（通信与信息系统专业论文）多用户分集调度与tcp流量控制机制的相互影响.pdf

北京邮电大学硕：卜学位论文摘要 多用户分集调度与t o p 流量控制机制的相互影响 摘要 传输控制协议( t c p ) 在有线网络中获得了巨大的成功，但是在 无线网络上的性能并不好。多径衰落以及用户的移动性使得移动信道 不可避免地表现出较高的误码率、较大的数据传输时延及时延抖动以 及不时的传输中断。而t c p 的一个设计假设是认为网络传输基本无 错，分组丢失完全是由于网络拥塞造成的，显然这一假设在无线网络 中不再成立。无线链路特性导致的频繁分组丢失及网络切换引起的分 组丢失及传输时延都会给t c p 源端造成网络拥塞的假象，从而不必要 地启动拥塞控制机制，数据传输的有效性大大降低，严重时甚至导致 t c p 重传次数过大而导致t c p 连接中断。在这种情况下，对链路层及 网络层协议加以改进以提高无线环境下的t c p 性能成为了业界研究 的焦点。 无线网络经常为非实时分组数据业务分配共享信道传输，此时链 路层调度策略的设计直接影响到业务数据的传输性能，因此也是链路 层协议改进策略的一个重要方面。调度策略设计的最终目标是最大化 无线资源利用率和满足用户的q o s 要求。目前无线分组调度算法的研 究已经比较成熟，并能很好地保证业务在链路层的q o s 要求。但是相 关研究多是基于信道条件及链路层q o s 要求对用户业务进行调度，而 很少考虑t c p 机制与链路层调度机制的相互影响。本文通过仿真分析 发现，链路层调度机制和t c p 机制之间存在一种相互作用、互为制约 的关系。一方面，t c p 实现端到端的流量控制，但是这种控制机制是 根据端到端的往返时延得到的，控制的时间粒度比较粗糙，使得t c p 发送速率发生剧烈变化，而如果调度机制不能及时地传输当前t c p 发 送速率较高的数据，就降低了链路层的传输效率。另一方面，调度机 制所引起的时延抖动的加剧等问题会对t c p 流量控制机制造成负面 的影响，从而加剧了t c p 发送速率的变化幅度，导致更多的t c p 超时 重传的发生甚至是t c p 连接的中断。 目前，有关t c p 机制与无线分组调度机制的相互作用的研究比较 少，本文以蜂窝移动通信系统下行链路共享信道分组调度为背景，研 摘要 究了无线网络链路层调度与t c p 流量控制机制的相互作用，对轮询 ( r o u n dr o b i n ，r r ) 、先进先出( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f o ) 和最长 队列优先( 1 a r g e s tq u e u ef i r s t ，l q f ) 算法这三种实现简单的调度 机制与t c p 流量控制机制的相互作用进行了仿真并比较了三种算法 的性能优劣。经仿真分析可知，l q f 算法获得较好的端到端性能，但 是，这种性能增益是以t c p 连接中断概率的增加为代价的。本文提出 了一种最长队列优先算法的改进策略最长队列优先一减少超时概率 ( 1 a r g e s tf i r s t r e d u c i n gt i m e o u tp r o b a b i l i t y ，l q f r t p ) 算法以 进一步提高非实时业务端到端性能，仿真结果证明，l q f - r t p 有效地 克服了l q f 算法的弊端并获得了较好的端到端性能。最后，本文指出 了未来非实时业务调度算法的研究方向。 关键词t c p 分组调度共享信道相互影响 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 i n t e r a c t i o nb e t w e e n m u i j i u s e rd i v e r s i t ys c h e d u l i n ga n d t c pf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m s a b s t r a c t t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o lh a sa c h i e v e dg r e a t s u c c e s si nw i r e d n e t w o r k s ，b u th a sp e r f o r m e dp o o r l yi nw i r e l e s se n v i r o n m e n t h i g h e rb i t e r r o rr a t e ，b i g g e rd a t at r a n s m i s s i o nd e l a ya n dm o r ed i s c o n n e c t i o n so f w i r e l e s sl i n k sw o u l db ec a u s e d b ym u l t i p a t hf a d i n g ，c o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e s h o s tm o b i l i t y w h e nt c pm i s t a k e n l yi n i t i a t e st h e c o m b i n e ds l o ws t a r tw i t hc o n g e s t i o na v o i d a n c ea l g o r i t h mt os l o wd o w n t h et r a f f i cs e n to v e rt h ec o n n e c t i o na sar e s p o n s et oas e g m e n tl o s sd u e t ot h er e a s o n s e x i s t i n gu n i q u e l y i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h et c p p e r f o r m a n c ei n t e r m s o ft h r o u g h p u ta n de n d - - t o - - e n dd e l a yd e g r a d e s s i g n i f i c a n t l ya n du n n e c e s s a r i l y t h u s ，t h e r e a r em a n yr e s e a r c h e so n l i n k l a y e ra n dn e t w o r k l a y e rp r o t o c o la n da l g o r i t h m i m p r o v e m e n t n o n r e a l t i m et r a f f i ci s g e n e r a l l y a l l o c a t e dt ot r a n s f e rt h r o u g h s h a r e dc h a n n e l ；i nt h i sc a s e ，t h ed e s i g no fl i n k l a y e r s c h e d u l i n g m e c h a n i s m s ，w h i c h ，i sa ni m p o r t a n tp a r to fl i n k l a y e r , p r o t o c o lr e s e a r c h ， w o u l di n f l u e n c ed a t at r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e t h ef i n a lg o a lo ft h e s c h e d u l i n g m e c h a n i s m s d e s i g n i s m a x i m i z i n gw i r e l e s s r e s o u r c e u t i l i z a t i o na n dm e e t i n gt h eq o sd e m a n do fu s e r s n o w a d a y s ，t h e r ea r e m a n yr e s e a r c ho nw i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，m o s to fw h i c h h a v eg u a r a n t e e dt h eq o sd e m a n do fu s e r sa tl i n k l a y e r ，h o w e v e r ，n o t t a k et h ei n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nl i n k l a y e rs c h e d u l i n ga n d t c pf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m sa sc o n s i d e r a t i o n w ef i n dt h a t ，t h r o u g h c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nl i n k l a y e r s c h e d u l i n ga n dt c pf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m si s ：o no n eh a n d ，t c p i i i 北京邮电大学硕二e 学位论文 摘要 p e r f o r m se n d t o e n df l o wc o n t r o l ，w h i c hr e l y i n go nt h er o u n d t r i pt i m e o ft c ps e g m e n t sa n dr e t r a n s m i t t i n gl o s tp a c k e t so na ne n d t o e n db a s i s t h i sr e s u l t si nr a p i dc h a n g eo ft c pt r a n s m i s s i o nr a t e ，w h i c hn e e dt ob e a d a p t e db yl i n k l a y e rs c h e d u l i n gm e c h a n i s m s a n di ft h es c h e d u l i n g m e c h a n i s m sd e s i g nd o e sn o tc o n s i d e rt h i sn e e d ，t h e yw o u l dr e d u c et h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e l a ya n dd e l a yi i t t e r c a u s e db ys c h e d u l i n gw o u l dm a k et c pt r a n s m i s s i o nr a t e c h a n g e r a p i d l ya n de v e nc o n n e c t i o nb r e a ko f f n o w a d a y s ，p a p e r so nr e s e a r c h i n gt h e i n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nl i n k l a y e rs c h e d u l i n ga n dt c pf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m sa r e f e w i nt h i sd i s s e r t a t i o n w et a k et h ed o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l sa st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c ht h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n1 i n k l a y e r s c h e d u l i n g a n dt c pf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m s w | em o d e l e da n d s i m u l a t e ds e v e r a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m sn a m e dr r ，f i f oa n dl q fa n d c o m p a r e dt h e i rp e r f o r m a n c e w ef i n dt h a t ，l q fc o u l dc a u s eb e t t e r e n d t o e n d p e r f o r m a n c e b u ti n c r e a s et c pc o n n e c t i o nb r e a k o f f p r o b a b i l i t y t h e nw ep r o p o s ean e wa l g o r i t h ml q f r t po nt h eb a s i so f t h ei d e ao fl q es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h i s a l g o r i t h m o v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e o fl q fa n dp e r f o r mw e l le n d t o e n d p e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，w ei n d i c a t et h ef u t u r er e s e a r c hw a y so f n o n r e a l t i m et r a f f i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s k e yw o r d s t c p , p a c k e ts c h e d u l i n g ，s h a r e dc h a n n e l s ，i n t e r a c t i o n i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 盔盛 本人承担一切相关责任。 l = t 期：塑! ：坐：l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属= k 京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一。蜂窝移动通 信利用了无线通信、有线通信和计算机通信的最新技术成果，是技术密集型的新型 移动通信方式。蜂窝移动通信系统的商用至今已经发展到了第三代移动通信系统 ( 3 g ) ，而我国也已经到了颁发3 g 牌照的倒计时阶段。3 g 最早由国际电信联盟 ( i t u ) 提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国 际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) ，统称为3 g 系统。该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最 高业务速率可达到2 m b p s 甚至十几m b p s ( h s d p a ) 。i m t - 2 0 0 0 系统采用模块化概 念，在交换网络和无线接入网之间定义了一个明确的无线网络接口，如图1 - 1 所示。 3 g 的标准化工作实际上是由3 g p p ( 3 t hg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t ，第三代伙伴关系 计划) 和3 g p p 2 这两个标准化组织来推动和实施的。3 g 标准有三大阵营：w c d m a 、 t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。其中，w c d m a 和t d s c d m a 因其与商用化最为成 熟的第二代移动通信系统g s m 网络的后向兼容性以及中国政府对t d s c d m a 的大 力支持而有较大的应用前景。 3 g 系统是可以同时支持话音、数据和多媒体业务的多媒体通信系统。从目前用 户对数据业务的需求正处在急剧增长的阶段，但是与其它业务相l t , j 1 艮务质量要求较 低，而无线资源的稀缺性也就决定了不可能为数据业务分配太多的无线资源。在这 种情况下，提高3 g 系统对数据业务的支持能力就显然格外重要。 图1 - 1u m t s 的系统结构 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 从图1 - 1 也可以看出，3 g 系统所提供的数据业务支持能力是与外部网络( 因特 网) 联系在一起的，因此提高3 g 系统的数据业务支持能力最终目的其实是保证跨 网络的数据业务的端到端性能。在当前的相关研究中，这一方面的研究还未受到足 够的重视，本文试图从跨层的角度来分析如何通过对3 g 系统非实时业务承载机制 的改进来尽可能地提高数据业务的端到端性能。 3 g 系统主要使用共享信道传输非实时高速分组数据业务，由于计算机网络已经 有了相关的研究，因此对计算机网络相关技术的学习和借鉴对本文来说是非常重要 的。计算机网络已经发展为集合数据采集、信息处理、信息交换与传递为一体的综 合网络，已经成为人们日常生活与工作必不可少的载体。其中，通信网络体系结构 是计算机网络实现的基础。主机之间经过网络进行通信是很复杂的，这就需要将主 机分层，每一层分别完成各自的任务，且只对邻接层提供接口，各层共同作用并为 用户提供端到端的服务。由于每一层都对上一层屏蔽其下层的所有操作，这就使得 在异常情况下某一层的重大错误会引起整个通信链的断裂，从而影响端到端整体性 能。在通信协议的各个层次中，传输层是连接上层应用和下层通信子网的枢纽。研 究传输层协议，一方面可以在现有的通信子网和上层应用环境中，通过修改传输层 协议来改进现有网络的性能，另一方面，可以对下层通信子网协议和上层应用协议 提出修改方案，使之更适合无线网络传输环境。t c p 是目前i n t e r n e t 上应用最广泛 的传输协议，占据了i n t e m e t 上大于8 0 的流量，多种应用如w w w 、f t p 、e m a i l ， 都是建立在t c p 协议上。选择t c p 作为研究对象具有实际意义。 t c p 协议在有线网络中的成功有目共睹，但是在移动蜂窝网络上的性能并不好。 一方面，多径衰落和小区切换使得移动信道不可避免地表现出较高的误码率和不时 的传输中断；另一方面，用户的移动性造成了用户在不同网络间的切换并引起用户 数据的传输延迟和丢失。而t c p 的一个设计假设是认为网络传输基本无错，分组丢 失完全是由于网络拥塞造成的，显然这一假设在无线网络中不再成立。无线链路特 性导致的频繁分组丢失及网络切换引起的分组丢失及传输时延都会给t c p 源端造 成网络拥塞的假象，从而不必要地启动拥塞控制机制，数据传输的有效性大大降低， 严重时甚至导致t c p 重传次数过大而发生连接终止。在这种情况下，对链路层及网 络层协议加以改进以提高无线环境下的t c p 性能是业界研究的焦点问题。这就是无 线t c p 性能优化问题提出的背景。 无线t c p 性能优化需要研究的问题有很多。针对无线链路的高误码特性对t c p 性能的影响而提出的所有优化方案几乎都是为了逼近下面两个理想的情况而设计 的： 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 理想的t c p 行为。即对误码造成的报文丢失，t c p 源端只进行重传，不发 生拥塞控制行为。 理想的网络行为。即为t c p 源端屏蔽传输错误，使传输错误在网络层及其 以下得到高效、透明的恢复。 在各种优化方案中，链路层重传是比较有效且容易实现的方法。通过差错检测 和自动重传，可以避免分组在无线信道上出错或丢失，从而使t c p 的拥塞控制不受 到传输错误的影响。但是，在实际的移动蜂窝网络中，对于由t c p 服务的非实时业 务( 对时延没有严格的要求，但是对误码率性能要求很高) 通常并不是独占一条无 线链路，而是与其它非实时业务一起共享无线链路带宽，这使得必须设计合理的链 路层调度策略以实现多个业务对有限的带宽资源的高效共享。 链路层调度策略设计的主要目的是最大化无线资源利用率和满足用户的q o s 要求。但是目前的研究多是基于信道条件及链路层q o s 要求对用户业务进行调度， 而很少考虑t c p 机制与调度机制的相互影响。事实上，如果不能兼顾t c p 机制而 导致更多的t c p 重传的发生，即使业务的链路层性能得到了保证，也会因为重复传 输相同的t c p 数据信息而导致t c p 性能的下降。这时，传输了重复的t c p 数据段 的无线资源实际上是被浪费掉了，也就是说，虽然链路层“辛辛苦苦”地传输了数据， 但业务的端到端性能可能并未达到预期。因此，将t c p 机制与链路层调度机制结合 起来考虑是很有必要的。 i 1 2 本文的主要内容及结构 本文以蜂窝移动通信系统中共享信道的分组调度为背景，研究了无线网络多用 户分集层调度与t c p 流量控制机制的相互作用。由于作者所在实验室没有这方面的 研究基础以及t c p 机制与调度机制的相互作用问题本身就是一个比较新的研究课 题，本文只是对几种调度算法与t c p 流量控制机制的相互作用进行了分析并指出未 来非实时业务调度算法的研究方向。为了突出本研究的现实意义，作者采用了网络 仿真软件o p n e t 提供的u m t s 模型，但是，该模型并没有模拟共享信道的调度机 制，模型的复杂性也造成了作者建模及仿真工作的难度，因此，对u m t s 分组调度 机制的介绍及仿真模型的建模工作也是本文的一个重要内容。后人可以在我搭建的 仿真平台基础上结合调度与t c p 流量控制机制相互作用研究的最新成果来做进一 步的研究。 本文的组织结构如下： 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章“绪论”，介绍了本文的研究背景和意义并简要介绍了本文的主要内容； 第二章“无线t c p 和多用户分集调度机制介绍”，主要对本文研究所用到的背景知识 进行了概述；第三章“多用户分集调度研究存在的不足”，介绍了共享信道提出的缘 由及功能，总结了共享信道上多用户分集调度的研究现状，通过对轮询调度算法的 仿真分析，指出了不兼顾t c p 机制的调度策略可能对t c p 性能造成的影响；第四 章“多用户分集调度的改进策略”，详细分析了多用户分集调度和t c p 流量控制机制 的相互作用关系并对几种兼顾t c p 流量控制机制的调度算法进行了仿真分析，同时 提出了一种减少t c p 超时重传概率的方法，并指出了未来非实时业务调度机制的研 究方向；第五章“总结及展望”，提出了下一步的研究方向。 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 2 1 无线t o p 研究现状 2 1 1t o p 协议原理 t c p 协议位于t c p i p 协议栈的传输层，在i p 层之上，应用层之下，为上层应 用提供面向连接的可靠的字节流传送服务。首先，t c p 为上层提供面向连接的服务， 它使用“连接”来标识协议数据的最后处理者。在t c p 协议中一个连接由两个i p 地址、t c p 端口对表示。由于是面向连接的，在传输应用数据之前，必须进行三次 握手过程以建立连接；在数据传输完毕后，必须进行四次握手过程以关闭连接。限 于本文篇幅，t c p 连接的建立与关闭过程在此不再详述。其次，t c p 协议位于i p 层之上，而其数据的传递所依赖的i p 协议是不保证可靠性的。为了实现可靠传输， t c p 收端需要在收到源端的数据后回送确认，源端则检查回送的确认，据此判断分 组丢失情况并重发丢失的分组。最后，t c p 为上层应用程序提供的传输服务是面向 字节流的。发送方程序将数据以字节流的顺序递交给下层的t c p 协议进行传输，而 t c p 收端会将数据以相同的字节流顺序交给接收方的程序。t c p 数据的传输是通过 i p 协议进行的，i p 协议的传输单位是l p 数据包，由于应用程序提供的字节流可能 很大，而一个i p 数据包所能容纳的数据是有限的，因此t c p 协议必须将字节流数 据进行分割并组织成t c p 数据段。 在t c p 连接的数据传输阶段，t c p 协议通过差错控制及流量控制机制来实现数 据的可靠有效传输。下面对这两种机制分别做一下介绍。 ( 1 ) t c p 差错控制机制 t c p 协议通过对成功接收到的t c p 数据段进行肯定应答( a c k ) 来实现数据 的可靠传输。它使用的是累积确认机制，也就是说，当成功接收到多个t c p 数据段 后，t c p 收端只向t c p 源端发送一个肯定应答。具体来说，t c p 收端发送一个序列 号为n 的应答，是告诉t c p 源端它已成功接收到序列号小于n 的所有t c p 数据段。 当t c p 收端收到一个失序的t c p 数据段时，会向源端发送一个应答以告知源 端丢失的数据段。而t c p 收端又收到失序的数据段时，仍会向源端发送与前一个应 答相同的应答。也就是说，t c p 源端会收到多个重复的应答。由于不同的t c p 数据 北京邮电大学硕士学位论文 第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 段可能经历不同的i p 路由路径，失序到达t c p 收端是难免的，因此，t c p 源端收 到某应答后并不能确定数据段发生了丢失。一般地，当收到3 个重复的应答时，t c p 源端就认为这些应答所请求的数据段已经丢失，然后重传该数据段。 此外，t c p 源端还启动超时计时器以判断是否需要重传。t c p 源端每发送一个 数据段，就启动一个重传超时( r t o ) 计时器。如果r t o 终止时源端仍未收到肯定 应答，则重传该数据段。 判断数据段是否丢失的问题是t c p 协议中的一个关键问题。t c p 将每一个数据 段的丢失都视为网络发生拥塞的标志。一旦检测到一个数据段丢失，t c p 将启动拥 塞控制机制以减轻网络拥塞。 ( 2 ) t c p 流量控制机制 t c p 使用滑动窗口机制进行端到端的流量控制。t c p 源端所能发送的未收到肯 定应答的数据段数不能超过滑动窗口大小。滑动窗口大小被定义为收端的通告窗口 大小和拥塞窗口大小中的较小值。t c p 收端的通告窗口大小由收端可提供的缓存空 间决定，作用是保证源端的发送速度能适应收端的接收能力。拥塞窗口大小是t c p 源端为了减少网络过载而根据网络的反馈信息计算得到的，是随时间动态变化的。 当源端发送的未得到肯定应答的数据段数目达到最大值后，如果收到一个肯定应答， 就移动滑动窗口并发送新的数据段。 拥塞窗口为t c p 源端和收端之间的网络提供拥塞控制【1 1 。下面分几点对t c p 的拥塞控制机制作一简要介绍。 首先介绍慢启动和拥塞避免机制。 拥塞窗口大小是由网络负载情况决定的。t c p 连接建立后，t c p 源端就得到了 收端的通告窗口，但是，并不知道拥塞窗口大小。慢启动算法就是为探测网络负载 并动态决定拥塞窗口大小而提出的。拥塞窗口大小由t c p 源端维持，初始值设为1 ( 单位：数据段) ，t c p 源端发送一个数据段并等待收端的应答，此后，源端每收 到一个肯定应答就将拥塞窗口大小加1 。如果收端返回了一个肯定应答，则源端将 拥塞窗口大小加1 并发送2 个数据段。如果收端返回了对这2 个数据段的肯定应答， 则源端将拥塞窗口大小加2 并发送4 个数据段。拥塞窗口大小呈指数增长。 当拥塞窗口增长到慢启动门限( s s t h r e s h ) 时，慢启动阶段结束，进入拥塞避免 阶段。慢启动门限由t c p 源端维持，初始值一般为6 5 5 3 5 个字节。在拥塞避免阶段， 拥塞窗口大小线性增长，即当发送窗口中一次发送的全部数据段都得到肯定应答时 拥塞窗口才加1 。 慢启动和拥塞避免算法使t c p 源端避免了在网络拥塞时发送大量的数据段。随 6 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线t c p 和多用，- 分集调度机制介绍 着这两个阶段拥塞窗口的增加，t c p 发送窗口增加并最终达到收端的通告窗口值。 图2 - 1 所示为慢启动和拥塞避免的例子。 一1 云1 彘1 o k 匝 证 谶 霹 o1 z 3456 7 8 时间( r t t s ) 图2 - 1 慢启动和拥塞避免( t c f 数据段大小为5 3 6 b y t e s ) 其次介绍快速重传和快速恢复机制。 当，t c p 源端收到3 个重复的应答时，则判断应答所对应的数据段丢失，并立即 启动重传。这种检测数据段丢失的方法就是快速重传算法。当源端通过快速重传算 法判断数据段丢失后，会执行快速恢复算法。具体过程如下： s s t h r e s h 设为当前拥塞窗口的一半( 源端认为这就是试探出的网络容限) ； 重传丢失的数据段； 将拥塞窗口设为s s t h r e s h 加3 ( 这是因为源端认为在发生了数据段丢失的情 况下，目的端仍然收到了s s t h r e s h 个数据段，还要加上3 次重复应答所对应的3 个 数据段) ； 之后每收到一个重复的应答，拥塞窗口增加1 ，源端可以发出一个新的分组 ( 每个重复的应答意味着又有一个新的数据段离开网络到达目的端，虽然差错仍然 没有恢复，但源端可以再向网络中发送一个数据段，而不会造成拥塞) ； 如果源端收到了后来发送的数据段的肯定应答，则认为差错已经恢复，并将 拥塞窗口设为s s t h r e s h ； 进入拥塞避免阶段。 最后介绍超时重传机制。 前面已经提到，t c p 通过重传超时( r t o ) 计时器实现了超时重传。通常，r t o 通过数据在网络中传输所经历的往返时延( r 1 丌) 计算得到： 7 4 2 0 8 6 4 2 0 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 r t o2a+4d ( 1 1 ) 式中，a 为平滑的砌r r 均值；d 为r t t 的均方差。均方差是标准方差的良好 近似，并且为了更好地表现出r t o 对r t t 较大波动的反映，将均方差加入到r t o 的计算中。这意味着为了限制t c p 超时的次数，应当避免空中接口上的t c p 分组 延时的大范围波动。r t o 计算的细节可参考【1 1 。一旦发生超时重传，重传数据段对 应的r t o 值就会增大为原来的两倍。 如果源端在发送了某个数据段后的r t o 时间内仍然没有收到相应的确认，则立 即重传该数据段。t c p 机制将超时的发生视为网络产生了严重的拥塞，且认为所有 的数据段都丢失了，这时，无论数据传输是处于慢启动、拥塞避免或是快速恢复阶 段，都将慢启动门限设为当前拥塞窗口的一半，拥塞窗口置为1 。 2 1 2 无线网络上的t o p 性能 本小节所讨论的无线网络是蜂窝网，基站通过空中接口与移动主机相连，通过 有线链路与核心网相连。网页浏览( h t i p ) 、文件传送( f r p ) 、电子邮件( s m t p ) 和t e l n e t 等基于t c p i p 协议栈的各种因特网应用都能在移动主机上运行。无线网络 的高误码率、低带宽、长时延、较大的时延抖动、频繁的连接中断都会引起t c p 性 能下降。下面分别进行介绍。 ( 1 ) 高误码率 无线链路的高误码率是无线网络与有线网络的最大区别。无线网络中的高误码 率是由于如下原因造成的：同频道干扰、主机移动、多径衰落或由于网络覆盖所造 成的连接中断。实验研究表明，无线网络中的误包率范围为1 到1 0 ，引起t c p 性能急剧的下降，是难以忍受的【2 】。 如前所述，t c p 源端检测到数据段丢失后会将拥塞窗口设为原来的一半。拥塞 窗口的快速变化是基于这样的假设：网络中所有的数据段丢失都是拥塞引起的。而 在无线网络中，无线链路上的分组丢失率是很高的，t c p 并不能区分数据段的丢失 是由于无线链路丢失引起还是由于网络拥塞引起，而将无线链路传输丢失引起的数 据段丢失也视为网络拥塞引起，从而不必要地启动拥塞控制机制，导致t c p 吞吐量 下降。 ( 2 ) 无线链路更低的带宽 与有线网络相比，无线网络可提供的带宽比较低。而如果要减少误码率则有效 带宽更低。在低带宽的无线网络中，发送窗口大小比较小，因而无线链路上传输的 8 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 分组就更小。由于无线链路的高误码率，重复的应答可能丢失从而不能被t c p 源端 接收。结果，由于源端在r t o 终止之前收不到三个重复的应答从而发生超时重传的 概率比较大。拥塞窗口值经常降为0 而不是减半。无线链路的突发差错特性还会导 致r t o 值急剧增大，从而导致t c p 吞吐量的进一步恶化。 ( 3 ) 更大的时延和时延抖动 对t c p 连接来说，无线链路的时延由以下因素影响： 低带宽。传输时延等于分组大小除以信道带宽。较小的带宽导致了较长的传 输时延，从而导致了较长的端到端时延。 与实时业务的带宽共享。当前，无线网络多是为时延敏感的话音业务设计的， 数据业务与话音业务共享可用信道，而话音业务有更高的优先级。因此，如果没有 可用信道分配给数据业务，则t c p 数据段的端到端时延会进一步增加，因此时延会 依赖于话音业务的数量。 多个非实时业务的带宽共享。由于无线资源的稀缺性以及非实时业务较低的 时延要求，非实时业务会共享可用信道。由于每个非实时业务的q o s 要求不同以及 系统调度策略的不同，使得时延进一步增加以及时延抖动加剧。 由于上述原因，无线链路的时延长且时延抖动较大，从而导致t c p 源端维持的 平均r t t 值增加，进而r t o 值增加。若由于无线链路传输丢失而使收端的应答无 法到达源端，源端就会发生超时重传，t c p 性能进一步恶化。 ( 4 ) 更多的连接中断 由于用户的移动性及蜂窝网络由小区覆盖而成，当用户从一个小区移动到另一 个小区时系统会发生切换，而用户也可能移动到网络覆盖的盲区，这些都可能会引 起用户频繁的掉话。具体来说，当上述情况发生时，先是发生大量的r t o 超时及 t c p 源端重传，一段时间后，t c p 进入稳态，周期性地检测t c p 连接是否仍处于连 接状态。若仍为连接状态，t c p 源端就会将拥塞窗口置，进入慢启动阶段。因此， 频繁和长时间的连接中断都会引起t c p 吞吐量下降。 2 1 3 无线网络t o p 性能的改进机制 限于篇幅，我们只讨论为克服无线链路的时延和误码率特性对单个t c p 性能的 影响而提出的改进措施。这些措施主要分为端到端协议、分裂连接协议、基于代理 的协议和链路层协议。下面从优缺点和典型例子方面对各种措施作一简要介绍。 ( 1 ) 端到端协议 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 端到端的改进方案【3 】，一方面是改进原有的t c p 拥塞控制算法，使之能够对抗 较高丢失率；另一方面，就是改进累积确认方式，在对报文的确认中提供给发送方 充分的信息以使其能够尽早得知报文已丢失，尽快地从多个报文丢失的状态中快速 恢复出来。 t c p 拥塞控制算法的改进方面，主要是通过估计网络状态，提高窗口调整准确 度，在保证网络带宽的充分利用同时，加快从丢失状态的恢复。相关的方案有t c p v e n o 和t c pw e s t w o o d 。具体做法是，v e n o 通过对往返时间( r t r ) 的计算，估计 连接所处的状态，并依据该状态信息，采取相应的窗口调整策略。w e s t w o o d 稍有不 同，它是通过可用带宽的估计值直接设置门限值。 为了给发送方充分的信息，对报文的确认可以采用如下两种技术：一种是采用选择 性确认机制，这样可使得发送方从多个报文丢失的窗口中直接确认丢失的报文，而 不必等待直至超时。典型的方案是t c ps a c k 。该方案在其每个确认报文首部中可 以包含有至多三个已被成功接收的非连续数据块的标识，此标识由数据块的起止序 号所构成，依据这有限个数据块，可以很好地通告发送方最近的已成功接收的数据 块，发送方根据这些确认来检测报文的丢失。 另一种技术是采用显式丢失指示机制，它能够通告发送方数据丢失的真实原因 以区别对待与网络拥塞有关及其他与网络拥塞无关的数据丢失。具体做法是：中间 节点或者接收方若检测到数据的丢失确与网络拥塞无关，就相应将其返回的确认首 部中的e l n 比特置位，发送方根据e l n 比特就可知道数据丢失的原因，重传数据 且避免触发不必要的t c p 拥塞控制机制。其中e l n 比特可选择t c p 报文首部中的 未保留比特来充当。 端到端的t c p 解决方案的优点1 2 5 1 是直接在传统的t c p 协议上做改进，实现原 理简单可行，保持了t c p 连接的端到端语义。同时，t c p 发送方可以根据确认快速 重传丢失的分组，避免触发不必要的t c p 拥塞控制机制，有效地恢复丢失的报文。 端到端t c p 解决方案同样存在着不足。端到端时延远比一条链路的时延长，当 端到端时延较大时，在传输层对丢失的数据做出响应前，会导致更加冗长的往返时 间估计，这会使得通信性能明显下降。因此，考虑利用链路级的重传来降低端到端 的时延。 ( 2 ) 分裂连接协议 这一t c p 实现机制将任一t c p 连接在中间节点( 基站) 处分为了两段，一段 是基站与远端固定主机的连接，另一段是基站与移动终端之间的连接。前段是采用 传统的t c p 连接；后段，即基站同移动终端间的无线链路段，采用改进的协议，以 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 适用于无线链路本身的特性。这一类型的协议主要有m t c p 、i - t c p 等。 此方案本着“局部问题局部解决”的原则，采用修改无线链路段协议，维持有线 链路段连接的方法，易于推广实现。它将不可靠的无线链路同可靠的有线链路分开 来考虑，对t c p 发送方隐藏了无线链路的特性，无线链路段短暂的连接中断不会对 有线链路段的连接造成影响。两端传输层协议参数可以独立优化，提高通信的端到 端性能。这是这一方案的优势所在。 同时，这一方案也存在着不足：由于中间节点( 基站) 对分组的应答到达发送方 可能先于该分组实际到达接收方，这违背了t c p 连接的端到端语义。其次，相对于 原先未分段，这种方案使得每一分组在基站处都被处理了两次，增加了基站的工作 负担；同时，原有的端到端的i p 安全机制不再有效。再次，基站要为每一t c p 连 接保持一系列的状态，这使得移动终端越区切换过程变得极为复杂和缓慢。由此看 来，保持t c p 连接的端到端语义还是有必要的，因此，推出了端到端的连接方案。 ( 3 ) 基于代理的协议 近年来，出现了探听t c p ( s n o o pt c p ) 4 ，5 1 的方案。该方案在分段t c p 连接的 基础上保持了t c p 连接的端到端语义，并且兼具链路层解决方案的优点。其实现原 理是：在基站侧，引入一个探听代理( s n o o pa g e n t ) 模块，该模块运行于i p 层之 上，监视着每个t c p 连接两个方向上的所有分组。对于从固定主机到移动终端的数 据传输来说，探听代理主要做两件事：本地重传以及本地确认过滤，具体而言就是 缓存未被确认的分组；同时，探听代理通过所接收到的重复确认或本地重传计时器 的超时来判断分组的丢失，当检测到分组丢失时，如果缓存中保留有该分组，就立 即进行本地重传，并抑制重复的确认到达远方固定主机。 基于代理的解决方案通过本地重传，抑制发往t c p 发送方的重复确认，避免了 t c p 发送方快速重传和触发不必要的拥塞控制机制，同时保持了t c p 端到端的语 义，提高了无线链路中t c p 的性能。 但是，由于探听t c p 要求中间节点( 基站) 对移动主机和远端有线网络上的固 定主机间的分组进行检测及操作，当网络层的i p 业务流加密，并要求保持端到端的 i p 安全机制时，探听t c p 将无法工作。同时，在发送窗口较小、丢失率较高的情况 下，探听t c p 方案的性能会恶化。 ( 4 ) 链路层纠错方案 链路层的解决方案在现有的几种链路层解决方案中，主要采用了两种技术来解 决问题，即：基于误差校正的前向纠错( f e c ) 技术和自动请求重复( a r q ) 技术。 a i r m a i l 协议就采用了这两种技术来为通信提供可靠的链路层。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章无线t c p 和多用户分集调度机制介绍 这种解决方案符合网络协议的分层结构观点，数据链路层独立于