（通信与信息系统专业论文）无线tcp改进及其性能分析.pdf

蕈庆i l i l ；l 乜学院坝l ：论义 摘要 随着通信刚络技术的发展，无线通信和移动汁竹的m 求亿持续地增k 。n i 术 来闪特网中，无线网络将是重要的组成部分。似足，传统渊特网的核心m 议 传输控制协议( t c p ) 的设计仪仪针对有线网络，没手j 考虑九线链路q ：境的特性。 它假设任何分组的丢失均是由于网络棚塞造成的。然而，在尤线网络中，由j ：分 组丢失的多样性和复杂性，分组丢失的检测和控制策略是一个迫切需要研究的课 题，即无线t c p 的研究。 目f ； 提出的解决方案有很多，包括链路层、网络层、传输层和层| h j 眺作的方 。案或策略。但是，他们或者存在不是很切实际的前提条件，或者失去了t c p 的端 到端的语义，或者代价太高，都有待进一步的研究。 本论文分析了传统t c p 版本在无线环境中的局限性，为了改善无线，i c p 性能， 提出了基于重传率调整t c p 段尺寸的机制和基于吞吐量估计设置往返时f n j 门限 检测网络搠塞的机制。仿真结果表明：传统t c p 版本在无线朋：境中急删恶化，在 严重误码丢包环境中，即使能解决单窗口多丢失问题的s a c k 、n e 抖r e n o 版本也尤 法正常使用。而本论文提出的两种机制简单、有效，能在定程度+ j 二提高t c p 的性能，并能保证各方面的公平性。两种机制结合使用能更好地改善尢线t c p 的性能，即使在尸e 重误码环境中也能得到一定程度的性能改善。 关键词 传输控制协议，拥塞控制，无线网络，最大段尺寸，往返时i h j 取j 人f h i s q i z 院坝i j 沦义 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nac o n t i n u o u si n c r e a s ei nt h ep o p u l a r i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d m o b i l ec o m p u t i n g s y s t e md u et o t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g i e sf o r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 。i t sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee v i d e n tt h a tw i r e l e s sn e t w o r k w i i ip l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h en e x t g e n e r a t i o ni n t e m e t h o w e v e r , t h et r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) h a sb e e naf a c t u a ls t a n d a r dj nt h ei n t e m e tt o d a ya n di td o e s n o tw o r ki ng e a ri nw i r e l e s sn e t w o r kb e c a u s ei tw a sd e s i g n e df o rw i r e dn e t w o r k i t o n l ya t t r i b u t e sp a c k e ti o s si nw i r e dn e t w o r kt oc o n g e s t i o n b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sn e t w o r kd i f f e rs i g n i f i c a n t l yf r o mt h a to fw i r e dn e t w o r k b e c a u s eo f c o m p l e x i t i e sa n dd i v e r s i t i e so fp a c k e tl o s s t h ep o l i c yo fi t si d e n t i f y i n ga n dc o n t r o li s a ni m p e n d i n gs t u d yq u e s t i o n n a m e l yt h er e s e a r c hf o rw i r e l e s st cp r e c e n t l y ，av a r i e t yo fs c h e m e sa r ep r o p o s e dt od e s i g naf e a s i b l et r a n s p o r tp r o t o c o lf o r w i r e l e s sn e t w o r k ，i n c l u d i n gt h a to fl i n ki a y e ln e t w o r kl a y e r , t r a n s m i s s i o nl a y e ra n d t h e i rc o m b i n a t i o n h o w e v e r , s o m el i m i t a t i o ne x i s t e di nt h e s es c h e m e sa n dal o to f f u t u r ew o r k sn e e dt ob ed o n ef o rt h ee n h a n c e m e n to fw i r e l e s st c p t h i st h e s i sa n a l y s e st h el i m i t a t i o nf o rc l a s s i c a lt c pi nw i r e l e s sn e t w o r ka n dp r e s e n t s t w on e ws c h e m e st oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s st c p , t h a ti s ，t h es c h e m eo f a d j u s t i n gt c p ss e g m e n ts i z eb a s e do nr e t r a n s m i s s i o nr a t i oa n dt h es c h e m eo fs e t t i n g r o u n dt r i pt i m e ( r t t ) t h r e s h o l db a s e do ne s t i m a t e dt h r o u g h p u t i nt h ew i r e l e s sn e t w o r k c l a s s i c a lt c pr e s u l t si nd r a s t i cr e d u c t i o ni ni t sp e r f o r m a n c e b ys i m u l a t i o nr e s u l t e s p e c i a l l y , t h ev e r s i o nt h a t c a ns o l v et h eq u e s t i o nd u et o m u l t i p l ep a c k e t sl o s tf r o mo n ew i n d o wo fd a t a ，s u c ha ss a c k ，n e w r e n oe t c ，c a n n o t a l s ow o r kw e l li ns e v e r ew i r e l e s sn e t w o r kc i r c u m s t a n c e t w os c h e m e sp r o p o s e db y t h i st h e s i sc a ni m p r o v et c p sp e r f o r m a n c et os o m ee x t e n ta n dg u a r a n t e ef a i r n e s s a m o n gt c pf l o w s t h e ya r es i m p l ea n de f f e c t i v e t h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w o s c h e m e sc a np r o v i d et h eb e t t e re n h a n c e m e n tt ot c pi nw i r e l e s sn e t w o r k e v e nift h e b i te r r o rr a t ei sm o r et h a n1 0 。 1 k e yw o r d s lt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，w i r e l e s s n e t w o r k ，m a x i m a ls e g m e n ts i z e ( m s s ) ，r o u n dt r i pt i m e ( r t t ) 币j 犬i | i | ：il l 学院坝i 论义 1 1 研究背景 第一章绪论 c p i p 起源于6 0 年代术美国国防部资助的一个分组交换网络研究项 i ，经过不断 发展，到现在已成为计算机之问组网的最常用技术。t c p 1 p 足一个真l i i 的j r 放系统协 议，最终成为今天流行的因特网的核心协议。通过因特网，人们能从i l j ：界各地获取自 己感兴趣的数掘或信息，极大地拓展了人们认识世界和改造雌界的范i t ；i 和能力。但是， 传统有线网络的限制，如布线繁琐、地理障碍、位置l 目定等，使网络数圳j 匕亭和计算 已远远满足不了人们对现代通信和现实需求的迫切要求。 随着通信网络技术的发展，无线通信和移动计算的需求在持续地增长，无线网 络在未来因特网中无疑将扮演极为重要的角色。和有线网络千| i 比，无线和移动网络 提供了更为便利的通信手段，人们可以随时随地不受限制地得到恕婴的棚关信息， 实现真订i 包括数据和语音的个人通信。无线局域网、监爿：、无线小地环、移动通信、 a d h o e 网络等无线网络技术极大地推动着无线有线和移动恻特网技术的发展。但 是，由这些技术组成的混合网络呈现的特性使得作为有线凶特网成助的核心组成部 分传输控制协议t c p u 2 1 ，由于设计本身的问题，无法良好运行，改进传统的 t c p 以适应无线有线和移动网络环境将是未来因特网技术的关键问题之一。 无线网络对数据传输而言存在很多问题。无线链路特性和有线网络宵很大的差 别，它们的延迟、差错和带宽不对称等特性使得有效的数据传输遇到了很大的挑战。 无线链路的带宽一般相对较小，而且原因多种多样的分组丢失可能经常发生在无线 网络，如随机误码丢包( 随机干扰等) 、突发误码丢包( 信道哀落、持续严重频繁 的干扰) 、切换导致的短暂丢包、网络拥塞丢包等。自然条件和周【t 4 的建筑物可能 引起的干扰、蜂窝无线网络中的切换等都会引起分组丢失和延迟。很多尢线网络也 表现了带宽1 、= 对称的特性，如卫星的上、下行链路。”等。 计算机网络成功的关键是对网络进行了合理的分层，4 i 州层负责处理小l 刊的通 信功能，柏珏独谚，互不干扰，下层向f = 层提供服务。凼特叫的网络层次结构分为 物理层、刚络接入层( 或数据链路层) 、网络层、传输层和应j i ) a 。物刖j 0 定义数 据传输终端和传输介质之间的接口确定传输介质特性、信号特性、数据速率等内 容的确定；网络接入层负责处理同一网络中点到点数据的传输和保障，其有链路层 的差错控制和恢复机制；网络层负责不同网络中数据终端之问的路由处理：数据传 输的目的是将数据可靠无误地传送到目的地，传输层完成端到端的可靠数据传输， 毳j 人邮电学院硕l ：论文 集中了端到端的拥搴控制和数据恢复技术：应j 】层向用户提供各种j 、涉川功能逻辑。 无线链路对这五层都会产生影响，但是影响最大的足向应川层提供j 谨的，, h 1 1 d 1 到* j 两j i i 数 据传输的传输层。 t c p 是目前因特网上的传输层控制协议，有效保障了端到端数据传输的可靠性。 传统的t c p 是为有线网络而设计的，它的成功在于有线环境中的拥察控制机制 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。能够良好地动态侦测刚络容最、保b e 竞 争流之间的较公平资源分配。它侦测分组丢欠的方法是监测疆复麻答数镀和晕传时 钟( r t o ) 超时，当重复应答数鼍达到一个| j 限( 一般为3 ) 或r t o 超时，就认为发 生了数据分组丢失，丢失的原因9 = i 结为网络中发生了拥塞，从而启动+ 醺传和拥塞控 制机制，保障数据的可靠传输和避免网络的拥寒崩溃。 和无线链路相比，有线网络延迟和差错概率相对很小，t c p 以把所仃的分组 丢失都视为网络拥塞造成的，因此，可以采取降低发送速牢的方法减轻网络负担； 即使分组丢尖足由于链路误码引起的，传统t c p ，把每个分纣【丢火做为例络发生捌j 塞信号的策略，也不会对t c p 的性能造成很大的影响。然而，这些措施对无线链路 带来了严重的性能恶化。因为在无线嘲络中，分组丢火和延迟通常不j 由拥塞引起， 常因比特差错、本地重传或切换等原因导致，这种策略的肓同性严重影响无线环境 中t c p 的性能，甚至使t c p 无法正常工作。 因此探索和研究无线t c p ，提供有线无线混合网络中端到端的可靠传输是实现 未来因特网的基础课题。 已经有各种无线环境中改进t c p 性能的解决方案，包括链路层、网络层、传输 层和层间互动的方案或策略。但是他们都有一定的局限性，或者存在不是很切实际 的前提条件，或者失去了t c p 的端到端的语义，或者代价太高，都有待进一步的研 究、分析和拓展。 目前的主要研究领域有： ( 1 ) 移动通信网2 g 、2 5 g 和3 g 上的t c pr l 能研究旧，随着移动通信技术的 进步，通过移动终端上网的需求推动着这方面的研究和开发；( 2 ) 尤线切换的t c p 性能研究。，在无线通信中，由于位置移动引起的切换会导致数据的突发丢失， 解决切换问题足无线t c p 必须解决的天键技术之一：( 3 ) a d - h o c 网络的t c p 性能研 究r 8 3 ，在救灾、军事、或通信暂时不能覆盖( 成本或客观条件限制) 的场合，采 用a d - h o c 网络能提供迅速的数据访问，但是k d - h o c 网络频繁变化的拓扑和有限的 终端能源等特性决定了现有t c p 无法在这种网络中不加修改地运行：( 4 ) 卫星链路 上t c p 性能研究9 1 川，卫星网络是实现全球通信的骨干，但是它的链路j 带宽不对称 性、很大的延迟带宽乘积等特性恶化了传统t c p 的性能。 2 重庆邮电学院硕上论文 无线t c p 改进机制的研究主要包括： ( 1 ) 区分丢包类型，对链路差错导致的丢包和因网络拥塞导致的丢包进行区 分，从而采取不同的恢复和控制措施陀2 2 ：t i ；( 2 ) 选择恰当的f o p 应符力j = 。改进t c p 闭环控制性能_ 5 | ：( 3 ) 改进链路层的数据传输保障技术( 如a r c ) 、f e c 等) 来提 高t c p 性能搋盯：( 4 ) 实现无线链路和有线链路的分离，在小川链路l ：运ij ：f i 同的 传输控制协议瓢”：( 5 ) 不对称链路上运 j t c p 的研究”：( 6 ) 楸掂，h i r i - 宽估计改 进t c p 性能的研究。川；( 7 ) 基丁i 速率调整t c p 发送的机； ：( 8 ) 改进t c p 琏本参 数的设置，如初始窗f - - i 1 ，实现t c p 的性能优化等。 这些研究的目的是改进传输控制协议，使其能适心今天越来越j t 彳j 升构性的网 络结构。基本核心思想是针对无线链路的特性，综合考虑丢包的多样性和复杂性， 减少数据重传、充分利用网络资源，保障无线有线混合网络中端到端的可靠数据 传输。 尽管t c p 在无线环境中性能恶化，但是由于t c p 是今天因特例传输控制协议事 实上的标准，占据绝对的统治地位，建立新的传输控制协议或对现有t c p 进行修改 必须保持和t c p 的公平性或兼容性。因此分析和改进传统t c p 以适应无线链路环境 是重要的无线t c p 研究方向，也是本论文的研究重点。 1 2 研究目标和内容 本论文的研究目标是分析和仿真传输层协议t c p 的拥塞控制机制，分析相关参 数在无线环境中对t c p 的影响，进而提出改进无线t c p 性能的实现方案。通过使用 n s 一2 仿真平台考察t c p 性能的实现，在不同误码环境下重复测试不同t c p 改进版本， 了解他们在无线环境中的适应性，将主要考察和分析在高误码率无线环境一1 如何提 高t c p 的性能。 在仿真分析传统t c p 在无线环境中的性能基础上，从避免重传和检测网络拥塞 出发，提出了基于数据重传率调整t c p 段尺寸改进无线t c p 性能的机制和基于吞吐 量估计设置往返时间门限检测网络拥塞改进无线t c p 性能的机制。仿真分析共分为 三个部分。第一部分考察了t c p 的经典版本( 即r e n o | “1 、n e w r e n o m 引、s a c k 心 ) 的 性能及其在无线链路上的表现；第二部分分析了针对不同误码率环境凋整t c p 段尺 寸的t c p 改进方法；第三部分研究基于往返时问的变化检测叫络拥塞，从而区分t c p 段丢失的原因，进一步改善t c p 性能的方法。 论文内容安排如下。第一章j t 要介幺f 无线t c pf l 了f 究的背景、现状和小论文的目 3 承庆邮电学院硕l ：论文 标：第二章阐述无线网络环境及其特性；第三章分析传输控制队i y t c p 及其在尤线 环境中的问题；第四章讨论仿真工具、评价参数和仿真分析几个t c p 版本在无线环 境中的性能表现；第五章仿真分析如何调整t c p 段大小改善无线t c p 的性能；第六 章仿真分析拥塞检测机制，从而进一步改进t c p 性能；第七章捉i j j 仃待进一步解决 的问题和结论。其中第五章和第入章分别提 l i 了基于重传牢渊整t c p 段人小改进尤 线t c p 性能的机制、基于吞吐量估计设置往返时问( r t t ) fj 限检测例络拥塞的机 制，它们是本文提出的t c p 性能改进的新机制。 4 重庆邮电学院硕_ 上论文 2 1 无线网络 第二章无线网络环境及其特性 尢线通信领域，近年来已经取得霞人的进j 挺。存尤线个域m 力，航爿：技术进 一步完善，并在2 0 0 2 年3 月成为i e e e 标准8 0 2 1 5 1 。舀i 解决氪i 距离迮线h i f i f 。无 论是汁算机的外没，还是家用网络的连接，监牙都将足最j t 仃竞争j 的技术。无线 局域网主要围绕8 0 2 1 l 系列协议和h i p e r l a n 系列胁议进行研究和部署。为解决城 区范围的联网要求，固定无线环路必将进一步得到推广，提供高带宽尤线网络载体。 随着2 5 g 、3 g 移动通信和卫星网络的发展，无线广域i 叫已经成为现实。 无线网络首先能极大地减少建设网络的成本，如节省了铺设电缆和维护电缆的 开支：第二，能够在有线网络无法实现的地方建立网络，这对偏远的乡村尤其具有 意义：第三，实现了无处不在的互联网访问。无论j f i h t t , , i 地任意通信的前景已经部 分成为现实。随着移动通信网络、无线局域网、各种无线接入技术的发展以及和因 特网的融合，将使人类真正进入信息化社会和数字化经济生活时代。 2 1 1 无线网络相关技术 按地理距离可以把无线网络分为尢线个域网、尢线局域叫、尤线城域网和无线 j “域网等类型。 无线个域网目前的热点技术是蓝牙协议，它提供1 m b p s 左右的传输速率，理想 的连接范围为1 0 厘米- - 1 0 米，通过增大发送电平可以将距离延长至1 0 0 米。特点 是近距离、低功耗、简捷协议和低成本。 目前应用于无线局域网的技术主要有i e e e8 0 2 1 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 e r l a n 系列标准。无线局域网得到j 1 泛应川的技术是i e e e 8 0 2 1 l 系列协议。其中i e e e8 0 2 “使无线信道的峰值速率达到2m b p s ：i e e e 8 0 2 1 l b 标准，信道峰值速率可达1 1m b p s ，现在又进一步提出了可达2 0m b p s 、2 2 m b p s 峰值速率的建议，使用范围为室外3 0 0 米，办公环境中最长1 0 0 米：i e e e 8 0 2 1 l a ，工作在5g h z 频段，采用o f d m 方式提供高达5 4m b p s 的峰值速率。 无线城域网主要指固定无线接入技术或无线本地环路，丰要有l m d s ( l o c a l m u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 、m m d s ( m u l t i c h a n n e lm u lt i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e ) 等技术。其中l i d d s 技术目前得到了一定的商用，工作带宽高达l g 。可支 5 重庆邮电学院硕_ l _ 论文 持的用户接入数据速率高达1 5 5 m b p s ，能够满足广大用户对通信带宽h 益增k 的需 求。 通过无线广域网技术，用户通过远程公共网络或；j l i 例络建讧尤线网络连接。 通过使用无线服务提供商所维护的若干天线移动支持站或卫星系统，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、第二代移动通信技 术等提供了分组数据的传输能力。第三代移动通信技术已经能够提供从1 0 0 多k b p s 到2 m b p s 的速率，基于蜂窝移动通信技术的无线j 域网的应用足：作常j i 阔的。 从上面的分析中，能够看到无线技术提供的速率、带宽差异很大。【人1 此在无线 有线混合网络上实现因特网通信是一个 诞人的挑战。住这f ￥的9 - 构朋：境- l t 保障数 据通信的可靠性，传输层协议的适应性必将是一个重要而关键的研究课题。 2 1 2 无线网络拓扑 基本上，无线网络可以分为无线有线混合网络和完全无线网络曲种。 前者是目前应用最为广泛的无线网络拓扑，典型代表是“最后跳”或“中问 一跳”的网络，如移动通信网络、含卫星链路的网络。这种网络的特点是无线链路 只是网络的一部分，需要有线网络基础设施的支持，能够提供较高的可靠性，便于 集中控制，缺点是抗毁性差。 后者可以作为对前者无线通信的补充，也可以单独组成临时的无线嘲络。这种 网络称为自组网或a dh o c 网络。它的每个终端既是通信终端，也是移动路由器。 在彼此的覆盖范围内，每个终端之间可以直接相互通信：如通信的终端之间不在彼 此的覆盖范围内，可以通过目前地理位置在它们之问的移动终端进jj ：转发，实现相 互通信，这种方式中，数据经过了无线多跳路径。在有线网络不适合部署的地方， 如救灾、战争等场所，可以部署这种网络：在移动通信中，如果在移动终端中集成 这种网络的功能，一定条件下可以解决肓区问题，极大地节省成本。这种网络的特 点是抗毁性强，缺点是难于控制网络的质晕和状态。 2 1 3 未来无线有线因特网体系构想 基于人们对于无时不在的通信需求，未来的因特网必然是融合订线无线的混 合网络，特点是链路的差异性或异构性很大，一个有效的传输控制协议必须能自适 应这样的网络环境。从网络链路构成上看，未来因特网体系构想如图2 一l 。 为了得到因特网上服务器提供的服务，用户可以通过有线无线局域网、商接 6 蘸j 大邮电学院坝i j 论义 拨号、自组网等方式接入因特网。 国 笔记本 无线，“线覆i 莆 “i x 量1 l 业r i 甜i 网 ，鬏一。毋，曰 。| 钰怫瞄篇鼹端 图2 - 1 未来无线有线因特网体系构想 2 2 无线网络环境的特性 无线网络区别于有线网络的特性主要是移动特性和无线特性。移动特性决定了 无线网络的拓扑变化，而无线特性决定了无线网络的带宽和质量。无线例络的特性 体现在无线信道的特性和无线网络的拓扑。无线网络的特性主要有： 很高的链路差错率 有线信道中典型的信噪比约为4 6 d b 。川，即信号电平要比噪声电i 高4 0 0 0 0 倍。 而且有线信道的传输质最是可以控制的。通过选择合适的材料：与精心加j ：，可以确 保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境，信噪比的波动通常不超过l 一 2 d b 。有线链路的误码率达1 0 1 以下，光纤更达1 0 1 2 而无线信道( 特别是考虑终端移动性的无线信道) 由于多径传播、时延扩展、 衰落特性以及多普勒效应等造成了很高的误码率，信噪比波动深度可达3 0d b 。无 线信道的传输质量只能通过相关抑制技术尽力而为的保障。无线链路的误码率一般 在1 06 以上，甚至高达l o3 。 囤一 画 线 徽 ；，国 ， 眶厌邮电学院硕l ：论文 带宽有限 目前有线网络的带宽越来越宽，从局域网的1 0 0 兆比特每秒、1 0 0 0 兆比特每秒 到光纤的吉比特级的速率，已经得到实用，而且还在进一步的发腱f 1 1 。叮无线网络 中，目前无线局域网带宽最大的标准8 0 2 1l a 的物理层速；餐也仪仪5 4 兆比特每秒， 得到一定商用的8 0 2 1 l b 只彳丁i l 兆比特每秒的带宽。第i 代移动通信的最人1 冬输 速率为2 兆比特每秒，而_ i 是室内静止状态卜。 较大的往返时间和往返时延抖动 由于无线链路的差错特性，许多采用链路层重传技术的无线网络表现了较大的 延迟时间和延迟抖动；无线网络中特有的切换也会引起较大的延时和延迟抖动：含 卫星链路的网络，具有更长的往返时间r t t ( 如同步地球t j 星的r t t 典犁值为5 6 0 毫秒) 、较大的延迟带宽乘积。 终端的移动性 在有基础设施的无线网络情况下，主要的问题是跨越小区时的切换问题，切换 导致的延迟和分组丢失可能引起t c p 吞吐蕈的下降：在a d h o c 网络情况下，：1 了点 的频繁移动引起频繁的拓扑变化，会引起分组丢火和触发路初始化算法，这也会 引起t c p 吞吐虽的下降。 能源消耗约束 无线网络的终端需要电池供电，前面所述的问题必然导致频繁的分组重传和其 它额外的开销，从而引起不必要的能源消耗。移动终端的网络应用受制于能源消耗 的约束。 安全性较差 由于无线网络固有的特性，它的安全性是很差的。在高层的一些安全机制可能 影响到t c p 层的性能改善。 8 萨j 犬邮ll i 学院帧i j 沦义 第三章无线环境中的t c p 3 1t c p 可靠传输协议 传输层是汁算机网络体系结构中极为重要的一层。传输层以卜各州义仪提供柏 邻机器的点到点传输，无法提供端到端的服务，当然谈不j ：保障端至- 悄1 1 f i j l l 的l i j 靠性。 而凶特网最重要的特性之一就是提供y j 厕l j l 到- 炯i 1 | i 的服务。凶此做为刈点剑r j ：层的加强和 补充，传输层提供了基于连接的端到端的数据传输。它j 髯敲通信子侧细m 向应用 层提供通用的通信进程服务。t c p 止是传输层最为重要的叭议，也赴特嘲实现的 关键。 衡蕈传输层的服务质量( o o s ) 的重要指标t 要仃传输时延、奋i i i ：率等。为了 解决町靠性，提高o o s ，因特网t i ，的传输层协议t c p 土要采川迎接毹：川! 、流镀控制、 拥塞控制、差错控制等机制和策略。 3 1 1t c p 流量控制 t c p 基于接收缓存进行传输数据的接收，即当发送的数据到达接收方时，t c p 将这些数据放在接收缓存区内，然后交付给应用程序。如果缓仔区溢山，就会导致 数据丢失，对这种情况进行控制的机制称为流量控制，目的足阻l l ：发送方发送太快。 面向连接的可靠性传输流量控制策略一般有两种( 假设对每一个t c p 段进行编号) 。 简单停等协议 发送方每发送一个t c p 段，必须等到来自接收方天f 该t c p 段的确认到达，然 后才发送下一个t c p 段。显然这种方案效率太低，网络资源的利j 】牢极低。 基于滑动窗口的流量控制 发送方可以一次传输一定数量的t c p 段，而不必等待这些t c p 段巾任何个段 的确认。这些t c p 段的数量称为滑动窗口( 图3 - 1 、图3 2 中包含所有数字为白色 的t c p 段) 的大小。一次发送的t c p 段数景不能超过该窗口的大小。 在窗口的左边是已经发送并已经确认的t c p 段。 在窗口的右边是未落在窗口中还没有发送的t c p 段，未落在窗u 中足小能被发 送的。 在窗口中是一组顺序排列的t c p 段，它们可能有三种情况：( 1 ) 已经发送，还 9 重庆邮电学院硕l ：论文 未确认的t c p 段：( 2 ) 已经发送已经确认的t c p 段，但是前i f i i 还存n ：没乱确认的t c p 段；( 3 ) 没有发送但可连续发送的t c p 段。图示如下： 鐾磁 m 。 ，： 图3 - 1 窗口未滑动 图3 一l 中表示t c p 段1 和2 已经发送并已经确认，7 以后表示还没进入发送窗 口的t c p 段。窗口中是正在发送的可能还没有被确认的t c p 段，至少t c p 段3 还未 得到确认。窗口中最左端的段没有得到确认时，窗口不进行滑动。 当3 得到确认时。窗口如下： 91 0l l 1 21 3 图3 - 2 窗口滑动 从而能控制一次发送到网络中的数据晕，使其保持存窗f j 允r l ：的范l 书i 内。 t c p 协议采用了第二种方案，即基于滑动窗口的流量控制，较好的解决了流量 控制问题。需要指出的是窗口尺寸不是固定不变的，可以随着网络的拥塞情况发生 变化，因此能充分利用网络资源。关于窗口的变化将在下节论述。 3 1 2t o p 拥塞控制 在因特网中，由于瓶颈子网( 包括中间路由器和中间链路) 处理数据的能力有 限，当数据流超负荷时，可能引起严重的延迟或丢包现象，称为网络拥塞。大量丢 包引起的大量重传进_ 步加剧网络拥塞，这种恶性循环可能导致拥寨崩溃，使得整 个网络无法运转。因此一个好的传输层协议必须能进行有效的拥寨控制。事实证明， t c p 较为完善的拥塞控制机制正是今天因特网得到急剧增长和普及的天键冈素。 t c p 数据发送窗口的大小取决于接收方的通告窗口( 即接收办处理缓冲区的犬 小) 和发送方的拥塞窗口。即： 发送窗口= m i n ( 接收方通告窗口，发送方拥塞窗l ) 1 0 承j 人邮电学院硕l j 沦文 显然在网络非拥塞情况下，如果接收方通告窗口足够大，则发送窗口和拥塞窗 口是相等的。当网络发生拥塞时，必须减少拥塞窗口的大小，从而限制向网络中发 送的数据量，减轻网络的负担，使网络能够从拥塞中恢复出来。目前因特网中使用 的t c p 版本主要是r e n o 心1 ，它的拥塞控制策略包括慢启动、拥寨避免、快速重传、 快速恢复等。 慢启动 慢启动发生在连接初始阶段或超时发生阶段，此时拥塞窗口为一个t c p 段。当发 送方开始发送数据或超时重传后发送数据时，没有天于t _ 4 前门身和接收疗之间网络状 态的情况。为了避免传输不合适的较大数据流，可以采用慢肩动算法进ij ：例络情况的 侦测。在慢启动阶段，拥塞窗口呈指数增长，即：每收到一个a c k ，拥塞窗口的值就 增加一个段( 例如：第一个确认收到后，拥塞窗口将足2 个段，发送方将允许发送两 个t c p 段) ，直到拥塞窗l j 达到或超过慢启动fj 限( s s t h r e s h ) ，或超 发中。 慢启动| j 限的初始值可设为接收方通告窗口，当发生数据丢火时为当前拥塞窗 口的一半。 拥塞避免 在慢启动阶段，拥寨窗口( c w n d ) 是以指数规律增加的，“慢肩动”其实很快， 可能会引起网络的拥塞。为了避免这种情况的发生，提出了慢启动l j 限，当拥寨窗 口增加到慢启动门限时，每收到一个确认，近似按公式( 3 一1 ) 增加扪i 褰窗口。 c w n d ：c w n d + 上( 3 1 ) c w n d 从而使拥塞窗口线性增长，每个往返时间拥塞窗口增加一个t c p 段，或者该窗 口中所有数据段得到确认后，拥塞窗口才增加一个t c p 段，称为拥塞避免。 快速重传 每当t c p 接收方收到失序的t c p 段时，t c p 会发送重复应答给发送方，除非收 到正确的t c p 段，它会一直发送对应丢失段的重复应答。接收方收到一个或两个重 复应答时，认为数据段在网络上发生了延迟；但是当收到连续三个重复应答时，就 认为对应的数据段已经丢失，此时即使重传超时时钟没有超时，发送方也立即进行 相应数据段的重发。并将慢启动门限和拥塞窗口按以下公式计算： s s f h r e s h ：= 1 c w n d ( 3 2 ) 2 c w n d = s s t h r e s h + 3( 3 - 3 ) 快速重传是针对超时重传而言的，快速重传后进入快速恢复阶段。 霞j 人蛐j l 【i 学院坝l ：论文 快速恢复 和拥塞避免不同，在这个阶段，拥塞窗口的增加算法是：每收到一个重复应答， 拥塞窗口就增加一个t c p 段。当确认新报文段的下一个a c k 到达时，棚塞窗口设定 为慢启动门限，然后进入拥塞避免阶段。 这四个策略交织在一起的t c p 拥塞控制算法图示如下，其中i j 限l 和门限2 分 别为第一次丢包和第二次丢包后的慢启动| j 限。 c w n d 据限f 心答 快速恢复 r ，一。” ，。 fj | ；6 l2 + 3 l 一洲永避免 拥 jl fj 限2 寨 窗 t i m e e l 收剑i 次? 苇复j 畦答? 警时 、| 拥褒避免p | 限i |1 必 限2 医卸 ：、。夕 快速最化 r i l i 返t l 、f i h j 侥订o or l 也霜! 白营毛b 上k i 盯出i 3 1 3t c p 报文段的丢失检测 要设计一个传输层协议，对使用的环境不进行一定的假设足很困难的。t c p 设 计本身隐含的假设使其不能在无线环境中良好运行。 t c p 假设它的下层子网有很低的误码率，一旦有数据丢欠就认为是网络拥塞造 成的，而不是传输链路差错造成的数据丢失或损坏。由于有线链路的误码率很低， 抗干扰能力很强，t c p 假设任何的数据丢失都是由于网络瓶颈部分发生了拥塞，需 要启动拥塞控制机制，减轻网络负荷、缓解网络的拥塞状况。这个策略在有线因特 重庆邮电学院硕i ：论文 网中取得了巨大的成功，但是它无法适应无线链路的挑战。 t c p 判断数据的丢失只有两种方法，即超时重传和重复心答。 超时重传 r t o ( r e t r a n s m i s ii o nt i m e o u t ) 值指：数据段发送h 去后，到发送力认为该数 州段已经丢火需要被霞传所经历的l i f m 。r t t 指：从数排；段离丌发送乃后，到发送 办接收剑接收办发送的对该数抛段的应答所纤历f 内j l , l 1 1 i j 。r t 0 越刈r t ，i ( r o u n d t r i p t i m e ) 上限值的推测值。 t c p 在发送出数据段后，设定对应应答到达的等待时问r t o 。如果往这个1 1 j f , , j 内没有等到对应数据段的应答，t c p 就判断数据段丢失了。超时时间会严重影响t c p 的性能，如果r t o 太大，判断一个数据段的丢失会花费很长时间，不能对数据段的 丢失作出及时的反应：如果r t o 太小，可能会错误判断数据段的丢火，无渭地增加 网络的负荷。 t c p 监视每一条连接，并根据往返时间( r t t ) 抽样汁算出超时i i l l f , i ，设定超时 时钟。由于组成网络的复杂性，每一个r t t 的变化是动态的。为了a 适应网络情况 的变化，t c p 采用了加权平均的方法，推算出平滑往返时间( s r t t ) ，即： 职t t= 口( 艘玎，) + ( i a ) r 丌( 3 4 ) 甩e w o l d 超时时间r t o 计算如f ： r t t v a rp 2水l艘玎p一尺玎l+(1-f1)rttvarldnw nwo l a ( 3 5 ) p p i r t o ：j r 玎+ 上尺玎肠， ( 3 6 ) n e w 每当发送一个t c p 段时，发送方会记录其发送时问，如果超时时钟到期还没有 收到接收方的确认，就认为该数据丢失。此时发送方重传相应数据段并将拥塞窗口 降低为一个t c p 段，进入慢启动阶段，同时将r t o 进行退避： r t o 。= y 幸r t o( 7 1 ) ( 3 7 ) 实际应用中口取为7 8 ，取1 1 4 ，y 取2 - - 6 4 。 在没有重传时，采用( 3 - 4 ) 、( 3 - 5 ) 和( 3 - 6 ) 进行超时时间的没定：每发送 一次重传就利用( 3 7 ) 进行超时时钟的修改。 重复应答 使用重传超时会导致很大的延时，如果数据段丢失相对较多时更为严霞。为了 羲庆邮电学院硕i j 论文 加速丢火数据段的检测和重传，t c p 使用了另外一种机制甄复膨答。 当某数据段丢失时，接收方随后接收到的数据段均发川针对该五久数蜊段的应 符，肖到接收到j l ! 确的数据；当1 c p 发送力收剑连续t 个匝复j 渺符i l 、j 就认为该数据 段丢欠了，需要启动重传和发送窗口的调整机制。 3 2t c p 在无线环境中的问题 由第二章的无线网络特性分析可知，无线链路的高误码率、带宽彳j 限、移动性 等特性对网络传输层的影响可以归结为两个主要的方面，即分组丢失或损坏引起的 问题和分组延迟引起的问题。此外，某些无线链路( 如一j 犀链路) 的不对称、大延 迟带宽乘积对t c p 的性能也有较大影响。 3 2 1 经常性的链路错误引起的问题 t c p 发送方根据接收方返回的应答判断网络情况，它根据返同的应答、超时时 纠，或重复应答可以推断数据分组足否成功传输。然而这种方式缺乏判断误码原因的 机制，只是简单的把每个分组的丢失旷1 结为网络中发生了拥寨。显然，这种方式只 适用于前述有线网络的情况。在无线链路情况下，常有凶链路问题引起的丢包，如 果简单地采用传统t c p 的算法必然引起拥塞窗口的频繁调整、经常处于慢启动阶段， 导致t c p 连接吞吐量的急剧下降。 对于因网络拥塞导致的丢包必须启动拥塞控制机制，以减轻网络的紧张程度， 使网络尽快的恢复出来。 对于因无线链路导致的丢包，解决的最好办法是不启动拥塞控制机制，尽快重 传丢失或损坏的分组；如果启动拥塞控制机制，会使吞吐率不必要的下降。在无线 网络中，多个分组的丢失是很普遍的。当连续几个分组在连接期间丢欠时，他们每 个都会引起目前的拥塞窗口减半，就会使拥塞窗口迅速下降为一个段，可能导致t c p 连接常常处于慢启动阶段。如果拥塞窗口小于4 个段，由于没有足够触发三个重复 应答的t c p 段，不能使用快速重传快速恢复算法，, j q j l j 塞窗u - ! i s i l d ：了快速重传。 在这种情况下，t c p 发送方必须等待超时，进入很耗时间的慢i 动。 由于传统t c p 缺乏区分误码原因的机制，可能导致严重低估可用带宽，使其在 无线链路上的性能严重恶化。 1 4 重庆邮电学院硕士论文 3 2 2 较大的延迟或延迟抖动引起的问题 由于无线有线混合网络中某些尤线链路本身的延迟特性、切换和链路层露传 机制都会导致端到端的较大延迟或延迟抖动。t c p 重传时钟设置rr t t 的卜限。如 果i t t 突然增加，t c p 段被严重延迟，r t o 估计u j 。能被超过，从m ，j l 起超h 寸发生， 相应数据被重传。如果数据仅仅被严重延迟而没有丢弃，是1 i 必要煎传的。 但是超时发生时，t c p 发送方据此认为网络中发生了拥褒，触发慢j a 动，拥塞 窗u 降为一个段，进行“丢火”数据重传。i 斫实际上网络町能没仃发q - l l j 塞，数据 也没有丢失，重传和降低拥塞窗口是不必要的，这时的蕈传导致人疑心避免的重传。 发送方不必要地重传整个窗口的数据，还可能导致更大的性能损失，因为重传段会 产生可能触发错误快速重传的重复应答。 此外，较大的延迟带宽乘积可能导致网络容量的低利，f j 率。这是因为t c p 是通 过接收方的应答来增长发送窗口的，较大的延迟使得发送方不能及时收到来自接收 方的应答确认，从而发送窗口增k 相对较慢，不能充分利用网络资源。 3 2 3 带宽不对称引起的问题 t c p 是利用接收方返回的确认信息调整发送方数据发送速率的传输层协议。在 存在非对称信道的情况下，当传输确认信息的信道带宽远小于传输数据的信道带 宽，确认信息的传输速率小于数据分组的传输速率时，t c p 数据传输的吞n 1 最将受 到确认信息返同速率的限制。 如果从接收端到发