（计算机软件与理论专业论文）异质网络传输控制关键问题研究.pdf

独创声明 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，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( 注：如没有其他需要特别声明 的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 学位论文作者签每：雨玲删即繇滚_ | 3 吼争 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解! 邀有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂撞可以 将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：商影氧制 导师签字z 9 扭月缶 签字目期：2 0 0 6 年期扩日 签字日期：2 0 0 i ，月彩k 山东师范大学硕士学位论文 摘要 近几年来i n t e r n e t 持续保持高速增长，其发展主要归功于万维网的发展和多媒 体应用的层出不穷。同时，随着通信硬件和蜂窝技术的突飞猛进，在异质网络上支持 i n t e r n e t 业务成为研究的一个热点问题。移动主机要与i n t e r n e t 中的固定节点通信或 者移动主机之间跨越固定网络通信，端到端的传输都必然要跨越有线和无线两种媒体。 所以异质网络的传输控制机制就成为研究的热点之一。 拥塞控制是传输控制的一个重要组成部分，本文的主要目标就是研究异质网络环境 下t c p i p 性能，以提供一种适应于异质网络环境下的网络拥塞控制机制，提高网络的 吞吐量、稳定性、链路利用率等方面的性能。 由于无线信道的传输特点和有线信道有很大的差异，所以传统的拥塞控制机制在应 用于异质网络环境下时会因为无线链路的高误码率、高时延、受限带宽、移动切换等因 素的影响而导致其性能的急速下降。 针对上述问题本文主要做了以下两个方面的工作： 一：首先对目前存在的t c p 方案进行了分类研究，针对不同类型的方案进行整体的 性能分析，并给出几种常见的t c p 改进算法的技术比较。其次在此基础上，针对异质网 络传输控制的特点，提出了一种提高异质网络t c p 性能的改进方案w m t c p 。该策略保持 了t c p 协议端到端的语义和完整性。! i i t c p 算法引入了两个参数：单向相对延迟和主动 探测模块。通过统计分析单向相对延迟的值，可以有效地识别异质网络产生丢包的位置， 即区分有线链路或无线链路：主动探测模a p 的设计则是为了解决移动切换造成的数据 包丢失问题。本文对w m t c p 方案的设计目标、主要思想、解决的问题、参数的设计与计 算、算法的流程等问题作了详细的描述。最后通过仿真实验证明该算法在异质网络环境 中与t c pn e w r e n o 算法相比提高了系统的吞吐量，并且具有良好的公平性和友好性。 二：围绕主动队列管理机制a q m 展开工作。在探讨现有主动队列管理机制的基础上 提出了一种适用于异质网络环境的主动队列管理算法e r q ，该算法采用e c n 与a q m 相结 合的思想，改进了原有e c n 策略采用基于速率和队列长度的主动队列管理机制，该算法 能够在路由器端较准确地识别拥塞状态，并及时向端系统发送链路状态信息。本文给出 了该算法的主要思想、参数、算法流程等主要设计，最后通过仿真实验证明，e r q 降 低了对参数m i n m 、i t l a x p 的敏感性，提高了算法适应性，并且在稳定性、响应速度、系统 吞吐量、链路利用率等方面的性能均高于r e d 算法。 n s 一2 是目前国际上应用广泛的网络仿真软件，在分析和评价网络性能方面发挥了 重要作用，本文的所有实验均是在n s 一2 中进行仿真分析的。 本文对异质网络下的传输控制方面进行了探索，希望所做工作能够在传统t c p i p 传输控制机制向异质网络推广和应用的过程中起到一定的推动作用。 山东师范大学硕士学位论文 4 关键词：异质网络、传输控制、t c p 性能、主动队列管理机制、网络仿真 分类号：t p 3 9 3 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nc o n t r o lr e s e a r c h e so v e r h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k d u r i n gt h el a s td e c a d ey e a r s ，w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no ft h et e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r a c t ，n e wc l a s s e so fh o s t ss u c ha sm o b i l ed e v i c e sa r eg a i n i n g p o p u l a r i t y , w h i l et h et r a n s m i s s i o nm e d i ab e c o m e sm o r eh e t e r o g e n e o u s i no r d e rt op r o v i d e e n d - t o - e n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sf o rm o b i l eh o s t s ，w i r e l e s sn e t w o r k sa r eq u i c k l yb e c o m i n g a l li n t e r i o rp a r to f t h ei n t e m e t ，a n dt h er e l i a b l ep r o t o c o l ss u c ha st c pm u s tb es u p p o r t e do v e r t h e m s oc h a l l e n g e sa r em e ti np r o v i d i n gr e l i a b l et r a n s p o r ts e r v i c e st oa l lh o s t sr e g a r d l e s so f t h et y p eo fn e t w o r kc o n n e c t i v i t y o v e rt h ep a s tc o u p l eo fy e a r s ，t c p i pp e r f o r m a n c eo v e r w i r e l e s sl i n k sh a sb e e na na c t i v ea r e ao fr e s e a r c ha n dt h er e s e a r c h e r sh a v eb e e nh e a v i l y i n v o l v e di nc o o r d i n a t i n gt r a n s p o r tc o n t r o lr e s e a r c ho nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k c o n g e s t i o nc o n t r o li sak e yp a r to ft r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 t h i st h e s i se m p h a s i z e st h e t c p ，口p e r f o r m a n c eo v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ss oa st op r o v i d ea ne f f i c i e n tt r a n s m i s s i o n c o n t r o lm e c h a n i s mi nah e t e r o g e n e o u sn e t w o r k 一 t h ew i r e l e s sc h a n n e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ew i r e dc h a n n e lh a v et h ev e r yb i g d i f f e r e n c e ，s ow h e nt 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 lm e c h a n i s ma p p l i e su n d e rt h e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i t sp e r f o r m a n c ed r o p sr a p i d l yb e c a u s eo ft h ew i r e l e s s l i n kh i g he r r o rr a t e ，h i g hd e l a y , l i m i t e db a n d w i d t ha n ds oo n t w om a i na s p e c t sw o r kh a v eb e e n d o n ei nv i e wo f t h ea b o v eq u e s t i o nt h i sa r t i c l e ： a tt h ef i r s ta s p e c t ：t c pa l g o r i t h m sw h i c he x i s ta tp r e s e n th a v eb e e nc o n d u c t e dt h e c l a s s i f i e dr e s e a r c h n l ea r t i c l ea n a l y s i st h ew h o l ep e r f o r m a n c ei nv i e wo fd i f f e r e n tt y p e s ，a n d p r o v i d e ss e v e r a lk i n do fc o m m o nt c pi m p r o v e da l g o r i t h mt h et e c h n i c a lc o m p a r i s o n i nt h i s f o u n d a t i o n ，i nv i e wo f t h et r a n s m i s s i o nc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，t h e a r t i c l ep r o p o s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h m ，m t c pw h i c hc a ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f t c p o v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k n l i ss t r a t e g ym a i n t a i n st h et c pi n t e g r i t ya b o u te n d t o e n d t h e w m t c pa l g o r i t h mu s e st w op a r a m e t e r s ：o n e w a yr e l a t i v ed e l a ya n da c t i v ep r o b e t h r o u g h t h es t a t i s t i c a la n a l y s i sa b o u to n e - w a yr e l a t i v ed e l a y , i tc a ne f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s ht h ec u r r e n t l i n ks t a t eo fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k a pc a ns o l v et h ei s s u ea b o u tp a c k e t1 0 s s e sw i t hh o s t m o b i l i t y 1 1 1 i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ew m t c pd e s i g ng o a l ，t h em a i nt h o u g h t ，p a r a m e t e rd e s i g n a n dc o m p u t a t i o n ，t h es o l u t i o nq u e s t i o na n ds oo n f i n a l l yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp r o v e s t h a ti te n h a n c e st h r o u g h p u t ，a n dh a st h eg o o df a i r n e s sa n df r i e n d l i n e s s a tt h eo t h e ra s p e c t ：t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho na q mm e c h a n i s m s i nf o u n do ft h e d i s c u s s i o no fa c t i v eq u e u em a n a g e 7m e c h a n i s m ，i tp r o p o s ea ne f f i c i e n ta q m a l g o r i t h mt h a t s 山东师范大学硕士学位论文 c a l lb eu s e di nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k t h ee g qa l g o r i t h mu n i f i e st h ee c na n dt h ea q m t h o u g h t s ，a n di m p r o v e se c nm e c h a n i s m t h i sa l g o r i t h mc a r le f f i c i e n t l yd i s t i n g u i s ht h e c o n g e s t i o nc o n d “i o ni nt h er o u t e ra n dp r o m p t l ys e n dt h ec o n d i t i o ni n f o r m a t i o nt ot h es e n d e r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em a i nt h o u g h t ，t h ep a r a m e t e ra n ds oo n f i n a l l yt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ee r qa l g o r i t h mr e d u c e st h ep a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n de n h a n c e st h e a l g o r i t h ms t a b i l i t y , t h es p e e do f r e s p o n s e ，t h es y s t e mt h r o u g h p u ta n ds oo n n s 一2i so n eo ft h em o s tp o p u l a rn e t w o r ks i m u l a t o r si nt h ew o r l d ，w h i c hi su s e dt o a n a l y z ea n de v a l u a t en e t w o r kp e r f o r m a n c e ，s ow ec h o o s en s 一2a so u rs i m u l a t o rt o o lt o s u p p o r ta l lf i f ee x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r i naw o r d ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e h r e hi nt h ef i e l do ft r a n s m i s s i o nc o n t r o lo v e r h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s w eh o p ei tc o u l dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft r a n s m i s s i o nc o n t r o l s t r a t e g i e so v e rw i r e d - c u m - w i r e l e s sn e t w o r k s 、 k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ，t c pp e r f o r m a n c e ，a q m , n s - 2 c l a s s i f i c a t i o n ：t p 3 9 3 6 山东师范大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第章绪论 近几年来，i n t e r n e t 持续保持高速增长，其发展主要归功于万维网的发展和多媒体 应用的层出不穷。同时，随着无线网络技术的突飞猛进，在异质网络上支持i n t e r n e t 业务成为研究的一个热点问题。移动主机要与i n t e r n e t 中的固定节点通信或者移动主 机之间跨越固定网络通信，端到端的传输都必然要跨越有线和无线两种媒介。这些具有 不同传输特性的链路组成的网络就称为异质网络。于是，异质网络的传输控制机制就成 为必须解决的主要问题之一。 1 1 1 当前网络的发展现状 异质网络的发展和部署，使得用户无论在何时何地以及用何种方式访问i n t e r n e t 都将逐步成为现实。i n t e r n e t 提供的万维网信息浏览、电子邮件、文件传输等主要服 务均建立在传输控制协议t c p 之上。t c p 拥塞控制是其成功应用于i n t e r n e t 的重要因 素。在有线网络链路中，t c p 拥塞控制的前提是网络拥塞为数据丢失的唯一原因。但 是无线网络丢包的主要原因则是链路出错。这两种传输介质固有的特性使得现有的传输 控制机制难以同时在两种信道上都获得满意的性能，所以怎样提高异质网络环境下的 t c p 性能成为国内外研究小组的研究重点。 另一方面，多媒体应用近年来以更加迅猛的速度发展。从v o i p ( i p 电话) 到实时 的多方音视合作，如多媒体会议系统、远程医疗、电子商务等，都为终端用户带来了全 新的体验。和普通数据不同，多媒体数据具有实时特性，即数据之间必须满足一定的时 间要求。目前尽力而为( b e s t - e f f o r t ) 的i n t e r n e t 已经不能满足多媒体应用和各种用 户对网络传输质量的要求。因此，以提高网络资源利用率、为用户提供更高服务质量 q o s 为目标的研究领域目前极具有活力。 1 1 2 无线信道的特点 数据在信道上从源端发出到目的端完全收到的总传送时延( d e l i v e r yd e l a y ) = 发 送时延( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) + 传播时延( p r o p a g a t i o nd e l a y ) ，其中发送延迟的大 小为数据长度除以数据在信道上的发送速率；传播时延为电磁波信号从链路的一端传到 另一端的时间，它取决于电磁波信号在信道上的传播速度和信道的长度。在有线网络中， 较高的带宽使得发送时延( 从以太网中的l o m b s 到大型网络骨干网的l o g b s ) 相对较 小，在移动通信系统的无线信道中，在信道长度一定时，传播时延相对固定，因此小带 7 山东师范大学硕士学位论文 宽引起的较大的发送时延决定了总的发送时延。 相对于有线网络上有一定规律的信号差错，天气的影响、建筑物等对无线电波的多 路径反射和阻挡，以及移动终端在邻近的蜂窝间切换等各种情况导致在无线信道上，信 号差错更显得变化快且没有规律和难以预测。 无线信道上频繁的信号衰减和移动终端在蜂窝问的切换，尤其是当移动终端在快速 移动和蜂窝较小时，都会造成频繁的链路暂时中断。 移动终端和基站之间的距离，以及来自其他信号源的干扰的程度，会引起无线信道 信号质量的变化，导致移动通信系统使用不同的信道编码，这样信道的数据传输率也会 变化。 1 2 网络的拥塞控制 在当前网络传输控制研究中的热点问题是网络拥塞控制。网络发生拥塞控制的根本 原因是由于用户发送到网络中的负载大于网络资源容量和处理能力。表现为数据包时延 增加、丢包率增大、上层应用系统性能下降。具体来说导致拥塞的因素有很多，如存储 空间不足、带宽容量有限、处理器速度慢等。拥塞一旦发生往往会形成一个恶性循环过 程。如果路由器没有空余的缓存，它就必须丢弃新到的数据包。当数据包丢弃时，源端 只能保留数据包，结果缓存进一步被消耗，导致拥塞加重。在最坏的情况下可能会导致 拥塞崩溃( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 。目前i n t e r n e t 上实际使用的拥塞控制基本上是 建立在t c p 的窗口控制基础之上。i p 层( 网络层) 的路由器所起的作用相对较小。不 过目前i p 层的拥塞控制研究已经逐渐增加并且成为一个新的研究热点。图1 1 显示了 t c p t p 在i n t e r n e t 上拥塞控制的分布状况”1 。 图1 1i n t e r n e t 上的t c p i p 拥塞控制 从图1 1 可以看出，根据实施拥塞控制算法的位置不同，可以将拥塞控制算法分为 两大类：链路算法( 1 i n ka l g o r i t h m ) 和源算法( s o u r c ea l g o r i t h m ) 。1 。链路算法在 网络设备( 如路由器和交换机) 中执行，作用是检测网络拥塞的发生，产生拥塞反馈信 息。链路算法主要有传统的“去尾算法”( d r o p t a i l ) 和目前热点研究的主动队列管理 ( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，a q m ) 算法。源算法在主机和网络边缘设备中执行，作用 山东师范大学硕士学位论文 是根据反馈信息调整发送的速率。拥塞控制算法设计的关键问题是如何生成反馈信息和 如何对反馈信息进行响应。源算法中使用最广泛的是t c p 协议中的拥塞控制算法。 这 两种拥塞控制算法正是本文所要研究的问题。 1 2 。1 端到端的拥塞控制 采用源算法进行拥塞控制也就是所说的t c p 拥塞控制，它采用了端到端的机制。它 的出发点是源端根据网络的拥塞程度调节其数据发送速率来控制网络的负荷。t c p 协 议为各主机之间提供可靠按序的传输服务“1 ，是目前i n t e r n e t 中广泛采用的传输控制 协议。t c p 协议在不可靠的i p 层基础上为应用层提供面向连接的、可靠的数据传输服 务。它使用4 种技术( 窗口、序列好、重传定时器、确认) 实现t c p 的3 个功能： 流量控制差错控制拥塞控制，以此保证数据的可靠传输，其中拥塞控制是其成 功应用于i n t e r n e t 的重要因素。标准t c p ( 在本文中指目前i n t e r n e t 中常用的t c p 协议r e n o ) 在有线网络中能很好的工作，但是在蜂窝网络、a dh o c 网络和卫星网 络这3 种无线网络中的性能很差t c p 经历了从t c pt a h o e 到当前广泛使用的t c p n e w r e n 0 0 3 多个版本的改进之后，其不断优化的拥塞控制策略保证了端到端的可靠的数 据流传输服务。最初在t c pt a h o e 中实现的拥塞控制机制包括两个部分：慢启动 ( s l o w s t a r t ) 和拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) “”。t c pr e n o 进一步引入了快速重 传( f a s tr e t r a n s m it ) 和快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 算法“1 ，根据发送方收到的重复确认 即可断定数据包丢失，不必像t c pt a h o e 那样需等待丢失数据包的重传定时器超时。 n e w r e n o 在r e n o 基础上又作了补充，使得在发生连续丢包的情况下，发送方能够更有 效地进行拥塞控制。这一系列的优化都是针对有线网络的。t c p 拥塞控制是基于两个基 本假设：一是网络拥塞是导致数据丢失的唯一原因：二是把网络当作一个“黑匣子”。 理想情况下，拥塞控制应仅由网络拥塞启用，而链路错误引起的丢包只会引起数据的重 传。当发生丢包现象时现有的t c p 采用2 种机制：一是重传计时器的超时，另一种是连 续接收到3 个相同的a c k ，则认为网络发生了拥塞，并把临界值s s t h r e s h 设为当前拥 塞窗口( c 1 v n d ) 大小的一半。 目前使用的t c p 拥塞控制一般由四个阶段组成： ( 1 ) 慢启动阶段：当新建一个t c p 连接时，源端将拥塞窗口( c i v n d ) 初始化为一 个数据包大小，源端按照c w n d 大小发送数据，每当收到一个a c k 确认，c w n d 就增加一 个数据包发送量。这样c w n d 就随r t t 呈指数级增长，源端向网络中发送的数据量也将 急剧增长。 ( 2 ) 拥塞避免阶段：当源端发生超时或者收到3 个相同a c k 确认时，就认为网络 发生拥塞( t c p 通常假定由于传输因此数据包损坏和丢失的概率很小) 。此时就进入拥 塞避免阶段。慢启动阀值( s s t h r e s h ) 被设置为当前c w n d 的一半。如果超时发生，c w n d 还要被设置为1 。如果此时c w n d 一 s s t h r e s h ，t c p 就进入慢启动过程；如果c w n d s s t h r e s h ，t c p 就启动拥塞避免机制。c w n d 每次收到一个a c k 时只增加1 c w n d 个数据包， 9 山东师范大学硕士学位论文 所以拥塞避免阶段c w n d 的增长不是指数式的而是线性的。 ( 3 ) 快速重传和快速恢复阶段：当超时发生时，c w n d 要被设置为l ，重新进入慢 启动，这就会导致过大地减小发送窗口尺寸，降低t c p 连接的吞吐率。所以快速重传和 快速恢复就是在源端收到3 个或3 个重复a c k 时，就认为数据包已经丢失，重传数据包， 同时将s s t h r e s h 置为当前c w n d 的一半，而不必等到r t o ( r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ) 超时发生。图1 2 显示了t c p 拥塞过程中拥塞窗口的变化情况。 图1 2t c p 拥塞控制过程 可以看出，t c p 采用的是一种和式增加积式减小( a i m d ) 的、基于窗口的、端到端 的拥塞控制机制。实践表明，这种拥塞控制机制对于尽力而为服务具有很好的适应性。 1 2 2l p 层拥塞控制 链路算法也就是所说的i p 拥塞控制。基于窗口的端到端的t c p 拥塞控制策略对 于i n t e r n e t 的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 起到了关键作用，而且已被证明在防止拥塞崩溃 方面取得了巨大的成功。这种机制的有效依赖于两个基本的假设：( 1 ) 所有( 或者几 乎所有) 的流都采用了拥塞控制机制：( 2 ) 这些流采用的机制是同质的( h o m o g e n e o u s ) 或者大体上相同，即是t c p 友好的( t c p f r i e n d l y ) 流。然而，由于带宽、缓存等资源 型对需求日益缺乏，i n t e r n e t 会继续变得拥塞。这种情况导致几种解决拥塞的方法， 第一是继续改进已有的端到端拥塞控制并将其作为i n t e r n e t 上主要拥塞控制机制；第 二是利用价格等经济因素限制用户对网络资源的需求，减少拥塞的发生；第三是增强网 络中的路由器等中间节点的功能，实现主机端无法到达的技术目标，也就是本文要研究 的i p 拥塞控制问题。 为了满足日益增加的新业务对网络的更高的服务质量需求，仅仅依靠端到端的拥塞 控制还是不够的，网络中问节点就需要采取一定的策略来避免和控制网络拥塞，从而保 证网络畅通并提供一定的服务质量保证。鉴于采用源算法进行拥塞控制的一些不足之 处，近年来采用链路算法进行拥塞控制的研究日益为人们重视。t c p 由于其端到端的本 质特点，它无法利用网络中间节点的数据流信息来提高效率，进行公平性保障。而i p 参与的拥塞控制就能补充其不足之处。链路算法拥塞控制主要就是在主干网络的路由 器上采取排队算法和数据包丢弃策略等机制来提高网络资源利用率。排队算法是通过决 1 0 山东师范大学硕士学位论文 定那些数据包可以传输来分配带宽，而数据包的丢弃策略通过决定那些数据包被丢弃来 分配缓存，这些将直接影响数据包的延时。i p 处理拥塞主要有下列方法： 晟简单也是目前通用的方法就是去尾( d r o p t a i l ) 算法。它的最大优点是实现起 来简单。这种方法又被称为先进先出( f i f 0 ) 。第一个到达的数据包首先被输出。由于 缓存空间限制，如果包到达时缓存已满，那么路由器就不得不丢弃该数据包。这种方法 将拥塞控制的所有责任都推给网络边缘，因此它的作用不太大。 基于d r o p t a i l 队列的一个简单改进就是优先级队列( p q ) 。其基本思想就是对每 个数据包分配一个优先级别维持一个f i f 0 队列，路由器总是优先传输非空的最高优先 级队列。这实际上是区分服务思想的一个实例。由于这种方式致使允许高优先级数据 分组先被发送，并没有对某以特定优先级数据作担保，只要高优先级队列中有数据，低 优先级队列就得不到服务，所以不能公平的保证各种应用的服务质量。 公平队列算法( f q ) 。1 ：f i f 0 队列机制的主要问题是无法区分不同的数据流。f q 算 法则解决了这一问题并且能够有效对付不良数据流( i l lb e h a v e df l o w ) 。在这个算法 中，路由器对每个输出线路( o u t p u tl i n e ) 维持一个队列。路由器按照轮询 ( r o u n d r o b i n ) 方式处理数据包。当一条线路空闲时，路由器就来回扫描所有队列， 一次将每个队列的第一包发出。当某个流的数据包到达过快时，其队列就会很快被占满， 属于这个流的新来数据包就会被丢弃。采用这种方式，任何数据流就不可能抑制其它数 据流而多占资源。f q 的带宽分配独立于数据包的大小，各种服务在队列中几乎是同时 开始的。其缺点就是实现起来过于复杂，需要每个数据流的排队处理、状态统计、数据 包分类以及包调度等额外开销。 此外还有一些很重要的方法，例如，主动队列管理a q m 机制等，将在第四章进行详 细的阐述。 1 3 本文的内容及主要工作 本文的主要研究工作是针对异质网络环境下的传输控制机制存在的问题展开的。 第一章介绍了相关的研究背景：当前网络的发展状况、无线信道的特点以及网络 的传输控制机制。 第二章主要介绍了异质网络环境下对t c p 性能的研究方案。首先对目前存在的t c p 方案进行了分类研究，其次针对不同类型的方案进行性能分析，并给出几种常见的t c p 改进算法的技术比较。 第三章对特定异质网络环境下t c p 性能的改进算法研究。重点研究了最后一跳为 无线的异质网络环境，针对网络动态变化的特点，给出了一种能够识别当前网络的链路 状态并解决移动切换造成的丢包问题的m w t c p 算法，最后通过仿真实验证明了其有效性 能。 第四章本章主要是对异质网络环境下i p 拥塞控制的研究。首先对当前网络中采 用的主动队列管理机制a q h 【进行分类，并对应分类介绍了相关的典型a q m 算法。其次综 。 1 1 山东师范大学硕士学位论文 合分析了当前网络当中的r e d 改进策略以及新的a q m 策略。最后在上述的基础上提出了 一种适用于异质网络环境的主动队列管理算法e r q ，该算法是在e c n 策略的基础上采用 基于速率和队列长度的主动队列管理机制，并通过仿真实验证明其有效性。 第五章对本文的研究工作进行了总结，指出了有待继续深入研究的问题。展望了 未来的发展方向和进一步的研究工作。 山东师范大学硕士学位论文 第二章异质网络t c p 性能研究 由于无线信道的传输特性与有线信道有着很大的差异，所以t c p 协议在直接应用 于异质网络会急剧降低t c p 性能。所以，本章在分析影响异质网络t c p 性能的因素的基 础上，综合研究了现有的各种t c p 改进方案，并对现有方案进行比较分析。 2 1 异质网络中影响t c p 性能的各种因素 在有线和无线并存的异质网络环境中，影响t c p 性能的因素主要有以下几个方面 t o - l a ( 1 ) 受限带宽( l i m i t e db a n d w i d t h ) 。有线网络提供了稳定的带宽，而带宽在无 线网络中是希缺资源。因为无线链路的带宽有限，节点可能只能使用很少的带宽，甚至 没有带宽可以使用，导致发送端超时和信息丢失时间增多。同典型的以太网1 0 m ( 1 0 0 m 一高速以太网) 相比，l u c e n tw a v e l a n 的带宽相对较小，而且在无线网络上带宽 还经常变化，新的高层的协议有必要将其加以考虑并采取不同的解决方案( 如压缩) 。 ( 2 ) 长往返时间( l o n gr o u n dt r i pt i m e s ) 。t c p 传输控制采用的是基于窗1 ：3 的端 到端的闭环控制方式，该算法的效率与反馈时延有着密切的联系。一般来说，无线媒介 比有线媒介表现出更长的潜在时延，它影响了t c p 的吞吐量并且增加了用户可感受到的 交互时延。无线信道中较大的往返延迟偏差是造成异质网络传输性能较低的原因之一。 t c p 的定时机制每次仅对一个t c p 数据段计时，较大的往返延迟偏差会使源端无法精确 评估数据传输的往返时间，从而无法计算出合适的重传超时值( 通常为2 r t t 5 r t t ) ， 这会显著增加连接滞留在慢启动阶段的时间，也容易引起数据传输过程中不必要的超 时，造成网络资源的浪费。特别是在缓存延迟与传播延迟数量级相同的情况下，如果网 络环境变化频繁或源端以大窗口发送数据，过粗的取样速率最终将降低t c p 丢包检测机 制的效能，并可能导致拥塞崩溃。 另外，无线链路中的高时延现象还是造成网络带宽延迟乘积( 表示往返于源端和目 的端之间的信道容量) 较大的原因。这样，为了有效利用有限的带宽资源，t c p 数据发 送窗口必须达到一个较大值。目前，i e t f 标准推荐使用的t c p 窗口扩缩选项，就可使 最大窗口达到2 3 0 b y t e s 。但是，以大窗口发送数据容易使t c p 在拥塞阶段丢失更多的 数据包，而且大大增加了同一连接上丢失多个数据包的机率。 ( 3 ) 随机丢失( r a n d o ml o s s e s ) 。在地面固定网络中，主机通过有线介质连接，受 外部环境影响而引起传输错误的可能性相当小，故拥塞丢包是有线网络中数据包丢失的 主要原因。无线网络的链路是有损介质更易于传输丢失，无线主机采用无线或红外波传 输进行通信，由于信号的衰减，随机的气候条件，复杂的地理因素，以及各种有意无意 的干扰等，具有很高的比特误码率( b b r ) 。如：无线网络中，比特误码率比在有线网络 中要高的多，达到1 0 一2 ，有时达到1 0 1 ，是有线网络的几十倍甚至几百倍。当数据包 1 3 山东师范大学硕士学位论文 沿着传输质量较差的无线链路前行时，极易受环境影响造成数据包的损伤，损伤的数据 包通常在数据链路层被丢弃而并不被应用层接受，从而导致大量的误码丢包。此外，若 信号衰减或数据链路层目的地址受损，下游节点收不到上游节点发出的数据帧也会造成 数据包被丢弃。这些由于传输链路质量问题造成的误码丢包，是无线链路上产生丢包的 重要原因。比特误码率会导致数据包损坏甚至造成t c p 数据包的丢失或通知包丢失。如 果通知包没有在计时器超时之前到达，发送端将重新发送该数据包，指数倍延长下一个 重传计时器长度并且将拥塞窗口缩小为1 个m s s 。如果重复性的发生这种错误将导致发 送端的拥塞窗口保持一个很小的值，急剧的降低t c p 的性能。异质网络上的b e r 只要有 一条无线连接，就会影响到整个网络的性能。可以应用前向纠错( f e c ) ，将错误警告错误 速率( f a e r ) 降低到i 0 “，但是也带来了带宽的巨大浪费。显然误码丢包和拥塞丢包反映 的是不同的网络状态，二者有着本质的区别：误码丢包为个别行为，在误码丢包比较轻 的情况下，源端可以完全不考虑链路质量对数据发送速率的影响；而拥塞丢包属集体行 为，即使源端检测出网络拥塞程度很轻，也需要降低数据发送速率，以避免瓶颈链路进 一步拥塞，防止出现严重的网络崩溃现象。 ( 4 ) 用户的可移动性( u s e r m o b i l i t y ) 。这里可移动性表明用户可以随意漫游并且 可以保持一直享受网络服务。当一个移动主机移动时将会发生越区切换过程，在这个 过程中，所有必要的信息必须在两个基站之间传输，这样移动主机能够保持通信。但在 越区切换过程中有一个信号消失阶段。在移动环境中，无线主机在蜂窝之间移动，当它 与新的基站进行h a n d o f f 时会有临时的连接中断。连接中断也可能是因为环境中的物理 墙壁阻挡无线电波，比如建筑物。另外如果一个蜂窝包含很多用户，有的连接( 比如刚 到达的移动终端) 可能很长时间得不到带宽。这也可以被认为是连接中断。在这个阶段， 无线主机不能接收到任何发送端的数据。连接中断可能持续几秒钟，这样就可能造成数 据包丢失或通知包传送延迟。这些连接中断造成发送端超时，t c p 将其解释为拥塞，并 激发拥塞控制机制，但这是没有必要的，因为一旦无线主机与基站连接之后又会开始接 收数据了。这样做就导致t c p 的性能下降，而如果无线主机频繁移动的话，则性能下降 更快。 由此我们可以看出：t c p 协议检测丢失的通知包是通过超时来判定的。当数据链 路上连接频繁、长时间断开时，即使是一个单一的包的丢失也会被认为是网络拥塞发生 了。t c p 不能区分是网络拥塞还是包被破坏而引起的数据包丢失。这时t c p 发送端将 启用慢启动机制：将拥塞窗口缩小到1 ，此后每收到一个通知包后将窗口增大至2 倍， 直至窗口数到达拥塞窗口的极限值。图2 1 显示的是当检测到1 个包丢失后慢启动机制 过程。图2 2 显示的是如果我们识别出包丢失是因为被破坏而不是拥塞造成的，并且及 时重传被破坏的包，那么慢启动过程将会避免。 1 4 山东师范大学硕士学位论文 1 连接中断后启用慢启动机制 图2 2 连接中断后不启用慢启动机制 比较图2 i 和图2 2 我们可以得到这样一个结论：在比特错误率较高的链路上和连 接频繁断路或长时间断路时，错误的假设将会严重影响t c p 的性能。 ( 5 ) 短流速( s h o r tf l o w s ) 。当应用层协议为传输开放了一个t c p 连接，整个传输 已经完成了，然而t c p 发送方很可能仍然处于缓慢的启动阶段。这样t c p 连接就不能 完全利用可用的带宽。 ( 6 ) 能源消耗( p o w e rc o n s u m p t i o n ) 。对于使用电池操作的设备，比如膝上型电 脑、p d a 、无线电话等，能源的消耗时非常重要的因素。 比如，在一个无线媒介上通 信消耗的电池能量比c p u 更多。 ( 8 ) 信道不对称。在以t c p 为传输层协议的网络中，其端到端信道包括两个方向： 一是数据包从发送端流向接收端，我们称之为前向信道，二是确认包从接收端流向发送 端，我们称之为后向信道。t c p 前向信道发送数据包的多少由发送窗口的大小来决定， 而发送窗口的变化速度要靠后向信道返回确认包的数量和频率来调节。在对称信道上， 后向确认包的产生速率等于前向数据包的到达速率，所以确认包不会在后向信道上产生 排队，而且返回确认之间的最小间隔等于一个数据包传输时间。 今天的因特网上，为使接收端的设计更经济并节省宝贵的无线网络带宽，许多信道 采用非对称接入方式，后向信道的传输速率往往比前向信道慢几倍到几十倍。这样，后 向信道的缓存队列很容易因过多的数据包排队而溢出，导致拥塞丢包。另一方面，标准 的t c p 协议采用滑动窗口技术实现端到端的流量控制，源端根据目的端返回的确认包来 调整窗口大小从而确定数据包的发送速率。由于后向信道缓存队列中的a c k 确认包很可 能在大量的数据包后排队，较慢的a c k 传送速