象 通过t c l c l 映射对o t c l 解释器可见。这样，仿真用户只要通过简单易用的 7 硕士学位论文第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 t c i o t c l 脚本编写出仿真代码，对仿真拓扑、节点、链路等各种部件和参数进行 方便快速的配置。n s 可以说是o t c l 的脚本解释器，它包含仿真事件调度器、 网络组件对象库等。事件调度器控制仿真的进程，在适当时问激活事件队列中的 当前事件，并执行该事件。网络组件模拟网络设备或节点的通信，他们通过制定 仿真场景和仿真进程，交换特定的分组来模拟真实网络情况，并将执行情况记录 到日志文件( 称为t r a c e 文件) 中，以提供给仿真用户进行分析解读，获取仿真 结果。n s 采用这种分裂模型即提高了仿真效率，加快了仿真速度，又提供了仿 真配置的灵活性和操作的简便性，这是n s 2 的特点之二。 n s 2 提供可视化工具，能够把模拟的过程动态的表现出来，方便研究者粗粒度的 观测协议的交互，同时研究者也可以利用可视化工具在概略级别上对协议进行调 试。这是n s 2 的特点之三。 2 2 2n s 2 的体系结构 网络模拟器对于不同级别的模拟往往要求不同的编程模型，对于协议的细 节、路由算法等网络核心部件，运行速率和效率是最重要的，而因为这些细节对 用户是不可见的，因此，易用性或者方便性处于相对次要的地位。但是对于参数 配置，网络拓扑定义等直接面向用户的功能，易用性、方便性是第一位的，而速 度相对来说变得不那么重要。在上述设计思想的指导下，n s 2 模拟器采用一种分 离的体系结构：对数据报文操作和算法具体体现等涉及到协议的细节、对运行速 度要求较高、数理处理量比较大的部分，用编译语言c + + 实现；而对模拟实验的 参数配置等运行速度要求不高的而对灵活性、易用性要求较高的部分则用t c l 脚本语言是实现。这种体系结构将模拟器的设计、维护、扩展以及调试等与普通 用户使用的模拟实验功能分离开来，既提高了开发效率，促进了模块化的编程风 格，提高了代码的重用性，又为用户提供了一个简单易用、可重新配置以及可编 程的模拟环境。 2 2 3 仿真的错误模型 无线网络中，信号在开放的空间中传播，各种电磁干扰，比如雷电、强发 射源等，都可能造成误码甚至将信号屏蔽。因为无线链路的差错主要是外界干扰 引起的，其链路的状态呈现出时好时坏的特点。发生干扰的时候，链路可能连续 出现多个误码，而干扰消失时，链路恢复正常状态，误码率相对大幅降低。 所以不妨将链路的状态分为“好”与“坏”两种，“坏”状态时，链路出现误码， 8 硕十学位论文第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 而“好”状态时链路没有差错。因此可以将链路的变化用一个两态的m a r k o v 模 型来描述，而其执行时在接收端的，如图2 1 所示。 a d de r r o rm o d e l 图2 - 1e r r o rl d o d e l 位置 a d de r r o rm o d e l 该m a r k o v 模型的转移矩阵如下： ( 乏乏 = ( 1 71 0 ) c 2 忉 l l 一| 、7 其中，表示从“好 专“好”的状态转移概率；表示从“好 专“坏 的转移概率；表示从“坏 一“好”的转移概率；表示从“坏”专“坏” 的转移概率。如图2 - 2 所示。 p 邯 图2 - 2 两态l d a r k o v 错误模型 链路无差错的概率p g 为： 圪2 南 ( 2 8 ) 链路误码的概率p b 为： p s = l - 圪= 南 ( 2 - 9 ) 同时，为了使模拟更接近实际情况，本文采用平均分布的错误模型来模拟无 9 硕士学位论文 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 线链路中的随机差错，而用m a r k o v 错误模型来模拟无线链路中因干扰引起的突 发性差错m 3 。 2 3 仿真实验 2 3 1 仿真拓扑结构 仿真拓扑结构如图2 3 ，其中n 1 n 3 为有线节点，t c p l 从n 1 到w l ，而 有线链路的带宽为1 0 m b ，延迟为2 m s ，无线链路的带宽为2 m b ，延迟为1 0 m s 。 t c p l 业务流为f t p 流，t c p l 从5 s 开始，在t = 2 0 s 结束，其它参数的配置见附 录1 所示。 2 3 2 实验分析 图2 - 3 网络仿真拓扑结构 本章实验分别从t c p 的拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w , c w n d ) ，传输的有 效带宽对网络的性能进行分析和比较，进行的实验如下： 实验l ：仿真t c p 在无线网络上发生随机错误率为0 1 2 5 的性能变化( 平均 分布的错误模型) 。仿真的结果如图2 4 ，图2 5 所示。因为无线错误率过大，经 过实验分析可知，出现的丢包全是无线错误丢包，但是从图中可以看出c w n d 一直保持很小的值，这说明无线网络上的随机错误丢包均被认为是拥塞丢包，拥 塞控制机制不断被启用，从而导致c w n d 和吞吐量都从最大值急剧下降。 l o 硕士学位论文第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 4681 01 21 41 61 82 02 2 s i n u l a t o rt i n e ( s e c ) 图2 - 4 随机错误拥塞窗口 |681 b1 2i 41 61 82 02 2 s i n u l a t o rt l n e ( s e c ) 图2 - 5 随机错误吞吐量 缆 约 如 坫 “ 业 蚰 8 6 4 2 b p)u旧厶v了。口c一工co一_跏cou 0 0 0 b 0 b b b 0 0 b 蛎 筠 巧 册 ! 盆 5 厶口)ivp了厶i|狮：ol上卜 硕士学位论文 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 5 b 1 b 日 8 4681 01 21 4量61 82 02 2 $ 1 n u l a t o rt l n e ( s e c ) 图2 - 6 突发性错误拥塞窗口 4 681 b i 2 1 41 61 82 02 2 s i n u l a t o rt i n e ( s e c ) 图2 - 7 突发性错误吞吐量 实验2 ：仿真t c p 在无线网络上突发性的错误率为0 7 l o 一的性能变化 ( m a r k o v 错误模型) 。仿真的结果如图2 6 ，图2 7 所示。和实验1 相比，c w n d po)lu毋厶v30口c叫=cop硼cou 厶上)lvp，厶上狮，oli卜 硕+ 学位论文 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析 变化的幅度很大，这主要是因为突发性错误造成连续分组的丢包，t c pn e w r e n o 协议启动拥塞控制的频率相比实验1 少的缘故。 2 4 本章小结 本章首先描述无线传输错误对t c p 性能的影响，并简单介绍了n s 2 网络模 拟器，最后使用n s 2 模拟了传统t c p 运用于无线网络环境下出现性能急剧下降 的现象，得出主要原因是有线一无线网络中没有对丢包进行区分，从而引出丢包 区分机制。 硕士学位论文 第三章改进t c p 丢包区分的相关研究 第三章改进t o p 丢包区分的相关研究 当前对于t c p 协议在有线无线网络的改进一直是研究的热点，针对传统 t c p 在无线网络中只要出现丢包就启动拥塞控制机制，导致性能急剧下降的问 题，已提出了一系列的解决方案，其中主要方案是对丢包进行区分。 3 1 基于端到端传输层的方法 由于端到端方案和传统t c p 的思想相符，所以该方案是目前研究最多的一 类方法，对传统t c p 协议进行修改也就避免了复杂的数据链路层和路由层的涉 入，也满足o s i 关于网络分层的思想。 端到端传输层的方法包括往返时延、单程时延、包间间隔、a c k 速率等等， 其中比较著名的有： 基于往返时延的方法n c p l d l 4 ( n o n c o n g e s t i o np a c k e tl o s sd e t e c t i o n ) 。通 过在t c p 的发送端来衡量往返时延，将网络中最优输出点测量到的i 玎t 称为延 迟阀值( d e l a yt h r e s h o l d ) 。当发生丢包时，如果目f j i 测量到的r t t 比延迟阀值小， 则认为是非拥塞丢包，否则，则认为是拥塞丢包。无线误码率低( b i te r r o rr a t e ， b e r ) 的情况下，n c p l d 和传统t c p 一样，而当误码高时，该方法提高了网络 的吞吐量。但是只适合在无线的框架中。 基于包到达间隔区分丢包的方法- t c p b i a z 【鲥。7 = | i ；。为t c p 连接过程中观察 到的最小包到达间隔，p 为丢包发生前接收方收到的最后一个有序包，而p 为 丢包后第一个到达的无序包( n 是丢包的数量) ，z 为包和。达到的间隔时 间，如图3 1 所示，假设包具有相同的长度，如果满足公式( 3 一1 ) ，则刀个丢失的 包为无线发送错误，否则为拥塞引起的。 c o n g e s t i o nl o s s 0n + 1n + 2t i t m i n 图3 - 1b i a z 机制 ( 胛+ 1 ) 木t m i 。 z ( ，? + 2 ) 毒瓦。 ( 3 - 1 ) 文献【9 】中对该方法进行分析发现，无线信道越接近完全利用率，w i r e l e s sl o s s 的 1 4 硕士学位论文第三章改进t c p 丢包区分的相关研究 上限应当越低，通过实验分析提出该上限值调整为【( 疗+ 1 2 ) ( ，2 + 1 3 ) 】，可以在 低拥塞误判和高吞吐量之间折中。 基于r o t t 的方法- t c p s p i k e l l 0 1 。r o t t ( r e l a t i v eo n e w a yt r i pt i m 曲就是 衡量从发送端到接收端单程时延。由于拥塞的显著特征是缓冲溢出，因此r o t t 表现为峰值的出现，如图3 2 所示。 b s p i k e s t a r t 图3 2s p i k e 机制 t i m e s 当收到一个序号为i 的数据包，如果此连接不在当前峰值状态，而且该数据包的 r o t t 值超过阀值玩。舰一，那么算法进入s p i k e 区间进行判别；相反，如果此连 接在当前峰值状态，而且该数据包的r o t t 小于阀值吃腈。训，那么算法离开s p i k e 区间进行判别。这样当收到失序的包时，算法根据不同的区间进行分类，在s p i k e 区间的丢包归为拥塞丢包，而非s p i k e 区间的丢包归为误码丢包。膻鲥。一、胁删 计算如下： 罗妒蝴= r o t t m i 。+ 口宰( r o t t 。一r o t t m j 。) ( 3 - 2 ) i k e e n d = r o t t m i 。+ b * ( r o t t 。一r o t t 。i 。) ( 3 - 3 ) 其中r o t t m 。、r o t t 。i 。是分别为最大和最小的r o t t ，并且a b 。 同时在文献 1 0 】中还提出了t c p - z i g z a g 。和b i a z 使用相同的思想，z i g z a g 分类丢包是根据丢包的数目聆和r o t t ，与厂d 。差异性对丢包进行区分，当丢包满 足如下公式( 3 6 ) 条件时，把丢包归结为无线误码丢包，否则为拥塞丢包。 r o t t 。一= ( 1 一口) 木r o l l m 删+ a 枣加织 ( 3 4 ) r o t t d e ，= ( 1 2 a ) * r o t t d e ，+ 2 a * ir o t t j - r o t t 。一i( 3 - 5 ) ( n = 1 & & r o t t f 厂d f 乙。一r o t t d 。) | i ( 行= 2 & & ，。t t i ，。m e a n r 。7 7 出v 2 ) ( 3 - 6 ) i i ( ”= 3 & & r o t t j 3 & & r o t t f r o t t 。一r o t t 咖2 ) 通过仿真可知，当口= 1 3 2 时，得到最好的结果。最后还提出了混合机制 硕士学位论文 第三章改进t c p 丢包区分的相关研究 t c p z b s 1 0 1 。具体算法如( 3 7 ) 所示：为平均包间隔时间。 ， k 2 毒f 一：。 i f ( r o t t , ( r o t t m i 。+ o 0 5 木已i 。) ) 寸s p i k e e l s e i f ( r 。， 0 8 7 5 ) 专z i g z i g i 7 r ( 瓦。 b i a s 一0 ) o u t 计算器加1 ； e l s ei n 计算器加1 ： ， e l s ea c k 计算器加l ； i 坟完成3 次的统计) o u t ，i n ，a c k 数组初始化；) i f ( o u t i 均为1 )