（计算机应用技术专业论文）ad+hoc网络中tcp性能研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：计算机在通信中的应用 作者：2 0 0 7 级研究生刘天生 指导教师：秦军教授 题目：a dh o c 网络中t c p 性能研究 英文题目：t c p p e r f o r m a n c er e s e a r c hi na dh o cn e t w o r k 主题词：a dh o c 网络，t c p 拥塞控制，a o d v 协议，b e b 算法 k e y w o r d s ：a dh o cn e t w o r k ，t c pc o n g e s t i o nc o n t r o l ，a o d vp r o t o c o l ， b e b a l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 a dh o c 网络实现了在没有基础设施环境下的移动节点自由互联，在军事领域及民用 服务领域都有广泛的应用前景，因而受到了学术界广泛关注。其中，对a dh o c 网络中可 靠传输协议t c p 性能的研究是一个重要领域，传统的t c p 协议是针对有线网络设计的， 它认为数据包的丢失皆是由网络拥塞造成，从而启动拥塞控制过程。然而a dh o e 网络环 境所具有的特殊性，使得传统的t c p 协议的这一机制不再适用。其原因在于a dh o e 网络 中数据包的丢失可以是由节点移动造成的路由中断、m a c 层的冲突和无线信道误码等因 素造成，而传统的t c p 协议却无法正确区分数据包丢失的原因，导致经常进行不必要的 拥塞控制，其结果就是导致了t c p 性能的下降。因此，如何有效的提高a dh o e 网络中 t c p 性能成为一个重要研究课题。 本文首先介绍了t c p 在a dh o e 网络中面临的问题，然后分析了a dh o c 网络m a c 层中隐藏终端和暴露终端问题和网络层路由中断问题对t c p 性能的影响。m a c 层中隐藏 终端和暴露终端问题会造成a dh o c 网络信道资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概 率，严重影响网络的t c p 性能，因此研究了b e b 算法的不足，针对碰撞发生时，设置的 窗口尺寸是当前窗口值的2 倍，不能够精确的描述窗口，造成网络资源的浪费，因此，本 文提出了一种改进的b e b 算法a s b e b 。在网络层，针对路由中断造成t c p 吞吐量和延 时等性能下降的问题，基于t c p f 算法和e l f n 算法的优势，本文提出了一种能够有效 提高t c p 性能的算法e t p u t ，在该算法中引入一个新的状态“f r o z e n ”。 为了验证算法的有效性，本文选择了具有开放源代码的n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv 2 ) 作为移动a dh o e 网络的仿真工具，并在动态场景模拟环境中对a s b e b 算法、e t p u t 算法和它们的综合方案进行了仿真，由仿真结果得出，这两种算法以及它们的综合方案能 够提高t c p 协议在a dh o c 网络中的性能，并且这两种算法综合方案效果更好。 关键词：a dh o c 网络，t c p 拥塞控制，a o d v 协议，b e b 算法 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 a dh o cn e t w o r kp r o v i d e st h ef r e ei n t e r c o n n e c t i o nf o rm o b i l en o d e si ne n v i r o n m e n t s w i t h o u ti n f r a s t r u c t u r e b e c a u s eo ft h ew i d eu s i n gb o t hi nm i l i t a r yf i e l da n dc i v i l i a nl i f e ，i ta t t r a c t s w i d ea t t e n t i o no fa c a d e m i a t h er e s e a r c hi nt h ep e r f o r m a n c eo ft c pa p p l i e di nt h ea dh o c n e t w o r ki so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e a l m s d u et ot h et c p d e s i g n e da i m st ot h ew i r en e t w o r k ， i tc o n s i d e r st h ep a c k e t sl o s i n gc a u s e db yt h ec o n g e s t i o n , a n dt h e nl a u n c h e st h ec o n g e s t i o n c o n t r o lp r o c e s s b u tt h et c pc a n ta d a p tt h ea dh o cn e t w o r ka st h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ea dh o c n e t w o r k t h em a i nr e a s o ni s l a tt h el o s i n gp a c k e t sm a yb ec a u s e db yt h er o u t i n gb r o k e no f f , c o l l i s i o no ft h em a ca n dt h ew i r e l e s sb e r t h et r a d i t i o n a lt c pi sn o ta b l et od i f f e r e n t i a t et h e r e a s o n s ，b u tb i n st h ec o n g e s t i o nc o n t r o l l i n gb l i n d l y , w h i c hr e s u l t si nt h ed e c l i n ep e r f o r m a n c eo f t h et c e h o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h et c pi na dh o en e t w o r kb e c o m e so n eo ft h e i m p o r t a n tr e s e a r c h i n gt o p i c s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et c pi na dh o cn e t w o r kp r o b l e m sf i r s t l y , a n dt h e na n a l y z e st h e h i d d e nt e r m i n a la n de x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e mo nt h em a cl a y e ra n dr o u t i n gp r o b l e m i n t e r r u p t e do nt h en e t w o r kl a y e rt h ep e r f o r m a n c eo ft c pa p p l i e di na dh o cn e t w o r k t h e h i d d e nt e r m i n a la n de x p o s e dt e r m i n a lo nt h em a c l a y e rp r o b l e m sr e s u l ti nc h a n n e lr e s o u r c e s c o n t e n t i o nd i s o r d e ra n dw a s t i n gi nt h ea dh o cn e t w o r k ，a n di n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fd a t a c o l l i s i o n t h e s ei m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo ft c pn e t w o r ks e r i o u s l y o nt h em a c l a y e r , t h e t h e s i ss t u d i e sd e f i c i e n c yo f t h eb e b a l g o r i t h md e e p l y w h e nt h ec o l l i s i o no c c u r r e d ，b e bs e t st h e w i n d o ws i z e2t i m e so ft h ec u r r e n tw i n d o w , a n di tc a nn o td e s c r i b et h ec u r r e n tw i n d o ws i z e a c c u r a t e l y , r e s u l t i n gi nw a s t i n go fn e t w o r kr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa ni m p r o v e d b e ba l g o r i t h ma s - b e b o nt h en e t w o r kl a y e r , a g a i n s tt h ep e r f o r m a n c ed e c l i n ec a u s e db yt h e t c pt h r o u g h p u ta n dd e l a y , t h et h e s i sp r e s e n t se - - t p u ta l g o r i t h ma f t e rs t u d y i n gt h et c p f a l g o r i t h ma n de l f na l g o r i t h m t h en e w s t a t e “f r o z e n i si n t r o d u c e di nt h ee - t p u ta l g o r i t h m i no r d e rt ov e r i f y i n gt h ee f f e c t i v e n e s so ft h et w oa l g o r i t h m s ，t h et h e s i su s e st h eo p e ns o u r c e n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv 2 ) a ss i m u l a t i o nt o o lf o ram o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，a n dd e s c r i b e st h e s p e c i f i cp r o c e s so ft h es i m u l a t i o n i nt h ed y n a m i cs c e n e ，t h et h e s i ss i m u l a t e st h ea s - b e b a l g o r i t h m ，e t p u ta l g o r i t h m sa n dt h e i rc o m p r e h e n s i v ep r o g r a ms i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ，i tg e tt h a tt h et w oa l g o r i t h m sc a ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h et c p p r o t o c o la p p l i e di na dh o cn e t w o r k ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v ea l g o r i t h m si sb e t t e r k e y w o r d s ：a dh o cn e t w o r k ，t c pc o n g e s t i o nc o n t r o l ，a o d v p r o t o c o l ，b e ba l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇之i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 本文研究内容3 1 3 本文组织结构4 第二章t c p 协议及其拥塞控制机制。5 2 1t c p 协议5 2 1 1t c p 滑动窗口机制7 2 1 2t c p 拥塞检测机制8 2 2t c p 拥塞控制机制9 2 2 1 拥塞和拥塞控制9 2 2 2 慢启动和拥塞避免l o 2 2 3 快速重传与快速恢复11 2 3 本章小结1 2 第三章a dh o e 网络结构及其协议1 3 3 1a dh o c 网络结构1 3 3 1 1a dh o c 网络拓扑结构1 3 3 1 2a dh o c 网络协议栈结构1 5 3 2a dh o e 网络m a c 协议17 3 2 1i e e e8 0 2 11d c f 17 3 2 2 载波监听机制2 0 3 2 3 随机退避机制2 0 3 3a dh o c 网络路由协议2 l 3 3 1a dh o c 路由协议分类2 2 3 3 2a dh o c 路由协议特点一2 3 3 3 3a o d v 仂、议2 3 3 4 本章小结2 7 第四章a dh o c 网络中t c p 性能研究与改进算法2 9 4 1a dh o c 网络中t c p 性能研究现状2 9 4 1 1a dh o c 网络中t c p 面临的问题2 9 4 1 2 a d h o c 网络中t c p 性能问题解决方案3 1 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 2a dh o c 网络中t c p 性能关键问题分析3 4 ，4 2 1m a c 层对t c p 性能的影响3 4 4 2 2 网络层路由中断对t c p 性能的影响3 5 4 3 基于b e b 的竞争窗口自适应动态调整算法：a s b e b 3 6 4 3 1b e b 算法存在的问题3 7 4 3 2a s b e b 算法3 7 4 4 基于t c p f 、e l f n 的吞吐量提高算法：e t p u t 3 9 4 4 1t c p - f 算法3 9 4 4 2e l f n 算法3 9 4 4 3e t p u t 算法。4 0 4 5 本章小结4 2 第五章仿真与结果分析4 4 5 1 仿真工具介绍。4 4 5 1 1n s 2 仿真平台4 4 5 1 2n s 2 模拟的基本流程4 5 5 2 仿真与结果分析4 6 5 2 1 仿真参数设置4 6 5 2 2 仿真结果与分析。4 7 5 3 本章小结5 0 第六章总结和展望5 l 6 1 总结5l 6 2 展望5 2 致 射5 3 参考文献 5 4 作者在硕士研究生期间发表的论文5 8 1 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 无线通信技术的飞速发展和广泛应用，使人们之间的通信更加方便快捷，生活变得更 加丰富多彩。当前，计算机通信领域的研究热点有很多，如a dh o c 网络、无线局域网、 无线广域网、移动p 技术、3 ( 3 移动通信技术、未来4 g 移动通信技术等，其中a dh o e 网络是近年来发展最快的技术之一。a dh o e 网络是由无线移动节点组成的多跳自组织网 络系统，具有任意和临时性网络拓扑的动态分布式特点。每个无线移动的节点既是主机， 又可以作为路由器。目前它的很多研究思路，诸如多跳通信等也逐渐渗透到其它网络技术 的研究中，如传感器网络、3 g 网络等。 早在2 0 世纪7 0 年代，美国国防部高级研究规划署d a r p a 便资助分组无线网络技术 的研究，计划使报文交换技术不受固定基础设施的限制。该研究的最初动机是设计能满足 军事需求、高抗毁性的移动通信系统。在战场恶劣的环境下，网络通信不可能依赖已铺设 的基础设施，一方面这些设施可能根本不存在；另一方面，这些基础设施随时会遭到破坏。 后来，i e e e8 0 2 1 1 标准委员会使用“a dh o c 网络”来描述这种能够快速组网的多跳移动式 通信网络，移动a dh o c 网络就此诞生【。 a dh o e 网络是一种无中心的没有基础设施支持的网络，其网络结构与传统的蜂窝无 线网络、卫星通信网络不同，它具备以下特点 2 1 ： ( 1 ) 自组织性 a dh o c 网络不依赖于基站等基础设施的支持，可以在任何时刻、任何地点构成网络， 以实现移动节点之间的信息交互。具体而言，在a dh o c 网络中，网络路由的计算、网络 临时结构的形成不需要外部参与，都可以依据当时的情况自我组织，并随环境变化自适应 地调整。 ( 2 ) 对等性 a dh o c 网络没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，没有主从之分，是一个对 等式网络。每个节点应当能够支持逻辑上的自发自收，也就是节点之间的来去双向链路相 同。节点可以随时加入和离开网络。任何节点发生故障不会影响整个网络的运行，具有很 强的抗毁性。 ( 3 ) 多跳性 l 堕壅塑皇奎堂堡主塑壅竺堂垡逢奎笙二至堕丝 由于无线通信距离受限，a dh o c 网络内节点间的通信往往需要借助其它节点中继转 发才能实现，这样就形成了多跳通信路径。与固定网络的多跳不同，a dh o c 网络中的多 跳路由是由普通的网络节点完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成。 ( 4 ) 节点的移动性 在a dh o c 网络中，节点可以以较随意地速度和方式移动，加上发射功率的变化，以 及无线信道的干扰大小频繁变化等因素，节点间通过无线通信形成的网络拓扑结构可能随 时发生变化，而且变化的方式和速度都是难以预测的。 ( 5 ) 临时性 当几个a dh o e 网络的节点聚集在一起时，它们就会临时性地组成一个无线通信网络， 无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。这种临时性包括：网络成员的临时性、网络 组织的临时性、网络拓扑的临时性、网络路由的临时性以及网络无线资源分配采用按需临 时分配等。 ( 6 ) 能量受限 a dh o e 网络内的节点一般需要依靠电池提供能量，在电池容量没有大幅度提高前， 节省功率将是a dh o c 网络技术中一个需要高度重视的问题。 因此，a dh o c 网络可以广泛应用于军事领域、紧急搜救、临时会议会场、无线家庭 网络和传感器网络等。由于a dh o c 网络与现有网络差别很大，因此需要为a dh o c 网络 设计符合其特征的各层技术【3 】，主要包括以下几方面： ( 1 ) 无线信道接入技术 a dh o e 网络的无线信道属于多跳共享信道，这种信道存在隐藏终端和暴露终端问题。 设计m a c 层信道接入协议时，必须考虑节点的移动性、无线链路的脆弱性、隐藏终端和 暴露终端、及无中心协调机制等方面的问题。 ( 2 ) 多跳路由技术 a dh o c 网络节点的信号传输范围有限，需要采用多跳转发机制传输数据。传统路由 协议通过周期性的交换控制信息，保持网络路由信息的一致，但a dh o c 网络拓扑结构动 态变化，传统路由协议已经不适合该网络。因此，a dh o c 网络要设计高效的、适应网络 拓扑变化的路由协议。 ( 3 ) 功率控制算法 a dh o c 网络没有中心控制点，必须采用分布式的功率控制算法，通过网络节点的相 互协调实现该功能。分布式功率控制算法的设计目标是解决网络终端的功率受限问题，实 现一种简单、有效、节能的功率控制算法。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 4 ) q o s 保障 a dh o e 网络技术和多媒体业务相结合的认可准则是：网络可以提供端到端的服务质 量( q o s ) 。但在a dh o c 网络环境下，易变的网络链路、隐藏终端、变化的拓扑结构等特 点，导致网络支持q o s 变得非常困难。为解决a dh o e 网络的q o s 问题，现提出软q o s 和q o s 自适应两种折中原理。 ( 5 ) 传输层协议 a d h o e 网络节点的频繁移动，造成频繁的路由中断和路由变化，数据分组大量丢失， 传统的传输层协议应用于a dh o e 网络时将面临巨大的挑战，如何解决传输层协议的问题， 成为移动a dh o e 网络面临的技术挑战之一。 ( 6 ) 安全性问题 a dh o e 网络的显著特征给网络的安全策略设计提出诸多挑战。对安全性敏感的a d h o c 网络应用，需要重点考虑实用性、机密性、完整性、鉴权和非否定性等安全属性，实 现网络的安全性目标。 鉴于t c p i p 己经成为事实上的i n t e r n e t 标准协议栈，作为i n t e m e t 扩展的a dh o e 网 络也必将采用。t c p 协议 4 1 是一种面向连接的可靠传输层协议，是目前i n t e r n e t 上使用最 广泛的传输层协议。t c p 最初是针对有线网络而设计，t c p 是为固定主机及有线网络设 计的一种滑动窗口协议，由于有线网络链路可靠性高，因此它假设数据包的丢失都是由网 络拥塞所导致，它在有线网络上取得了成功。如果不加改进地把传统t c p 应用于a dh o e 中，它会把非拥塞引起的数据包丢失也当作是网络拥塞的产生的后果，从而错误地触发拥 塞控制机制使得t c p 应用于a dh o e 网络中时，性能下降严重【5 1 。因此全面分析t c p 在 a dh o e 网络中的性能和影响t c p 性能的主要因素显得十分重要，研究如何使其适应a d h o e 网络环境成为现在的研究热点。 1 2 本文研究内容 本文首先分析了t c p 协议，并深入研究了t c p 协议中的滑动窗口机制以及拥塞控制 机制。由于t c p 协议是可靠的传输协议，使用3 次握手过程保证链路连接的可靠性。在 有线网络中，为了有效地利用网络带宽，引入了滑动窗口机制。同时，引入了慢启动、拥 塞避免、快速重传和快速恢复机制来控制当网络发生拥塞时t c p 的传输。 接着深入研究了a dh o e 网络及其应用的协议。首先分析了a dh o c 网络结构，由于 a dh o e 网络具有多跳性、自组织性、移动性等主要特点，使得a dh o e 网络与有线网络 以及传统的无线网络有着明显的不同。本文分析了在m a c 层、网络层上a dh o e 网络的 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 特点。 针对a dh o c 网络在m a c 层以及网络层上的特点，深入研究了当前提出的为了提高 t c p 协议在a dh o c 网络中性能的算法。在m a c 层主要研究了b e b 算法，在b e b 算法 中，当碰撞发生时，设置的窗口尺寸是当前窗口值的2 倍，不能够精确的描述当前窗口大 小，造成网络资源的浪费。鉴于b e b 算法的缺点，本文提出了改进的b e b 算法a s b e b 算法。在网络层，由于路由中断造成t c p 性能的降低。本文主要研究了t c p f 和e l f n 算法。基于这两种算法的优势，本文提出了一种能够有效地提高t c p 性能的e t p u t 算法， 在该算法中引入新的状态“f r o z e n ”。通过仿真表明，a s b e b 和e t p u t 算法能够更有效 地提高t c p 在a dh o c 网络中的性能。 最后，对a s b e b 算法和e t p u t 算法以及它们的综合方案进行了仿真，通过仿真可 以得出，这两种算法以及它们的综合方案能够提高t c p 协议在a dh o c 网络中的性能，并 且这两种算法综合方案效果更好。 1 3 本文组织结构 论文共分为六章，全文的组织结构如下： 第一章介绍了课题背景以及本文研究内容和组织结构。 第二章介绍了t c p 协议以及t c p 协议中拥塞控制机制。 第三章介绍了a dh o c 网络结构以及应用协议，详细介绍了m a c 协议以及a dh o c 网络路由协议a o d v 。 第四章针对a dh o c 网络的特点，研究了t c p 在a dh o c 网络中应用面临的问题以 及解决方案，针对隐藏终端和暴露终端，路由中断这两个问题对t c p 的性能的影响进行 了分析，并针对b e b 算法提出了a s b e b 算法，在t c p f 、e l f n 算法的基础上提出了 e t p u t 算法。 第五章对本文提出的算法进行了仿真，仿真结果表明改进的算法能够更有效地提高 a d h o c 网络中t c p 的性能。 第六章总结了本文的内容，并对a dh o c 网络中t c p 性能的改进进行了展望。 4 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 本章将首先介绍t c p 协议及其特点，分析t c p 滑动窗口机制和t c p 拥塞检测机制， 从而为下面的t c p 拥塞控制机制分析做理论基础。然后从网络拥塞和拥塞控制出发，详 细分析t c p 拥塞控制机制的4 个核心算法：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。 2 1t c p 协议 t c p 协议是一种面向连接的、可靠的传输层通信协议，是目前互联网中使用最广泛 的端到端传输协议。作为一个传输层协议，它旨在为上层应用提供一个可靠的端到端连接， 将下层网络的实现对上层隐藏。在i n t e m e t 协议族中，t c p 层是位于妒层之上，应用层 之下的中间层。t c p 协议传输的数据单元叫报文段( s e g m e n t ) ，t c p 协议就是通过报文段 的交互来建立连接、传输数据、发出确认、通知窗口大小以及关闭连接。图2 1 给出了 t c p 的报文段格式示意图： 源端口目的端口 序号 确认号 首部 ua ppsf 长度 保留 rc s syi 窗口 g kh t n n 校验和紧急指针 选项填充 数据 图2 1t c p 的报文段格式 每个报文段包括两部分：首部和数据。t c p 报文段首部携带了所需的标识和控制信 息。源端口和目的端口字段包含了连接双方对应用程序进行标识的t c p 端口号。序号字 段指出了这个报文段在发送端的数据字节流中的位置，确认号字段则指出了本机希望接收 的下一个字节的序列号。由于选项字段长度会根据包含内容不同而有变化，引入了首部长 度字段，它以3 2 比特为单位。6 比特的保留字段是为将来的应用而保留的。报文段有不 同的类型，比如有些报文段是仅仅携带确认信息，有些报文携带了建立或者关闭连接的请 求的信息，在t c p 协议中使用6 个比特来指示报文段的目的和内容。表2 1 给出了各个 比特的含义。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 表2 - 1 比特含义 比特名称置l 时的含义 u r g 紧急指针字段有效 a c k 确认字段有效 p s h 本报文段请求p u s h 操作 r s t 连接复位 s y n 序号同步 f 玳 发送端字节流结束 t c p 协议是面向连接的，t c p 为每个连接使用了一个四元组作为标识( 发送端和接 收端的m 地址端口号) 。t c p 对连接采用了一个状态集，用于保证连接能过可靠地工作。 当连接初始化时，发送端和接收端需要进行三次握手，以保证双方同步地建立连接。当连 接需要关闭时，仍然需要进行握手。并且，对于一个完全的关闭还需要双方都发起关闭的 操作。当连接遇到了一些异常情况时，也会有一系列方案来保证连接的顺利关闭。 t c p 协议是可靠的，可靠的含义指的是t c p 发送的分组要被确保正确性，按顺序地 被接收端接收到。接收端在接收到一个正确的分组后，会向发送端发送a c k 报文进行确 认，发送端收到确认后就能够知道发送过的那个分组被可靠地递交到了接收端。当接收端 接收到了异常分组时，它会回复最近可靠接收到的数据序号位置，发送端会重新把出问题 的分组再发送，以保证可靠性。最后如果接收端完全没有收到分组，即分组在发送过程中 丢失，那么发送端的重传定时器r t o 会最终超时，发送端重新发送该分组。图2 2 分别 给出了数据分组发送成功和未成功两种情况下的示意图。 发送端接收端 发送端接收端 图2 - 2 t c p 数据发送成功和朱成功式示意图 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 2 1 1t c p 滑动窗口机制 在图2 2 所示传输过程中，发送端发送完一个分组以后需要等待相应a c k 报文确认 后才能发送下一个分组。在等待确认信息的时间内，在网络空闲的情况下，会造成大量宝 贵的网络带宽资源的浪费。滑动窗口机制能有效的改进上述缺陷，图2 3 给出了滑动窗口 示意图。 初始窗口 1234567891 0 0 - - 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一，一： 滑动窗口呻 r i j 图2 3 滑动窗口示意图 滑动窗口使得发送端在得到确认之前发送多个分组，利用窗口大小来决定发送分组个 数。如图2 3 所示，假定窗口大小为8 ，在收到确认信息之前，发送端可以发送8 个分组。 当发送端收到接收端对窗口内第一个分组的确认信息后，窗口可以向后滑动并发送下一个 分组。随着确认的不断到达，窗口也在不断的向后滑动。图2 4 所示为一个发送3 个分组 的滑动窗口协议操作示意图。在该图中，发送端在接收到接收端的确认之前就发送了全部 3 个分组。 发送端接收端 发送分组1 发送分组2 发送分组3 接收a c k l 接收a c k 2 接收a c k 3 接收分组1 发送a c k l 接收分组2 发送a c k 2 接收分组2 发送a c k 3 图2 _ 4 滑动窗口发送3 个分组示意图 同样，滑动窗口机制也要记录已经确认的分组，并为没有得到确认的分组设定重传定 时器。一旦某个分组丢失，发送端相应的重传定时器超时之后重传该分组。因此，窗口可 以将所有的分组划分为三个部分：窗口左边部分代表已经成功传输并且得到确认的分组， 7 妻室坚皇查兰堡圭堡窒生兰垡笙奎茎三童! 里! 垫望垦苎塑窒量型型! 型 窗口右边部分代表还没发送的分组，窗口内部分代表已经发送但还没有得到确认的分组。 当窗口为l 时，滑动窗口机制就是简单的确认机制。因此，可以通过增大窗口的大小，来 提高带宽的利用率。 t c p 使用专门的滑动窗口机制来处理流量控制问题，允许发送端在收到确认信息之 前发送多个分组，从而充分利用网络资源提高吞吐量。流量控制的含义是：控制发送端的 数据发送速率，使其不超过接收端缓冲区能够容纳的限度。接收端在确认中会将自己的接 收端窗口大小通知给发送端，从而对发送端的传输进行控制，即端到端的流量控制。 t c p 通过使用累积确认机制，实现对当前发送数据的确认，同时也是对该数据之前 到达的所有数据的确认。t c p 的滑动窗口机制是以字节为单位而不是以分组为单位来操 作的，传输数据的每个字节被编上序号，这样网络就可以发送不同长度的数据，即使发生 错误后发送端仍然可以灵活的进行重传。如图2 5 所示，在每个t c p 连接中，发送端保 留三个指针，a 指针甩来区分已经发送并得到确认的字节序列与尚未得到确认的字节序 列，c 指针界定了窗口的右边界，表示序列中在未得到确认的情况下可以发送的最高字节 序列号，b 指针划分出已经发送的字节序列和尚未发送的字节序列的边界。因此可以将其 划分为4 个部分：已经发送并且得到确认的部分、已经发送但是等待确认的部分、可以发 送但还没发送的部分和窗口外不能发送的部分。发送端接收到有效的确认后，窗口( 即三 个指针) 将向前滑动，实现新数据发送。同样，接收端也维持一个相似的窗口用以实现对 接收到的字节序列进行重新拼装。 2 1 2t c p 拥塞检测机制 t c p 协议用来判断网络拥塞的标志为，a c k 重复确认，重传超时r t o ( r e t r a n s m i s s i o n t i m e o u t ) 。 ( 1 ) a c k 重复确认 当a c k 重复确认机制检测网络拥塞，即t c p 发送端收到接收端的多个a c k 重复确 认后( _ 般是3 个) ，就认为数据包丢失。 ( 2 ) 超时重传r t o r 堕室些皇查堂堡主堕壅生堂垡堡奎笙三里! 竺! 堡堡垦茎塑窒墼塑塑! 型 超时重传机制检测网络拥塞，即t c p 发送端在一定时间内没有接收到有效a c k 确认 就认为数据包丢失。t c p 发送端发送报文段后，将为报文段设置重传定时器，定时间隔 为r t o ，如果经过一个r t o 后发送端没有接收到报文段的确认，发送端将重传该报文段 并且将r t o 的大小设置为原来r t o 的两倍。 2 2t c p 拥塞控制机制 早期t c p 协议只基于窗口的流量控制，它的任务是确保发送端传输数据的速率不超 过接收端能够承受的最高速率。1 9 8 8 年j a c o b s o n 针对t c p 在网络拥塞控制方面的不足， 提出了“慢启动”和“拥塞避免算法【6 】。1 9 9 0 年出现的t c pr a a o 7 1 版本增加了“快速重传， 和“快速恢复”算法，避免了网络拥塞不严重时采用“慢启动”算法而造成过度减小发送窗口 尺寸的现象。此后所形成的t c p 拥塞控制算法就主要由这4 个核心算法组成：慢启动、 拥塞避免、快速重传和快速恢复。 2 2 1 拥塞和拥塞控制 网络产生拥塞的根本原因在于用户或者呼叫端系统提供给网络的负载大于网络资源 容和处理能力【8 1 。图2 - 6 描述了拥塞的发生过程。当负载较小时，吞吐量的增长和负载相 比基本呈线性关系，延迟增长缓慢；在负载超过膝点之后，吞吐量增长缓慢，延迟增长较 快；当负载超过崖点之后，吞吐量急剧下降，延迟急剧上升。可以看出，负载在膝点附近 网络的使用效率最高。拥塞控制就是网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞的发 生做出反应。 吞 吐 量 响 应 时 问 i 朋 点 崖点 负载 图2 - 6 负载、响应时间、吞吐量之间的关系 在图2 - 6 中，保持负载保持在膝点附近。可以看出，与流控制相比，拥塞控制主要考 虑端节点之间的网络环境，目的是使负载不超过网络的传送能力。而流控制主要考虑接收 端，目的是使发送端的发送速率不超过接收端的接收能力。 9 塑室坚皇奎兰堡主堡壅竺堂垡丝茎 苎三皇堡! 堡堡丝茎塑查丝型塑! 型 拥塞控制算法包含拥塞避免和拥塞控制这两种不同的机制。拥塞控制是“恢复”机制， 它用于把网络从拥塞状态中恢复出来。拥塞避免是“预防”机制，它的目标是避免网络进入 拥塞状态，使网络运行在高吞吐量、低延迟的状态下。 2 2 2 慢启动和拥塞避免 t c p 发送端采用慢启动和拥塞避免算法来控制向网络输送的数据量。为了实现这些 算法，必须向t c p 每连接状态加入三个参量： ( 1 ) 拥塞窗口( c w n d ) ，这是发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值， 是来自发送端的流量控制。c w n d 初始化为1 ，即一个报文段的大小。 ( 2 ) 接收端窗口( r w n d ) ，这是接收端根据目前的接收缓存大小所允许的最新的窗 口值，是来自接收端的流量控制。接收端将此窗口值放在t c p 报文的首部中的窗口字段， 传送给发送端，接收窗端口又称为通知窗口( a d v e r t i s e d w i n d o w ) 。 ( 3 ) 慢启动阈值( s s t h r e s h ) ，被用来确定是用慢启动还是用拥塞避免算法来控制数据 传送。具体用法如下：当c w n d s s t h r e s h 时使用拥塞避 免算法；当c w n d = s s t h r e s h 时，发送端既可以使用慢启动也可以使用拥塞避免。 t c p 发送端在传送开始时，为了避免在不清楚网络环境的情况下突然传送大量数据 而使网络产生拥塞，t c p 发送端采用了慢启动机制缓慢地探测网络可用带宽，每收到一 个新的a c k ，c w n d 增加1 ( 即一个报文段的大小) ，这样在正常情况下，每经过一个r t t ( r o u n dt r i pt i m e ，往返时间) ，拥塞窗口大小就会增加一倍。在慢启动时，拥塞窗口的 变化序列为1 、2 、4 、8 ，即仅需l o g ：n 个往返时间就可以连续发送n 个报文段直到c w n d 等于或者超过s s t h r e s h ，则转入拥塞避免阶段。 在拥塞避免期阶段，每收到一个a c k ，c w n d 以1 c w n d 的速度增长。拥塞避免算法 一直保持直到检测出拥塞。公式( 2 1 ) 是一个在拥塞避免期间用来修正c w n d 值的公式： c w n d + = 1 c w n d ( 2 - 1 ) 接收端每收到一个非重复的a c k 都采用( 2 1 ) 式来调整c w n d 。相对于慢启动算法 的指数增加，拥塞避免阶段呈线性增长。 一旦t c p 检测到拥塞发生时，将s s t h r e s h 设置为c w n d 当前值的一半，如果拥塞是由 于超时引起的，则c w n d 被设置为l ，即重新进入慢启动状态。图2 - 6 说明了慢启动与拥 塞避免的处理过程。 i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t c p 协议及其拥塞控制机制 拥塞窗口 e w n d s s t h r c s h 图2 - 6 慢启动和拥塞避免处理过程 2 2 3 快速重传与快速