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北京邮电大学博士研究生学位论文 中文摘要 中文摘要 流控制传输协议( s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ,s c t p ) 是i e t f 于2 0 0 0 年1 0 月制定的传输层协议标准( r f c 2 9 6 0 ) 。s c t p 与t c p ,u d p 处于协议体系层 次结构中相同的位置,它使用下层无连接分组网络提供的服务,为上层应用提供 传输层功能服务。s c t p 和t c p 有很多相似的机制:首先,s c t p 也是面向连接的、 端到端的全双工传输协议,为上层应用提供可靠的传输服务,保证数据在网络中 的无差错传输。其次,s c t p 也是面向会话的机制,在传输数据之前,在两个s c t p 端点之间建立通信联系,这种联系称为s c t p 关联( a s s o c i a t i o n ) ,类似于t c p 连 接,关联一直保持到数据传输完毕。s c t p 的提出背景是t c p 目前存在的一些缺 陷:1 ) 完全有序的传输不适于某些只要求传输内容部分有序的应用;2 ) 无格式 的面向字节流传输不能提供内容定界,3 ) 在多宿主机上使用t c p 套接口比较复杂: 4 ) t c p 连接易于受到拒绝服务( d e m a lo fs e r v i c e ,d o s ) 攻击。s c t p 最先是针 对在无连接的网络中可靠地传输p s t n 信令而提出来的,是一种通用传输协议, 它的功能集是t c p 功能集的超集,也就是,s c t p 能向上层应用提供t c p 所能提 供的所有服务,同时,s c t p 由于自身的特点,例如支持多宿主机和多流机制,也 可以用于其它更广泛的应用。本文通过分析和大量的仿真实验证明了s c t p 在有线 和无线环境中传送主流应用( f t p ,t e l n e t ,h t t p ) 时具有的优于t c p 的特点。 首先是s c t p 支持多宿主机的特点,可以提供网络级容错,其次是其基于流控制的 特点,可以缓解队头阻塞( h e a do f l i n eb l o c k ,h o l ) 。此外,s c t p 面向消息, 可以简化端系统上的协议功能结构。除了以上流控制特性以外,s c t p 还综合了 t c p 的各种搁塞控制和差错控制特性。今后在丰富和完善应用接口a p i 之后,s c t p 有可能在主流应用中代替t c p 。 本文提出了基于独立路径拥塞控制的s c t p 负荷分担机制,同时为此设计了避 免不必要快速重传的算法l s f r ( 分集快速重传算法) 。s c t p 负荷分担利用s c t p 的多路径特点,充分利用网络资源,因此可以获得更高的吞吐量。要实现s c t p 负荷分担,必须对原来的s c t p 拥塞控制算法做改动。仿真结果表明实现了分集快 速重传算法的负荷分担是有效的。而且分集快速重传算法l s f r 只对s c t p 发送端 北京邮电大学博士研究生学位论文中文摘要 做改进,可以和现有的s c t p 协议兼容,也就是实现了负荷分担的s c t p 端点和标 准s c t p 端点可以建立关联进行通信。作为移动s c t p 一个增强功能,s c t p 负荷 分担用在移动网络中可以明显改善切换时的性能,有助于实现无缝切换。传输层 移动性是互联网移动性解决方案之一,它不依赖于网络基础设施,仅通过修改端 系统的传输层协议功能来实现移动性,相对于其它层次有比较明显的优势。移动 s c t p 的负荷分担可以增强传输层移动性的功能,在移动主机处于切换中的从重叠 区时使用负荷分担功能有助予实现移动口网络中的平滑越区切换。 本文针对无线环境提出了一种以接收方为控制中心的s c t p ( r e c e p t i o nc o n t r o l s c t p :r c s c t p ) 。标准s c t p 是作为一种通用传输协议标准提出的,和t c p 样, 主要针对有线p 网络设计,并没有专门考虑在移动环境下的应用。在移动终端引 入互联网之后,最后一跳无线链路对通信的影响很大。小带宽,高误码率,信道 的时变特性严重影响端到端的传输性能。目前无线移动环境下的t c p 改进主要是 针对最后一跳链路给t c p 连接带来的性能下降而提出的,但这些改进方案主要专 在传输层解决无线移动环境下带来的问题,很少考虑层间结合的方式。有的t c p 改进方案还需要中间节点的支持,破坏了传输协议端到端的特性。s c t p 应用到无 线移动环境中也必须考虑最后一跳无线链路的影响。由于移动终端直接面对无线 接入方式,因此最了解无线链路的状态。把传输控制功能,例如拥塞控制,流量 控制,差错控制的功能转移到移动终端上来,通过把链路层信息向上层传递,通 过层间配合的方式能更好地解决最后一跳无线链路的问题。在c l i e n t s e r v e r 方式的 应用场景下,移动主机作为客户终端,固定主机作为服务器,下行流量远大于上 行流量,这种机制应用于移动终端客户机有明显优点。综合应用s c t p 支持多宿主 机的特点,我们提出的r c s c t p 作为一种新型s c t p 变种,使s c t p 性能在移动 环境下得到增强。s c t p 本身就是支持多宿主机的,因此在s c t p 上的接收端控制 可以直接提供对多接口的支持。接收方为控制中心的r c s c t p 可以结合层问的信 息,根据链路层的指示区分是误码丢包还是拥塞丢包,从而避免了在误码条件下 减小窗口,保证了吞吐量。因此比发送方控制的s c t p 性能优越。接收方为中心的 传输协议r c s c t p 由于利用了和移动主机相邻的无线链路的信息,对上层的传输 控制做了优化,可以获得较s c t p 更好的传输性能。这- - n 用层间结合方式的移动 环境下传输解决方案使得r c s c t p 可以比s c t p 更好地适应最后一跳无线链路的 i f 北京邮电大学博士研究生学位论文 中文摘要 特点,并能支持多个异种网络接口的移动终端。 本文研究了r c s c t p 应用于移动自组织p 2 p 系统传输媒体流的适应性。对等 层叠加系统( p 2 po v e r l a ys y s t e m ) 可以在不改变网络基础架构的条件下迅速提供网 络服务,目前主要用于文件下载,也可以用于媒体流传输,从多个作为提供方的 对等节点以并行方式下载一个媒体片断可以提供在一个接受方节点上的近似实时 的播放速率。p 2 p 系统对于移动自组织网络( m o b i l e a d h o e n e t w o r k ,m 她t ) 有 其内在的适应性。移动节点以一种协作的方式进行通信,两个在彼此无线电覆盖 范围内的移动节点可以直接通信,而相隔较远的节点通信通过中间节点的中继来 完成。从应用层来看,p 2 p 通信的进行分两个阶段:源内容节点发现和源内容提供。 移动自组网中的通信也可以分两个阶段:通过某种路由协议( 例如d s r ) 建立路 由,以及源目节点间的通信。p 2 p 系统对移动自组网中传输媒体流的适应性有以下 几点:可以把通信范围限制在较小的区域( 例如选择相邻节点作为通信对端) :更 适应移动性:可以协调各个提供节点的带宽。在移动a d h o c p 2 p 系统( m o b i l e a d h o c p 2 p ,m a p ) 中的媒体流传输面临着移动自组网特点所带来的问题。使用t c p 作为传输协议在遇到由于路由失效引起的分组丢失时性能会严重下降,而u d p 传 输会带来数据完全不可靠和公平性的问题。本文提出采用r c s c t p 来承载m a p 系统的媒体流传输,r c s c t p 以接收方为控制中心,在每条连接上执行各自的拥 塞控制机制,而在整个p 2 p 会话中统一执行流量控制和差错控制。接收方控制每 一个提供方的发送数据量和发送哪些数据。r c s c t p 克服了t c p 和u d p 的缺点, 同时支持多个提供方发送数据,而且其部分可靠性功能可以有效地实现应用层的 可靠性语义。在m a p 中采用r c s c t p 作为传输协议,可以提供在移动主机上的近 似实时的媒体流下载和播放。作为一种多点到点的传输协议,r c s c t p 的特点是 协作式带宽提供,部分可靠性,和移动适应性。本文通过分析和仿真证明了r c s c t p 比现有的传输协议( p r s c t p ,t c p ,u d p ) 更适于m a p 的媒体流传输。 拥塞控制是传输协议的核心,本文分析了在高速网络中太带宽时延积的t c p 连接所面临的问题,提出高速s c t p 来解决这一问题。高速s c t p 在大窗口时采用 和s c t p 不同的拥塞控制算法,可以充分利用网络带宽以获得更大的吞吐量,在小 窗口时采用和t c p 相同的算法,同时在低速网络上能保持相对t c p 和标准s c t p 的公平性。同时,高速s c t p 由于其面向数据块而非面向字节的序号管理,可以更 i i i 北京邮电大学博士研究生学位论文中文摘要 有效地利用号码资源,从另一方面决定了高速s c t p 比t c p 更适合应用于高速网 络。r c s c t p 的拥塞控制算法和s c t p 相同,在慢启动阶段采用贪婪的探测增加的 办法来逐步增加窗口值,最终仍会导致拥塞的出现和丢包。本文提出一种基于跳 数控制的拥塞窗口控制办法,对拥塞窗口限制以避免其过度增长,以此来获得平 稳的业务流,获取更好的网络性能,同时不影响单个流的吞吐量。在r c s c t p 的 基础上,通过仿真建模,我们验证了拥塞窗口限制机制的有效性。 s c t p 本身是针对已有传输协议和互联网传统的参考模型提出的,在本文结束 语部分对新型传输协议的研究做了展望。新型传输协议需要在以下方面考虑:是 下一代网络协议体系结构的一部分,是面向连接的端到端协议:必须保证端到端 的协商服务质量,通过功能丰富的上层接口为综合业务提供服务;必须是安全的 协议;适应下层无连接、非可靠、无次序保证的分组交换网络。 【关键词】传输协议,s c t p ,性能比较,负荷分担,移动切换,接收方控制,媒 体流传输,高速s c t p ,窗口限制 北京邮电大学博士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s p o r tp r o t o c o l sp l a ya l li m p o r tr o l e i ni n t e m e ta r c h i t e c t u r e t r a d i t i o n a l p r o t o c o l sa r et c pa n du d rt h ef o r m e rp r o v i d e sar e l i a b l e ,f u l ld u p l e x ,c o n n e c t i o n o r i e n t e dt r a n s p o r ts e r v i c ei nas t r i c tb y t es e q u e n c e ,w h i l et h el a t t e rp r o v i d e sas i m p l e m e s s a g eo r i e n t e d , c o n n c c f i o n l e s sa n du n r e l i a b l eo n e t c p 【i e t fr f c 7 9 3 】h a s p e r f o r m e di m m e n s es e r v i c ea s t h ep r i m a r ym e a n so fr e l i a b l ed a t at r a n s f e ri ni p n e t w o r k s h o w e v e r , a ni n c r e a s i n gm m a b e ro fr e c e n ta p p l i c a t i o n sh a v ef o u n dt c pt o o l i m i t i n g ,a n dh a v ei n c o r p o r a t e dt h e i ro w n r e l i a b l ed a t at r a n s f e rp r o t o c o lo nt o po fu d p i e t fr f c 7 6 8 t h el i m i t a t i o n sw h i c hu s e r sh a v ew i s h e dt ob y p a s si n c l u d et h e f o l l o w i n g :1 ) t c pp r o v i d e sb o t hr e l i a b l ed a t at r a n s f e ra n ds t r i c to r d e r - o f - t r a n s m i s s i o n d e l i v e r yo fd g a s o m ea p p l i c a t i o n sn e e dr e l i a b l et r a n s f e rw i t h o u ts e q u e n c em a i n t e n a n c e , w h i l eo t h e r sw o u l db es a t i s f i e dw i t hp a r t i a lo r d e r i n go f t h ed a t a i nb o t ho f 恤e s ec a s e s t h eh e a d o f - l i n e b l o c k i n go f f e r e db yt c pc a u s e su n n e c e s s a r yd e l a y 2 ) t h e s t r e a m o r i e n t e dn a t u r eo ft c pi so f t e na ni n c o n v e n i e n c e a p p l i c a t i o n sm u s ta d dt h e i r o w nr e c o r dm a r k i n gt od e l i n e a t et h e i rm e s s a g e s ,a n dm u s tm a k ee x p l i c i tu g eo ft h ep u s h f a c i l i t yt oe n s u r et h a tac o m p l 吐em e s s a g ei st r a n s f e r r e di nar e a s o n a b l et i m e 3 ) t h e l i m i t e ds c o p eo ft c ps o c k e t sc o m p l i c a t e st h et a s ko fp r o v i d i n gh i g h l y - a v a i l a b l ed a t a t r a n s f e rc a p a b i l i t yu s i n gm u l t i h o m e dh o s t s 4 、t c pi sr e l a t i v e l yv u l n e r a b l et od e n i a lo f s e r v i c ea t t a c k s ,s u c ha ss y na t t a c k s t h es t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( s c t p ) 【i e t fr f c 2 9 6 0 i sb e i n g s t a n d a r d i z e db yt h ei e t fa sar e l i a b l e 打a n s p o r tp r o t o c o lt ot r a n s p o r ts s 7s i g n a l i n g m e s s a g e so v e ri pn e t w o r k s d u et o i t sa t t r a c t i v ef e a t u r e ss u c ha sm u l t i s t r e a m i n ga n d m u l t i h o m i n g ,s c t ph a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf r o mt h en e t w o r kc o m m u n i t y t h e g e n e r a l - p u r p o s es t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o li sd e s i g n e dt oe x p a n dt h es c o p e b e y o n dt c pa n du d p l i k et c p , s c t pp r o v i d e sar e l i a b l e ,f u l l d u p l e xc o n n e c t i o na n d m e c h a n i s m st oc o n t r o ln e t w o r kc o n g e s t i o n u n l i k eb o t ht c pa n du d p , h o w e v e r , s c t p o f f e r sn e wd e l i v e r yo p t i o n st h a ta r ep a r t i c u l a r l yd e s i r a b l ef o rt e l e p h o n ys i g n a l i n ga n d m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo ft c pa n ds c t pu n d e r v a r i o u sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ,i n c l u d i n gf r p ,t e l n e ta n dh t t p ( w e bc a c h e ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts c t pi n d e e dp e r f o r m sb e r e rt h a nt c ea b o v ea l l i si t s m u l t i h o m i n gs u p p o r tf e a m r e f o l l o w i n gi s i t sm u l t i s t r e a mf e a t u r e f u r t h e r m o r ei t s m e s s a g e - o r i e n t e df e a m r es i m p l i f i e st h ep r o t o c o l sf u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ne n d p o i n t s m o s ti m p r o v e m e n t s ,h o w e v e r , a r ed u et os c t p sc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ,w h i c h v 北京邮电大学博士研究生学位论文a b s t r a c t h a sb e a p p l i e di nm a n yi m p r o v e dt o pv e r s i o n s i no n ew o r d t h ep r o m i s i n gs c t p c a nr e p l a c et c pi nm o s tp o p u l a ra p p l i c a t i o n sp r o v i d e dt h a tt h es o c k e tt ot h eu p p e rl a y e r i sa p p r o p r i a t e l ym o d i f i e d a ss c t pa s s o c i a t i o ni sm o r er o b u s tt h a nt c p c o n n e c t i o n , a n ds c t pn u m b e r i n gm e c h a n i s mi sc h u n ko r i e n t e d , i ti ss u p e r i o rt ot c p t h es t a n d a r ds c t po n l yu s eo n ep a t h ( t h ep r i m a r yp a t h ) f o rt r a n s m i s s i o na ta n y g i v e nt i m e t h eo t h e rp a t h sa c ta sb a c k u p t h ee f f i c i e n ts c t pl o a d - s h a r i n gm e c h a n i s m i sp r o p o s e da sa ne n h a n c e m e n tt os c t p a st h ep o t e n t i a lp a t hc a p a b i l i t yi su s e dd u r i n g d a t at r a n s m i s s i o n ,s c t pl o a ds h a r i n gu s i n gt h es c t pm u t i h o m i n gf e a t u r ec a r li m p r o v e t h et h r o u g h p u to fs c t pa s s o c i a t i o n o r i g i 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 mi sm o d i f i e d t oi m p l e m e n tl o a ds h a r i n g t h en e wa l g o r i t h m ,l o a ds h a r i n gs p l i tf a s tr e t r a n s m i t ( l s f r ) , i st h ek e yo fs c t pl o a ds h a r i n g l s f ra s s u l r l e sc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m i n d e p e n d e n t l yo ne a c hp a t h ,a n de l i m i n a t et h eu n n e c e s s a r yf a s tr e t r a n s m i s s i o nc a u s e d b yc o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o n o nm u l t i p l e h e t e r o g e n e o u sp a t h s t h ee v a l u a t i o no f p e r f o r m a n c eh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw i t l lt h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n si nn s 一2 s i n c es c t ps u p p l i e sa ne f f e c t i v em u l t i - h o m i n gm e c h a n i s m , t h es c t pl o a ds h a r i n g a p p r o a c hi sa b l et ob r i n gm o r et h r o n g h p u t sf o rt h es i m u l t a n e o u sm u l t i - a c c e s s ,h e l pt o a c c o m p l i s hs e a m l e s ss o f th a n d o v e rb e t w e e na d j a c e n ts u b n e t w o r k s f o ra p p l i c a t i o nw i t hm o b i l eh o s tw i 畦lh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s si n t e r f a c e s an e w s c t pv a r i a t i o n ,r e c e p t i o nc o n t r o ls t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( r c s c t p ) ,i s p r o p o s e db ya p p l y i n gt h ei d e ao ft r a n s f e r r i n gt r a n s m i s s i o nc o n t r o lf r o mas e n d e rt oa r e c e i v e r r c s c t ph a st h em e r i t so fs u p p o r t i n gm u l t i h o m e dh o s t sa n dd e l i v e r i n g m e s s a g e sw i t h o u to r d e r t h em u l t t h o m i n gf e a t u r es u p p o r t sh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i n t e r f a c e ,a n dm e s s a g ed e l i v e r yw i t h o u to r d e rc a ne f f i c i e n t l yu s et h el i m i t e dr e c e i v e r b u f f e ro fam o b i l eh o s t t r a n s m i s s i o ni sc o n t r o l l e db yi n t e r - l a y e rf u n c t i o nc o m b i n a t i o n , t h r o u g hd i f f e r e n t i a t i n gt h el o s sc a u s ef r o mt h ei n d i c a t i o no ft h el a s tw i r e l e s sh o p r c s c t pi sv e r ys u i t a b l ef o rm o b i l ew i r e l e s sh o s tc o m m u n i c a t i o n s t h er c s c t pi s a p p l i e di nt h es c e n a r i oo fm o b i l ea d h o cp e e r - t o - p e e r 畔) s y s t e m s m a p sa r e p e e r - t o - p e e r 口2 p ) s y s t e m sa p p l i e do nm o b i l ea d - h o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) t h e s y s t e m sf e a t u r ei nb o t hp 2 pa n dm o b i l ea d h o cc h a r a c t e r s :p e e r sm a yj o i na n dl e a v et h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r b i t r a r i l ya n dt h ec o m m u n i c a t i o ni sa f f e c t e dg r e a t l yb ym o b i l e a n dw i r e l e s sc h a r a c t e r s p r o v i d i n gm e d i as t r e a m i n gw i t h i nm a p s y s t e m sh a ss p e c i a l r e q u i r e m e n t s t ot h e t r a n s p o r tp r o t o c o lu n d e r l y i n g i t i nc o n t r a s tt ot r a d i t i o n a l p o i n t - t o p o i n tt r a n s p o r tp r o t o c o l ,r c s c t pi sam u l t i p o i n t - t o p o i n tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 r c s c t p sf e a t u r e so fc o l l a b o r a t e db a n d w i d t hp m v i s i o n ,p a r t i a l r e l i a b i l i t y , a n d a p p l i c a b i l i t yt om o b i l i t ym a k e i ts u i t a b l ef o rc a r r y i n gm e d i as t r e a m i n gi nm a p s c e n a r i o v i 北京邮屯大学博士研究生学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s u l t si nn s 一2v e i l f l e dr c s c t ps u p e r i o rt ou d p , t c pa n dp r s c t p c o n g e s t i o nc o n t r o li st h ek e yo ft r a n s p o r tp r o t o c o l s t h eh i g h s p e e ds c t pi s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt oa c c o m m o d a t et h ef u t u r eb r o a d b a n dn e t w o r ka n du t i l i z e t h eb a n d w i d t he f f i c i e n t l y h i 曲- s p e e ds c t pa s s u m e sm i m d ( m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s e a d d i t i v ed e c r e a s e ) c o n g e s t i o nw i n d o wc o n t r o lm e c h a n i s m ,c a na c h i e v eah i 曲 t h r o u g h p u tw h i l ek e e pf a i m e s sw i t ht h et r a d i t i o n a lt c p w h e nt h ec o n g e s t i o nw i n d o w s i z ei ss m a l l t c pi sn o ts u i t a b l ef o rh i 曲s p e e dn e t w o r ki n1 0 g b p sl e v e lf o ri t s b y t e o r i e n t e ds e q u e n c en u m b e r i n g h i g h - 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