大连海事大学硕士学位论文无线网络中TCP性能的改进方案姓名：邓颖姝.pdf

大连海事大学 硕士学位论文 无线网络中TCP性能的改进方案 姓名 邓颖姝 申请学位级别 硕士 专业 计算机科学与技术 指导教师 赵子祥 杨世伟 20090601 中文摘要 摘要 T C P 协议为因特网上的用户提供了可靠的 健壮的端到端数据通信服务 其中 的T C P 拥塞控制机制更是保证因特网正常运行的关键技术 无线网络中分组丢失 和延迟通常是由于链路误码 本地重传或切换等原因造成的 传统的T C P 把所有 的分组丢失简单归因于网络拥塞策略的盲目性严重恶化了无线网络环境中T C P 的 性能 造成网络带宽的浪费和利用率低 鉴于传统T C P 的基本假设在无线环境下 不再适用 如何提高T C P 在无线网络中的性能变成为目前研究的热点问题 论文首先对T C P 协议的相关工作做了简要介绍 然后 深入研究了T C P 在无 线移动网络中的性能问题 并介绍了当前几种常用的T C P 性能改进方案 包括端 到端 分段连接 链路层的解决方案 对它们的优点 缺点和尚待解决的问题进 行了综合的分析评价 之后详细介绍了A D H O C 方案的思想 在借鉴了A D H O C 的某 些设计思路的基础上 提出一种新的基于端到端T C P 改进方案 新方案可以区分 拥塞 链路差错和路由更新三种状态 其判别主要在T C P 目的端进行 并随时将 判别的状态和检测到的事件通过数据包的A C K 反馈给源端 从而使T C P 源端采取 相应的措施 以有效地提高T C P 在无线网络中的性能 论文采用网络仿真工具N e t w o r kS i m u l a t o r N S 2 对新方案的执行效果进行仿 真 并将它与T C PN e w R e n o T C PE L F N 和A D H O C 进行比较 实验结果验证了本论文 提出的改进方案的正确性和有效性 通过对不同的移动拓扑环境下的仿真结果进 行分析 确认了改进方案在无线网络环境下与传统T C P 协议相比有很大的性能提 高 而与其他现存的改进方案比较 由于本论文提出的改进方案是基于端到端状 态检测 不需要中间节点的配合 并简化了算法的计算复杂度 使得其更易于实 现 关键词 无线网络 A DH O C N S 2 T O P 性能改进 英文摘要 A b s t r a c t 啊1 eT C P p r o t o c o lp r o v i d eu s e r sr e l i a b l e r o b u s t e n d t o e n de o m m u n i e a t i o ns e r v i c e s o nt h eI n t e m e t a m o n go t h e rf e a t u r e s t h em e c h a n i s mo fT C P C o n g e s t i o nC o n t r o li st h e k e yt e c h n o l o g yt om a k es u r et h en o r m a lo p e r a t i o no f t h eI n t e r a c t t h el o s sa n dd e l a yo f p a c k e t so nt h ew i r e l e s sn e t w o r ku s u a l l yd u ot o t h el i n ke r r o ra n dt h el o c a l r e t r a n s m i s s i o no rt o g g l i n g t h ec o n v e n t i o n a lT C Ps i m p l ya t t r i b u t ea l lt h el o s so fp a c k e t s t ot h eb l i n d n e s si nn e t w o r ks t r a t e g yo fc o n g e s t i o nc o n t r o lt h a tb a d l yr e d u c et h e p e r f o r m a n c eo fT C Pi nt h ew i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t a n dt h ec o n s e q u e n c ei st h a t w a s t eo fn e t w o r kb a n d w i d t ha n dt h el o wb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n I nt h ew i r e l e s s e n v i r o n m e n t i t sn ol o n g e ru s a b l et ot h eb a s i ca s s u m p t i o no fc o n v e n t i o n a lT C Pw h i c hi s b a s e do nt h ee o n v e n t i o n a lT C P T C Pp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k h a s b e c o m ea l li n c r e a s i n ga c t i v er e s e a r c hf i e l d A tf i r s tt h et h e s i si n t r o d u c e sb r i e f l yt h ew o r km e c h a n i s mo fT C P p r o t o c 0 1 A f t e r w a r d s t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h eT C Pp e r f o r m a n c ep r o b l e mi nw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h er e c e n t d e v e l o p m e n t so fw i r e l e s sn e t w o r kw i t hT C P i n c l u d i n gt h ee n d t o e n da p p r o a c h t h e s p l i tc o n n e c t i o na p p r o a c ha n dt h el i n kl a y e ra p p r o a c h a n dt h e ns y n t h e t i c a l l ye v a l u a t e s a n da n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ee x i s t e da p p r o a c h e s A f t e r w a r d s w ei n t r o d u c et h eA D H O C p r o t o c o li nd e t a i la n dp r o p o s ea ne n d t o e n dT C Pe n h a n c e d s c h e m eb a s e do nc e r t a i ni d e ao fA D H O C 砀en e ws c h e m ec a ni d e n t i f yt h r e en e t w o r k s t a t e s n a m e l yc o n g e s t i o n c h a n n e l e r r o ra n dr o u t ec h a n g e f r o me a c ho t h e r T h e d i s c r i m i n a t i o no ft h e s en e t w o r ks t a t e si sm a i n l ya c h i e y e db yT C Pr e c e i v e r w h i c h s u c c e s s i v e l yd i s p a t c h e st h ef e e d b a c ko nd i s t i n g u i s h e ds t a t e st oT C P s e n d e rv i at h eA C K p a c k e t s C o n s e q u e n t l y t h es e n d e rt a k e sc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oi m p r o v eT C P p e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r k T 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t si nN e t w o r kS i m u l a t o r N S 2 1h a v ep r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n d t h ev a l i d i t yo ft h ee n h a n c e ds c h e m eb yu s i n gt h r o u g h p u ta sam a i np e r f o r m a n c em e t r i c B ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nv a r i o u sm o b i l et o p o l o g ye n v i r o n m e n t s t h eT C P e n h a n c e ds c h e m eh a sb e e np r o v e dt oo u t p e r f o r i l lt r a d i t i o n a lT C Pp r o t o c 0 1 B e c a u s et h e e n h a n c e ds c h e m ei sb a s e do nt h ee n d t o e n dm e a s u r e sa n dd o e sn o tr e q u e s tt h e c o o p e r a t i o nf r o mt h ei n t e r m e d i a t en o d e s i ti sm u c he a s i e rt h a no t h e re x i t i n gs c h e m e s t o i m p l e m e n ti nr e a ls y s t e m s K e yW o r d s W i r e l e s sn e t w o r k A DH O C N S 一2 T C Pp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成硕士学位论文竺玉线圆终生 塑性能的邀进友塞 除论文中已经注明引 用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 西喹隧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论文全 文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书 不保密口 请在以上方框内打 奄嗽 日期 溯年7 月0E l 无线网络中T C P 性能的改进方案 序言 以移动P C 和P D A 为代表的无线处理终端的逐渐普及和无线通信技术的迅猛发 展已经预示 无线通信网络将成为网络通信中一种不可或缺且占有很大业务比例 的网络通信业务 可以相信无线网络将承担越来越多的通信业务 在日本 笔记 本在整个P C 中的占用率已经超过了4 0 而在全世界范围内已有越来越多的用户 选择使用笔记本和P D A 进行工作或娱乐 所以无线网络业务急剧增加 同时对无 线网络能否提供高质量的服务提出了严峻的考验 无线网络的迅速发展迫使人们必须在无线网络中提供可靠 高效的网络协议 因此如何在无线网络中提供高效率的网络协议机制是一个研究的热点问题 与传 统的有线网络相比 无线网络拥有以下几个特点 有限的带宽 高延迟时间 高 比特出错率和一段时间的断链现象 这些特点对研究无线网络提出了新的挑战 在制定无线网络协议时必须充分考虑以上因素再提出解决的方案 而绝对不可以 照搬有线网络中的协议 这样 传统的T C P I P 协议也就无法直接适用于无线环境 这就促使我们必须充分利用新技术 提高无线环境下的T C P 性能 使移动用户方 便地无缝接入因特网 获得更好的无线应用服务 因此 对无线网络中T C P 协议 改进的关键理论与技术的研究已经成为当前网络领域一个重要的研究课题 本文的目标就是研究如何在不改变原有T C P I P 体系的前提下 提高T C P 协议在 无线移动网络环境中的性能 因此 本文首先分析了传输控制协议T C P 的基本原理 并讨论了标准T C P 协议在无线I n t e r n e t 中吞吐量较低 性能恶化的原因 然后 在 分析了现有几种解决方案的基础上提出了一种新的T C P 在无线网络中的性能改进方 案 新方案可以区分拥塞 链路差错和路由更新三种状态 其判别主要在T C P 目的 端进行 并随时将判别的状态和检测到的事件通过数据包的A C K 反馈给源端 从而 使T C P 源端采取相应的措施 以有效地提高T C P 在无线网络中的性能 最后 使用N e t w o r kS i m u l a t o r N S 一2 作为仿真工具 并以吞吐量作为主要性 能参数 验证了本论文提出的改进方案的正确性和有效性 通过对不同的移动拓 扑环境下的仿真结果进行分析 确认了改进方案在无线网络环境下与传统T C P 协 议相比有很大的性能提高 而与其他现存的改进方案比较 由于本方案是基于端 到端状态检测 不需要中间节点的配合 使得其更易于实现 第l 章引言 第1 章引言 传输控制协议 T r a n s m i s s i o nC o n t r o lP r o t o c o l 以下简称T C P 是目前 I n t e r n e t 上使用最广泛的一种传输协议n 2 它在不可靠的因特网上为用户提供了 可靠 健壮的端到端数据通信服务口1 根据M C I 的统计 I n t e r n e t 上总字节数的 9 5 及总数据报文数的9 0 均使用T C P 协议传输H 1 T C P 从实际应用中诞生并在实 际应用中不断得到发展和完善 在此基础上建立的应用层可以支持T E L E N T F T P S M T P 等许多目前应用极为广泛的协议 T C P 随着I n t e r n e t 的普及而得到广泛认同 目前已经成为一种工业标准 本章主要介绍了课题研究的背景 意义及国内外现 状 并在此基础上引入本文所做的工作 1 1 研究背景 众所周知 二十一世纪的生活离不开移动通信和互联网 欧洲的U M T S 论坛曾 给出到2 0 1 0 年将超过9 0 0 0 0 万的用户使用移动多媒体业务 面对这些需要 3 G 的 额外带宽分配越来越必要了 2 0 1 0 年的带宽将可能会增加为1 6 0 M H z 因为的用户 业务增长速率将决定到底需要增加多少带宽 所以对高容量蜂窝系统以及改进频 谱效率的研究变成得很重要 更高的数据速率和无线因特网接入将是未来移动通 信系统的重要组成部分 目前 在卫星通信 无线广域网及无线局域网中 T C P 得到了越来越广泛的应 用 标准T C P 协议最初的应用环境是有线网络 所以其拥塞控制算法适合于有线 环境 由于在有线网络中认为链路是相当可靠的 而这一假定的前提在无线网络 中并不成立 即无线网络中报文的丢失或时延在很大程度上是由于无线链路本身 传输的特性所造成 如噪声的突发性 干扰 频谱有限 高误码率等 因此 当 传统的基于有线的T C P 协议应用于无线链路时 可能会导致通信性能严重降低 研究移动I P 环境下无线网络的T C P 性能具有十分重要的意义 综上所述 传统的T C P I P 协议是无法直接适用于无线环境的 这就促使我 们必须充分利用新技术 提高无线环境下的T C P 性能 使移动用户方便地无缝接 入因特网 获得更好的无线应用服务 因此 对无线网络中T C P 协议改进的关键 理论与技术的研究已经成为当前网络领域一个重要的研究课题 无线网络中T C P 性能改进方案 1 2 国内外研究进展 1 2 1 移动IP v 6 协议的研究现状 移动互联网有许多新颖而精彩的服务 移动I P v 6 将是实现这些服务的关键 I P v 6 是新版本的I P 协议 继承了I P v 4 的很多特性 I P v 6 协议巨大的地址空间将 很容易满足因特网的快速发展 并且对移动性 安全性和服务质量都有很好的支 持 移动I P v 6 的诞生被认为是移动计算领域的重要里程碑呻1 1 协议的简介 移动I P v 6 的设计借鉴了移动I P v 4 的设计经验 并且结合了I P v 6 的很多新的 特性 如图1 1 所示 在移动I P v 6 中 定义了三个操作实体 移动节点 心 通信节点 C N 和家乡代理 H A 移动I P v 6 用移动报头定义了一种新增的I P v 6 协议 这个报头用来携带如下 信息 家乡测试初始 H o m eT e s tI n i t 家乡测试 H o m eT e s t 转交测试初始 C a r e o fT e s tI n i t 和转交测试 C a r e o f 这四种消息用来启动从移动节点 到通信节点的返回路径可达过程 以确保绑定消息的正确性 另外 移动I P v 6 定义了四个新的I P v 6 目的选项 绑定更新 绑定认可 绑 定请求和家乡地址选项 并且在其处理过程中定义了三种数据结构 1 绑定高 速缓存 它是每个通信节点和家乡代理都要维护的一张表 用于保存移动节点的 当前绑定 2 绑定更新列表 它由移动节点维护 用于记录发送给家乡代理和 通信节点的最新绑定更新 3 家乡代理列表 它由家乡代理和移动节点维护 以记录每一个路由器的有关信息 家乡链路上的移动节点从这些路由器接收到家 乡代理 H 标志已被置位的路由器公告报文 第1 章引言 通信节点 家乡链路 外地链踌 图1 1 移动I P v 6 的组成部分 9 3 F i g1 IT h ec o n s t i t u e n tp a r t so f M o b i l eI P v 6 脚 2 移动I P v 6 的工作原理 移动I P v 6 的工作机制n 0 1 可以用图1 2 来说明 冢多短路外地链蹯 图1 2 移动I P v 6 的工作机制 F i g1 2T h ew o r km e e h a n i s mo fM o b i l eI P v 6 具体工作过程描述如下 1 当移动节点在家乡时 可以使用常规路由机制 对发往移动节点的数据包 就好像它不是移动节点 2 当移动节点在外地链路 时 向家乡代理发送 绑定更新 消息 利用I P v 6 邻居发现协议 通过有状 态或无状态的 地址自动配置 来注册一个转交地址 3 家乡代理为移动节点 返回 绑定认可 消息 这个被注册的转交地址成为移动节点的 主转交地址 4 5 当通信节点要与移动节点通信时 在不知道移动节点转交地址的情 无线网络中T C P 性能改进方案 况下 发往移动节点的数据包仍然路由到家乡链路 家乡代理通过 代理邻居发 现 机制来截获此数据包 并利用 I P v 6 封装 协议来封装数据包 通过隧道传 给移动节点 6 移动节点向通信节点发送 绑定更新消息 通告现在的转交地 址 7 通信节点知道了移动节点当前的转交地址 就可直接与移动节点进行通 信 不用通过家乡代理 1 2 2 无线网络中T C P 协议的研究现状 T C P 在因特网上取得了巨大的成功 但是当它应用于无线网络时 所面临的是 与有线网络截然不同的网络环境 原有的算法和策略已不能适应新的网络环境 表现就是性能的显著下降 近年来 随着互联网络的迅速发展 针对如何改进T C P 在无线网路中的传输 性能这一课题已经逐渐成为国内外研究的热点 因为研究无线移动网络中T C P 性 能的改善 可以大大促进无线通信和因特网的发展和部署 进一步提高网络通信 的效率 现阶段存在三种基本的解决方案 1 端到端解决方案 分段的T C P 连接方案 和链路层解决方案 端到端解决方案从整体出发 希望在不改动现有应用和下层 协议的基础上找到解决问题的方法 分段的T C P 连接方案通过在基站终止T C P 连 接来完全地从发送方隐藏无线链路 链路层解决方案则是一种试图从下层 数据 链路层 来改善T C P 性能的方法 目前 仍然不断有人提出新的解决方法 但是由于存在不同的无线通信环境 如 卫星通信 无线广域网 无线局域网等 它们各自具备不同的传输特性 如 带宽 延迟等等 这种情况导致现有的解决方案都还不够完善 目前尚未出现统 一的技术标准和规范 因此 如何在不改动现有各种应用的基础上提出一种比较完善的改进T C P 在 无线网络中性能的解决方案 是一件非常有意义和极其紧迫的工作 1 3 本文的主要研究工作及内容安排 基于上述提出的问题 本文重点研究了T C P 协议在无线网络中的改进算法 全文分为5 个章节 主要工作及内容安排如下 第1 章引言 笫1 章引言首先提出了进行课题研究的背景和意义 分析了T C P 在无线 网络环境中遇到的问题和面临的挑战 其次简要介绍了课题的研究现状 并对本 文所做的主要工作做出总结 第2 章T C P 协议的介绍简要的介绍了本论文涉及到的关于T C P 协议的基本 概念和工作原理 包括定时器的管理 T C P 拥塞控制机制等 第3 章T C P 在无线网络中的性能分析和研究是为本课题的研究提供理论基 础 首先 深入研究和分析了T C P 在无线网络中性能下降的现象及其主要原因 其后归纳了无线网络中现有的几种典型T C P 改进方案 并对这几种方案的优缺点 和存在的问题进行了探讨和分析 第4 章一种新的无线网络中T C P 性能的改进方案是整篇论文的核心部分 由于本文所作的研究工作是在A DH O C 的基础上进行的 因此首先详细阐述了A DH O C 的实现机制及设计中尚待解决的问题 以此为基础 提出了一种新的无线网络中 的T C P 改进方案 分别从状态的判别 采取的响应措施和方案的优势等几个方面 详细阐述新方案的设计过程 第5 章改进方案的仿真与实现是论文的测试部分 首先概述了网络仿真 工具的选取和使用 接下来介绍仿真模型的设置和参数的选取 之后给出了不同 移动拓扑环境下的仿真结果 并对性能进行了分析以验证新方案的正确和有效 结束语对论文所作的工作加以总结 并指出了本方案所存在的缺点和需要 继续研究与改进的地方 无线网络中T C P 性能改进方案 第2 章T C P 协议的介绍 2 1T C P 传输协议工作原理 T C P 是形式完整的传输协议 采用面向连接的工作方式 提供一种端到端的可 靠数据传输服务 以及一种把T C P 封装的数据传递到某个应用层协议的方法 非 连接型通信和连接型通信二者之间存在着一个重要的差别 即连接型通信要确定 前后的顺序 利用这种前后顺序关系 T C P 能够使各个报文之间建立一定的联系 并根据这一关系来标示各个报文的顺序 此外 利用这种前后关系 T C P 就能识 别重复的报文 还可以确定某个报文是否丢失 将连接的前后关系和简单的校验 综合在一起 T C P 可靠传输数据的工具就齐备了 2 1 1T C P 滑动窗口技术 T C P 是基于滑动窗口的技术 但是数据的确认过程和允许发送数据的通告分开 处理 被传输的每个字节都要被赋以一个序列号 当发端传输报文段的时候 按 照A i W j 的方式进行发送确认信息 具体含义如下 序号为i l 以下的字 节均已得到确认 下一个期望收到的字节的序号为i 允许对方再发送一个窗口 W 共j 字节的数据 这j 个字节的序号为i 到i j l 这种机制中 完全依靠确认 应答 2 1 2T C P 报文重传 在网络拥塞的时候 会产生数据报文的丢失 而接收端通过连续相同的A C K 通知发送端或者发送端定时器超时都可以触发发送端报文的重传 在这里无论采用哪种情况 都需要对发送端的重传定时器的数值进行合理的 设置 如果设置的值过小会造成许多次不必要的重传 而如果设置过大则会导致 T C P 协议对报文的丢失反映很迟缓 通常将定时器的值设置成比延迟稍大的值 但是由于在网络中延迟是随着网络负载情况而变化的 所以一个准确的延迟值需 要根据当前网络的状态进行调整 最简单的方法是根据所有的报文的往返时间取 平均值 除了这种简单的机制还有三种机制能够更加准确的对重发超时时间 R e t r a n s m i s s i o nT i m eO u t R T O 作出估计 分别是王m 方差估计 指数退避和 K a r n 算法 第2 章T C P 协议的介绍 1 R T T 方差估计 其中 础 k 是前k 个报文的往返时间的平均值 r t t k 是第k 个报文的往返时间 s d e v k 是估计的平均偏差 2 指数退避 r t o 宰q r t o 这和传统以太网中的C S M A C D 相同 3 K a r n 算法 在发生报文段重传的时侯不适用方差估计的方法 而是使 用指数退避算法对R T O 进行修正 直到收到一个没有进行重传的报文的确认信息 则不再使用指数退避 而使用方差估计对R T O 进行修正 原因 当网络发生重传 的时侯 T C P 并不能够对收到的A C K 进行区分 重传的报文A C K 还是对报文段的第 一次确认 在第二种情况下 R T T 只是比预期的稍长 但确实是网络中真实情况 的反映 而且这种情况下也没有产生报文丢弃 2 1 3T C P 拥塞控制 1 9 8 8 年V a nJ a c o b s o n 指出了T C P 在控制网络拥塞方面的不足 并提出了 慢 启动 S l o wS t a r t 和 拥塞避免 C o n g e s t i o nA v o i d a n c e 算法 1 9 9 0 年出 现的T C PR e n o 版本增加了 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 t R e c o v e r y 算法 避免了网络拥塞不严重时采用 慢启动 算法而造成过大的减 小发送窗口尺寸的现象 这样T C P 的拥塞控制就由这4 个核心部分组成 最近几 年又出现了T C P 的改进版本 如N e w R e n o S A C K 等 1 4 1 慢启动 S l o wS t a r t 当T C P 完成一个连接 发送方就开始通过接收窗口大小来了解接收方缓存的 能力 并采用慢启动检测网络容量和决定拥塞窗口的大小 T C P 发送者启动一个长 度为1 的拥塞窗口 对于每个收到的T C P T C P 指数增长窗口大小 直到到达慢启 动阶段的门限值 s s t h r e s h 然后它进入拥塞避免阶段 2 拥塞避免 C o n g e s t i o nA v o i d a n c e 在慢速启动工作完成后开始生效 在这个过程中 拥塞窗口 C w i n d 的大小以下 分缓慢的速度增长 每收到一个确认应答 A c K 窗口值便增加lC w i n d 除非它 的大小已经超过了收端通知窗口的大小 每一个往返时延 R T T 大约增加一个 段值大小 无线网络中T C P 性能改进方案 雹 侮 稍 雾 0Z46Bl O l Z1 4 1 6 1 8Z U Z Z Z 4 传输号 图2 1 慢启动和拥塞避免的示例 F i g2 1T h e c u r v eo f s l o ws t a r ta n dc o n g e s t i o na v o i d a n c e 3 快速重传和快速恢复阶段 快速重传是当T C P 源端收到到三个相同的A C K 副本时 即认为有数据包丢 失 则源端重传丢失的数据包 而不必等待R T O 超时 同时将s s t h r e s h 设置为当 前c w n d 值的一半 并且将c w n d 减为原先的一半 快速恢复是基于 管道 模型 p i p em o d e l 的 数据包守恒 的原则 c o n s e r v a t i o n o f p a c k e t sp r i n c i p l e 即同一时刻在网络中传输的数据包数量是恒定的 只有当 旧 数据包离开网络后 才能发送 新 数据包进入网络 如果发送方收到一个重复的 A C K 则认为已经有一个数据包离开了网络 于是将拥塞窗口加1 如果 数据包 守恒 原则能够得到严格遵守 那么网络中将很少会发生拥塞 本质上 拥塞控制 的目的就是找到违反该原则的地方并进行修正 如图2 2 所示 快速恢复技术可以精确地表述如下 们弘驼勰丛 埔挖8 4 0 第2 章T C P 协议的介绍 4 04 24 44 64 8 5 05 25 4 5 6 5 86 06 2 6 4 6 6 6 8 传输号 图2 2 快速重传与快速恢复 F i g2 2F a s tr e t r a n s m i ta n df a s tr e c o v e r y 2 2 端到端拥塞控制机制 端到端拥塞控制是目前I n t e r n e t 的一个研究热点 拥塞控制算法对保证 I n t e r n e t 的稳定性具有十分重要的作用 从控制理论的角度 拥塞控制算法可以 分为开环控制和闭环控制两大类n 钉 当流量特征可以准确规定 性能要求可以事 先获得时 适于使用开环控制 当流量特征不能准确描述或者当系统不提供资源 预留时 适于使用闭环控制 I n t e r n e t 中主要使用闭环控制方式 闭环的拥塞控 制分为以下三个阶段 检测网络中拥塞的发生 将拥塞信息报告到拥塞控制点 拥塞控制点根据拥塞信息进行调整以消除拥塞 闭环的拥塞控制可以动态适应网 络的变化 但它的一个缺陷是算法性能受到反馈延迟的严重影响 当拥塞发生点 和控制点之间的延迟很大时 算法性能会严重下降 根据算法的实现位置 可以将拥塞控制算法分为两大类 链路算法 1 i n k a l g o r i t h m 和源算法 s o u r c ea l g o r i t h m 链路算法在网络设备 如路由器和交换 机 中执行 作用是检测网络拥塞的发生 产生拥塞反馈信息 源算法在主机和 网络边缘设备中执行 作用是根据反馈信息调整发送速率 拥塞控制算法设计的 关键问题是如何生成反馈信息和如何对反馈信息进行响应 链路算法的研究目前集中在 主动队列管理 A c t i v eQ u e u eM a n a g e m e n t 嬲 孔毖加协拍M他m 8 6 拥塞窗口一I B 无线网络中T C P 性能改进方案 A Q M 算法方面 A Q M 的一个代表是R E D n 耵 R a n d o mE a r l yD e t e c t i o n R E D 算法 要比传统的 队尾丢弃 D r o pT a i l 具有更好的性能 但是R E D 的性能对算法的 参数设置十分敏感 至今仍没有在I n t e r n e t 中得到广泛的使用 在文献 1 7 中提 出了一种方案也属于链路算法通过允许路由器修改T C P 分组头中的接收端广播窗 口域中的值来阻止T C P 源端增加其拥塞窗口超过带宽时延积B W D P b a n d w i d t h d e l a y p r o d u c t 这样T C P 发送的分组数就不会超过中间节点的缓存 源算法可被分为三类 速率控制 依靠R T T 估计和依靠源端或接收端返回的 附加信息 所谓附加信息指的是在T C P 标准头中不能提供的信息 采用速率控制 和依靠R T T 的方法不能鉴别反向链路上的拥塞 于是反向链路的拥塞或者是由于 链路的不对称造成的R T T 的增加会对此算法带来不利影响 在R T T 控制窗口的情 况下 拥塞窗口会减小 由于R T T 增加 而导致吞吐量降低 在速率控制的情况 下为提高吞吐量必然需增加窗口大小 于是导致前向链路上的进一步拥塞 在文 献 1 7 中提出一种拥塞控制机制 把R T T 的变化作为网络时延的一种标志 具体算 法是跟踪最大和最小时延来估计瓶颈路由器中的最大排队长度以便控制窗口大小 而避免队列溢出造成分组丢失 每当R 竹偏离最大最小R T T 的均值时 就对拥塞 窗口作一i 8C w n d 调整 或增加或减小 而在 R F C l 3 2 3 中采用T C P 选项中的时 间戳 在每个分组头中都标志此选项以获得更准确的R T T 估计 接收端在A C K 分 组中响应此时间戳 这样再通过一简单的减法就可计算出R T T 值 两种比较典型的速率控制方法是T r i S n 羽和T C PV e g a s n 钔 T r i S 是一种基于吞 吐量计算的速率控制机制 计算某一窗口情况下的吞吐量 接着使窗口增大一个 分组 比较两种情况下的吞吐量 如果吞吐量小于较小窗口情况下的吞吐量的一 半时 就把窗口减小一个分组 而T C PV e g a s 包括三个主要部分 重传机制 拥塞 控制机制和改进的慢启动算法 T C PV e g a s 通过检测重复确认A C K 的时间戳选项来 提供较快的重传 拥塞避免机制是基于每个R T T 内的理想吞吐量和实际吞吐量间 的比较 其目标就是保持实际的吞吐量在两门限口和 内 口和 分别代表窗口 中未被确认的数据很多和很少情况下的吞吐量 2 3 无线链路对T C P 拥塞控制机制提出的要求 一般而言 拥塞控制机制有三要素组成 网络须有一个拥塞信号来通知网 第2 章T C P 协议的介绍 络终端网络的拥塞情况 网络终端在得知网络出现拥塞后 须采用策略来降低 网络负荷作为对拥塞信号的响应 当瓶颈链路上可用带宽增大时网络终端必须 有负荷增加策略 即能从拥塞中恢复过来的能力 对于网络拥塞的通知方法基本 有两种 一种是基于时延的机制 一种是基于丢失的机制 现在 在有线网络中 般采用分组丢失作为网络拥塞的标志 而实现方法又可分为两种 其 是基于 分组丢失的检测作为直接的触发机制 其二是基于检测分组丢失率作为间接的触 发机制 上述的网络拥塞控制机制是基于有线网路进行讨论的 而在无线I n t e r n e t 中必然要考虑无线链路的特殊性 如通信的时延大且易改变 链路的误码率高 带宽资源的不对称性 路由的变化和连接的断开等等 于是需要对拥塞控制机制 作一定的改进 下面主要讨论一下通信路径中有无线链路时 T C P 拥塞控制机制应 该注意的几点 1 网络状态的判断 在有线网络中只需判断网络是否拥塞就可以了 但在无线环境中网络的状态 就不但是拥塞和非拥塞了 还存在着许多别的状态 例如在A DH O C 网络中 网络 的状态可分为多种 拥塞 路由变化 连接的断开等 于是在无线环境中还需要 别的状态通知信号 此机制在以后章节中会作进一步的讨论 2 差错恢复时拥塞窗口和慢启动门限值的调整 在标准T C P 中 采用的差错恢复机制有两种 一种是基于D U P A C K 的重传即快 速重传 另一种是基于超时的重传 但这种机制对差错的恢复都是认为差错是由 于网络拥塞引起的 于是在对差错恢复时会调整拥塞窗口和慢启动门限值以减轻 网络负荷 但在无线网络中数据的丢失是由于多种原因引起的 例如无线链路的 高误码率 信号衰落 终端的移动和频繁切换等 于是不能把所有的差错都认为 是由于网络拥塞引起的 因此在对差错进行恢复的时候要根据数据丢失的原因来 判断是否有必要对拥塞窗口和门限值进行调整 3 A C K C L O C K I N G 机制带来的弊端 T C P 的一个很大的特性就是必须依靠接收端的A C K 确认达到发送端才可增大 数据的发送速度 因此在这种情况下如果通信链路存在不对称性 或者A C K 的速度 与数据的速度相比较慢 则会阻止前向链路的数据的发送速度而降低链路带宽的 无线网络中T C P 性能改进方案 利用率造成资源的浪费 再者在无线环境中 A C K 丢失的情况也会经常发生 这也 会带来前向链路的的低利用率 而且A C K 的丢失还会带来前向链路的突发性数据 流 实际上在无线通信中 很多情况下都存在链路的不对称性 于是采用A C K 激 活机制必然会带来吞吐量的降低 这就需要考虑改进发送端发送数据的激活机制 以提高连接的吞吐量 例如在算法S a n t aC r u zT C P 嘞1 中 就采用在每一时间间隔 内对发送速度作一定调整的机制 4 对R 竹准确估计的要求 一般来说无线媒介的时延要比有线的长 时延较长会引起伪重传超时而造成 许多不必要的重传 同时 为克服无线链路的高误码率 一般在链路层中都会进 行一定的差错恢复机制 在这种情况下如果不能对R T T 作准确的估计就会引起链 路层和传输层间差错恢复机制间的相互冲突 造成吞吐量的衰减和传输时延的增 大 直接降低了T C P 的性能 因此有必要对R T T 作准确的估计 而要获得较准确 的R T T 估计所要遵循的原则是R T T 抽样速率越接近于l T C P 发送端越能精确地估 计R T T 使用时间戳 R F C l 3 2 3 3 对每个分组进行记时 这样就能比较精确地跟踪R T T 的变化 当使用时间戳时T C P 发送端将时间值写入分组头中的时间戳选项中 接 收端将根据 R F C l 3 2 3 中的规则 在相应的A C K 中响应其时间戳 当发送端收到确 认时就会更新R T T 由于可以跟踪R T T 的变化 因此就可在一定程度上减少伪重 传分组的个数 第3 章T C P 在无线网络中的性能分析与研究 第3 章T O P 在无线网络中的性能分析与研究 传统的T C P 协议是为有线网络环境而设计的 因此T C P 假定网络拥塞是引起 报文丢失的唯一原因 并相应地采取拥塞控制机制 然而在无线网络中 无线链 路的高误码率和主机的移动切换也能经常引起报文丢失 而T C P 仍然将这些报文 丢失归咎于网络拥塞 这种错误的推论最终导致无线网络中T C P 性能的严重下降 由于T C P 协议应用的广泛性 如何提高T C F 在无线网络中的性能成为目前研究的 热点问题 3 1T O P 协议在无线网络中的性能分析 无线网络领域显著提高的活跃行为显示了移动主机和无线链路将会成为未来 网络的主干 基于这种网络的通信和传统的有线网络相比有十分不同的特性 无 线链路目前还没有有线那么高的带宽 而且误码率也高得多 并且 由于无线通 信的主要模型是蜂窝状连接 用户从一个小区越区切换到另一区就会导致频繁的 延时 为了更好的分析T C P 协议在无线网络环境中的性能问题 本节对T C PR e n o 版 本在无线链路和有线链路上的传输性能进行了比较和分析 实验的网络拓扑图如 图3 1 所示 B a s e j 5 f 1 B a s e 群2 图3 1 无线网络的实验拓扑图 F i g3 1T h ee x p e r i m e n t a lt o p o l o g yo f t h ew i r e l e s sn e t w o r k 其中 有线链路的带宽为1 0 M 延时为2 m s 无线链路的带宽为2 M 延时为1 0 m s T C P 数据流从固定主机通过基站发往移动主机 模拟的总时间为1 0 0 秒 T C P 源发 送的起始时间为第1 0 秒 本节通过模拟实验观察了T C P 数据从第1 0 秒开始发送到第1 0 5 秒时的情况 无线网络中T C P 性能改进方案 直观的展现了有线链路和无线链路传输数据的不同特点 实验所使用的网络拓扑 结构如图3 1 T C P 协议使用的是T C PR e n o 一条T C P 流从T C PS e n d e r 到R o u t e r 用于观察T C P 数据在有线链路中的传输情况 另一条T C P 流从T C PS e n d e r 到T C P R e c e i v e r 用于观察T C P 数据在无线链路中的传输情况 报文大小为1 4 6 0B y t e s 实验结果如下图3 2 和3 3 1 0 01 0 11 0 21 0 31 0 4l O 5 T i m e s 图3 2 有线链路上的数据传输 F i g3 2D a t at r a n s m i s s i o ni nw i r el i n k O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 O 5 4 4 3 3 2 2 1 l 80IIItlII ooIIo 口 刀 第3 章T C P 在无线网络中的性能分析与研究 玺 謇 釜 善 拐 T i m e s 图3 3 无线链路上的数据传输 F i g3 3D a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sl i n k 图中纵坐标为报文序列号 横坐标为时间 从图中可以看出 T C P 在有线链路 上的数据传输过程非常平稳 发送窗口持续增长 确认报文的返回时延比较小 因此T C P 源端在半秒左右的时间成功发送了约5 0 0 个数据报文 与之相对应的无 线链路的传输起伏则变化很大 发送窗口增长非常缓慢 确认报文的返回时延比 较大 因此只成功发送了约4 0 个数据报文 结果直观表现了无线链路异于有线链 路的一些特点 如时延大 差错高等 同时也揭示了这些元素对T C P 数据传输的 影响 大的延时使得确认报文的返回时间较长 T C P 发送窗口的