（通信与信息系统专业论文）tcp和几种新型传输层协议在umtshsdpa系统上的仿真和性能分析.pdf

南京邮电火学硕士研究生学位论文摘要 摘要 为了更好地发展移动数据业务，3 g p p 对u m t sr 9 9 r 4 版本的空中接口技术作了改 进，在r 5 版本中引入了h s d p a 技术。h s d p a 技术不但支持高速不对称数据服务，而且 在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入的成本更小。它为u m t s 更高数据传输速 率和更高容量提供了一条平稳的演进途径。而t c p 技术是应用于有线网络的传输层协 议，深入了解传统t c p 技术在u m t s 无线环境中的应用及性能，将有助于更多地了解 u m t s 系统与现有的互联网服务相结合的可能性。 本文首先分析了传统t c p 协议基本原理和拥塞控制的方法，发现传统t c p 协议在下 一代无线移动网络中遇到一些问题，无法直接应用其中，必须对传统t c p 协议进行优化 改进。于是，进一步分析比较了各种t c p 改进版本。接着，分析了几种新型的传输层协 议，如d c c p ，t f r c 。与t c p 协议相比，它们在数据包拥塞控制的方法有了根本的改变， 能够更好适应未来i n t e m e t 各种类型业务的应用。 接着，文章分析了u m t s 系统和h s d p a 技术的基本原理。解释了实现h s d p a 几个 关键技术，并对u m t s h s d p a 系统无线链路部分的协议结构进行了具体的分析。从而在 此基础上，应用上面提到的几种传输层协议，包括传统t c p 协议、几种t c p 改进版本、 d c c p 和t f r c 。在u m t s h s d p a 系统上传输多媒体数据流进行系统性能的分析。 通过仿真，我们得到在承载同一业务数据流时，终端距基站不同距离和终端的不同的 移动速度的情况下，系统的端到端时延和平均吞吐量曲线。接着，我们使用不同的传输层 协议承载不同的业务数据流，比较随着用户数的增加，端到端的平均时延变化情况，发现 在几种t c p 的改进版本中，t c p w e s t w o o d ，t c p f a s t ，t c p s a c k ，都能较好的适应有线 和无线混合网络。主要原因是它们有较好的机制来区分数据丢包的原因。新型的传输层协 议d c c p 和t f r c 也能够较好的适应u m t s h s d p a 网络，并且可以很好的承载实时的流 媒体。 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o p et h ed a t as e r v i c eo fm o b l i ec o m m u n i c a t i o n sb e t t e r , 3 g p ph a si m p r o v e d t h es p a c e - a c c e s st e c h n o l o g yo ft h eu m t sr 9 9 r 4v e r s i o n ，a n di n t r o d u c e dh s d p a t e c h n o l o g y i nr 5r e l e a s e t h eh s d p a t e c h n i q u en o to n l ys u p p o r th i g h s p e e da s y m m e t r yd a t as e r v i c e b u t a l s oc a ni n c r e a s en e t w o r k c a p a c i t yg r e a t l y ；a tt h es a n l et i m ei tc a l lm a k et h eo p e r a t o r sc o s tl e s s i tp r o v i d e sas t e a d ye v o l u t i o np a t hf o rh i g h e rs p e e do fd a t ar a t ea n dl a r g e rc a p a c i t yi nu m t s n e t w o r k t c fi sap r o t o c o lo f t r a n s p o r tl a y e ri nw i r e dn e t w o r k t h ed e e pc o m p r e h e n s i o no ft h e a p p l i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n lt c pt e c h n o l o g yw i l lh e l pu sb e t t e ru n d e r s t a n do ft h e c o m i b a t i o np o s s i b i l i t yo fu m t ss y s t e ma n dc u r r e n ti n t e r a c ts e r v i c e s t h i st h e s i sa n a l y z e sb a s i cp r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lt c pa n di t sm e t h o do fc o n g e s t i o nc o n t r o l f i r s t ，t h e nw ef i n ds o m ep r o b l e m sw h i c ht r a d i t i o n a lt c pc a nn o tb eu s e di nt h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sm o b i l en e t w o r kd i r e c t l y i tm u s tb ei m p r o v e d a n dt h e nt h et h e s i sa n a l y z e sa n d c o m p a r e st h ev a r i o u si m p r o v e de d i t i o n so ft c ei ns u c c e s s i o n ，s o m ek i n d so fn e wt r a n s p o r t l a y e rp r o t o c o l sa r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ed c c p , t f r c c o m p a r e dw i t ht h et c p , t h e yc h a n g ea l o ti nt h em e t h o do fd a t ap a c k e tc o n g e s t i o nc o n t r o lw h i c hc a na d a p tt h ei n t e r n e ta p p l i c a t i o no f v a r i o u sb u s i n e s si nt h ef u t u r e t h e n ，t h et h e s i sa n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fu m t ss y s t e ma n dt h eh s d p at e c h n i c a l w ee x p l a i ns o m ek e yt e c h n i q u e si nh s d p aa n da n a l y z ep r o t o c o ls t r u c t u r eo fw i r e l e s sl i n ki n u m t s - h s d p as y s t e md e t a i l e d l y t h u so nt h i sf o u n d a t i o n ，w ea p p l yt h et r a n s p o r tp r o t o c o l s w h i c hm e n t i o n e da b o v e ，i n c l u d e dt r a d i t i o n a lt c p p r o t o c o l ，s o m et c pi m p r o v de d i t i o n ，d c c p a n dt f r c t h e nw ea p p l ym u l t i m e d i af l o w sa n d c o m p a r ea n da n a l y z et h es y s t e mf u n c t i o n t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , w eo b t a i nc u r v e so ft h ee n dt oe n dd e l a ya n da v e r a g et h r o u g h p u t u n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e so fv a r i o u sd i s t a n c e sb e t w e e nb a s es t a t i o n sa n dv a r i o u sm o v i n g s p e e do ft e r m i n a l sw h i c ht h en e t w o r kb e a t i n gt h es a m es e r v i c ed a t af l o w t h e nw eu s ed i f f e r e n t t r a n s p o r tp r o t o c o lb e a r i n gd i f f e r e n ts e r v i c ed a t af l o w a st h ei n c r e a s eo fu s e r s w ec o m p a r ew i t h c h a n g e so fa v e r a g ee n dt oe n dd e l a y w ef i n dt h a tt c p w e s t w o o d ，t c p f a s t ，t c p s a c kc a n a d a p tw e l lt ot h em i x e dn e t w o r k sw h i c hb o t hh a v ew i r e da n dw i r e l e s sp a n s t h em a i nr e a s o ni s t h a tt h e ya l lh a v eab e r e rm e t h o dt od i s t i n g u i s ht h er e a s o no f d r o p p i n gd a t ap a c k e t s w ea l s o f i n dt h a tt h en e wt r a n s p o r tp r o t o c o l sd c c pa n dt f r cc a na d a p tw e l lt o u m t s h s d p a n e t w o r k ，a n dt h e yc a nb e a rr e a l t i m em e d i af l o ww e l l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 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 明确的说明并表示了谢意。 研究生张耋盟吼掣 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：丧抱 导师签名： 弛期：泄 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向：网络与应用技术 作 者：2 0 0 4 级研究生袁旭 题目：t c p 和几种新型传输层协议在u m t s h s d p a 系统 上的仿真和性能分析 英文题目：t h es i m u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt c pa n ds o m e n e wt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l si nu m t s - h s d p as y s t e m 主题词： k e y w o r d s ： 通用移动通信系统高速下行包接入 混合自动重传传输控制协议 数据包拥塞控制协议t c p 友好流速率控制协议 u m t sh s d p a h a r q t c pd c c pt f r c 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1u m t s h s d p a 技术概况 随着手机用户数量的急剧增长，以及人们对数据业务需求的不断提高，第二代移动 通信系统已经难以满足市场的需求，于是人们期望第三代移动通信系统能够把无线通信 与i n t e m e t 等多媒体通信结合起来，成为能够实现处理图像、音乐、视频流等多种媒体信 息的载体，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服 务，目前研制的第三代移动通信系统的数据能力大大提高，分组数据速率在静止时可达 2 m b p s ，步行时为3 8 4 k b p s ，车载时为1 4 4 k b p s 。在q o s 方面也有很大改进，它可以支持 多媒体等新业务。3 g 的资源利用率很高，能以较低的成本提供高质量的业务，这些因素 决定了3 g 将最终成为移动通信的主流。 通用移动通讯系统：u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( u m t s ) 是一种第 三代( 3 0 ) 移动通信技术。它使用w c d m a 作为底层标准，由3 g p p 制定，代表欧洲对 i t ui m t 0 2 0 0 0 关于3 g 蜂窝无线系统需求的回应。 目前w c d m a 有r e l e a s e9 9 、r e l e a s e4 、r e l e a s e5 、r e l e a s e6 等版本。w c d m a 采 用直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 、频分双工( f d d ) 方式，码片速率为3 8 4 m o p s ， 载波带宽为5 m h z 。基于r e l e a s e9 9 r e l e a s e4 版本，可在5 m h z 的带宽内，提供最高 3 8 4 k b p s 的用户数据传输速率。在r e l e a s e5 版本引入了下行链路增强技术，即h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ，高速下行分组接入) 技术，在5 m h z 的带宽内可提 供最高1 4 4 m b p s 的下行数据传输速率。h s d p a 技术是w c d m a 在无线部分的增强与演 进。引入h s d p a 技术后的w c d m a 无线部分，在n o d eb 增加了一个新的m a c h s 子 层，但基本结构仍与r 9 9 保持一致。而且，引入h s d p a 后，只是在原有的物理信道上增 加了新的信道。因此，支持h s d p a 技术的终端可以和r 9 9 终端在一个载波内共存。 较r 9 9 版本，h s d p a 技术大大提升了移动网络性能，扇区覆盖增加3 倍，某些模式 下用户容量增长6 倍，理论下行最高速率达到1 4 4 m ，可实现更高的数据吞吐量。 h s d p a 可以作为w c d m a 网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技 术。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 下一代网络传输协议简介 传统的互联网只能尽力而为地为用户传递信息，当业务流量很高、网络资源相对短 缺时，服务质量就会比较低劣。下一代互联网要提供电信级的服务，就必须保证一定的 q o s 。按照业务流量工程的方法对用户的业务流进行控制是保证q o s 的很好的途径。在 用户数据传送平面上，链路层、网络层和传输层都可以进行业务流量控制。传输层对端 到端的q o s 有直接影响。而当前互联网传输层的网络传输协议主要是传输控制协议( t c p 协议) 和用户数据报协议( u d p 协议) 。 因为本身特性，t c p 协议不适合使用在实时业务中。因此，实时业务的开发者都使 用u d p 协议在互联网上传输数据包。但u d p 有一个会对网络造成大危害的问题：它没有 任何拥塞避免控制算法，大量的u d p 应用会导致对t c p 的不公平性所以u d p 的数据流 非常有侵略性，即使由于网络拥塞而丢包，也不会降低自己的网络吞吐量。而t c p 会随 着网络带宽的变化调节数据的发送速率，在拥塞时降低自己的带宽需求。这样，u d p 的 广泛使用就会如同互联网上的一匹脱缰野马。很容易导致网络过载和高丢包率，还会大 量侵占带宽。随着实时多媒体应用的日益增多，解决该问题显得越来越迫切。 数据报拥塞控制协议( d c c p ) 是t c p u d p 家族中新的传输协议，d c c p 是t f 提出 取代u d p 的新传输协议，用来传输实时业务。d c c p 是一个可以进行拥塞控制的非可靠 传输协议，并同时提供多种拥塞控制机制在通信开始时由用户进行协商选择除预留和自 定义方式外，目前d c c p 定义了两种拥塞控制机制：t c p l i k e 和t f r c ( t c p f r i e n d l y r a t e c o n t r 0 1 ) ，t c p l i k e 类似t c p 的a i m d 机制，而t f r c 是t c p 友好的速率控制机制。 t f r c ( t c pf r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 是单播领域中发展较好的t c p 友好协议，已经形成了 标准r f c 3 4 4 8 ；其吞吐量的变化比较缓慢，适于传输实时多媒体业务，同时与t c p 的公平 性较好，是研究的一个热点。所i 胃t c p 友好( t c p f r i e n d l y ) 是基于u d p 与t c p 共存时存在的 问题而提出的。单播环境下，t c p 友好的代表性定义为：在相同的网络条件下，把一部分 t c p 替换为“t f r c ”，则与“t f r c 共存的t c p 的长期吞吐量不下降；我们称为 “t f r c ”是t c p 友好的。此处的“t f r c 代表i n t e m e t 网络中所有可能存在的传输协 议，可以是t f r c 协议，也可以是其他协议。 本文将在第二章具体阐述和分析这两种新型传输层的协议。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 论文的安排 第二章将首先论述传统的t c p 协议在无线移动网络上面临的一些问题。主要是在拥 塞控制方面遇到的问题。在此基础上，介绍和评价各种增强t c p 性能的技术方案和两种 新型传输层的协议( d c c p 和t f r c ) 。 第三章首先论述u m t s 系统无线接口的技术特性，然后将对u m t s 网络的t c p 性能 进行详细的论述，最后对h s d p a 所使用的关键技术进行论述，以及这些技术对t c p 性 能的影响进行深入的分析。 第四章首先针对u m t s h s d p a 系统仿真的层面进行了描述，介绍了仿真模型的节 点配置和协议添加等实现过程，在结合已有e u r a n e 方案的基础上对h s d p a 进行扩 展，在传输层使用传统t c p 协议，三种t c p 协议的改进版本以及两种新型传输层协议， 通过n s 2 仿真器中的实现这些协议、并得出仿真结果。然后比较和分析了它们在 u m t s h s d p a 系统上的性能。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 2 1 传统t c p 协议的分析 t c p 是一个可信的基于窗口的紧闭环流控制协议。发送者根据收到的确认a c k ，通 过增加或者减小其拥塞窗1 2 1 ( c o n g e s t i o n w i n d o w ) 的大小来控制发送的速率。t c p 协议是 用a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 策略来对拥塞窗口的大小进行调整 的。 2 1 1 慢启动与拥塞避免 慢启动( s l o ws t a r t ) 算法与拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 算法是t c p 拥塞机制的 基本算法。t c p 开始发送时采用慢启动算法。当网络发生拥塞时，t c p 通过对拥塞程度 的判断，采用不同的算法调整拥塞窗口的大小，以达到对发送速率的控制。 慢启动和拥塞避免是分别独立的两个算法，它们有不同的目标。但是当拥塞发生时， t c p 协议必须降低数据包在网络上传送的速率，然后调用慢启动算法来使所有部分重新 正常运作。在实际中这两个算法通常是一起实现的。在这些算法中，数据包的丢失被作为 数据源和目的地之间某段网络发生拥塞的信号。有两个迹象表明数据包在传送过程中丢 失了：一个是产生了超时现象，另外一个是收到了重复的a c k 。拥塞避免和慢启动算法 对每个连接都维护两个变量：一个拥塞窗口c w n d 和一个慢启动的门限尺寸s s t h r e s h 。结 合后的算法如以下操作步骤： ( 1 ) 对一个给定的连接，初始化设置c w n d 为一个报文段，s s t h r e s h 为6 5 5 3 5 字节。 ( 2 ) t c p 发送端的最大输出报文段数不能超过w n d = m i n c w n d ，a w n d 】。执行慢启动 过程，每接收一个a c k ，c w n d = c w n d + 1 0 ( 3 ) 当拥塞发生时( 由超时或接收到重复a c k 指明) ，设置s s t h r e s h = m a x c w n d 2 ， 2 】。另外，如果拥塞是由超时引起的，则c w n d 重新设置为一个报文段( 即慢启动过程) 。 ( 4 ) 当新的数据被另外一端确认时，增加c w n d ，但它增加的方式由t c p 正在执行的算 法是慢启动还是拥塞避免决定。如果c w n d 小于或等于s s t h r e s h ，则t c p 处于慢启动过 程：反之t c p 则正在执行拥塞避免。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 ( 5 ) 在拥塞避免算法中，当每次接收到一个a c k 时，c w n d 的增量为s e g s i z e s e g s i z e e w n d 。在这个计算式中，s e g s i z e 指报文段的大小，而c w n d 是以字节来计算的。这是一个 线性增长的c w n d ，与慢启动指数增长的e w n d 不同。所以，拥塞避免算法中在每一个往 返时间( r o u n d t r i pt i m e ，r t t ) i 内，c w n d 最多增长一个报文段( 不论i 盯接收到多少a c k ) ， 而慢启动算法中增加的c w n d 的量是由一个往返时间中接收到的a c k 的数量决定的。 图2 1 显示了慢启动和拥塞避免的过程( 其中x 轴是时间，y 轴是e w n d ) 0 0 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 o o o o6 o o o o 图2 1 慢启动与拥塞避免过程 2 1 2 快速重传与快速恢复 快速重传( f a s tr e t r a n s m i t ) 与快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 是对慢启动与拥塞避免过程的 改进，以提高t c p 的吞吐量。当t c p 发送端接收到三个或者更多的重复a c k ，就表明 很可能是一个报文段丢失了。此时t c p 就会执行一个重传的操作，重新传送好像丢失了 的报文段，而不等待重传计时器启动，这就是快速重传算法。在重传了怀疑被丢失了的报 文段以后，拥塞避免就会执行，这就是快速恢复算法。这个算法使得网络在中等的拥塞情 况下仍有较高的吞吐量。在这里不执行慢启动算法的原因是既然收到了这么多重复的 a c k ，就表明两端之间仍有数据流而t c p 不想使用慢启动生硬地把数据流减小。 快速重传和快速恢复算法一般以下面的步骤共同执行： ( 1 ) 当接收到第三个重复的a c k 时，设s s t h r e s h 为m a x 【c w n d 2 ，2 】；重新传送 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 丢失的报文段；把c w n d 设为s s t h r e s h + 3 木s e g s i z e 。 ( 2 ) 每当接收到另一个重复的a c k ，c w n d 增加一个报文段的大小。如果新的c w n d 允 许的话，发送一个报文。 ( 3 ) 当下一个确认新数据的a c k 到达时，把c w n d 设为s s t h r e s h 。 2 1 3 传统的t c p 协议在下一代无线移动网络上面临的问题 随着计算机和通信技术的发展，i n t e r a c t 网络在过去的十几年中迅猛发展，拥塞问题 亦越来越严重，现有的拥塞控制协议远远无法满足当前与未来的需要。目前主要面对的有 如下问题： 不能对往返时间( r o u n dt r i pt i m er y r ) 较长的网络应用公平分配带宽。通常对于 i 册较长的网络应用常难以和i m 较小的网络应用平等争用网络带宽，比如：卫星无 线网络接入i n t e r a c t 以及像手机这类通过无线接入i n t e r a c t 的设备和通常的以太网接入 i n t e m e t 方式在竞争网络资源的时候就会出现这种情况，网络资源通常是有瓶颈的。而一 旦多种i n t e r n e t 网络接入在争用网络资源的时候出现了数据拥塞，对于无线设备i n t e m e t 接入情况而言，由于其i m 较长，因而它对于拥塞窗口的打开速度会较慢；相反，对于 以太网接入的网络应用，它的r 1 广r 较短，所以它的拥塞窗口打开速度会比较快。这样一 来，在对可用的网络数据发生争用时候，r 1 广r 短的网络接入会处于优先的地位。而这 点，对于可能同样重要而r 1 r t 比较长的无线接入来说就不太公平了。由于i 盯较长甚 至i m 网络拥塞时间+ 拥塞恢复时间，数据接收方因没有收到表示数据包丢失的 a c k ，还会继续发送数据。这对于已经处于拥塞的网络来说无疑是“火上浇油”。这一问题 随着多种网络接入技术的发展表现得越来越突出，需要对传统的t c p 数据拥塞控制机制 加以改进。 对每次吞吐量较大的数据流网络应用响应不足。目前，对于千兆以太网络的应用 需求日益增加，越来越多的网络用户开始使用这类高带宽的端到端网络，常常需要把数 据从其产生端通过以太网络传输到处理端进行处理，如分布式数据存储和海量数据备份 系统就是需要这样的应用。而网络物理传输介质对这一需求的支持也逐渐达到要求，可 是传统的t c p 协议对于这种每次数据吞吐量巨大的数据流的支持不尽人意。其原因主要 是基于t c p 的拥塞控制难以完成并维护一个数据吞吐量较大的端到端的数据交换，特别 是在w a n 环境下。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 对除数据拥塞以外而引起的数据包丢失的其它因素辨别不足。t c p 通过检测到有 数据包丢失来发现网络有拥塞产生，而这通常是假设在除去网络拥塞而引起没有收到响 应这种情况以外没有其它因素会引起丢失数据包的基础上。而在把t c p 协议应用到无线 网络以后，这一假设就不那么可靠了。在无线信道中，由于误码率高，数据包很容易产 生随机比特错误。无线网络提供的是一个误码率高、时延相对较长、带宽和时延经常变 化的网络环境。这样的网络环境将使得t c p 的性能大大退化。 i n t e m e t 业务的多元化、多种非t c p 友好流的激增、用户数量的剧增。新的网络 应用也层出不穷，在线音频、视频等基于u d p 协议的多媒体流通信得到的广泛的使用。 这些应用和传统的基于t c p 的e m a i l ，f t p ，w w w 等应用的数据传输相比，具有很强 的实时性要求。语音和视频的传输都需要较稳定的传输速率、较小的报文丢失率和传输 时延。然而t c p 所采用的a i m d 策略决定了t c p 流是一种突发性强、传输速率不稳定的 数据流。如果使用类似的方法来控制多媒体的通信流，视频和语音的传输质量将会非常不 稳定。但是在为多媒体通信流设计新的控制协议时仍然要考虑到t c p 的因素。因为目前 i n t e m e t 上的大部分应用都是基于t c p 协议的，新的拥塞控制协议必须保证它不会占据超 出其它t c p 数据流的带宽，只有这样才能实现网络资源使用的公平性。这个基本要求被 称为t c p 友好( t c p f r i e n d l y ) 。 2 2 传统t c p 协议的优化改进 由于上一节中，提出的传统的t c p 在下一代无线移动网络上面临的一系列的问题。 我们有必要对传统的t c p 协议进行优化改进，使其能够较好地适应下一代网络，尤其是 无线移动网络的要求。 2 2 1i e t f 对于无线环境下传统t c p 协议的优化建议 i e t f 提出了一些针对无线环境的t c p 优化建议，主要体现在以下6 个方面。 ( 1 ) 合适的窗1 3 大小 无线链路上的t c p 应当基于系统可用带宽时延积( b d p ，b a n d w i d t hd e l a y p r o d u c t ) 设定合适的接收方窗口大小。接收方通知窗口应当至少同b d p 一样大，否则接 收方的t c p 层将对最大可用带宽造成限制。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 通知窗口应当尽可能地设大一些，使得所有的可用带宽都有可能使用；但如果通知窗 口比b d p 大太多，也可能因为缓存溢出和随后的t c p 重传导致性能恶化。因而，通知窗 口应当比b d p 稍大，一方面充分使用容量，另一方面也不会损害到网络处理拥塞和丢报 恢复的能力。 ( 2 ) 加大初始窗口 无线链路的高时延加大了慢启动阶段持续时间，主要体现在t c p 连接建立时、发生 重传超时( i 淝，r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ) 之后或较长空闲期后重新启动连接时。借助于 大的初始窗口，慢启动将能更快地将吞吐量抬升至稳定状态。 ( 3 ) 受限制的传输 旨在拥塞窗口较小时改善快速重传和快速恢复的性能。如一旦发送方在等待重传时尚 有未发送数据，那么在收到2 个重复性a c k 后就立即发送新的报文。这样一来，接收方 可以产生第3 个( 激活快速重传快速恢复所必须的重复性a c k 个数) 重复性确认来触 发发送方的快速重传或快速恢复，这就避免了r t o 及其后的慢启动阶段。但该选项依赖 于软件实施情况。 ( 4 ) t c p 报文大小 通常，重复一定次数的慢启动过程之后才能达到充分发挥带宽资源；无线链路的高延 迟使得最初几轮调整对终端用户的吞吐量至关重要。慢启动阶段，发送方字节数的增加 是以报文大小为单位的，因而，如果增大最大报文段尺寸( m s s ，m a x i m u ms e g m e n t s i z e ) ，慢启动阶段就可以更快地将吞吐量抬高到充满带宽，还能够提高各层所添加协议 头的效率、降低往返传输的a c k 数目。但某些时延要求高、又需要快速纠错的业务则适 合使用较小的t c p 报文段。 ( 5 ) 选择性确认 t c p 连接期间，接收方将最后一个成功接收报文段的序号包含进a c k 中，此即累 积性确认。一般而言，选择a c k ( 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 ) 则是可选项，它 允许接收方向发送方通知所有数据段的传输状态。这样，发送方就可以有选择地重传， 而不是仅仅重传第一个丢失分组并等待下一个a c k ( 一个r t t ) 来接收新的丢失信息。 在具有较大b d p 通道时，s a c k 更能发挥作用，有研究结果表明它适合于具有中等丢 失率( 低于窗口大小的5 0 ) 的长延迟网络环境。这使得s a c k 比较适合于无线链路。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 但其不足在于它会稍微加大报头的尺寸( 最多增添8 b y t e ) ，且其使用需要客户机、服务 器两端的支持。 ( 6 ) t c p 时间戳选项 标准t c p 是每个拥塞窗口才测量一次r t t ，这可能给r 广r 的估计带来偏差，当拥 塞窗口增长时尤其如此。无线链路特征则要求更准确地估计r 盯以便尽可能地减少那些 伪超时重传( s p u r i o u sr t o ) 。 使用时间戳选项时，发送端可以每发一个报文段就计算一次i m ，即使是在发那些重 传的。这一改进使得t c pr t o 能够更快地应对时延变化，降低伪超时重传个数。然而， 使用该选项时需要在t c p 报头添加1 2 b y t e ，同样要求两端的支持。 2 2 2t c p 协议几种改进版本的性能分析比较 针对在2 1 3 节提出的一些问题，结合i e t f 给出的t c p 优化建议，学术界提出许多 t c p 改进的方法，其中有一些得到业界的认可，从而形成增强t c p 协议各种版本。 ( 1 ) t c pw e s t w o o d ( t c p w ) o 它的关键革新思想是在t c p 发送端通过检测返回的a c k 的速率来持续测量有效带宽， 这是一个与t c p r e n o 友好的、在发送端自适应修改拥塞窗口的拥塞控制算法，与在发生 拥塞时盲目执行乘性地减少拥塞窗口算法的t c pr e n o 相比较，在一个拥塞事件发生时， t c p w 通过执行端到端可用带宽的计算与估计来适应性地设置一个与发生拥塞时有效带 宽一致的慢启动阈值和拥塞窗口，这里把这种机制称为更快恢复( f a s t e rr e c o v e r y ) 。t c p w 完全遵从端到端的t c p 协议设计原则，并对随机错误不太敏感的，而t c pr e n o 去p 对随机 丢包和拥塞丢包十分敏感的，因而不能像t c p w 一样可以正确地区分随机丢包和拥塞丢 包。试验表明t c p w 可以显著地提高吞吐量和公平性，大幅度减少不必要的窗口，最重要 的是t c p w 在高速网络、无线和有线混合网络中是极其有效的。另外t c p w 的执行也无须 专门的链路层协议支持。 ( 2 ) h i g h s p e e dt c p ( h s t c p ) 弘。 它是s a l l yf l o y d 于2 0 0 3 年2 月递交给i e t f 的一个面对高速链路修正了的t c p 拥塞 控制新算法，旨在改善带有大拥塞窗口的t c p 连接的性能，它是被设计成在拥塞事件发 生率十分低的环境下使用的，而传统的t c p 是在丢包率至少为1 0 - 3 的环境下才正常工作。 h s t c p 使用变动的拥塞窗口调节参数，保证了在不同拥塞程度变化的网络中，h s t c p 也 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 可正常工作，它给出了平均拥塞窗d w 和稳定丢包率p 的一个新的关系，h s t c p 的响应函 数需要增；o n - 个参数：l o w - w i n d o w ，h i 曲- w i n d o w ，h i g h p ，若当前拥塞窗口小于 l o w - w i n d o w 时，h s t c p 和传统的t c p 一样；若当前拥塞窗口大于l o w - w i n d o w 时， h s t c p 则使用自己的响应函数、h i g h - w i n d o w 、h i 曲一p 使用来作为h s t c p 响应函数的 上限。h i g h p 的设置要求h s t c p 有一个大小为h i g h - w i n d o w 的平均拥塞窗口，h s t c p 设置了新的a i m d ( 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 ) 参数。这些参数依据当 前的c w n d ( 下式记为w ) 进行调整，在拥塞避免阶段，可以用下式来表达：a c k ：w 卜w + a ( w ) w ，拥塞：w4 - w - b ( w ) w 。 d ) f a s tt c p l 3 , 4 1 它是c h e n gj i n ，d a v i dx l w e i 和s t e v e n h l l o w 等人在2 0 0 2 年、2 0 0 3 年发展起来的并 于2 0 0 4 年3 月在香港召开的i e e ei n f o c o m 会议上发表的针对高速网络的一个新的t c p 拥塞控制算法，f a s tt c p 是在l o w 等基于优化理论提出的对偶性模型理论基础上设计的 一个新的算法。其设计思想十分简单：为了保持稳定性，f a s tt c p 通过设置一个稳定的 均衡的b a s e r t t 目标值，源端计算每个i m 大小，然后依据这个值成比例地缩减它们的 响应，拥塞窗口调整规则为r 1 盯：w 卜w b a i s e 亓r t t + 口，可以看到若上一个包的i m 比 b a s e r t t 大的话，则会降低拥塞窗口( 即可认为网络性能在下降，此时需降低发送速率) ，反 之则增加。 ( 4 ) s a c kt c p l s l 传统t c p 采用的是累积应答模式，不是接收窗口最左侧的报文不返回a c k 信息。在 这种模式下，一个r 1 r r 时间内t c p 的发送者只能检测到一个报文的丢失，它要么再等待一 个i m 时间，以检测更多的报文丢失，要么就没有必要重传已正确接收的报文。当一个窗 口内有多个报文丢失时，这种累积应答模式将造成大量不必要的重传发生，从而极大地降 低t c p 的性能。s a c k ( 选择性应答：s e l e c t i v ea c k n o w l e d g m e n t ) 机制，与相应的选择性重 传策略一起，用于提高这种情况时t c p 的传输效率与性能。在s a c k 机制中，t c p 接收端 在返回a c k 信息时，增力i i s a c k 选项，用于标志已正确接收的报文。发送方可以在一个 i 盯t 时间内响应多个报文的丢失，并根据返回的s a c k 选项，只重发那些没有正确接收的 报文。从而加快了重传速度，减少了重传数量，有效地保证了无线网络的传输效率。s a c k 选项如图2 - - 2 所示。文献【9 】并没有给s a c k 机制如何与重传策略及t c p 拥塞控制结合 的具体实现，本文采用文献【1 0 1 中的实现。在快速恢复过程中，s a c k 维护变量p i p e 用于估 算路径中已发送的报文数目。只有p i p e d x 于c w n d 时，发送端才重传丢失报文或发送新报 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线移动网络中传输层协议的介绍和分析 文。当发送端发送一个报文后，p i p e 力1 1 ；当发送端接收到的重复a c k 表明接收端已接收 到新报文时，p i p e 减1 ；当下一个确认新数据的a c k n 达时，发送端退出快速恢复，进入拥 塞避免。 k i n d = 5 长度 第一个正确接收块的左侧顺序号 第一个正确接收块的右侧顺序号 第n 个正确接收块的左侧顺序号 第n 个正确接收块的右侧顺序号 图2 2s a c k 选项报文图 2 3t o p 友好控制机制的研究 对于数据突发业务，t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 已取得很大成功。但由于t c p 吞吐 量变化的剧烈性及其重传机制，t c p 不适于传输实时流；一般用u d p ( u s e rd a t a g r a m p r o t o c 0 1 ) 对实时流进行传输。当前，人们对实时多媒体流的需求越来越大。如果仍单纯使 用u d p 进行传输，势必造成t c p 饥饿，甚至网络崩溃：其原因在于u d p 只有简单的传输 功能，而没有拥塞控制机制。为了解决这一问题，人们开展了t c p 友好( t c