（通信与信息系统专业论文）认知无线电环境下基于跨层设计的tcp拥塞控制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 无线电通信频谱是一种宝贵的、有限的资源，但是随着无线通信的迅速发展， 人们对频谱资源的需求越来越大，频谱资源日趋匮乏。认知无线电技术的诞生能 有效地缓解这一矛盾。目前，认知无线电技术的研究主要集中在底层，对传输层 的研究很少，本文主要探讨认知无线电环境下t c p 拥塞控制技术，以期能为提高 认知无线电网络环境下的t c p 性能提供有价值的参考。 本论文首先论述了认知无线电的系统原理，分析了认知无线电技术的发展现 状以及当前研究存在的问题，然后介绍了t c p 拥塞控制原理、典型的t c p 版本以 及当前无线网络的拥塞控制解决方案，接着在认知无线电网络环境下对典型的 t c p 拥塞控制算法进行分析，针对在认知无线电网络中性能较好的t c pw e s t w o o d 进行了跨层优化。本文的主要工作具体内容如下： 第一：分析了认知无线电网络的特性，针对其特点建立了认知无线电网络模 型，在该模型下对典型的t c p 拥塞控制算法进行了仿真分析。结果显示t c p w e s t w o o d 算法较其它算法性能较好。 第二：先分析了认知无线电环境下t c pw e s t w o o d 算法的缺点，针对其在小带 宽切换至大带宽情况下对带宽估计不精确的特点，通过跨层设计的方法改进现有 的w e s t w o o d 算法，使得能较精确地估计认知用户切换之后的带宽，有效地提高的 系统的性能。 第三：针对认知无线电网络中认知用户的行为可能导致超时重传的问题，改 进了超时重传定时器的估计方法，加入了认知用户的特点对超时重传定时器的影 响，改善了由于认知用户感知、切换导致的超时重传。 关键词：认知无线电网络，拥塞控制，跨层设计 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i oc o m m u n i c a t i o ns p e c t r u mi sak i n do fp r e c i o u s ，l i m i t e dr e s o u r c e s ，b u t 诵m t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , p e o p l eo nt h es p e c t r u mr e s o u r c e d e m a n di sb i g g e ra n db i g g e r , i n c r e a s i n g l ys c a r c es p c c t n n ur e s o u r c e s t h eb i r t ho f c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yc a l le f f e c t i v e l yr e l i e v et h i so n ec o n t r a d i c t i o n a tp r e s e n t ，t h e c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yr e s e a r c hf o c u s e so nt h eg r o u n df l o o r , t h e r ei s l i t t l er e s e a r c h t ot h et r a n s p o r tl a y e r , t h ea r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h ec o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n tt c p c o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , h o p i n gt oh e l pi m p r o v ec o g n i t i v er a d i o n e t w o r k e n v i r o n m e n ti n t h et c pp e r f o r m a n c ep r o v i d ev a l u a b l er e f e f e n c e t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e m ，a n a l y z e st h e c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g ya n dt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n t h ec u r r e n tr e s e a r c h , a n dt h e ni n t r o d u c e dt h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o l p r i n c i p l e ，t h et y p i c a lt c pv e r s i o na n dt h ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o l s o l u t i o n s ，t h i sp a p e rm a i nj o bs p e c i f i cc o n t e n ta sf o l l o w s ： t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fc o g n i t i v er a d i os y s t e m , a n a l y z e st h e c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g ya n dt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n t h ec u r r e n tr e s e a r c h , a n dt h e ni n t r o d u c e dt h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o l p r i n c i p l e ，t h et y p i c a lt c pv e r s i o na n dt h ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o l s o l u t i o n s ，t h i sp a p e rm a i nj o bs p e c i f i cc o n t e n ta sf o l l o w s ： s e c o n d l y ：t h e f i r s t a n a l y s i s o ft h ec o g n i t i v er a d i oe n v i r o n m e n tw e s t w o o d a l g o r i t h ms h o r t c o m i n g s ，t c pi ns m a l lb a n d w i d t hf o ri t ss w i t c h i n gt ob i gb a n d w i d t ho f b a n d w i d t he s t i m a t e sd on o tp r e c i s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h r o u g ht h ec r o s sl a y e rd e s i g n m e t h o d so fi m p r o v i n ge x i s t i n gw e s t w o o da l g o r i t h r n ，m a k ec a na c c u r a t e l ye s t i m a t et h e b a n d w i d t ha f t e rc o g n i t i v eu s e rs w i t c h i n g ，e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m t h i r d l y ：f o rc o g n i t i v er a d i on e t w o r kc o g n i t i v eu s e rc o n d u c tm a yc a u s ep r o b l e m s r e t r a n s m i s s i o n o v e r t i m e ，i m p r o v e dt h e t i m e o u tr e t r a n s m i s s i o nt i m e r , j o i n e dt h e e s t i m a t i n gm e t h o do fc o g n i t i v eu s e rf e a t u r e st h ei n f l u e n c eo fo v e r t i m er e t r a n s m i s s i o n t i m e r k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i on e t w o r k , c o n g e s t i o nc o n t r o l ，c r o s s l a y e rd e s i g n i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 认知无线电的背景及研究意义 随着无线业务的不断增长带来了频谱需求的增加，无线通信的发展面临着频 谱资源匮乏的问题。无线电频谱是一种宝贵的、有限的资源，目前主要由国家统 一分配授权使用，一个频段一般只能供一个无线通信系统使用，这种静态的无线 频谱管理方式，避免了不同无线通信系统间的相互干扰【l 】。但是在这些已分配的授 权频段与非授权频段中存在着频谱资源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用 了整个频谱资源的很大一部分，但其中不少频段处于空闲状态；另一方面，开放 使用的非授权频段占整个频谱资源的很少一部分，但在该频段上的用户很多，业 务量也很大，无线电频段已基本趋于饱和。 莒 笔 二 耋 图1 1市区6 g h z 以内的频谱资源使用情况 图1 1 是美国伯克利大学无线电研究中心获得的0 6 g h z 频段内的频谱利用情 况，由图1 1p f f 丁知，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另外一些频带也只是 在部分时间内才被占用，剩余的- d , 部分频带却被很多不同的用户来竞争使用。 一这种固定分配频谱的方式常常会导致频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这 与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。频谱资源的缺乏一方面是由于用户以及业 务数量的急剧增加，但主要方面是系统间缺乏有效的协调机制，使得频段内的干 扰成为影响可靠通信的主要问题口1 。因此如何充分利用有限的频谱资源，缓解当前 频谱紧张的局面，已成为人们关注的问题。 为了尽量提高现有已分配频谱的利用率，瑞典皇家技术学院j o s e p hm i t o l a 博士 提出了认知无线电的概念，使具有认知功能的无线通信设备具有发现“频谱空穴” ( 如图1 2 所示) 并利用其进行通信的能力。认知无线电技术作为一种智能频谱共 享技术有效的缓解了频谱资源匮乏的矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱 环境，自动搜寻“频谱空穴”并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 图1 2 认知无线电网络中的频谱空穴 认知无线电系统通过对主用户系统的闲置频谱的二次利用，可以解决传统固 定划分模式中造成的无线频谱紧缺问题【3 】。认知无线电系统用户通过感知周围无线 环境，检测出主用户使用频谱情况，灵活地选择主用户未使用的频谱进行通信， 并在主用户从新进入频谱时，退出该频段避免干扰主用户。给传统的无线通信系 统带来智能化的变革，对频谱资源的二次利用，可大大提高频谱资源利用率，所 以认知无线电系统是在更为智能高效的无线电通信系统，从而被认为是下一代无 线通信系统的关键技术之一【4 】。认知无线电已经成为了一个非常热门的研究领域， 并被预言为未来最为热门的通信技术。 1 2 认知无线电系统原理及关键技术 1 2 1 认知无线电的发展 目前认知无线电技术是一个新兴的技术，是全世界关注的热点。 在1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l a 博士首先提出了认知无线电的概念，他在发表的论文中 给出了无线认知环模型隋3 ，提出了频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 的概念，指出可以通 过频谱池技术拓展传统系统和第三代移动通信系统的可用带宽，描述了如何通过 认知无线电技术实现频谱池，他的大部分工作集中在实现上述目标的学习和推理 能力的研究，以及相关的频谱管理和租赁机制，并没有详细讨论具体的物理层、 m a c 层和网络层的实现机制和相关算法。之后j o s e p hm i t o l a 博士在德国联邦研究和 技术部( f e d e r a lm i n i s t r yo f r e s e a r c ha n d t e c h n o l o g y ) 移动通信项目( m o b i l e c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ) 的资助下，由他领导的研究组开展了频谱池相关技术的研 究，开发了一个基于正交频分复用技术的中心控制频谱池体系架构研究集中在以 下几个方向：1 ) 分析频谱池技术可能获得的系统带宽增益1 ；2 ) 研究中心控制频谱 池系统的关键算法：频谱检测算法、基于o f d m 的物理层技术、无线资源管理等。 初步设计了中心控制频谱池系统中无线资源分配的方案，初步仿真了不同调度算 法的性能，提出了频谱池组切换的思想。f i e d r i c hj o n d r f l 等人提出的中心控制频谱 池系统体系架构为认知无线电思想迈向现实应用提供了一个可借鉴的实例口1 。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 认知无线电技术对现存的无线频谱固定分配制度提出了挑战，对此些频谱管 理部门，如英国通信办公室( o f c o r n ) 和美国通信委员会( f c c ) 在2 0 0 4 年5 月颁布了 t v 频带的规则制定建议通知n p r m ( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l em a k i n g ) 哺j 。 另外认知无线电平台于2 0 0 4 年9 月启动，w i n l a b 与贝尔实验室，朗讯科技和 乔治亚工学院( g e o r g i at e e h ) 合作的认知无线电硬件平台项目。美国电气电子工程 师学会( i e e e ) 为此还专门组织了两个重要的国际年会。 在标准化方面，美国的i e e e 正在制定的8 0 2 1 6 h 和8 0 2 2 2 标准都采用了认知无 线电技术。i e e e8 0 2 2 2 是无线区域网络技术标准。该标准利用认知无线电技术， 在不对授权系统产生影响的基础上，利用5 4 8 6 2 兆赫兹未使用的v h f u h f ，频 段，为农村和边缘地区提供点对多点固定宽带无线接入服务。该技术同样也可以 为城区与郊区的居民、中小企业提供无线接入服务。已有美国、中国、日本、韩 国等多家公司以单独或联合的方式向i e e e8 0 2 2 2 工作组提交了提案，其提案涉及 物理层、链路层等关键技术 9 1 。i e e e8 0 2 1 6 h 是i e e e8 0 2 1 6 工作组对i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入系列标准的补充和增强。i e e e8 0 2 1 6 h 的目标是便于实现免执照( l e - l i c e n s e e x e m p t ) i e e e8 0 2 1 6 系统之间，以及免执照i e e e8 0 2 1 6 系统与非免执照 i e e e8 0 2 1 6 系统之间的共存。通过i e e e8 0 2 1 6 h ，可以使匝e e8 0 2 1 6 系统的部署 更加灵活。 、 国际上一些研究机构和大学也较早投入了认知无线电的研究，并发表一些专 著和研究成果，对认知无线电的发展了重要的作用。具有代表性也是最有影响的 是美国国防部高等研究计划署( d a r p a ) 的下一代通信计划( ) ( g ，n e x tg e n e r a t i o n p r o g r a m ) ，着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准。目前，已经完 成了对x g 网络架构描述，并对如对上层协议功能的影响进行了框架性的研究。 2 0 0 8 年初，中国国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 在信息领域研究专项中启动 认知无线网络的研究【l o 】。2 0 0 8 年的2 月，国家自然科学基金委员会的信息科学部根 据通信领域发展趋势，在认知无线电领域设立重点资助的项目。2 0 0 5 年开始，华 为公司和电子科技大学合作，从事基于认知无线电技术的i e e e8 0 2 2 2 和 i e e e 8 0 2 1 6 h 标准的研究。同时共同参与i e e e 的认知无线电标准化活动，联合向 i e e e8 0 2 2 2 工作组提交提案2 项。在国际合作方面，国内学术机构积极参与欧盟 第七框架e 3 项引】。该项目涉及认知无线电和认知无线电网络的理论、技术、商 业模式、规划和标准化等各个方面，并以国际化标准和商用化产品实现为主要目 标，目前标准化工作已在i t u 、3 g p p 、e t s i 、i e e e 等标准组织展开。 认知无线电自诞生至今，各个标准化组织和行业联盟一直在进行各种研究， 提出了一系列标准和协议。以下对主流的研究机构( i t u 、电气电子工程师协会， 软件无线电论坛) 的研究成果进行了介绍，具体的标准如下表所示： 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 表1 1 认知无线电标准 发展过程 项目相关标准 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 正e e8 0 2 2 21 0 月 ( w r a n 标准) 成立 美国 i e e e8 0 2 1 6 h1 2 月 内容标准 匝e e 组 ( w i m a x 标准) 成立 确定提出 i e e e8 0 2 1l y 草案 织 ( w i f i 标准) 提出 标准 i e e e1 9 0 0 成立 提出 国际i t u r 8 a 工作3 月 i t u 组织组提出 软件无线认知无线电工1 0 月4 月1 月 电论坛作组成立论坛提出 1 2 2 认知无线电的功能框架 根据m i t o l a 的定义，认知无线电能够根据无线资源和相关的通信需求自动的 选择最合适的无电线通信系统，这种复杂的结构为研究和实现带来了巨大的困难。 图1 3 给出了认知无线电系统组成功能框架的视图。感知模块用于获得多种外部 信息，特别是针对无线频谱环境进行检测【l 引。系统还包含一个策略数据库模块， 用来决定频谱的基本利用策略，定义在某个环境下认知无线电系统应该执行何种 行为。这一策略数据库模块可以被重新配置以适应新的政策的变化。结合感知模 块和策略数据模块的信息，系统对频谱的可用性进行学习和推理。这种学习和推 理的过程可以利用模糊逻辑或者神经网络等方法实现。最终的决策则依据上述三 个模块的信息最终确定，并根据结果对无线电通信协议栈的不同层面进行配置。 图1 3 认知无线电系统功能框架 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 3 认知无线电的关键技术 1 ) 频谱感知 频谱感知的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，以便供认知用户 使用频谱。认知用户是指未经授权而使用只有授权用户才能使用的频谱的用户， 主用户则是获得授权使用频谱的用户【1 3 1 。认知用户相比主用户具有更低的频谱接 入优先权。为不对主用户造成有害干扰，认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及 主用户的出现。这就要求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。 认知无线电频谱检测技术可以分为基于发射机的频谱检测、合作频谱检测和基于 接收机的频谱检测几大类，为了提高频谱感知的准确性，在实际的感知算法中常 常将几种算法相互融合使用。图1 4 为频谱感知技术的分类。 图1 4 频谱感知技术的分类 基于发射机的检测又称为非合作检测，它主要有匹配滤波器检测、能量检测 和循环平稳过程特征检测这三种方法【1 4 1 。匹配滤波器检测的结构简单，可以达到 很高的检测概率，需要主用户信号为确知信号，这种检测方式有很大的局限性； 能量检测实现相对简单，只需通过测量频域或时域上一段观测空间内接收信号的 总能量来判决是否有主用户出现，是目前应用较广的一种频谱检测方法，但不适 合低信噪比情况；循环平稳过程特性检测可以提取出调制信号的特有特征，如正 弦载波、符号速率以及调制类型等。这些特性均通过分析频谱相关性函数来检测， 它可以从调制信号功率中区别噪声能量。 好的检测性能，而且具有信号识别能力， 2 ) 动态频谱分配 这种方法不仅在低信噪比条件下具有很 但是运算复杂度较高。 由于认知无线电网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时 变化的，传统的语音和无线网络的频谱分配方法不完全适用。要实现完全动态频谱 分配受到很多条件的限制。因此目前基于c r 的频谱分配的研究主要基于频谱共享 池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 策略。频谱共享池的基本思想是将部分分配给不同业务的频谱 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道。基于频谱共享池 策略以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。 根据分配行为的不同，频谱分配技术可以分为合作式频谱分配和非合作式频 谱分配。合作式频谱分配考虑各认知用户行为对其他用户的影响；非合作式频谱 分配则只考虑自己的行为。为了规范用户之间选择频谱的协商机制，m i t o l a 提出了 无线礼仪协议的初始框架，规定了主用户和认知用户之间选择频谱的协商机制， 主要包括租用频谱协议、补偿协议、频谱使用优先级协议等。n i e 等人基于博弈论 的扩展应用，分别分析了合作用户和非合作用户情况下系统的性能，指出基于合 作的动态频谱分配可以提高认知无线电网络的性能。p e n g 和z h e n g 等人提出了一种 基于标签的机制，可以识别用户的优先级，提高系统5 0 的性能。c a o 等人在此基 础上提出了本地讨价还价算法，采用公平的业务保证机制，提高频谱利用率，降 低了系统的复杂性。 根据分配架构的不同，频谱分配技术可以分为集中式频谱分配和分布式频谱 分配。集中式分配由集中单元控制频谱分配和接入的过程，计算复杂度高i l 习；分 布式分配算法中每个认知用户都参与频谱分配决策，多采用启发式分配方法，收 敛法是其中一项很重要的性能指标，它主要体现了算法对系统变化的适应能力。 3 ) 功率控制 为了扩大系统的工作范围，提高接收机性能，在认知无线电通信系统中功率 控制的实现以分布式进行，而每个用户的发射功率是造成其他用户干扰的主要原 因，因此功率控制是认知无线电网络的关键技术之一【1 6 】。在多址接入的认知无线 电网络环境中，主要采用协作机制的方法。多用户的c r 系统中的协作工作以及基 于先进的频谱管理功能，可以提高系统的工作性能，并支持更多的用户接入。但 是这种系统中除了协作，还存在竞争。 在给定的网络资源条件下，允许多个用户同时接入，在这样的系统中发送功率 控制必须考虑以下两种限制：给定的干扰温度和可用频谱空穴数量。目前解决功 率控制的主要技术是对策论和信息论。 多用户认知无线电系统的功率控制可以看成一个对策论的问题，对策论是研 究与决策主体行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策均衡的问题，它主要 包含合作对策和非合作对策。如果只考虑合作对策，这样功率控制则简化成一个 最优控制问题。然而这种完全合作在多用户系统中是不可能实现的，因为每个用 户都试图最大化自己的功率，使用功率控制变为一个非合作对策问题。目前主流 的技术是用m a r k o v 对策进行分析，m a r k o v 对策是将多步对策看作是一个随记过程， 并将传统的m a r k o v 对策扩展到多个参与者的分布式决策过程。多用户c r 系统的功 率控制问题可以看成是m a r k o v 对策进行分析解决。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法，其基本思想是把系 统的信道看作是若干个平行的独立子信道的集合，各个子信道的增益则由其对应 的奇异值来决定。使用了该算法后，发送端会在增益较多的子信道上分配更多的 能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在 整体上充分利用现有的资源，达到传输容量的最大化i l7 1 。 1 3 认知无线电的研究现状及存在的问题 无线链路传输本身具有高误码率、带宽有限、移动性等特性，对网络传输层 的影响主要为：分组丢失或损坏的问题和分组延迟引起的问题，认知无线电网络 与其他无线网络在网络层既有共享，同时其具有自身特点【l 引。由于认知无线电网 络的设备在通信过程中使用多个信道，授权用户和其他认知用户竞争，都会导致 通信过程中的r t r 可能在变化，另外一方面，由于频谱切换引入延迟也会对i 册 产生影响，这些因素都会导致重传超时r t o ，传统t c p 传输控制机制可能会重传没 有丢失的数据包，会造成端到端吞吐量的下降。由于认知设备会工作在频率、带 宽、干扰都不同的信道上，进而导致丢包率和链路往返时间都不同，因此为现有 的无线接入技术而设计的无限t c p 和u d p 协议就不能用于基于动态频谱分配的认 知无线电网络。 在认知无线电网络中，由于终端移动、频谱切换等原因，使原有的t c p 协议算 法已经不能很好的适应当前的认知无线电网络，应该对现有的t c p 算法做出相应的 修改以提高网络的性能。 1 4 本文的主要工作 本文首先介绍了认知无线电网络背景及原理，对t c p 拥塞控制协议进行了分 析。通过网络仿真器n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 仿真工具对几种典型的拥塞控制算 法在认知无线电网络环境中进行性能分析比较，指出了传统的t c p 拥塞控制协议应 用于认知无线电网络中所存在的问题。针对切换对网络性能的影响，提出了基于 切换的t c p 拥塞控制方案。通过仿真比较选择了在切换率较高条件下表现较好的 w e s t w o o d 算法，针对认知无线电网络的提点对其进行改进，提高认知无线电网络 的整体性能。仿真结果表明，本文改进的算法能够较好地提高网络性能，达到了 预期的目标。 本文的研究内容组织结构如下： 第一章，绪论部分，概述了本文研究的背景及现状存在的问题，本文的主要 工作与贡献，以及本论文的主要结构和内容安排。 第二章，介绍t c p 拥塞控制机制、原理、拥塞控制典型算法概述及传统无线网 络环境下的t c p 性能增强技术。针对在认知无线电网络中5 种典型t c p 拥塞控制进 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 行比较，通过仿真结果比较和分析，t c p w 在认知无线电网络中性能最优。 第三章，搭建了认知无线电仿真平台，在该平台下对现有的t c p 拥塞控制算法 进行了仿真比较，结果显示t c p w 在认知无线电环境下的性能较好。 第四章，针对t c p w 在认知无线电网络环境下对带宽的变化估计不精确的缺 点，提出对t c p w 带宽估计的改进算法；由于认知无线电网络的特点可能导致频繁 测超时重传，本文通过跨层的方法优化了超时重传定时器。 第五章，总结本文所做工作，并探讨了下一步的研究方向。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 2 1t c p 拥塞控制算法 2 1 1 网络拥塞的概念 在一段时间内，如果网络中所有用户提供给网络的负载超过网络资源容量和 网络节点的处理能力，使网络产生阻塞，网络性能恶化，这种现象称为网络拥塞 现象。网络拥塞发生时，网络性能会降低，具体表现在网络吞吐量和效率降低， 路由器缓冲队列迅速增加，报文时延的增加，报文丢失等等，网络持续拥塞甚至 导致整个网络系统的崩溃。 发送数据包数量 图2 1 网络流量与效率的关系 图2 1 描述了网络流量与效率的关系。由图可以看出，当负载较小时，吞吐 量与负载的增长呈线性关系。在理想情况下( 理想情况是假设网络中间节点缓存 足够大，而且分组传送和拥塞控制的开销也忽略) ，当负载超过最大负载时，吞 吐量维持在网络负载的最大值【1 9 j 。在实际应用中，缓存区空间有限，当负载较小 时，网络的吞吐量和利用率随着输入负载的增加而线性增大。当网络负载超过某 个临界值时，网络中各个节点缓冲区队列长度不断增加，从而造成丢包和不必要 的超时重传，网络吞吐量和利用率随着输入负载的增加而减少，整个网络逐渐饱 和，甚至吞吐量降到零。拥塞是指网络持续过载的一种网络状态。当网络出现拥 塞现象时，发送端必须对发送的数据流量加以控制，否则网络会因持续拥塞而瘫 痪【2 0 l 。 通常拥塞发生的原因有以下三点： ( 1 ) 缓存空间不足。几个输入数据流共同需要同一个输出端1 2 1 ，在这个端1 2 1 就 会建立排队。如果存储空间不足，数据包就会丢弃，导致网络发生拥塞。 ( 2 ) 带宽不足。低速链路对高速数据流的输入可能会产生拥塞。假设信源发送 9 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 的速率r ，信道容量c 。如果r c ，可能在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，当 其满足不了通过它的所有源端带宽要求时，网络就会发生拥塞。 ( 3 ) 处理器处理能力弱。如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路由表等 功能时，处理速度跟不上高速链路，就会产生拥塞。 2 1 2t o p 拥塞控制简介 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是目前i n t e m e t 中使用最广泛的传输协议， 它是一种端到端的面向连接的传输控制协议，为应用层提供可靠的数据传输服务， 在保障网络通信性能方面起着非常重要的作用。每台支持t c p 的机器都有一个 t c p 传输实体，它管理t c p 流和p 层之间的接n t 2 1 1 。当包含t c p 数据的数据报 到达目的主机时，它们被递交给t c p 传输实体，t c p 传输实体重构出原始的字节 流f 翻。t c p 有以下特点： 支持流传输 t c p 协议提供一个流接口( s t r e a mi n t e r f a c e ) ，应用进程可以利用它发送连续 的数据流。t c p 传输连接提供一个通信链路，保证数据流从一端正确地传送到另 一端。t c p 对数据流的内容不作任何解释。 连接的可靠建立与释放 为了保证传输连接与释放的可靠性，t c p 协议使用了3 次握手( 3 - w a y h a n d s h a k e ) 的方法。防止出现因“失效的连接请求数据报”而造成连接错误。保证 在关闭连接时已经发送的数据报可以正确地到达目的端1 3 2 3 1 。 提供流量控制与拥塞控制 t c p 协议采用了大小可以变化的滑动窗口的方法进行流量控制。发送窗口的 大小在建立连接时由双方商定。在通信过程中，接收端可以根据自己的资源情况 动态地调整发送窗口的大小【2 4 】。t c p 拥塞控制根据网络当前可用网络资源，动态 地调整其拥塞窗口，控制其进入网络的数据量，以避免拥塞崩溃( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) 的发生。 2 1 3t c p 拥塞控制机制算法 目前拥塞控制算法流程主要包括四个方面：慢启动、拥塞避免、快速重传、快 速恢复。 ( 1 ) 慢启动( s l o ws t a r t ) t c p 的慢启动发生于创建连接的初期或重传超时之后，慢启动的目的在于使发 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 送端通过逐渐增加注入网络中的数据量探测网络的有效带宽。 o 啊i 扣lc 瑚1 2c 嘲讨一c 呐喀 接敷蒜 图2 2 慢启动的拥塞窗口变化 如图2 2 ，最初，发端发送一个数据包等待它的a c k 确认。当收到这个a c k 后， 拥塞窗口从1 增加到2 ，可以发送两个包。当这两个包的a c k 都被确认后，拥塞窗 口增加到4 。在慢启动阶段，拥塞窗口指数增加o 当网络容量到达某些点时，中间 路由器缓存溢出开始丢包【2 5 1 。这是由于发端拥塞窗口过大，需要结束慢启动阶段。 在这些点，进行快速重传( 当检测到三个重复a c k 时) 或慢启动( 当超时时) ，同时将 s s t h r e s h ( 慢启动门限) 设为当前拥塞窗口的一半【2 6 】。 ( 2 ) 拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 在慢启动阶段，拥塞窗口( c w n d ) 是以指数规律增加的，可能会引起网络拥 塞。为了避免这种情况的发生，当拥塞窗口增加到慢启动门限时，每收到一个确 认，使窗口呈现线性增长进入拥塞避免阶段。这样就有效的降低了源端发送到网 络中的数据量，有效减小拥塞状态的发生。 ( 3 ) 快速重传( f a s tr e t r a n s m i t ) 一个数据包到达接收端，接收端对这个数据包确认，而不管这个序列号是否 已经被确认过。因而，当一个包非按序到达时，t c p 不能对这个数据包确认，因为 先前发送的包还没有到达鲫，接收端重复发送刚刚发出去的a c k 确认包，这个a c k 称为重复a c k 。当发送端收到三个重复的a c k 确认，则重新发送丢失的包，而不 必等待超时重传。这样有效的提高了网络的利用率。 发送端接收端 包1 包2 包3 包4 包5 包6 重传包3 a c kl a c k2 a c k a c k2 a c k2 a c k3 图2 3 网络发生丢包时示意图 l l 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 图2 3 中，目的端收到包l 和2 ，包3 在网络传输中丢失了，因此，当包4 到达时， 目的端会发送一个包2 的重复a c k 确认，包5 n 达的时候目的端同样会发送包2 的确 认a c k ，以此类推。当发端检测到三个关于包2 的确认a c k ，立刻重传包3 ，而不 必等待超时【2 8 1 。 ( 4 ) 快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 快速恢复算法是根据管道模型的报文守恒原则，同一时刻在网络中传输的报文 数量是恒定的，当在网络中传输的报文离开网络后，就可以发送新的报文进入网 络 2 9 1 。如果发送方收到一个重复的a c k ，则认为有一个报文离开了网络，可以将 拥塞窗口增加一个报文。 快速恢复算法增加了t c p 终端在发现报文丢失后的发送能力，使得t c p 。终端 在恢复阶段的发送速率能够保持在原发送速率一半左右。这样在适度减少t c p 终 端发送速率的同时快速恢复算法有效地利用了网络的带宽。从而提高了t c p 吞 吐量。 2 1 4t c p 版本的发展演化 ( 1 ) 1 9 8 8 年，j a c o b s o n 在早期的t c p 版本的基础上提出了t a h o e 版本。t a h o e 最明 显的特点就是加入了慢启动，拥塞避免和快速重传算法，并改进了r r r 的估计算法， 通过对网络可用带宽的探测，在拥塞发生的时候可以快速的降低数据的发送速率， 达到避免拥塞的目的。 ( 2 ) j a c o b s o n 在1 9 9 0 年提出t c pr e n o ( 简称g e n o ) ，是t a h o e 的改进版本，在 原来的快速重传算法中加入了快速恢复算法，新算法避免了拥塞不严重的时候， 原来的慢启动使得拥塞窗口变得太小，降低网络的吞吐量。在快速恢复阶段，当 “旧 的数据包离开网络后，才能发送“新 的数据包进入网络p o 】。 ( 3 ) m m a t h i s 等在1 9 9 5 年提出了基于r e n o 的t c ps a c k 算法( 简称s a c k ) 。s a c k 采用选择确认机制，当检测到拥塞后，不用重传从数据包丢失到检测到丢失之间 发送的全部数据包，而是对这些数据包进行有选择的确认和重传，这就避免不必 要的重传，提高了网络吞吐量f 3 。r e n o 和s a c k 差别在于当有多个报文从一个数据 窗口丢失时的性能和所采取的策略是不同的。s a c k 接收端的a c k 包中包含了一些 s a c k 块，其中表示了接收端收到的分组序列中缺少的分组段的范围，这使得发送 端可以明确知道哪些分组丢失应该进行重传。发送端在收到第2 个重复的a c k 后， 进入快速恢复阶段，它设置了一个变量用来估计网络中正在传输的分组的数量， 只有当该变量的值小于拥塞窗口时，发送端才被允许发送数据。发送端每收n 1 个 重复的带有s a c k 信息的a c k 包，就将该变量减1 ；每次发送或者重发一个新的分 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 拥塞控制算法及方案介绍 组，变量的值就被加1 个分组的大小。同时，发送端维持1 个被称为计分板的数据 结构【3 2 】，用来记录从s a c k 中得知的未被确认的分组，如果发送端被允许发送， 就重传计分板中指示的最后的分组，如果计分板为零，就发送新的分组。当收到 确认了全部的进入快速恢复之前未确认的分组的a c k 后，退出快速恢复阶段。 s a c k 实现了在一个r 1 v r 内选择重传多个丢失的数据包，提高了t c p 的性能。 ( 4 ) 1 9 9 6 年s f l o y d 、t h e n d e r s o n 首次提出t c pn e w r e n o ( 简称n e w r e n o ) 。n e w r e n o 补充了r e n o 中的“快速恢复快速重传”算法，为了更好的处理多包丢失的情形，提 出了一个部分应答的概念。部分应答是只应答了重传封包之前的部分封包的应答， 就是说，重传封包之前的数据仍然有没有被接受的。在r e n o 算法中，此应答将会 使t c p 退出快速恢复，而在n e w r e n o 中部分应答并不能使t c p 退出快速恢复，反而 部分应答的到达意味着紧随已应答数据包的那个数据包已经丢失，可立即重传。 ( 5 ) t c pv e g a s 是由l s b r a k m o 等在1 9 9 4 提出的，也是对r e n o 算法的改进。v e g a s 与r e n o 不同，在r e n o 中，如果源端收到三个重复的a c k 贝j j 认为网络拥塞，而v e g a s 中则用延迟来衡量网络的拥塞与否，并且通过比较期望传输速率和实际传输速率 之间的差值来预判网络拥塞的发生【3 引。v e g a s 会对每一个发送的分组都设置了一个 时间戳，然后根据返回的a c k 的时间来计算r 1 广r 。如果v e g a s 收到了一个重复的 a c k ，它会把分组的时间戳和收到a c k 的时间间隔与超时值相比较。如果时间间 隔大于超时值，v e g a s 就会重传该分组而不必等待第三个重复的a c k 。v e g a s l l r e n o 的重传机制更为合理，因为一般情况下拥塞窗口很小，不能收到三个重复的a c k 或者a c k 在传输过程中丢失了。如果没有收到重复的a c k ，v e g a s 算法会检查分组 的时间戳和收至u a c k 的时间间隔是否大于超时值，如果时间间隔大于超时值则会 立刻重传该分组瞰j 。 拥塞避免阶段：v e g a s n - i 哪t j i 实际带宽和期望带宽来控制发送的速率，提 高网络的吞吐量。期望传输速率e = c w n d b a s e r i t ，c w n d 为拥塞窗口；b a s e r t t 为观察到的最小的r 1 盯。实际传输速率a = c w n d r 玎，i m 为当前观察值。v e g a s 算法将e 与a 的差值与门限值0 【和p 比较( 0 【 s s t h r e s h 则c w n d = s s t h r e s h ； 当发生超时时，s s t h r e s h = ( a w e 牛r t t m i n ) s e g s i z e 且c w n d = 1 。 2 2 无线网络t c p 拥塞控制的方案 在无线网络中，高误码率对系统的性能造成很大影响。无线链路上的数据帧 可能由于发生碰撞或者无线信道中的干扰而导致数据帧的损坏，此时数据帧会由 于数据链路层校验不通过而被丢弃，造成无线网络中的丢包现象，而t c p 会将这些 原因造成的丢包误认为是网络中发生了拥塞，从而减小了自身的发送速率，降低 了网络的利用率。 针对以上现象，在当前的无线网络性能改进研究中，大多集中在数据传输成 功率和区分误码拥塞这两个方面。现有的成果总结起来有四种方法即端到端的传 输层方案、分段连接方案、跨层合作方案和数据链路层的解决方案。 目前无线网络提出的t c p 改进方案有很多，根据其基本的原理可以大致分为四 种：端到端方案；分段连接方案；链路层方案