（计算机应用技术专业论文）基于测量技术的无线网络拥塞控制研究.pdf

一 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士团论文基于测量技术的 无线网络拥塞控制研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士口 硕士囹学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包 含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 圭旦。 作者签名：聂王畸 日期：2 0 l o z 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于测量技术的无线网络拥塞控制研究系本人在曲阜师范大学攻读 博士口硕士团学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士囤学位论文。 本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位 的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文， 可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名：聂王畸 导师签辄、蜀仲合 日期： 2 0 1 0 6 2 日期如胗、彳、弓 摘要 无线网络和移动计算的发展成为互联网的一个新特点，人们期待在任何时间任何地点 以任何方式自由地享用网络服务。在无线网络中，由于其具有误码率高，终端移动切换， 链路不稳定，高带宽延迟乘积等特点，传统的基于t c p 的拥塞控制机制不能很好地适用于 无线网络。本文针对无线网络的特点，采用基于网络测量的方法改进现有的拥塞控制机制， 提高了网络传输的性能。 论文首先分析了无线网络中现有的拥塞控制机制，讨论了无线网络中发生拥塞的原 因、判断标准以及拥塞发生后对网络性能所造成的影响，之后介绍了无线网络中现有的几 种典型的拥塞控制技术，分析了它们的利弊之处以及发展情况。 其次对无线网络中的各种端到端测量技术进行了深入研究，分析了网络参数与拥塞控 制的关系，给出了网络时延测量( 单向时延和往返时延) 以及带宽测量等方法。此外，在 单向时延测量中，本文给出了收发双方时间同步的创新算法t i m e s y n ，并在真实的网络环 境中通过实验验证了该创新算法的正确性以及先进性。 最后，论文基于网络测量技术，提出了一种适用于无线网络的改进算法，并用n s 2 仿 真软件对算法进行比较研究，实验结果证实该改进算法具有有效可行性。 论文主要做了以下两方面的工作： 1 针对单向时延测量中收发双方时间不同步的问题，提出了一种时间同步算法 t i m e s y n ，该算法分别用网络时间协议n t p 算法和凸集算法消除了数据传送两端的时钟偏 移和时钟时滞，提高了单向时延测量结果的准确性，并在真实的网络环境中采用实验的方 法证实了该算法的正确性以及有效性。 2 基于网络测量提出了改进的t c p w 算法，即t c p w - v 算法。该算法根据往返时延 i m 确定丢包类型，依据带宽估计值b w e 调整发送窗口的大小，有效缓解了网络的拥塞 情况。该算法降低了时延的抖动性，提高了数据包的传送速率，增大了吞吐量，在很大程 度上改善了网络的性能。最后在n s 2 仿真环境中，分别将两种方法进行了模拟，分析其性 能指标，证实了t c p w - v 算法的有效可行性。 关键词：网络测量；丢包；拥塞控制；t c p w ；t c p w - v ；n s 2 仿真 a b s t r a c t i tb e c o m e sn e wc h a r a c t e ro fi n t e m e tt h a tw i r e l e s sn e t w o r ka n dm o b i l ec o m p u t i n gh a v e d e v e l o p e dr a p i d l y p e o p l ew a n tt oa c c e s sn e t w o r k r e s o u r c e sa ta n y t i m ea n da n yp l a c ew i t ha n y m e t h o d i nw i r e l e s sn e t w o r k ，d u et ot h ep r o p e r t yo fh i g hb i t ee r r o rr a t e ，m o b i l eh a n d o f f , u n s t a b l e l i n ks t a t ea n dh i g hb a n d w i d t hd e l a yp r o d u c t ，t h et r a d i t i o n a lt c p - b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s ms u f f e r sg r e a tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n b a s e do nt h en e wc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s s n e t w o r k ，t h ep a p e ra d o p t sn e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ee x i s t i n gc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s m ，w h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ee x i s t i n gc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mo fw i r e l e s sn e t w o r k ； s e c o n d l yd i s c u s s e st h e r e a s o no fc o n g e s t i o n ，c r i t e r i aa n dt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kw h e n c o n g e s t i o no c c u r s ；t h i r d l yi n t r o d u c e ss e v e r a lk i n d so ft y p i c a le x i s t i n gc o n g e s t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yo fw i r e l e s sn e t w o r k a tl a s tt h ep a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f e a c hc o n g e s t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e i rd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n t h e nt h ee n d - t o - e n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r ki ss t u d i e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r sa n dc o n g e s t i o nc o n t r o li sa n a l y s i z e d ，t h em e t h o d o fn e t w o r kd e l a ym e a s u r e m e n t ( i n c l u d i n go n e w a yd e l a ya n dr t t - r o u n dt r i pt i m e ) a n dt h e b a n d w i d t hm e a s u r e m e n ta r eg i v e n i na d d i t i o n ，t h ep a p e rg i v e si n n o v a t i v ea l g o r i t h mo ft i m i n g s y n c h r o n i z a t i o nw h i c hi sc a l l e dt i m e s y ni nt h em e a s u r e m e n to fo n e - w a yd e l a y , t h e nv e r i f i e s t h ei m p r o v e da l g o r i t h mt i m e - s y nc o r r e c ta n de f f e c t i v et h r o u g ht h er e a ln e t w o r ke x p e r i m e n t a tl a s t ，b a s e do nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，t h ep a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h m ，a n d c o m p a r et h et w oa l g o r i t h m sw i t hn s 2 ，v e r i f y i n gt h ei m p r o v e da l g o r i t h me f f e c t i v ea n df e a s i b l e t h ep a p e rh a sd o n et h ef o l l o w i n gt w o j o b s ： 1 i tp r e s e n t st i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mc a l l e dt i m e - s y na i m i n ga te l i m i n a t i n gd e f e c t o ft h et i m ea s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e ns e n d e ra n dr e c e i v e r t i m e s y ne l i m i n a t e sc l o c ks k e wa n d c l o c kd e l a yw i t hn t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) a n dc o n v e xs e ta l g o r i t h m ，w h i c hi m p r o v e st h e a c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h e nv e r i f i e st h ei m p r o v e da l g o r i t h mc o r r e c ta n de f f e c t i v e t h r o u g ht h er e a ln e t w o r ke x p e r i m e n t 2 b a s e do nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r p r e s e n t sa ni m p r o v e dt c p wa l g o r i t h m ， w h i c hi sc a l l e dt c p w - v t h ei m p r o v e da l g o r i t h mj u d g e st h et y p e so fp a c k e tl o s st h r o u g ht h e t w on e t w o r kp a r a m e t e r so fr t ta n db a n d w i d t h t h e n a n a l y s i z e st h er e a s o no fp a c k e tl o s s w h e n t h ep a c k e tl o s si so w i n gt oc o n g e s t i o n ，w ea p p l yt c p w - vt on e t w o r k ，w h i c hc a nr e d u c et h e d e l a yji t t e r , i m p r o v et h ep a c k e tt r a n s m i s s i o nr a t e ，i n c r e a s et h et h r o u g h p u ta n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ke f f e c t i v e l y t h ea l g o r i t h mc a nd e a lw i t ht h ew i r e l e s sn e t w o r k c o n g e s t i o ne f f e c t i v e l ya n dg r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k i nt h ee n d ，t h e p a p e rs i m u l a t e st h et w oa l g o r i t h m sw i t hn s 2a n da n a l y s i z e st h e i rp e r f o r m a n c ec r i t e r i a , w h i c h v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft c p w - v k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n t ；p a c k e tl o s s ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；t c p w ； t c p w - v ；n s 2s i m u l a t i o n 目录 第一章绪论l 1 1 论文研究的背景和意义1 1 2 论文研究问题的现状2 1 3 研究目标和内容3 1 3 1 研究目标3 1 3 2 研究内容4 1 4 论文的组织结构5 第二章传统的无线网络拥塞控制技术6 2 1 数据链路层拥塞控制6 2 2 有线无线混合网络中基于分段技术的拥塞控制7 2 3 基于网络端到端的拥塞控制机制8 2 4 多层组合拥塞控制方案8 2 5 本章小结9 第三章基于端到端的无线网络测量技术1 0 3 1 网络测量概述1 0 3 2 网络测量与无线网络拥塞控制1 1 3 3 网络时延测量技术1 2 3 3 1 网络端到端的时延1 2 3 3 2 端到端单向延迟的测量1 2 3 3 2 1t i m e s y n 算法的提出1 2 3 3 2 2 时间同步问题的解决方案1 3 3 3 2 3t i m e s y n 算法的试验验证l7 3 3 3 网络往返时延( r t t ) 的测量1 8 3 3 4 无线网络端到端往返延迟的测量1 8 3 4 网络可用带宽测量技术1 9 3 4 1 带宽测量技术概述l9 3 4 2 网络中的可用带宽测量技术2 0 3 4 3 基于t c p 的实时端到端带宽测量2 l 3 4 4 无线网络中的端到端带宽测量2 2 3 5 滤波器增益因子与预测值计算2 2 3 6 本章小结2 3 第四章基于测量技术的改进的无线网络拥塞控制算法2 4 4 1 传统的t c pw e s t w o o d 算法2 4 i v 4 2 改进的t c pw e s t w o o d 算法。2 5 4 2 1 计算往返时延r t t 。2 5 4 2 2 区分网络丢包原因2 5 4 2 3 改进算法主体2 6 4 3 试验仿真2 7 4 3 1n s 2 简介2 7 4 3 2 移动节点模型2 8 4 3 3 仿真流程3 0 4 3 4 仿真实验与性能比较3 0 4 3 4 1 参数r 取值对实验结果的影响3 2 4 3 4 2t c p w 与t c p w - v 性能比较3 2 4 4 本章小结3 6 第五章总结与展望3 7 5 1 论文总结3 7 5 2 论文展望3 8 【参考文献 3 9 读学位期间发表的论文4 2 致谢4 3 v 幕十测量技术的无线叫络拥察控制研究 第一章绪论 本章是绪论部分，首先介绍了论文研究的背景和意义，阐述了当f i i 研究现状，然后叙 述了本文的研究目标与内容，最后给出了全文的内容安排。 1 1 论文研究的背景和意义 1 9 6 9 年，美国国防部创建了第一个分组交换网a r p a n e t ，之后网络经历了不断的改 进与发展，由最初的军用和教育科研等专用网络发展成为全球范围内所有网络互连的 i n t e m e t ，计算机网络不断往更高层次发展。网络用户越来越多，网络的规模也越来越大， 随之网络提供的服务也不断丰富，网络流量更是呈现指数性增长，全社会都享受到i n t e r n e t 带来的巨大好处，它可以实现高效管理、信息传递和电子商务等功能。人们可以自由自在 地享受网络带来的便利。 随着时间的推移，网络与人们的日常生活越来越密切，网络用户希望能够随时随地以 任何方式自由地使用i n t e r n e t ，希望能够早同摆脱网络线路的束缚。在这种情况下，无线网 络i lj 出现了。无线网络由于无需网线线路，终端具有移动性，随时随地可连接到因特网共 享信息资源等特点而广受人们的青睐。无线通信和无线网络技术已经得到迅速发展，作为 互联网的重要组成部分己和传统有线网络巧妙融合，演变成为新型的无缝通信服务平台。 无线网络根据其使用技术以及应用范围的不同，可以划分为几个类型：蜂窝网络、卫星通 信网、无线局域网广域网、移动自组网( m a n e t ，m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) 、传感器网络 ( s e n s o rn e t w o r k s ) 等。随着3 g 网络的兴起，在i p 网络的基础上，各种移动通信设备将实 现各种服务，物联网也日益走进人们的视野。总之，无线网络发展前景和市场空间异常广 阔，逐渐代替有线网络而成为主流网络融入人们生活中。 虽然计算机的处理能力和网络带宽容量都在不断地飞速增长，但始终却无法满足人们 对于网络带宽的需求。瓶颈链路处的网络拥塞已经不可避免，并且通过对网络设备简单地 进行升级或者增加网络带宽已无法解决拥塞问题。我们应当采取适当的拥塞控制策略，合 理分配网络资源，使现有的网络资源能够充分服务于网络用户。网络拥塞控制问题逐渐成 为网络研究的热点，并在网络各研究领域占有重要地位。目i i ，有线网络的拥塞控制策略 已经比较成熟，取得了许多成果，最为典型有效的就是基于t c p i p 协议的拥塞控制，它 能够很好得保证数据的可靠传输。 鉴于无线链路自身的特点，如易受环境影响、随机比特出错率高、网络延迟长、双向 带宽不平衡和终端主机移动等特点，它具有与有线网络不一样的特征，我们无法直接将有 线网络中的拥塞控制策略应用于无线网络。因此，无线网络的拥塞控制问题成为能否成功 实施下一代互连网的关键问题之一，它能否像有线网络那样在提供高效服务，保障网络服 务高质量的同时，实现移动计算和普适计算，成为至关重要的方面。全世界各大公司、科 幕十测量技术的无线 c ) 4 络拥寒控制研究 研机构和院校已经丌始高度重视这个问题，经过多年的研究，他们已取得了很多研究成果， 主要表现在无线网络链路层的改进【2 3 1 、混合网络中的分段连接技术【4 ，5 1 、端到端拥塞解决 方案m 】以及多层组合拥塞控制解决方案8 ，9 1 等。本文的主要研究工作就是改善无线网络的 拥塞现状，提高链路利用率，改善网络性能。 1 2 论文研究问题的现状 随着移动计算和无线网络的不断发展和成熟，人们对其需求越来越大。鉴于无线网络 的频繁移动性、随机链路误码率高、链路不对称、易受环境影响等特点，传统的有线网络 拥塞控制机制面临着巨大的挑战。目前，国内外各大高校和科研院所的研究者们主要在以 下几个方面对无线拥塞控制进行研究： ( 1 ) 基于数学建模的拥塞控制理论研究 在建模方面，英国f r a n kk e l l y 将网络优化问题分解为非线性规划的原问题和对偶问 题，根据微观经济学市场影子价格理论【1 0 1 1 1 和对偶酗2 ( d u a l i t yt h e o r y ) 1 2 ，1 3 j 理论对网络的 动态行为以及平衡状态进行建模，探讨了网络的性能、公平性和稳定性，为网络优化和拥 塞控制打下了坚实的理论基础；美国加州理工学院s h l o w 探讨了网络最优化问题，依 据对偶理论将投影梯度方法( p r o j e c t i o ng r a d i e n tm e t h o d ) 用于t c p r e d 算法中。文献 1 3 】 建模分析了t c p r e d 的动态特征，得出了其稳定区域的范围，该模型是基于多个链路和 多个源节点的互联网并结合当前的t c p 协议及各种变体r e d 算法建立起来的。 目前，基于无线网络环境的协议算法其理论研究还不是很成熟，文献【l 】对无线网络中 的往返延迟、流量和拓扑等进行了简单分析，得出了其不同于有线网路的特点。现有的理 论成果可以作为设计新算法的基础，想要设计出新的高效的无线网络拥塞控制协议和算 法，我们应当进一步从理论上研究拥塞状态下的无线网络行为。 ( 2 ) t c p 协议的a i m d 滑动窗口机制的改进研究 t c p 协议中拥塞窗口变化机制主要有a i a d 、a i m d 、m i m d 、m i a d 四种模式，其中 a i m d 模式是现今最主要的拥塞控制窗口变化机制。t c p 拥塞控制主要分为四个阶段：慢 启动、拥塞避免、快速重传与快速恢复。t c pv e g a s 1 4j 根据数据分组往返时延( r o u n dt r i p t i m e ，r t t ) 的变化情况推断出网络的拥塞程度，从而调整拥塞窗口大小，提高了无线网络 的传输效率，但是该算法具有对网络出现的随机错误零星丢包不敏感的缺点。慢启动在数 据分组发送之时和网络发生捌塞丢包之后运行，窗口成指数倍增长地去探测网络的可用带 宽。慢启动阶段传输效率低，于是出现了许多关于此阶段的改进算法。文献【1 5 ，1 6 】在启动 之初采用更大的初始发送窗口，运用带宽估测、平滑过渡和限制窗口成指数倍增长等方法 来改进慢启动，提高了慢启动阶段的数据传输效率。对于无线网络高带宽高延迟的特点， 在拥塞控制过程中急需要解决的问题仍然是慢启动阶段的传输效率问题。 文献【1 7 】分析了a i m d 中的有效吞吐量与数据包往返延迟之间的关系。在无线网络环 2 綦于测量技术的无线网络拥采控制研究 境下，由于链路的有损介质性，网络延迟较有线网络增大，严重影响了t c p 协议( 基于 a i m d ) 的性能。加利福尼亚理工学院网络实验室提出了f a s t t c p 协议，该协议在很大程 度上提高了高带宽延迟乘积类型的网络性能。文献 1 】通过建模分析了无线网络的性能，指 出了链路和t c p 协议之间相互影响的关系。无线网络中移动主机的频繁移动性给传统的 a i m d 算法带来了挑战，由于无线网络环境的变化，如何设计可靠的a i m d 算法成为以后 无线网络拥塞控制研究的关键所在。 ( 3 ) 基于网络测量的拥塞控制技术 网络测量技术包括在线测量网络带宽、数据包的发送延迟( 包括往返延迟和单向延迟) 以及链路队列长度等参数以及网络在某一时刻的状态等。网络测量作为许多其他网络工程 的基础，最近已经得到了广泛的发展，主要应用于网络接入控制、网络管理、流量工程等 领域，更有许多研究者已将该技术应用于有线网络拥塞控制中，通过实时在线测得的网络 参数和状态作为网络发生拥塞的依据，为有线网络拥塞控制的发展做出了巨大的推动作 用。 在无线网络中，由于其自身具有的无线链路连接和主机移动性等特点，直接将有线网 络的拥塞控制策略应用于无线网络中势必会引起网络性能下降等问题。在无线网络中，网 络数据包的丢失、网络延迟的变化可能是由网络拥塞、无线链路错误、移动主机的移动或 基站切换等造成的。 实际上，无线网络中我们可以实时在线测量多个参数来估测网络此时所处的状态，从 而针对不同的状态采取不同的措施。当通过参数所估测的网络处于拥塞状态时，我们就可 以采取适当的拥塞控制策略1 8 。2 0 1 。 美国麻省理工学院的d i n ak a t a b i 设计的x c p 所采用的e c n 机制对无线网络的传输性 能有显著的提高，其设计思路是通过数据包的包头携带网络可用带宽和网络延迟信息。该 协议最大的弊端就是与现存的协议不兼容，因为它的配置要修改网络中节点的传输协议。 综上所述，目自i 对于无线网络拥塞控制机制的研究已取得了一些成果，可通过数学建 模、理论推导、网络测量等技术来进行无线网络拥塞控制。考虑到t c p 已成为i n t e m e t 的 主流传输控制标准，新的拥塞控制方案将结合t c p 层、i p 层和链路层的拥塞控制机制，且 将基于t c p 协议的实时在线网络测量技术应用于无线网络拥塞，对无线网络传输中的拥塞 和链路错误等原因进行区分，正确地反馈多种不同信息给源节点，源节点以此通过调节发 送速率等方法来改善无线网络的传输性能。这将是以后一个非常有意义的研究方向。 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 论文的研究目标是改进现有的拥塞控制算法来控制无线网络拥塞。具体来讲，即基于 有线网络拥塞控制的研究成果，结合无线网络自身的实际特点，对其丢包原因进行分析， 蕞十测量技术的无线网络拥来挖, * 1 1 4 i j f 究 引入实时在线网络测量技术，精确获得往返时延和端到端可用带宽，并依据测量值得到网 络的实时状态，设计并实现一种基于网络测量的且易于在无线网络环境中能获得高效性能 的端到端拥塞控制解决方案，以此来改善无线网络中t c p 性能。最后通过仿真实验对所改 进算法的平均吞吐量、链路利用率、公平性、有效性以及友好性等性能指标进行验证和评 价。 1 3 2 研究内容 基于上述目标，本文将主要研究以下几个方面： ( 1 ) 无线网络拥塞控制机制的研究 目前，已经研究设计出许多无线网络的拥塞控制技术和方法，该章主要介绍几种不同 的解决方案，分析其着手点和突破点，为后面的改进算法做好坚实的理论基础。同时，还 分析了已有方案的基本原理和局限性，为后面进一步改善无线网络拥塞控制机制提供理论 支持和方法指导。 ( 2 ) 无线网络中基于端到端测量技术的研究 网络测量技术包括在线测量网络带宽、数据包的发送延迟( 包括往返延迟和单向延迟) 以及链路队列长度等参数以及网络在某一时刻的状态等。网络测量作为许多其他网络工程 的基础，最近已经得到了广泛的发展，主要应用于网络接入控制、网络管理、流量工程等 领域，更有许多研究者已将该技术应用于有线网络拥塞控制中，通过实时在线测得的网络 参数和网络状态作为拥塞控制的依据，为有线网络中拥塞控制的发展做出了巨大的推动作 用。 本章深入研究分析了无线网络中单向时延、往返时延以及可用带宽测量的方法及其注 意问题。其中，在单向时延测量中，提出了时间同步算法t i m e s y n 。由于收发双方时钟的 不一致性，单向时延的测量中往往会出现误差，本文就时钟时滞以及时钟偏移问题给出了 解决办法，并通过实验证明了该算法的正确性和有效性。 在无线网络带宽测量中，可用带宽的测量值和探测包的大小以及网络中的接入点个数 有关。随着探测包的逐渐增大，无线网络的可用带宽测量值将逐渐增大。此外，接入点的 增加将直接导致碰撞的增加从而使得传送过程中由于碰撞导致的时间占用增加，最终使得 可用带宽减少。据此，可以分别以探测包大小、背景流量大小以及无线接入点个数为参数 进行详细的实际测量，得到与实际带宽误差范围很小的带宽。 ( 3 ) 无线网络拥塞控制t c pw e s t w o o d 2 1 ，2 2 】算法的分析研究与改进 研究了原有t c p w 协议的友好性以及有效性，分析了将其直接引入到无线网络捐j 塞控 制中的局限性，主要就在于它无法正确区分网络中丢包原因，直接将拥塞与丢包等同起来。 若是将t c p w 直接引用到无线网络j j 塞控制中，势必会导致吞吐量的下降进而导致网络性 能下降。于是，本章就在原t c p w 协议的基础上进行了改进，基于在线测量的往返延迟、 4 娃于测量技术的无线网络拥泉控制研究 可用带宽等网络参数区分网络状态，并将测量结果应用到t c p w 协议中，提出了改进算法 t c p w - v 。为了将实时带宽测量中出现的抖动性降到最低，在测量过程中采用滤波器算法， 分别将带宽以及时延进行滤波。仿真实验证明t c p w - v 算法的正确性、有效性以及友好性。 1 4 论文的组织结构 论文共分为五章，组织如下： 第一章为绪论部分，首先简要介绍了本论文的研究背景与意义，阐述了无线网络拥塞 控制的研究现状，接着叙述了研究内容和目标，最后，给出了组织结构。 第二章阐述了目前无线网络中存在的各种拥塞控制技术。首先讨论了无线网络拥塞产 生的判断标准、原因及拥塞发生后对网络性能所造成的影响，接着介绍了无线网络中的各 种拥塞控制技术，包括数据链路层的拥塞控制机制、混合网路中的分段连接技术、端到端 拥塞控制方案以及多层组合拥塞控制技术等。 第三章深入讨论了无线网络测量技术的现状以及与网络拥塞控制的密切关系，详细分 析了网络中几个重要参数( 往返时延、单向时延、端到端带宽等) 的测量方法。重点研究 了单向时延测量中的时间同步问题，提出了解决问题的新算法t i m e s y n 。在进行单向时延 测量前，通过对发送端和接收端的时钟进行同步，使测得的结果更加准确，依据此数据可 以估算得到更加精确的网络状态。本章的主要任务就是为下一章作好铺挚，将该章测得的 网络参数用于改进的拥塞控制算法中，从而实现基于测量技术的无线网络拥塞控制方案。 第四章主要研究无线网络中基于端到端测量的拥塞控制机制，本章是论文的核心部 分。在第3 章网络测量技术的基础上，提出了一种适用于无线网络的改进的t c p w 算法， 称之为t c p w - v 算法。该算法通过往返时延、网络可用带宽两个网络参数值判断无线网络 的丢包事件，分析产生丢包的原因是拥塞丢包还是无线链路丢包，从而分别针对这两种原 因采取不同的处理方案。当丢包原因是由网络拥塞产生时，通过应用改进的算法t c p w - v ， 提高了数据包传送速率，增大了吞吐量，有效地改善了网络性能。在本章术尾用n s 2 2 3 2 4 】 仿真软件采用仿真实验的方法证实了该改进算法的有效可行性。 第五章为总结与展望部分，是对整篇论文进一步的总结概括，并提出下一步研究工作 的方向。 摹十测量技术的无线网络拥采控制研究 第二章传统的无线网络拥塞控制技术 在传统有线网络中，主机是由线路连接，网络性能受外部环境的影响非常小，网络发 生的丢包事件可以归结为由网络拥塞产生。但是，在无线网络中，由于无线链路连接以及 终端的移动，网络性能受环境影响比较大，单纯的丢包并不能说明网络中产生了拥塞。因 此，在无线网络中，如果要根据丢包来进行拥塞控制的话，我们首先要明确网络中产生丢 包的原因。根据以往人们的研究，无线网络较有线网络相比，有以下几个特点： ( 1 ) 无线网络的链路是有损介质，比特误码率比较高。高比特误码率会导致数据包 的损坏甚至丢包事件的发生，从而出现发送端超时并导致数据包重传，接下来将会进入慢 启动阶段而进行拥塞控制。 ( 2 ) 无线网络的链路带宽受限，且具有不对称性。与有线网络的线路带宽相比，无 线网络通信信道提供的有效带宽比较d x ( 1 0 0 b p s 1 0 k b p s ) 。 ( 3 ) 无线线路的连接容易中断。收发双方的移动性极易造成链路中断和路由中断， 网络传输时延的变化也会导致通信连接出现间断，更严重可能会导致长时间的通信中断。 基于以上三点的考虑，如果仍像有线网络那样只考虑拥塞引起数据丢失是不合适的， 链路中断亦会引起丢包事件。将基于有线网络设计的t c p 传输控制协议直接应用于无线网 络势必带来拥塞控制机制的误用，从而导致源端数据发送速率的大幅度降低从而使吞吐量 下降，网络性能急剧降低。因此，设计一种适用于无线网络的拥塞控制机制已经成为了亟 待解决的问题。 当前，对于无线拥塞控制已经有了初步的研究，主要研究成果包括基于数据链路层的 拥塞控制机制、混合网络中的连接分段机制、端到端拥塞控制技术以及多层组合拥塞控制 方案。 2 1 数据链路层拥塞控制 在无线网络中，t c p 的应用所导致性能降低主要原因是无线链路与有线链路自然属性 的不同，所以据此解决问题是有效的，也就是 兑，我们从链路入手，从根部来解决无线网 络拥塞控制问题。当网络中发生丢包事件时，数据链路层能够马上得到丢失帧的信息，反 映比高层的协议快的多，可以避免更多网络资源无谓地消耗。同时，链路层协议能够对物 理层做出更多的控制，并且此协议本身非常适合网络的分层结构。链路层协议不必维持每 一种连接状态，能够广泛适应各种情况，原因就是链路层的操作独立于高层协议。 无线数据链路层中有两种典型的拥塞控制技术：自动请求重传a r q 技术和前向差错 纠正f e c 技术。a r q 是一种有效的技术，适用于无线信道差错率低和信号传播时延少的 情况；f e c 适用于时延大的情况，不需要重传，与t c p 内在的重传机制不会产生冲突，唯 一的缺点就是在信道好的情况下浪费带宽、处理时阳j 和存储空间等。 6 皋十测量技术的无线m 络拥采控制研究 e c k h a r d t 等人使用的拥塞控制技术a r q 、自适应数据帧大小和自适应f e c 也是基于 数据链路层的，实验证明这些技术有利于增强t c p 性能1 2 5 1 。l u d w i g 等人通过具体实验分 析了g s m 的无线链路协议( r a d i ol i n kp r o t o c 0 1 ) ，认为链路增强技术1 2 6 27 j 也非常有利于提 高无线网络中的t c p 性能。 按照链路层方法是否与t c p 相关，将链路层解决方案分为：与t c p 相关链路层协议 ( t c p a w a r el l ) 和与t c p 不相关链路层协议( t c p u n a w a r el l ) 。该方案的特点是局部问题 局部解决，可以采取最优技术手段，特别适合于链路出错率高的网络。 2 2 有线无线混合网络中基于分段技术的拥塞控制 如图2 1 所示，分段连接技术的基本思想为：将混合网络分成有线网络和无线网络两 部分，分界点为基站b s ，在两段网络中分别采用不同的传输控制策略。对于两个不同类型 的网络，流控制协议、拥塞控制协议、数据分组大小、重传超时的设定也采用不同的策略。 当b s 不管是从有线网络还是无线网络中接收到数据分组时，都可以不加以区别的直接对 分组进行应答，即使此刻分组也许并没有真正到达目的节点。值于此种考虑，混合网络中 的分段连接技术破坏了t c p 所定义的端到端语义。 r i 磷 丁 一一删胎一一 、- l 一、 图2 1分段连接网络模型 i - t c p l 4 】和m t c p l 5 】是两种典型的分段连接技术。 如图2 1 所示，i - t c p l 4 j 将连接依据不同的网络分为两部分。送往移动主机m h 的数据 包首先被无线网络区域中的基站接收，基站接收到分组之后立即向发送方发出应答a c k ， 接着将数据包传送给移动主机m h t 2 8 】，基站与移动主机之间传输数据时可以使用专门的协 议来控制传输，而不必使用传统t c p 协议来优化性能。这种方案提高了整个网络的性能， 分别优化了两个不同类型的链路，减小了无线网络中由链路错误造成的分组丢失的影响。 这种方法最大的优点是分别对无线和有线网络进行拥塞控制，对于固定主机s h 上的 t c p 保持不变。如果m h 移动到另一个区域，该m h 的信息则由原先区域的基站传送给现 在区域中的基站。 分段连接技术对无线和有线网络采取不同的控制策略，两种策略互不影响，其最大的 弊端就是破坏了t c p 端到端的语义。此外，移动主机的频繁移动使得与基站b s 传输的数 据量和延迟增大，极易造成分组的丢失。 m t c p l 4 j 与i - t c p i5 j 采用同样的方案，也按照不同网络类型将连接分成两个部分：有线 网络中使用t c p 协议，无线链路中使用m t c p 协议。这种方案降低了无线链路中由于移 动主机的频繁切换和长切换延迟造成网络性能低下的影响。 在一般情况下，从m h 到达b s 通常只有一跳的距离，因此能够对无线环境中发生的 7 筚于测量技术的无线l 】c ) 4 络拥塞控制研究 变化做出响应，更好的控制丢包，降低了网络中数据包的发送延迟。m t c p 可以很好的判 断移动主机所处的状态，依据是通过基站b s 检测发往移动主机m h 的分组以及反向确认 分组。当m h 处于断开状态时，可以使固定主机s h 进入保持状态，通过发送声明窗口大 小为零的分组进行；当m h 和b s 建立新的链接，基站b s 发送分组通知固定主机s h 返回 原来状态，退出保持状态，通过避免发送端在切换前后不必要的速率降低而使网络利用率 得到了很大的提高。m t c p 虽然保持了t c p 端到端的语义，但是协议的性能依赖于b s 是 否能够正确判断m h 的状态，其算法相对i - t c p 而言，比较复杂且容易误判m h 的状态。 2 3 基于网络端到端的拥塞控制机制 传输层提供无缝、高效、独立且可靠的端到端数据传输，对于保持t c p 协议端到端的 语义具有重要意义。因此端到端的拥塞控制机制成为解决由移动误码丢包带来的问题的重 要方法，它在维护当f j 互联网服务结构以及保持协议兼容性方面显得极为重要。目前 i n t e m e t 提供的服务都是b e s t e f f o r t ，通过改进端到端的拥塞控制技术提高无线网络的性能 成为一个重要的研究方向。 端到端( 或t c p 层) 技术可直接作用于源端主机和目的端主机。目前常用的端到端拥塞 控制技术主要有t - d u p a c k 、f t c p 、t c pw e s t w o o d 和t c pr