（计算机应用技术专业论文）无线网络下tfrc拥塞控制机制的改进.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文 中文摘要 中文摘要 随着i n t e m e t 上实时音视频业务的发展，一些非t c p 协议( u d p ) 被广泛使用。这些非 t c p 协议本身并没有拥塞控制机制，在发生拥塞时，会抢走t c p 流的带宽，影响到t c p 流j 下常应用，情况严重时，甚至会使网络崩溃。因此，为了能健康地发展实时多媒体业务， 有必要研究一种具有拥塞控制机制，能够与t c p 协议公平分享带宽的并且适合于多媒体传 输的协议，这也就是t c p f r i e n d l y r a t ec o n t r o l 协议( 下面简称t f r c ) 。 随着无线网络的r 益普及，t f r c 在有线无线这样的混合链路上不能区分因拥塞而引 起的丢包或无线链路错误引起的丢包，使得接收端误认为无线链路错误就是网络拥塞的信 号，从而引发不必要的流量控制，导致t f r c 性能的下降。 本文研究分析了t f r c 运行机理，发现t f r c 慢启动性能不够理想，一方面，在速率 增长方面没有达到t c p 的同等水平，导致了在与t c p 流同时接入网络时，不能很快的使 速率达到有效的带宽上，收敛不够快；另一方面，t f r c 慢启动没有自动退出机制，丢包 成为唯一的结束信号，速率倍增的特点会导致慢启动结束时出现大量数据包丢失，影响速 率的稳定性。 因此，本文首先对t f r c 的慢启动过程进行改进，加快了慢启动的速率上升速度。同 时也研究了拥塞预测技术，并根据t f r c 的慢启动和拥塞避免阶段的特点，分别在慢启动 阶段引入基于发送端与接收端速率匹配的拥塞预测退出机制，在拥塞避免阶段引入基于延 迟抖动率的拥塞检测算法，从而主动地控制速率，减少丢包，提高t f r c 整体性能。并通 过n s 2 的仿真，对改进后的t f r c 进行性能分析。 关键词：t c p 友好，t f r c ，速率匹配，拥塞控制，基于延迟抖动率 南京邮电大学硕十研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e a l - t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o ni nt h ei n t e m e t ，n o n t c p p r o t o c o l sw i t h o u tc o n g e s t i o nc o n t r o l ，s u c ha su d p , a r eb e i n gw i d e l yu s e d s i n c et h e s ep r o t o c o l s l a c ko fa v o i d a n c es c h e m e , m e yc o u l dn o td e c r e a s et h e i rs e n d i n gr a t ew h i l en e t w o r ki sc o n g e s t i n g t h e n ，l a r g e l yu s i n gt h e mw o u l dr a pt h eb a n d w i d t ho ft c pf l o w s m o r e o v e r , i tm a yl e a dt o c o n g e s t i o nc o l l a p s e i no r d e ro fh e a l t h i l yd e v e l o pt h er e a l - t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，i t s u r g e n tt or e g u l a t et h ec o n g e s t i o nb e h a v i o ro ft h en o n t c pf l o w s ap r o t o c o l ，w h i c hc a nf i tt h e m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa sw e l la sb ef a i rw i t ht c p , i sn e e d e d ，w h i c hi sc a l l e dt c p f r i e n d l y r a t ec o n t r o l ( t f r c ) p r o t o c 0 1 w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo fw i r e l e s sn e t w o r k st o d a y , t f r cc a nn o td i f f e r e n t i a t et h e p a c k e tl o s s e sc a u s e db yc o n g e s t i o nf r o mt h el o s s e sc a u s e db yw i r e l e s sl i n ke r r o ri nh y b r i d n e t w o r ke n v i r o n m e n t t h e nr a t ec o n t r o la l g o r i t h mm a yb et r i g g e dw h i c hr e g a r d st h ew i r e l e s s e r r o ra st h ec o n g e s t i o ne v e n ts i g n a l ，w h i c hr e s u l t si ns e r i o u sd e g r a d a t i o no f t f r c i nt h i sp a p e r , t f r c sm e c h a n i s mi sf i r s t l ya n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s l o w - s t a r to ft f r cw o r k si n e f f i c i e n t l y t h ep e r f o r m a n c eo fa c c e s si sn o tg o o da st c p s ，w h i c h l e a d st ot f r cs l o wc o n v e r g e n c e i na d d i t i o n , t f r cc o u l dn o tr e t r e a tf r o ms l o w - s t a r tb yi t s e l f l o s si st h eo n l ye x i tt r i g g e rs i g n a l i tm a ya r i s et ol a r g en u m b e r so fl o s s e sw h e nt h es e n d i n gr a t e e x c e e d st h eb a n d w i d t hc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e rw ep r o p o s e sa na l g o r i t h mt oo p t i m i z et f r cs l o w - s t a r tb yc o n t r o l l i n gt h e a c c e s ss p e e d t h e n , as c h e m eb a s e d0 1 1r a t em a t c h i n gf o rs l o w - s t a r ts e s s i o ni sp r o p o s e dt oh e l p t f r ca u t or e t r e a tf r o ms l o w s t a r tw h e ni tr e a c hi t sa v a i l a b l eb a n d w i d t h f i n a l l y , w ep r e s e n t j i t t e rr a t i ob a s e dc o n g e s t i o nd e t e c t i n ga l g o r i t h mf o rc o n g e s t i o n - a v o i d a n c es e s s i o nt oh e l pt f r c r e d u c ep a c k e tl o s s e s a f t e re x t e n s i v es i m u l a t i o n so nn s - 2 ，t h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e dt f r ci s e v a l u a t e d k e yw o r d s ：t c pf r i e n d l y ，t f r c ，r a t em a t c h i n g ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，j i t t e rr a t i o b a s e d i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 图表清单 图表清单 图1 1 在i n t e m e t 上实时同放系统的体系结构图2 图1 2 运行在i n t e r n c t 上的3 个t c p 流和1 个t f r c 流5 图2 1t c p 拥塞窗口状态变化1 1 图2 2t c p 简单模型示意图1 2 图2 3t c p 复杂模型示意图1 3 图2 _ 4 简单模型( s q r t ) 和复杂模型( p f t k ) 的对比1 4 图3 1t e a r 协议状态转移图。1 8 图3 - 2t f r c 系统框架图一2 2 图3 3 丢失事件率p 示意图2 8 图3 4 与t f r c 共享带宽时t c p 的吞吐量2 9 图3 5t c p 与t f r c 竞争瓶颈链路时吞吐量的比较2 9 图3 - 6t f r c 与t c p 响应能力的对比3 0 图4 1n s 2 整体结构3 2 图4 2 利用n s 进行网络模拟的过程3 3 图4 3n s 目录结构图3 3 图4 - 4n s 构件库( 部分) 3 4 图4 5 算法仿真拓扑结构图3 4 图5 1t f r c 慢启动过程3 7 图5 2t c p 慢启动过程3 7 图5 3t c p 与t f r c 同时接入网络过程3 8 图5 - 4 a e r o - t f r c 的慢启动流程图3 9 图5 5a c r o - t f r c 口：4 时慢启动过程4 0 图5 6 a e r o - t f r c 与t f r c 同时接入网络过程4 0 图5 7 a e r o - t f r c 与t f r c 和t c p 同时接入网络过程4 l 图5 8t f r c 单独接入网络过程4 2 图5 - 9t f r c 慢启动接收速率与发送速率对比4 3 6 3 南京邮电大学硕十研究生学位论文 图表清单 图5 1 0t f r c 慢启动速率偏差与发送速率对比4 6 表5 1 瓶颈链路队列长度与丢包数4 6 图5 1 1a e r o - t f r c 单独接入网络过程4 7 图5 1 2 a e r o - t f r c 接入有背景流( 约占1 5 瓶颈吞吐量) 网络过程。4 7 图6 - 1 延迟抖动示意图5 0 图6 - 2 一个r t t 内发送数据包数5 l 图6 - 3t c p 拥塞窗口大小与队列长度对比5 2 图6 4 不同k 值a e r o t f r c 的有效通过量5 4 图6 - 5 不同k 值a e r o - t f r c 与t c p 的有效通过量。5 5 图6 - 6k = - 0 0 5 时a e r o - t f r c 与t f r c 的比较5 5 表6 1a e r o - t f r c 与t f r c 分开接入网络丢包率比较5 6 表6 2a e r o t f i 屺与t f r c 同时接入网络丢包率比较5 7 图6 7a e r o - t f r c 与t c p 吞吐量对比5 8 图6 8a e r o - t f r c 与t c p 协议间的公平性5 8 6 4 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。 研究生签名：莲轾日期：翟堕2 ：丝f 9 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。 一 研究生签名：墩导师签名：7 垄至：z 量日期：盟：生p 南京邮电大学硕_ j j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，i n t e r n e t 得到了飞速的发展。以i n t e r n e t 为代表的信息产业正在带来一场全社 会、全方位的产业革命。 通过使用i p 协议，目前的i n t e r n e t 提供了一种无连接的，尽力而为的，端到端的数据 包传输服务。实现在传输层协议( 例如：t c p 协议) 中的拥塞控制机制可以使得i n t e m e t 在高负荷的情况下也能够提供良好的服务，由于i n t e r n e t 是无连接的，而且它的灵活性和 健壮性都非常好，所以这种协议体系结构被广泛地推广，取得了巨大的成功。为了使得 i n t e m e t 在高负荷的情况下能提供良好的服务，需要精心地设计端系统的拥塞机制，大家公 认：t c p 的拥塞控制机制是目前i n t e r n e t 成功的关键原因之一。在端系统中运行的拥塞控 制机制使得t c p 的连接在遇到网络拥塞时会主动地通过窗口机制减低自己的发送速率，也 就是，t c p 流能够根据网络中的拥塞信号( 发生包丢弃事件) 实行自适应地调整发送速率 的策略。正是t c p 的拥塞控制机制防止了i n t e m e t 的拥塞崩溃【l 】。 1 1 1 多媒体流传输的特点 目前i n t e r n e t 上主要的端系统传输协议是t c p 。基于t c p 的协议，如超文本传输协议 ( h t r p ) 、文件传输协议( f t p ) 、简单邮件传输协议( s m t p ) 等等都是应用十分广泛的 高层协议。这些协议提供了w 曲网页浏览、文件下载、e m a i l 等人们熟悉的应用。但最近， 多媒体业务得到了更为迅速的发展，实时的语音视频应用和组播的应用越来越多，如m 电话、视频会议、视频点播( v o d ) 、网络电视，网络虚拟教室等等。如下图1 1 所示为 一多媒体流回放系统的体系结构图。 南京邮电大学硕l ：研究生学位论文 第一章绪论 r ， 服务器( s e r v e r ) ，、 i 各尸躏( c l i e n t ) 缓冲管理传输缓冲 缓冲管理 解码器 旺! i 放缓冲 一 ( b u f f e r+( t r a n s m i s s i o n- _卜( b u f f e r- - ( d e c o d e r ) - ( p l a y o u t 7 m a n a g e r )b u f f e r ) 孽 m a n a g e r )b u f f e r ) ，一 一 ff i f d i j r 、，_ ， 警 已编码流或文件 卫 j 一( c 孵o n g 洲e s t i o 。 接收器 ( r e c e i v e r ) ( a r c h i v eo f 选择卜叫( l e 什 t i v 袱e h(c雕ong拧制estio(selectivec o n g e s t i o n i l c o n t r 0 1 ) l a y e d c o d 。d s t r u m s ) r e l i a b i l i t y ) ic o u t r 0 1 ) i ()i i j l 一一一一 图1 1 在i n t e m e t 上实时同放系统的体系结构图 相对于普通的数据流而言，多媒体流具有以下四个特点： 1 对时延敏感：对于连续的音视频流，即使是稍微的时延都会产生明显的视觉和听觉感 受，对于要求较高的应用( 如远程医疗等) 是不能容许的。当前的多媒体播放软件的 处理办法，往往是要依靠上层应用程序的控制或者使用资源预留等办法解决； 2 能容许较高的误码率：与一般的数据流相比并不要求有较低的数据丢失率、高度可靠 的数据完整性，即使是存在较高的误码率和丢包率，对多媒体流质量的影响也不会有 明显的效果； 3 要求有平滑的数据发送速率：突变的数据发送速率会引起接收端媒体流质量的下降， 使人的视觉、听觉产生不适应感，当前的解决办法同样是采用上层软件的缓冲空间实 现的； 4 传输数据量大：一般说来，与浏览网页、文本传输、数据库查询、收发邮件等应用相 比较，图形、图像、动画和音视频等多媒体信息要传输的数据量都要大得多。 因此，在i n t e r n e t 上传输多媒体流，就应该按当前网络拥塞情况适当地调整发送端的 数据发送速率，以较为平滑的速率发送相对平滑稳定、时延抖动受限的多媒体数据流。 近年来，为了在尽力而为( b e s t - e f f o r t ) 的传统网络中，实现低时延、无抖动、平滑的 业务质量，以确保多媒体实时数据的有效、高质量的传输，提出了基于网络的和基于终端 的解决策略。基于网络的方案又可分为：综合业务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 和资源预留 协议( r s v p ) ，区分业务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 和多协议标签交换( m p l s ) 、基于 约束的路由和流量工程等多种解决办法。由于这些基于网络的方案均需要重新配置网络或 者更新网络结构，目前还不能广泛地推广到所有的网络中，即使这些服务能够广泛地推广， 仍然会有很大的一个用户群体，他们需要用比较低廉的价格来传输实时多媒体业务，价格 最低廉的自然是b e s t - e f f o r t 服务，就算在那些支持d i f t s e r v 的网络上，在相同服务等级中， 各个用户享用资源的权利是平等的，他们互相之间还是一种b e s t e f f o r t 服务；因而相对地 说来基于终端的解决策略的可行性更高。基于终端的方案往往就是，通过在端系统中估计 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 当前网络的带宽并调整发送速率，以进行多媒体实时流传输的。 1 1 2t c p 和u d p 都不适于传输多媒体流 t c p 协议作为传输层协议，其发送速率是由发送端的拥塞窗口c w n d 和接收端的通告 窗口r w n d 共同控制的。t c p 的拥塞控制机制是这样实现的：在慢启动状态时，发送端每 收到一个a c k 反馈包则把其拥塞窗口c w n d 增加1 个报文段的大小，因而发送速率呈现成 倍的增长；如果c w n d 达到慢启动门限s s t h r e s h ，系统进入拥塞退避状态，此时每收到c w n d 个a c k 包才把拥塞窗口增大为1 个报文段的大小。而当发现网络拥塞时则要把s s t h r e s h 设 置为当前拥塞窗口c w n d 的一半，如果是超时引起的拥塞则要把c w n d 置为1 ，也就是慢启 动状态。这就是加性增加乘性减少的a i m d 算法。这种拥塞控制机制对在b e s t e f f o r t 的网 络上批量文件的可靠传输具有很好的适应能力，这也是t c p 协议能在i n t e m e t 上被广泛应 用的重要原因。然而这种拥塞控制机制对于传输有特殊要求的多媒体数据流却并不适用， 因为： 1 出现网络拥塞时慢启动门限值将减半，从而导致发送端的拥塞窗口大小突然减半( 也 就是发送速率的突变) ，会导致多媒体业务流产生速率抖动，使接收者感到多媒体质量 的明显下降。而多媒体流要求数据速率应当保持一定的稳定状态，即要求速率平滑， 因而这种t c p 流拥塞控制时发送速率的频繁突变，必然会成为多媒体通信中的主要障 碍。 2 另外，由于t c p 协议使用每收到一个数据包接收端就要发送一个a c k 确认包的机制， 以保证数据传输的高度可靠性。多媒体数据流对数据完整性要求不高，可以容忍较高 的数据差错率( 书 2 1 p 指出5 的丢包率通常是可以接受的) ，若使用t c p 每包确认的 机制就会增加网络负担，也会加重发送端和接收端的负荷。特别是在不对称网络中， 就会大大地增加逆向通道上的网络负荷，造成网络拥塞，严重地降低带宽分配的公平 性、网络的利用率和可扩展性。而且对于多媒体流的组播，每包确认的机制除了加重 网络负荷之外，发送端将收到来自所有接收端的a c k 包，这将大大的加重发送端的负 荷，严重消耗发送端资源从而引起多媒体传输质量的下降。 总之，要利用t c p 传输多媒体实时流，t c p 发送速率的突降以及每包确认的机制是影 响多媒体流性能的关键因素，t c p 并不是传输多媒体流的理想方案。 没有拥塞控制的u d p 流是贪婪的流，如果利用u d p 协议传输多媒体数据，它将不断 地占用可用的网络带宽，使得有拥塞控制的t c p 流得不到合理的网络资源，造成了对t c p 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 流的严重不公平。当发生网络拥塞时，u d p 流并不响应网络给出的拥塞指示，仍会继续送 出大量的数据包，已经超负荷的网络节点只会丢弃某些数据包，也就是数据包在到达接收 端之前就会由于拥塞而被丢弃。由于存在网络资源分配严重不公的情况，大量网络带宽被 这些将要被丢弃的数据包所占用，从而导致网络整体性能大幅下降，有甚者将导致产生网 络的崩溃。另外，u d p 流并没有提供有效的手段以保证多媒体业务流传输的平稳性和降低 数据传输的时延。因此，为了与t c p 流公平共享网络资源、减少数据包的丢失率、提高网 络带宽利用率、避免发生网络瘫痪、并有效地传输多媒体实时流，不应该使用没有拥塞控 制的u d p 协议传输多媒体流。 面向连接的t c p 和无连接的u d p 在拥塞发生时的不同反应和处理方法，导致了他们 对网络资源不公平的占用。在拥塞发生时，有拥塞控制机制的t c p 流会按拥塞控制步骤进 入拥塞避免阶段，从而减小了网络的t c p 流量。但对无连接的数据报u d p ，由于并没有 实现端到端的拥塞控制机制，即使网络发出了拥塞指示( 如丢包、收到重复a c k 、超时等) ， u d p 也不会主动减少向网络发送的包数量。因而遵守拥塞控制机制的t c p 数据流得到的 网络资源越来越少，没有拥塞控制的u d p 则会得到越来越多的网络资源，这样就导致了 网络资源分配的严重不公平。网络资源分配的不公反过来又会加重网络拥塞，甚至可能导 致网络崩溃。要解决t c p 拥塞控制的公平性问题，就要在i n t e r n e t 上全面实行端到端的拥 塞控制机制。 1 1 3t c p f r i e n d l y 的拥塞控制机制 i n t e r n e t 之所以获得如此大的成功，其中的一个关键因素就是t c p 协议的拥塞控制机 制。正是由于t c p 在网络拥塞时采用的退避机理，使到大量的t c p 连接可以同时分享某 条拥塞的链路，可以较为公平地共享网络带宽。究其原因，就是因为这些相似流都是同样 地遵从t c p 的拥塞控制算法的。根据对网络拥塞的响应能力，在网络中传输的流可分为： t c p 兼容流( 有如t c p 协议一样的拥塞控制机制流) 、对网络拥塞不响应的流、响应拥塞 但是并非t c p 兼容的流【i 】。 t c p f r i e n d l y 的概念就是针对多媒体实时流的传输要求而提出来的。因t c p 和u d p 协议都不适于传输多媒体流，而且当前网络上绝大部分的应用都是以t c p 为传输层协议 的，因此只有把多媒体实时流建立在t c p 兼容流的基础上，才能确保网络带宽的公平分配， 而不会造成网络的崩溃。t c p - f r i e n d l y 的概念就是这样应运而生的。 t c p f r i e n d l y 就是指【3 j ，用b e s t - e f f o r t 的服务质量传输的竞争流，必须与同等网络环境 南京邮电人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 下t c p 流的吞吐量近似地、平均地相等。也就是说，t c p f r i e n d l y 是一种建立在其他传输 协议上的拥塞控制算法，它既要考虑到多媒体流传输的特殊要求，又要考虑到网络拥塞问 题，达到与其他t c p 兼容流公平地共享带宽的目的。因此，应用t c p f r i e n d l y 的流都是 t c p 兼容流。无论对于端系统来说，还是对于整个网络的性能而言，应用t c p f r i e n d l y 于 多媒体流的传输上都是一个绝佳的选择。 文献 4 】指出：各种t c p f r i e n d l y 协议设计的目的是实现一种端到端的拥塞控制协议， 这个协议可能实现单播，或者是组播。一个设计优秀的t c p f r i e n d l y 协议应该有如下的四 个特点： 1 公平性：对于每一种建立在t c p 协议或者t c p f r i e n d l y 拥塞控制机制上的应用，它们 之间应能公平地享用网络的资源。因此要求t c p f r i e n d l y 具有很强的灵活性和适应能 力，能根据网络的当前状态随时调整发送数据的速率。 2 平滑性：在网络相对稳定的情况下，数据流的发送速率能在相当长的一段时间内保持 相对稳定的状态，不会产生速率的突变、时延抖动等情况。 3 响应性：当网络的可用资源( 如网络带宽) 下降时能快速地响应网络拥塞，迅速降低 数据流的发送速率。 4 积极性：当可用带宽增加时也能快速地提高发送速率，以能充分地利用当前的网络带 宽。 目前国内外学者已提出多种流媒体拥塞控制机制【4 】【5 】【6 】川，其中f l o y d 提出的t c p 友好 拥塞控制机制( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o l ，即t f r c ) 【8 】【9 】是目前提出的拥塞控制机制中最 被广泛认可的，并已于2 0 0 3 年形成r f c3 4 4 8 1 0 】。t f r c 是一种基于公式的拥塞控制机制， 它通过对t c p 的控制机制进行分析，建立t c p 的吞吐量模型，推导出t c p 的吞吐量公式 ( 即与丢包率p 和往返时延r 刀的函数关系式) 。发送端根据通过接收端定期的反馈，计 算尺刀和p ，根据吞吐量公式计算出的值调整发送速率，保证与t c p 流的友好性。 u c l ，a c i r i3x t c p1x t f r c 甜n e 毫 图1 - 2 运行在i n t e r n e t 上的3 个t c p 流和1 个t f r c 流 5 o o o o o o o o o o o 己侣：2住竹8 6 4 2 嘉日)o吾116圣基 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 图1 2 【9 】是在伦敦到伯克利的实际链路上让3 个t c p 流和1 个t f r c 流同时运行的实 验结果。从图中可看出，虽然t f r c 流的吞吐量稍低于t c p 流的平均吞吐量，但是t f r c 流拥有更稳定的速率和几乎全部相同的吞吐量，而t c p 流的抖动非常明显。 1 1 4 有线无线链路混合环境带来的挑战 随着无线技术的进步以及日益增长的用户需求，i p 协议簇必须扩展其能力以覆盖无线 领域。事实上，未来的全i p 网络很大可能将是异构网络，这意味着双方通信很有可能包含 有线以及无线的链路。然而，我们在有线网络上依靠的t c p 在这种混合环境中暴露出弱点， 而这些问题的产生源于无线链路有别于有线链路的特性，以及当前的t c p 设计是以包丢失 模型为假设的，这些问题在各种应用程序中表现为吞吐量的减少、网络资源利用率不高以 及过多的数据传输中断【1 1 】【1 2 1 。 无线链路不像有线链路那样采用光纤或者铜导线那样而采用空气作为传输介质，因而 导致许多不可控的影响传输质量的因素，例如天气环境、障碍物、多径干扰、大运动物体 以及无线终端的移动，结果使无线链路表现出比有线链路更高的误码率( b e r s ) ，还有因 为信号覆盖有限以及用户移动需要频繁的切换，也导致了在一个会话当中通讯双方的暂时 中断与重新连接。t c p 不能有效的运行在高误码率以及连接频繁中断的环境，既然传统的 t c p 认为所有的包丢失都是因为网络的拥塞，那么无线链路高误码率引起的随机丢包将误 导t c p 发送端对发送速率进行无必要的减少。很多研究证明t f r c 有很好的t c p 友好性 和平滑性，但是它只考虑了网络变化缓慢或静态的环境下的性能，并没有考虑网络剧烈变 化时的拥塞控制机制的性能。随着移动通信网络与无线局域网络的推广与普及，基于无线 网络进行数据传输的无线互联网业务已成为目前1 1 r 业和移动通信业的发展热点。由于无线 网络误码率高、时延长等特点，使得直接应用有线网络上的协议与技术会造成业务性能的 显著下降，因此，如何改善现有协议，以保证无线网络的性能与效率已得到了广泛的研究。 传输层协议的适应性是基于其对当前网络条件发生改变的敏感程度。对于一个t c p 连 接来说，发生包丢失被认为是网络发生拥塞的标志，然而不幸的是，在无线网络中，通常 是由信道衰落而不是拥塞而引起丢包，在这种环境下，t c p 减半拥塞窗口的大小，这将大 大降低其性能。许多研究集中在如何提高无线网络下的t c p 性能，分段连接的方法( 例如 i n d i r e c t - t c p t l 3 】) 将无线高丢失的部分隐藏起来，这样源端就仅能检测到由拥塞而引起的丢 失了；s n o o p 代理【1 4 】【1 5 】是一种链路感知( 1 i n k - a w a r e ) 方案，它需要配置一个专门的代理 在基站上。这两种机制的缺点是违反了t c p 确认机制的端到端语义。还有一些研究在于增 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 强t c p 区分不同种类包丢失的能力，拥塞一致性方法【1 6 1 0 7 1 通过显式拥塞通知( e c n ) 【1 8 】 来增强t c p 判断有线还是无线丢失的能力；然而，这需要路由器支持e c n ，而且当一个 拥塞的路由器的缓冲区正在溢出的时候很有可能没有足够的时间来获得e c n 。还有一些采 用估计链路容量的机制，例如t c p w e s t w o o d 1 9 】采用估计网络连接容量的方式，但当发送 端估计错了带宽或者随机包丢失率超过一定值时，它的性能将会下降。 t f r c 原本是为有线链路设计的，在有线无线的混合链路环境下与t c p 遭遇同样的问 题，即因为t f r c 也不能区分因拥塞而引起的丢包和无线链路错误引起的丢包，使得接收 端误认为无线链路错误就是网络拥塞的信号，从而引发不必要的流量控制，导致t f r c 性 能的下降。 综合上面的分析，为适应无线网络同益增长的实时多媒体业务的需求，研究一种既适 合于多媒体流的传输要求，又顾及到与t c p 流公平分享带宽的传输协议，是非常有意义的。 t f r c 协议正是目前最成熟的这样一个协议，对其拥塞控制策略研究是具有十分重要的实 用价值与广阔的应用前景的。本文将把无线网络上的t c p f r i e n d l y 拥塞控制策略作为重点 的研究方向，并在充分研究t f r c 协议拥塞控制原理与性能特点的基础上，提出一种带有 预测机制的端到端的a e r o t f r c 协议，进一步改善提高t f r c 在无线环境下的性能。“ 1 2 论文的主要工作 本文的研究主要是围绕无线环境下t c p f r i e n d l y 拥塞控制策略而展开的，重点是研究 t f r c 协议的特点和性能，并进行改进，主要工作如下： 1 改进t f r c 慢启动性能。 t f r c 协议慢启动主要功能是利用指数上升的速率，尽快探测有效带宽，并以丢包事 件触发，增长速度相对t c p 进入到拥塞避免状态。但经过研究，发现t f r c 协议的慢启动 增长速度相对t c p 慢。而且，在以指数速率增大的慢启动阶段，t f r c 在达到自己的有效 利用带宽后，由于没有预测机制，还会继续成倍地增大速率。这就直接导致了t f r c 慢启 动经常以大量数据包丢失作为结束。本文针对这些问题，提出了基于发送端与接收端速率 匹配算法来加快t f r c 慢启动收敛速度，让其在少丢包甚至不丢包或的情况下进入到拥塞 避免状态。 2 为t f r c 加进一种基于延迟抖动率的拥塞预测机制，减少丢包率。 t f r c 协议本身并没有任何预测机制来预测拥塞。它是一种被动的协议，必须要在丢 包后才会直接改变其速率以减缓拥塞，无线环境下这种情况更加复杂，因为t f r c 本身并 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一苹绪论 不能区分哪些丢包是拥塞引起的哪些丢包是因为链路差错引起的。本文尝试在t f r c 协议 的主要部分拥塞避免阶段里加入了一种利用抖动变化趋势作为主要根据的预测机制，利用 抖动的变化来判断网络拥塞情况，以做出相应速率控制处理，尽量减少丢包，提高协议性 能。 1 3 本文组织 全文共分七个章节，内容组织如下： 第一章：绪论。该章首先阐述本论文研究的背景与意义，概述本文主要的工作与贡献， 描述本文的主要结构与内容安排。 第二章：t c p 拥塞控制机制和t c p 吞吐量模型。本章着重介绍t c p 协议的拥塞控制 机制的特点以阐明t c p 协议的具体运作，之后介绍了广泛使用的两个t c p 模型，为后面 了解和研究t c p f r i e n d l y 做好准备。 第三章：t f r c 协议介绍。本章首先简要介绍了t c p f r i e n d l y 协议的分类以及几种重 要的t c p f r i e n d l y 协议，其次介绍了t c p f r i e n d l y 协议的性能评估方法，之后详细介绍分 析t f r c 协议的特点，并从其原理、设计思路和具体运行过程来介绍分析其特点，最后对 t f r c 与t c p 进行了比较，说明两者的区别。 第四章：n s 2 介绍及网络仿真环境。本章对n s 软件包构成与体系结构做了简要介绍， 并阐述了本文所采用的仿真环境设置。 第五章：t f r c 慢启动阶段的改进研究。本章就t f r c 慢启动性能的不足之处，分别 提出了增强接入竞争能力和基于发送端和接收端速率匹配的慢启动拥塞预测退出机制两 个算法，整体上增强了t f r c 慢启动性能，并通过仿真实验来验证方案的有效性。 第六章：基于延迟抖动率的拥塞避免阶段的改进。提出一种适用于t f r c 拥塞避免阶 段的基于延迟抖动率的拥塞预测机制，通过延迟抖动率来估计拥塞，主动调整发送速率， 以降低丢包率，最后通过仿真实验来验证方案的有效性。 第七章：总结与展望。对全文内容进行了总结，并提出日后进一步工作的设想。 南京邮电大学硕l ：研究生学位论文第二章t c p 拥塞控制机制和t c p 吞吐量模型 第二章t c p 拥塞控制机制和t c p 吞吐量模型 t c p 协议位于t c p 层，它是一种面向连接的端到端协议。t c p 建立在i p 协议之上， 它通过每包确认的机制保证通信的可靠性，在网络拥塞( 发现分组出现丢失) 时通过速率 减半的策略，缓解网络的拥塞状况，降低丢失率，保持网络系统的稳定。t c p 的这种高可 靠性非常适合传输大量报文类型的数据，例如：网页浏览、文件传输、e m a i l 、远程登录等。 但需要指出的是，由于t c p 协议为实现可靠传输而牺牲了传输效率，加上它的拥塞机制会 使发送速率产生波动，它并不适合来用传输视频流等实时数据。 2 1t c p 的拥塞控制机制 书 2 0 】对t c p 协议作了总体的概述。t c p 协议速率控制是基于窗口管理机制，受到发 送端的拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w , c w n d ) 和接收端的通告窗口( a d v e r t i s e dw i n d o w , a w n d ) 约束，其发送速率为每r 1 盯( r o u n d t r i p t i m e ) 时间段内，发送m i n ( c w n d ，a w n d ) 个报文。 其中，c w n d 的大小反映了网络畅通和拥塞状态，属于拥寒控制；a w n d 则是反应接收 端可承受的接收速率，属于流量控制。对于研究t c p 拥塞控制机制，我们主要考虑c w n d ， 所以我们这里假设通告窗口无穷大，于是在一个i 册，时间内，t c p 最多发送c w n d 个报 文( s e g m e n t ) 。 在拥塞控制方面，t c p 主要采用了加性增加和乘性减少( 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 e d e c r e a s e a i m d ) 的控制策略【2 ，即在没有拥塞时以线性的速率增大c w n d ；而当一旦发 生拥塞时，以减半的策略来减少c w n d ，以对网络的拥塞状况进行回避。 t c p 协议的拥塞控制机制主要由四种窗口管理技术组成，即慢启动( s l o ws t a r t ) ，拥 塞避免( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) ，快速重传( f a s tr e t r a n s m i t ) 和快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 四个阶段。文献 2 2 】( r f c 2 0 0 1 ) 中有详细解释。 2 1 1 慢启动( s l o ws t a r t ) 慢启动算法的主要目的是快速地探测可利用的网络带宽。它会从一个初始的低速开始 堕室堕皇盔兰堡兰翌窒生兰堡堡壅笙三皇堡! 塑查篓型墼型塑里呈查些墨堕型 发送报文，并以指数上升速率不断提高发送速率，直到发生第一次丢包时结束。 t c p 成功建立连接后，系统首先会进入慢启动状态。t c p 会首先按初始窗口大小( 一 般为1 ) 发送报文，接收端成功收到报文后会发送一个a c k 包确认，发送端每收到一个 a c k 确认，就让c w n d 增加一个报文的大小。这样，实际上c w n d 的是呈指数增加的，使 得发送速率成倍增长。当发送速率超出网络可利用的带宽，导致丢包时，系统将结束慢启 动阶段，并将c w n d 设为丢包时的二分之一大小，进入拥塞避免阶段。 2 1 2 拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i