（计算机软件与理论专业论文）异构网络环境下tcp协议的研究与模拟实现.pdf

摘要 t c p 协议最初是为有线网络而设计的，因此运行在有线网络上性 能良好。但是目前随着无线技术的快速发展，网络已经从有线网络发 展成为有线链路与无线信道共存的异构网络。当t c p 协议应用到异构 网络时性能显著下降。因此如何提高异构网络环境下t c p 协议的性能 已经成为目前一个重要的研究课题。 本文首先详细分析了t c p 协议的发展历程，接着讨论了异构网络 的特点和t c p 协议面临的问题。然后分析比较了评价t c p 协议性能的 三种方法以及当前网络模拟的三种主流工具，并选定使用n s 2 作为模 拟工具。 然后分别针对异构网络中的蜂窝网络和卫星网络环境的特点以 及t c p 协议在这两种环境下存在的问题进行深入研究，分析目前已有 的解决方案，提出分别针对这两种网络环境的t c p 协议：t c p b k 和 t c p b c r f d 。针对蜂窝网络的t c p b k 通过动态探测吞吐量和往返延时 判断网络中数据包丢失的原因，合理调整参数，并且探测网络流量和 网络性能参数寻找性能上的最优点( k n e e 点) ，将网络流量保持在该 点，以达到最大的吞吐量；针对卫星网络的t c p b c r f d 通过检测网络 中相对前向延迟的变化趋势来判断网络前向链路的状态，并据此在网 络发生数据包丢失后，合理调整参数。模拟实验表明，两种t c p 协议 在各自的网络环境下比现有的协议在性能上有较大的提高。 关键词t c p ，r t t ，异构网络，性能改进 a b s t r a c t t c pw a sd e s i g n e df o rw i r e dn e t w o r k s s oi tp e r f o r i l l sw e l lo v e rw i r e d n e t w o r k s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s t e c h n o l o g y , m o s to f n e t w o r k sh a v ee v o l v e dt o h e t e r o g e n e o u s ( w i r e d w i r e l e s s ) n e t w o r k s t c p sp e r f o r m a n c es u f f e r sf r o m s i g n i f i c a n td e g r a d a t i o nw h e ni t i s a p p l i e dt oh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s h o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t c po v e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h s u b j e c t f i r s t l y , t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l ya n a l y z e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f t c pa n dd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n dt h e p r o b l e m so ft c po v e ri t s e c o n d l y ，i tc o m p a r e st h r e ew a y so ft c p p e r f o r m a n c ea p p r a i s e m e n ta n dt h r e e m a i nt o o l si nc u r r e n tn e t w o r k s i m u l a t i o n ，t h e nc h o o s e sn s 2t od on e t w o r ks i m u l a t i o n t h i r d l y , t h i sp a p e rm a k e sa i li n t e n s i v es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f c e l l u l a rn e t w o r k sa n ds a t e l l i t en e t w o r k s ，a n a l y z e st h ee x i s t e ds o l u t i o n s a n d p r o p o s e s t c p b ka n dt c p b c r f do v e rt h e m r e s p e c t i v e l y t c p b kw h i c ha i m sa tc e l l u l a rn e t w o r k ss e a r c h e st h r o u g h p u ta n dr e l a y t r a n s m i tt i m et od e t e r m i n et h er e a s o n so fd a t ap a c k e t sl o s i n g ，t h e nt a k e a p p r o p r i a t em e a s u r e s i ta l s os e a r c h e st h eb e s tp o i n t ( k n e ep o i n t ) b a s e do n c o n t i n u o u s l yd e t e c t i n gn e t w o r kl o a da n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n d k e e p s t h en e t w o r kl o a da tt h a t p o i n t t o g e t t h em o r et h r o u g h p u t ； t c p b c r f dw h i c ha i m sa ts a t e l l i t en e t w o r k sd e t e r m i n e sf o r w a r dl i n k s t a t eb a s e do nt h ev a r i a n tt e n d e n c yo fr e l a t i v ef o r w a r dd e l a ya n dt a k e s a p p r o p r i a t em e a s u r e sa f t e rp a c k e tl o s i n g t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ss h o wt h et w os o l u t i o n sb o t hh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a n p r e s e n tp r o t o c o l so v e rr e s p e c t i v en e t w o r k s k e yw o r d s ：t c p , r t t , h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，p e r f o r m a n c e i m p r o v i n g i i 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者撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或者其他单位的学位或者证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：垫叁蝗日期：童垒年二朔壶日 关于学位论文使用授权说明 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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或者部分内容，可以采用复印、缩印或者其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或者湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：、煞托些坠铈签名熊魄丛年上月五日 伍而翔：) 一 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议“”是目前i n t e m e t 上使用最广泛 的一种传输协议，它为用户提供了一种基于连接的、可靠的、端到端的数据包传 输服务。根据m c i 公司的统计，i n t e m e t 上总字节数的9 5 和总报文数的9 0 使 用t c p 协议传输”1 ，但是t c p 协议主要适用于差错率低和网络拥塞是造成报文 丢失的主要原因的有线链路。无线信道由于其差错率高、多种衰落和移动性等特 点，网络中发生丢包的原因不仅仅是拥塞，链路错误、衰落和主机移动等都会造 成报文丢失。因此，当t c p 协议应用于异构网络( 有线网络和无线网络混合) 时，其性能会出现显著下降。目前，随着无线接入技术的快速发展，网络已经越 来越呈现异构性。因此，如何提高t c p 在异构网络环境下的性能已经成为一个 活跃的研究领域”。本章主要介绍异构网络环境下t c p 协议的研究概况、t c p 协议研究的发展历程和本文的主要研究内容等。 1 1 异构网络概述 1 1 1 异构网络的发展历程 异构网络是指有线链路和无线信道并存的网络。 网络最早来源于1 9 6 9 年美国国防部高级研究计划局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ，d a r p a ) 建立的a r p a n e t 。a r p a n e t 是一个只有4 个 结点( 分别位于加州大学洛杉矶分校、斯坦福研究所、加州大学圣大巴比分校和 犹他大学) 的存储转发方式的分组交换广域网，最初主要用于军事研究目的。1 9 7 2 年，首次与公众见面，成为现代计算机网络诞生的标志。1 9 7 0 年，夏威夷大学 研究开发的a l o h a 分组交换无线网络投入运行。，该网主要完成远程终端与主 机间的数据交换，a l o h a 所采用的信道竞争协议为后来出现的载波侦听多路存 取( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s ，c s m a ) 奠定了基础“。到上个世纪九十年代， 硬件技术的发展使得移动设备的成本降低，i n t e m e t 的普及也促进了无线网络技 术的商业应用。人们对移动网络需求的增长和计算机网络技术的快速进步使得无 线网络得到迅速发展，网络越来越呈现出异构性。 1 1 2 异构网络的分类 按照文献 8 ，异构网络大致可以分为三类： ( 1 ) 卫星网络 硕士学位论文第一章绪论 发送端和接收端之间使用卫星链路连接，典型的通信特征是高带宽、长延时 的长肥链路以及链路的不对称性。 ( 2 ) a d h o c 网络 这种网络一般不包括有线链路，移动主机通过相互连接的无线链路自发地组 成一个网络。典型的通信特征是较高的差错率、频繁的路由改变和网络分割。 ( 3 ) 蜂窝网络 固定节点通过有线链路连接到基站，再通过无线信道连接到移动终端，也就 是所谓的单跳网络，这是最常用的，也是目前研究最多的异构网络结构，主要需 要提高无线信道造成的t c p 性能下降的问题。 由于a dh o e 网络大多数情况下不需要固定基础设施，只由一组带有无线收 发装置的移动终端即可组成，不体现有线链路和无线信道共存的异构性。所以本 文只考虑单跳网络和卫星网络环境下t c p 协议的研究和实现。 1 2r o p 协议研究的发展历程 t c p 协议位于t c p i p 协议族的传输层，为两台主机上的应用程序提供面向 连接的、可靠的数据通信，它主要具有以下几种特性： 面向连接：两个使用t c p 的应用( 通常是一个客户和一个服务器) 在彼此 交换数据之前必须先建立一个t c p 连接； 分块发送：应用数据被分割成t c p 认为最适合发送的数据块； 发送确认：当t c p 收到发自t c p 连接另一端的数据，它将发送一个确认； 定时器：当t c p 发出一个报文段后，它启动一个定时器，等待接收端确认 收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段； 首部校验和：t c p 将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和， 目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到报文段的校验和有差错， t c p 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段( 希望发送端超时并重发) 。 t c p 数据被封装在一个i p 数据报中，t c p 首部的数据格式如图1 1 所示。 如果不计任选字段，通常是2 0 个字节。 硕士学位论文 第一章绪论 1 6 位源端口号1 6 位目的端口号 3 2 位序号 3 2 位确认序号 4 位首部长一保衔( 6 位)1 6 位窗口大小 1 6 位校验和1 6 位紧急指针 选项 数据 图1 1t c p 包首部 t c p 协议自1 9 8 1 年被提出后，引发了广泛而深入的研究。它的发展历程主 要经历了下面四种t c p 协议：t c p t a h o e 、t c p r e n o 、t c p - n e w r e n o 和 t c p s a c k 。 1 2 1t c p t a h o e t c p t a h o e 。“是最早引入拥塞控制机制的t c p 协议，即慢启动( s l o ws t a r t ) 和拥塞避免( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 。并且对每个t c p 连接维持两个变量：拥塞 窗口( c o n g e s t i o n w i n d o w , c w n d ) 和慢启动阈值( s l o w s t a r t t h r e s h o l d ，s s t h r e s h ) 。 算法的工作过程如下”1 ： ( 1 ) 对一个给定的连接，初始化c w n d 为1 个报文段，s s t h r e s h 为6 5 5 3 5 个字 节： ( 2 ) t c p 输出例程的输出不能超过c w n d 和接收端通告窗口的大小。拥塞避 免是发送端使用的流量控制，而通告窗口则是接收端进行的流量控制。前者是发 送端感受到的网络拥塞的估计，而后者则与接收端在该连接上的可用缓存大小有 关； ( 3 ) 当拥塞发生时( 超时或收到重复确认) ，s s t h r e s h 被设置为当前窗口大小 的一半( c w n d 和接收端通告窗口大小的最小值，但最小为2 个报文段) ，此外， 如果是超时引起了拥塞，则c w n d 被设置为1 个报文段； ( 4 ) 当新的数据包被对方确认时，就增加c w n d ，但增加的方法依赖于当前的 t c p 连接是处于慢启动阶段还是拥塞避免阶段。如果c w n d 小于或等于s s t h r e s h ， 则正处于慢启动阶段，否则正处于拥塞避免阶段。在慢启动阶段，t c p 发送端每 当接收到一个新的a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) 确认包后，将其c w n d 增加1 ( 指 数增长) ；在拥塞避免阶段，t c p 发送端每当接收到一个新的a c k 确认包后， 硕士学位论文第一章绪论 将其c w n d 增加l c w n d ( 线性增长) 。 早期的t c p 协议由于没有拥塞控制机制，导致了在1 9 8 6 年发生了一次著名 的“网络崩溃”，期间，网络速度大幅度下降，整个i n t e m e t 几乎都不可用，t c p t a h o e 作为最早进入拥塞控制机制的t c p 协议，虽然能够保证网络不再发生崩 溃，但是随着网络应用的日益发展，它的这两种机制导致了一些不足，如链路利 用率低，吞吐量波动大等。 1 2 2t c p r e n o t c p r e n o “3 1 在t c p t a h o e 的基础上，增加了快速重传( f a s tr e t r a n s f f a i t ) 和 快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 机制。在t c p 。r e n o 中，当接收端接收到一个失序的 报文段时，立即需要产生一个重复的a c k 确认包，目的在于让发送端知道自己 收到了一个失序的报文段，并告诉它自己希望收到的序号。 快速重传是指t c p 发送端收到3 个或3 个以上的重复a c k 确认包时，认为 是有一个报文段丢失。( 如果只收到1 2 个重复a c k 确认包，认为只是几个报文 段的重新排序) ，所以重传丢失的数据报文段，而无需等待超时定时器超时。 快速恢复是为了解决t c p t a h o e 中丢包后的性能问题。在快速重传了丢失的 数据包后，进入快速恢复状态。此时，t c p 发送端将s s t h r e s h 设置为c w n d 的一 半，并将c w n d 减半，然后将可用发送窗口设置为m i n ( a w i n ，c w n d + n d u p ) ，其 中a w i n 是接收端通告窗口，n d u p 是重复确认包的个数。 在快速恢复期间，发送端将它的发送窗口增加n d u p 个数据包。在进入快速 恢复状态并且重传了丢失的数据包后，t c p r e n o 等待确认新的数据包的a c k 确认包的到来。在此期间，每接收到一个重复的a c k 确认包，发送端将c w n d 增大一个报文尺寸，并发送一个新的数据包，直至新的a c k 确认包到达( 恢复确 认包，r e c o v e r ya c k ) ，退出快速恢复状态，c w n d 的值恢复为s s t h r e s h 的值，也 就是丢包前c w n d 值的一半，然后t c p 连接进入拥塞避免阶段。 t c p r e n o 较之t c p t a h o e 很好地改善了数据包丢失时的吞吐量性能，但是 当在一个往返延迟内发生多个数据包丢失时，性能依然不容乐观。 1 2 3t c p n e w r e n o t c p - n e w r e n o “”改进了t c p r e n o 的快速重传和快速恢复机制，使得在一次 快速重传和快速恢复过程中就能恢复多个被丢失的数据包，而不必等待时钟超 时。n e wr e n o 对快速恢复算法的改进在于退出时机的不同。发送端将收到的部 分确认包( p a r t i a l a c k ) 看成是紧随其后的数据包丢失的标志，应立即被重传。 每个r t t ( r o u n d t r i p t i m e ) 时间内重传一个被丢失的数据包，直至所有丢失的 数据包被重传为止。n e wr e n o 一直处于快速恢复阶段直至所有在进入快速恢复 硕士学位论文 第一章绪论 之前发送的数据包都被确认后，退出快速恢复阶段，恢复可用发送窗口的值并进 入拥塞避免阶段。 n e w r e n o 对r e n o 的改进仅仅在发送端，接收端不需做任何改变。 1 2 4t c p - s a c k t c p s a c k ( s e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ) 针对的目标也是一个窗口内多个 数据包丢失时的性能下降问题。与t c p r e n o 一样，在发送端收到3 个或大于3 个重复a c k 确认包以后，t c p 连接进入快速恢复阶段，发送端重传一个数据包并 且将c w n d 减半。在快速恢复期河，t c p s a c k 维持一个变量p i p e ，表示在传输 路径中的数据包的个数。当p i p e 小于c w n d 时，发送端只发送新的数据包或者重 传丢失的数据包，当发送出一个新的数据包或者重传出一个丢失的数据包时， p i p e 加l ；当接收到一个带有确认了的新数据的s a c k 选项的重复确认包时，p i p e 减1 。 t c p s a c k 中的数据包重传有多种实现方式，文献 1 5 采用在发送端增加发 送缓冲区的办法来实现，并在缓冲区中对每个数据包增加一个标志位，以标注响 应的数据包是否已经被确认过。当接收到一个s a c k 确认包后，发送端将被确 认过的数据包的标志位打开，该标志位被打开的数据包在后续的重传中将被跳 过。 当接收到部分确认包时，发送端将p i p e 减小2 ，而不是1 。因为接收到部分 确认包表明有数据包离开传输路径，同时表明有数据包被丢弃( 也离开了传输路 径) 。 s a c k 需要对t c p 发送端和接收端都做出改变，但它是作为t c p 选项使用 的，可以部分地消除不利影响。 1 2 5 异构网络环境下t o p 协议面临的主要问题 t c p 协议在有线网络中一直表现良好，但是在异构网络环境下性能大为下 降，主要原因在以下几个方面： ( 1 ) 缺乏合适的错误检测机制。 现有的t c p 协议只能检测到错误的结果( 即有数据包被丢弃) ，而无法知道 错误的原因。对传输过程中出现的错误，传统的t c p 协议假设丢包是由于网络 拥塞，由于有线网络的错误率很低，这种假设是成立的。但是异构网络环境下存 在许多与网络拥塞无关而可以导致丢包的原因，如无线信道突发性错误，信道衰 落等，会导致带宽的大量浪费，造成性能的大幅下降。 ( 2 ) 缺乏有效的错误恢复机制。 由于不知道网络丢包原因，必然无法采取有效的错误恢复机制。简单的拥塞 硕二 ：学位论文第一章绪论 控制和重传无法用于无线信道出错情况，导致了t c p 性能下降，甚至能量和时 间的消耗。 ( 3 ) 能量及时间问题。 随着研究的的进一步发展，人们越来越认识到这个问题，特别对于使用电池 能量的移动设备来说，这个问题至关重要。 这是所有异构网络都面临的问题，此外，每种网络因自身特点，还有固有的 问题。例如蜂窝网络中由于无线频率覆盖的限制和用户的移动性，存在着用户掉 线的问题；而卫星网络中，存在着传播时延大和链路不对称等问题。在后面的章 节中，针对蜂窝网络和卫星网络的特点，分别具体论述了面临的问题和目前已有 的解决方案。 1 3 本文的主要研究内容 本文重点研究了t c p 协议在异构网络环境下的改进，并进行了模拟实现。 主要工作总结如下： 首先论述了t c p 协议的发展历程和异构网络的特点、主要类别以及t c p 协 议在异构网络环境下面临的几点主要问题；接着分析了评价t c p 协议性能的几 项指标，然后比较分析了三种评价网络的方法：理沦分析、实际实验和网络模拟 和当前网络模拟中三种常用的工具：o p n e t 、n s 2 和g l o m o s i m ，并选定使用 n s 2 进行网络模拟，再用一个具体的例子来介绍n s 2 模拟的流程：然后提出一 种基于蜂窝网络的t c p 协议，通过不断探测网络中的k n e e 点来动态调整网络参 数，模拟实验表明，对于错误率比较高的蜂窝网络，该算法切实提高了传输协议 的性能；接着又提出一种基于卫星网络的t c p 协议，通过对前向链路延迟的分 析来判断前向网络状况，并采用增大初始化窗口机制，模拟实验表明，对于卫星 网络，该算法切实提高了传输协议性能；最后总结全文，并对未来的工作进行了 展望。 1 4 本文结构 本文共分为五个章节，内容如下： 第一章，绪论。论述了t c p 协议的发展，异构网络的特点，以及t c p 在异 构网络环境下面临的问题和目前已有的解决方案；第二章，网络性能的评价方法。 论述了三种评价和分析网络性能的方法。针对网络模拟，又论述了当前主要的三 种模拟工具，通过分析比较，最后选定n s 2 ；第三章，蜂窝网络t c p 的改进算 法。提出改进算法，通过模拟实验验证了算法的性能；第四章，卫星网络中t c p 6 硕士学位论文 第一章绪论 改进算法。提出了一种新的t c p 改进算法，并通过模拟实验证明了算法的性能 第五章，总结全文。 硕：e 学位论文 第二章t c p 协议性能的评价研究 第二章t o p 协议性能的评价研究 随着i n t e r n e t 的迅速发展，用户对于服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的 需求越来越高。目前网络评价大多侧重于整个网络，而对于t c p 协议性能的评 价则较少。然而，对于i n t e m e t 流量的统计表明，超过7 0 的网络流量由t c p 承载“，而且随着诸如b t ( b u l kt r a n s f e r ) 等新兴服务的开展和使用t c p 传输实 时多媒体流的成功尝试“”，将承担更多的需要质量保障的服务。更重要的是j 随着网络越来越呈现出异构t 性c p ，出现很多对传统t c p 的改进协议。如何评估这 些t c p 改进协议的性能，进而判断其传输质量是否达到高层应用的要求，成为 急待解决的问题。 2 1 l o p 协议性能评价指标 t c p 协议性能的量度主要有以下几项指标： 1 、吞吐量 吞吐量是衡量t c p 改进协议性能的最重要的指标。 在一个网络中，吞吐量可有不同的含义。一般指每单位时间内通过某一点的 比特的平均数，或是每秒进入或离开某一网络段的平均比特数。本文t c p 协议 的吞吐量是指网络中t c p 接收端成功接收到的信息量。吞吐量的上限就是系统 的容量。但是由于是在异构网络环境下，无线链路错误率比较高，吞吐量远小于 系统的容量。 2 、延迟 延迟是指在两个端主机之间传输一位数据需要花费的时间。 尺( 刀) = t 。( 疗) 一t 。( 胛) ( 2 1 ) 其中r ( n ) 是第n 个数据包的延迟，t 。( 玎) 是第n 个数据包收到的时间， t 。( 胛) 是第n 个数据包发送的时间。如果是在t c p 两端分别测量时间，则需考 虑两个端系统之间的时钟偏差。 由延迟引出一个更进一步的指标：延迟抖动，是指两个连续的数据包之间的 不同时间间隔。计算公式如下： ，( 胛) = 【t 。( 肝) 一t 。( 胛一1 ) 卜 r 。( ，z ) 一t 。( ，? 一1 ) 】 ( 2 2 ) 简便起见，本文也可直接分析i m 来代替延迟，即从发送端发送一个数据 包到接收到它对应的a c k 确认包的时间。 3 、链路利用率 链路利用率是指采样时间段内的传输速率与链路容量之比，计算公式如下： 硕二l 学位论文 第二章t c p 协议性能的评价研究 蹦蚋：攀 ( 2 3 ) 其中，曰。( ，f ) 是第n 条链路在第i 个采样时问段内的链路利用率。b ，( 珂，f ) 是第i 个采样时间段内的第n 条链路传输的数据总量；r ，是采样时间段的长度； b 。是第n 条链路的链路带宽。 链路利用率反映了链路所能提供的能力被有效利用的情况，是衡量网络吞吐 能力和利用效率的重要指标和特性，表示链路的总容量被利用的程度。这里由于 是在异构网络环境下，有线链路和无线信道的带宽差距较大，所以利用率无法和 纯有线网络相比。 4 、公平性和友好性 公平性是指使用相同t c p 协议的多个连接共享带宽时的相对性能。良好的 公平性表明所有的连接都享有近乎相等的机会传输数据。友好性是指使用不同 t c p 协议的多个连接共享带宽时彼此影响的程度。良好的友好性可以保证所有的 连接不会相互抢占，得到公平竞争带宽的机会传输数据。 公平性的计算一般都是采用标准的公平性指数( j a i n sf a i r n e s si n d e x ) 。公式 如下： 2 ( 丁f ) f a i r n e s s i n d e x = 上卜( 2 4 ) 4 仃 i = 1 其中，丁。表示第f 条连接的吞吐量，公平性指数f a i r n e s si n d e x 的变化范围 在0 l 之间，当所有的连接都得到完全相等的吞吐量时f a i m e s si n d e x 等于1 。 由于目前t c p 协议研究的快速发展，多种t c p 协议经常并存于i n t e m e t ，所 以必须考虑协议自身的公平性和协议之间的友好性。例如t c p v e g a s 虽然在吞吐 量等方面优于t c p r e n o ，但是由于其在与其它t c p 协议并存时较差的表现，所 以一直没有得到更进一步的推广使用。 目前网络中通用的t c p 协议为t c p r e n o 协议，所以在考虑友好性时一般 是计算其它协议对t c p r e n o 的友好性。 若全面论述t c p 协议性能的评价指标，有十几项。但是由于目前t c p 协议 承载着多种服务，如f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传送协议) 、h t t p ( h y p e r t e x t t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，超文本传输协议) 、t e l n e t 等。这些服务的特性各不相同， 一些服务关注数据传输的能力，而另一些则对于响应时间要求严格。因此，不能 使用单一的标准进行评价。应该根据t c p 承载服务的不同特征分类，然后采用 9 硕：j 二学位论文第二章t c p 协议性能的评价研究 不同的准则进行评价。 交互式服务：如t e l n e t 、q q 等，主要特征是传输数据量较小，但对于响应 时间较为敏感。因此对于此类服务的质量进行评价时，应侧重于业务时延特性的 评价，可主要使用延迟进行评价。 短时传输服务：如基于h t t p 的w e b 访问服务，需要保证一定的带宽用于 传输文字和媒体信息，而且对于响应时间也有一定的要求，可主要使用吞吐量和 延迟进行评价。 长时间传输服务：如f t p 、b t 等。需要传输的数据量非常大，但用户对于 数据的传输时延没有过多的要求，可主要使用吞吐量进行评价。 本文第三章提出的蜂窝网络环境下t c p 协议的性能评价指标采用的是吞吐 量、公平性和友好性，以及在不同的带宽和i 盯t 下的性能；第四章提出的卫星 网络环境下t c p 协议的性能评价指标则只采用吞吐量。 对t c p 协议性能的研究不能离开网络而空谈，这是一项很复杂的系统工程， 主要体现在网络构成的复杂和外部环境对t c p 协议影响的不确定性等。目前研 究t c p 协议性能评价有以下三种方法1 。 2 2t c p 协议性能评价方法 2 2 1 理论分析 理论分析是一种基于公式的通信系统性能评估方法。特点是能得到性能参数 的公式解。可在评测参数和系统输入参数之间建立起清晰的关系，从而有助于更 深入地了解系统的特性。 主要有数值分析方法和解析代数方法。 数值分析方法首先将系统描述成一个马尔可夫链，然后确定变迁速率矩阵或 变迁概率矩阵，最后数值求解系统的性能参数。 解析代数方法首先确定系统性能参数之间的函数关系，然后根据方程是解 析可解的还是代数可解的，确定系统性能评价的标准。比如定界技术中的渐进定 界、平衡系统定界等，转换技术中的拉普拉斯转换、离散傅立叶转换、生成函数 等。 在初级阶段，理论分析比较有用。但在实际建模中，必须对系统进行很多的 简化才可解。因此，除了一些理想的和简单的模型情况，仅用理论分析评测t c p 性能是非常困难的，而且距离实际情况存在一定的偏差。 2 2 2 实际实验 实际实验是指设计出研究所需要的合理的硬件和软件配置环境，建立测试床 硕士学位论文第二章t c p 协议性能的评价研究 和实验室，在现实的网络上实现对网络协议、网络行为和网络性能的研究。得到 的结果与实际情况最为接近，最有说服力，但是成本很高，运用起来不够灵活， 很难实现网络中的多种通信流量和拓扑的融合。 2 2 3 网络模拟 网络模拟软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台，来实现对真实网络 环境的模拟，研究人员在这个平台上不仅能对网络通信、协议及网络应用进行设 计研究，还可以对网络的性能进行分析和评价。另外，模拟软件所提供的模拟运 行和结果分析功能使研究人员能够快速，直观地得到网络性能参数，为决策提供 了更便捷、更有效的手段。因此，运用网络模拟软件对网络协议、算法等进行模 拟已经成为计算机网络研究中必不可少的一部分“。 目前有许多模拟软件，大部分都提供了多协议和模块化框架，是一个通用的 模拟环境。这些模拟软件有软件公司开发的商用软件，也有各大学和科研所自行 开发的科研用软件。商业软件价格昂贵，不具开放性，但提供了较全面的建模和 协议支持。科研用软件是一些具有开发性的软件包，可作为研究的共享资源，但 功能不如商用软件完善。这里主要介绍三种主流的模拟软件“，商用的 o p n e t ，半商用的g l o m o s i m 。”和科研用的n s 2 。“。由于它们各有其优缺点和 适用场景，下面只是单纯地分析比较它们的准确性、模拟方法、扩展性、费用等 方面。“，而不是要指出哪种模拟软件最好。 ( 1 ) o p n e t 特点分析 o p n e t 是目前世界上最先进的网络仿真和建模的平台之一，由m i l 3 公司 开发，支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，便于用户使用，功 能强大且全面，几乎可以模拟任何网络设备，支持各种网络技术。 o p n e t 产品系列主要包括以下四个：网络规划设计工具i td e c i s i o ng u r e 、 网络研发仿真平台m o d e l e r 、对无线和移动网络仿真支持的m o d e l e r r a d i o 和在 模拟网络环境中验证硬件设计的o x c 。其中m o d e l e r 是专门用于可视化原型设 计的软件，使用它可以方便地建立网络模型，减少编程的工作量。m o d e l e r 中提 供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行，包括：网络编辑器( n e t w o r k e d i t o r ) 、节点编辑器( n o d ee d i t o r ) 、进程编辑器( p r o c e s se d i t o r ) 和包格式编 辑器( p a c k e tf o r m a te d i t o r ) 、探针编辑器( p r o b ee d i t o r ) 等。此外，o p n e t 还 提供了交互式的运行调试工具、功能强大的结果分析器和能够实时观察模型动态 行为的动态观察器。 o p n e t 是商用软件，价格非常昂贵，这限制了其在研究领域的应用。 ( 2 ) g l o m o s i m 特点分析 g l o m o s i m 是运行在p a r s e c ( p a r a l l e ls i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rc o m p l e x 硕士学位论文第二章t c p 协议性能的评价研究 s y s t e m s ) 环境下的无线网络仿真库，p a r s e c 是一个由u c l a ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i aa tl o s a n g e l e s ，( 美) 加利福尼亚大学洛杉矶分校) 并行计算实验室开 发的基于c 的模拟语言，能以顺序或并行的方式模拟离散时问模型。g l o m o s i m 设计的主要目的是模拟超大型的网络模型，可以被扩展到超过百万个节点。通过 并行的模拟方法，g l o m o s i m 可以明显地降低模拟的运行时间。主要采用节点聚 集和层次聚集两种机制来提高模拟效率。g l o m o s i m 采用与o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连) 的七层网络结构密性相似的层次结构，不同层 次之间使用简单的a p i 接口进行通讯，因此实现跨层信息的应用比较困难。 g l o m o s i m 是半商业化的软件，对企业应用收费较高，对于学校教学科研， 通过申请可以免费使用。 ( 3 ) n s 2 特点分析 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 是由在1 9 8 9 年的一系列实时网络仿真器 开始，并且在过去的多年中不断改进。1 9 9 5 年得到了美国国防部远景规划署 ( d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 所资助的v i n t ( v i r t u a l i n t e rn e t w o r kt e s t b e d ) 项目的支持，由l b l 、x e r o xp a r c 、u c b 和u s c i s i 等 合作开发。 n s 2 采用离散事件驱动机制进行仿真，架构遵循o s i 七层网络结构，其内 核源码用c 语言，编程语言用c + + 和o t e l ( o r i e n t e dt e l ，面向对象的t e l ) 。c + + 是编译性语言，可以有效地处理字节、包头等数据信息，实现各种算法，适用于 具体协议的实现。o t c l 是解释性语言，用于书写仿真脚本，只需修改网络的参 数和配置。两种语言的结合使用，满足了不同的需要。同时，n s 2 利用t c l c l 机制将c + + 和o t e l 结合起来，使得c + + 与o t e l 能够互相直接操作对方定义的数 据，c + + 的类和o t c l 的类相对应。通过这种机制，n s 2 达到了仿真配置灵活性 和运行效率的统一。 n s 2 是一款完全免费的软件，而且所有源代码公开，是一个开放性的仿真平 台。用户可以通过继承n s 2 类来开发自己所需要的对象模块，再集成到n s 2 环 境中去。n s 2 在国际上享有很高的学术声誉，被世界各国的网络研究者广泛使用。 ( 4 ) 网络模拟软件的比较 本文将上述3 种网络模拟软件的特性进行比较，见表2 - 1 。o p n e t 虽然功 能强大，但价格昂贵；g l o m o s i m 获取也不易，且主要优势在于仿真大规模网络； n s 2 具有免费，开放的特性，获取容易，特别适合于科研使用，而且国内也有越 来越多的人在学习，使用。在笔者读研期间，就在网上遇到过很多同仁，而且组 织翻译过n s 2 手册。所以本文决定采用n s 2 进行异构网络下传输协议的研究。 硕士学位论文第二章t c p 协议性能的评价研究 表2 - 1 网络模拟软件的比较 模拟软件 o p n e tg l o m o s i mn s 2 模拟方法事件驱动事件驱动事件驱动 建模方法面向对象面向对象 面向对象 建模环境图形化编辑器命令符编辑器命令符编辑器 模型扩展在已有模型上修改将已有模型整合，改动在已有模型上继承 或使用c c + + 编写或移植别的模型模块或编制新模型 模型过程观察支持动态观察支持动态观察支持动态观察 模拟结果结果分析器输出图形显示器输出图形显示器输出 适用范围儿乎所有网络 多种网络( 主要面向大多种网络( 主要面 型网络) 向网络协议研究) 运行环境 w i n d o w sn t 2 0 0 0 u n i xw i n d o w sn t ，2 0 0 0 u n i xs o l a r i ss o l a r i su n i x l i n u x 价格十分昂贵昂贵，对学校免费免费 2 3n s 2 网络模拟流程 n s 2 网络模拟流程图如图2 一l 所示： 下面以一个具体的例子简述一下n s 2 的模拟思路。在进行网络模拟前，首 先分析模拟涉及哪个层次。n s 2 分为2 个层次：一个是基于0 t c l 编程的层次， 利用n s 2 已有的网络元素实现模拟，无需修改n s 2 本身，只需编写o t c l 脚本； 一个是基于c + + 和o t c l 编程的层次，如果n s 2 中没有所需的网络元素，则需要 扩展它，添加所需的元素，即添加新的c + + 和0 t c l 类，编写新的o t c l 脚本。 硕： 学位论文第二章t c p 协议性能的评价研究 图2 - 1i q s 2 模拟流程图 假设用户已经完成了对n s 2 的扩展，或者n s 2 所包含的构件已经满足要求， 那么进行一次模拟的步骤大致如下( 以建立一个名为e x a m p l e t c l 的脚本为例， 给出脚本中一些主要语句) ： ( 1 ) s e tn s n e ws i m u l a t o r 配置网络拓扑建立一个s i m u l a t o r 对象的实例并把它赋值给变量n s ( 2 ) s e tt r a c e f d 【o p e ne x a m p l e t rw $ n st r a c e a l l $ t r a c e f d s e tn a m t r a c e f d 【o p e ne x a m p l e n a mw 】 $ n sn a m t r a c e a l l $ n a m t r a c e f d 分别打开名为e x a m p l e t r 和e x a m p l e n a m 的文件，用来记录模拟过程的 t r a c e 数据和n a m ( 动画) 的t r a c e 数据。 ( 3 ) p r o c f i n i s h g l o b a ln st r a c e f dn a m t r a c e f d c l o s e $ t r