（信号与信息处理专业论文）tcp在无线环境下性能的改善.pdf

摘要 摘要 随着无线网络技术的兴起，产生了许多相关的议题。由于无线网络所具有的特性和有线网络有 很大的不同，因此一些传统的通信协议，都必须重新接受检验。在这些必须被重新检验的通信协议 中，最重要一个的就是t c p 。主要的原因在于t c f 所设计的拥塞控制机制，把所有数据包的丢失都 当成拥塞引起的。但是在无线网络中，无线网络的高错误率会导致数据包丢失。当t c p 发送方得知 这个丢失事件之后会认为是由拥塞引起的，由此会降低拥塞窗口的大小，也会降低吞吐量。 本文先分析了t c p 在无线环境中的弊端，表现在三个方面：( 1 ) t c p 的错误检查机制不能区分 无线和有线环境中的不同差错类型；( 2 ) t c p 的纠错机制是针对有线网络设计的，不适用无线网络 环境。( 3 ) 传统t c p 协议的性能衡量尺度仅考虑了网络吞吐量，对无线网络还需要从能量的使用效 率来考虑协议性能。 然后本文介绍了当前已经提出的各种解决方案，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、尚待解决的问题进行综合分析评价。最后详细介绍了s n o o p 方案的思想，并 在此基础上，利用部分确认、t c p - p r o b i n g 、f r e e z e - t c p 的思想提出了新的解决方案。 本文采用网络仿真工具o p n e t 执行效果仿真。首先。将改进后的方案与t c pn e wr e n o 进行 比较，证明可以有效地提高吞吐量。然后评估了t c p 的三个版本t a h o e 、r e n o 、n e wr e n o 在无线 网络中的能量使用效率。最后对本文的方案的能量使用效率进行评估并与t a h o e 、r e n o 、n e wr e n o 的能量使用效率比较。 最后总结本文，提出今后的研究方向。 关键词：无线网络，t c p ，性能，能量使用效率s n o o p ，f r e e z e - t c p ，t c p - p r o b i n g a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo f w i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，m a n yr e l e v a n ti s s u e sc o m ea l o n gw i t hi t b e c a u s eo f t h e e s n t i a ld i f f e f e n c e sb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r k , s o m et r a d i t i o n a lp r o t o c o l n e e dt ob er e v i e w e di nm o r ed e t a i l t c pi sp a r t i c u l a ri m p o r t a n ta m o n gt h e s e t h em a i np r o b l e mi st h a tt h e c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi nt h ed e s i g no ft c p d e e m sa l lp a c k e tl o s sa st h er e s u l to ft h ec o n g e s t i o n b u t , i nf a c t ，t h ee r r o rp a c k e tl o s sd u r i n gc o m m u n i c a t i o nc o m e sf r o mt h eh i g he r r o rr a t eo fw i r e l e s s e n v i r o n m e n t w h e n e v e rt h et c ps e n d e rr e c e i v e sal o s se v e n t i tt e n d st oc o n c l u d et h a tt h ep a c k e tl o s sa sa k i n do fc o n g e s t i o np a c k e tl o s sw h i c hc o m e sf r o mc o n g e s t i o n ，a n dt r i e st or e d u c et h ec o n g e s t i o nw i n d o w s i z e ，a n dt h e r e f o r er e d u c et h et h r o u g h p u t i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s st h es h o r t c o m i n g so f t c p sb e h a v i o ri nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h r e e o n e s ：( 1 ) t h ep r o t o c o l se r r o rd e t e c t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hd o e sn o td i s t i n g u i s hd i f f e r e n tt y p e so f e r r o r sa n d t h u sd o e sn o ts u m c ef o rw i r e l e s se n v i r o n m e n t ；( 2 ) t h ee r r o rr e c o v c r y , w h i c hi sn o tr e s p o n s i v et ot h e d i s t i n c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sn e t w o r k s ；( 3 ) t h ep r o t o c o ls t r a t e g y , w h i c hd o e sn o tc o n s i d e rt h e t r a d e o f f b e t w e e np e r f o r m a n c em e a s u r e ss u c ha st h r o u g h p u ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h e n ，w ed e s c r i b ea n de v a l u a t es o m ed e s i g na l t e r n a t i v e sa n dr e l a t e dw o r kt h a ta d d r e s st h i sp r o b l e m i n c l u d i n gt h ee n dt oe n da p p r o a c h ，t h es 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 w ei n t r o d u c e t h es n o o pp r o t o c o li n d e t a i la n dan e we n h a n c e m e n tt ot c pb a s eo nt h ep r e v i o u s l yp r o p o s e ds c h e m e s p a r t i a la c k n o w l e d g e m e n t ，t c p - p r o b i n ga n df r e e z e - t c pi si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t c e t h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e dm e t h o dh a sb e e ns i m u l a t e db ys u i n gt h en e t w o r ks i m u l a t o ro p n e t i t h a sb e e ns h o w nt h a tt h et h r o u g h p u to ft h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e nl a r g e l yi m p r o v e dc o m p a r e dt ot c p n e wr e n o t h e nw ee v a l u a t et h et h r e ev e r s i o n so ft c p ：1 耻l o e r e n oa n dn e wr e n ow h i c hb e h a v e d i f f e r e n t l yi nw i r e l e s sn e t w o r k sw i t he n e r g ye f f i c i e n c y f i n a l l y , w ee v a l u a t et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h e p r o p o s em e t h o d ，a n dc o m p a r e di tw i t ht a h o e ，r e n oa n dn e w r e n o k e y w o r d ：w i r e l e s sn e t w o r k ，t c p , p e r f o r m a n c e ，e n e r g ye f f i c i e n c y , s n o o p ，f r e e z e - t c p ，t c p - p r o b i n g i i 东南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成果。 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，也不包含为获得东南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：盐日期：21 竺：主：鲨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 随着计算机和通信技术的发展，人们能够越来越方便的实现信息的共享，t c p i p 协议使得世界 上不同体系结构的计算机网络互连在一起形成一个全球性的广域网络i n t e m e t ，这为各种信息的共享 提供了便捷的途径。在i n t e m e t 中的每一台计算机可以访问i n t c r n e t 上的其他任意一台计算机，好像 它们在一个局域网内用双绞线或同轴电缆直接连接起来一样( 不同之处是速度比局域网慢) 。现在 t c p i p 协议组已经非常流行，并且己经成为网络通信协议事实上的标准。 无线通讯技术的发展日趋成熟，无线技术正在全球的i n t e r a c t 结构中占据越来越重要的位置， 移动计算机和它们的无线通信链路将是未来i n t e m c t 中一个主要的组成部分。越来越多的人会应用 移动设备，如带了无线接收器的手提电脑、掌上电脑等，随时收发电子邮件、发送彩色数码相片及 大容量档案，或者玩网上游戏可以预计在不久的将来，无线网络在日常生活和工作中所扮演的角 色会变得越来越重要。 无线技术有许多种，可以分为蜂窝网、无线局域网、a dh o c 网络和卫星网络等。其中蜂窝网和 无线局域网都是通过基站和固定网络连接起来，这也是目前应用最广泛的无线网。在这种情况下， t c p 在无线通信网络中也得到了越来越广泛的应用。因此针对如何改进t c p 在无线网络中的传输性 能，特别是改进数据在无线有线混合网络中的传输性能这一课题已经逐渐成为研究的热点之一 1 2 传统t c p 在无线环境下遇到的问题 在有线网络上已经发展非常成熟的t c p 协议，是否能够在无线网络中具有良好的性能呢? 特别 是在无线有线混合网络中传输数据的情况下，t c p 是否能够保持原有的性能呢? 理论上传输协议应该使用独立于下层网络层的技术。t c p 不必关心下层网络到底是运行于光纤 还是无线上。然而在实际应用中，它必须要加以考虑，因为不同的介质其传输特性大不相同。多数 t c p 程序实现己在一些假设的基础上被优化了。这些假设在有线网络上正确，而在无线网络中则不 能成立。忽略无线传输的特点使t c p 在逻辑上正确，但实际中性能极差。总的来讲，是由于无线网 络相对于有线网络的特殊性使得在有线网络上应用很成功的t c p 协议，在无线网络上表现得不好 无线网络具有以下几种特性： 1 较高的错误率 无线网络的b e r 大约在1 0 - 2 到i o - 8 之间，相对于有线网络来说( 1 0 - 6 到1 0 s ) ，这是比较严重 的情形。 2 暂时性的断路 包括为了提供移动性的切换，以及信号衰弱的问题 3 有限的带宽 尽管无线链路的带宽，已经从几十k 、几百k 提高到了几m 甚至几十m ，但是和有线网络动 辄1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s ，甚至1 0 0 0 m b p s 相比，带宽的上限实际是很少的 4 能量有限 东南大学硕士学位论文 和有线网络的固定主机比起来，移动设备通常使用电池提供有限的能量。从而使得通讯时间受 到限制。因此。如何设计能量使用率高的协议也是移动通信面对的一个挑战。这些无线网络的特性， 对于一些传统的通行协议来说，是一个全新的挑战。 在有线网络中，链路的错误率几乎是没有的，也就是这个原因。在t c p 中。把所有数据包丢失 都当作是网络拥塞引起的。但是由于无线网络的特点，这个假设是不正确的。在无线网络中，数据 包的丢失可能是由于较高的错误率引起的，也可能是由暂时性的断路引起的这种情况下，如果运 用传统的t c p ，在发送方得知这个丢包事件之后，会认为是由网络拥塞引起的。采用拥塞控制机制， 减小自己的拥塞窗口，从而降低系统吞吐量。这些都是可以避免的 一般人们认为能量消耗越多，所获得的吞吐量也越大，但是。吞吐量和能量消耗之间的权衡， 也就是吞吐量，能量的效率问题也是很重要的。因此，提高能量的使用效率对用电池供电的无线设备 至关重要。 1 3 本文研究的主要内容和适用情况 i n t e r a c t 上的t c p 协议( 传输控制协议) 提供端到端的面向连接的可靠服务，其重点在于稳定 性、带宽使用效率、差错控制及拥塞控制和避免。随着无线网络的出现，需要对协议重新评估的呼 声越来越高，关键原因在于无线网络中的差错类型与有线网络不同和无线网络中的能量有限。这就 要求改进t c p 提供可靠的差错检测和纠错机制，并重新设立评估无线网络性能的标准。 本文的主要目标是：改善t c p 在无线有线混合环境下的系统吞吐量，并评估能量使用效率。内 容有： 1 总结当前具有代表性的解决方案 分析他们的优点，指出各自使用范围以及尚待解决的问题。 2 在各种方案的基础上，提出新的解决方案 把链路层解决方案( 基于s n o o p ) 、部分确认，t c p - p r o b i n g 、t c p - f m e z e 的思想综合运用。从 而提高t c p 在无线有线混合环境下的性能。 3 评估各种版本t c p 协议的能量使用效率。 引入t c p 能量使用效率的评估标准，对各种常用t c p 版本的能量使用效率进行研究。权衡改 进后方案的吞吐量和能量的消耗，并和常用t c p 版本进行比较 由于无线网络涉及到复杂的通信环境，同时，数据传输的方向( 从有线网络到无线网络或者从 无线网络到有线网络) 的不同会在传输过程中造成很大差异，因此本文提出的解决方案不可能面面 俱到。本文的适用情况为： 1 通讯环境主要是低带宽的无线局域网或无线数字蜂窝网 在这里的通信环境都是涉及到无线有线混合网络的情形，不讨论卫星通信、a dh o e 网络等其它 通信环境。 2 只讨论t c p 数据流下行方向的情况 数据流的方向可以分成上行和下行两个方向。上行方向代表从无线终端到服务器，下行方向是 从服务器到无线终端。然而要达到提升t c p 的吞吐量的目标，这两种方向的解决方案是不同的。为 了简化问题的研究，本文将针对下行方向的数据流作讨论。 3 本文主要修改基站( b s ) 或a p 等无线接入点 本文的目标放在基站等无线接入设备上。我们主要对这一设备作修改，预期能够提升t c p 的性 能。t c p 是当今网络世界中最主要的通信协议，如果通过修改t c p 的拥塞控制机制而达到目标，那 么在实际上的可行性会大打折扣。所以我们对无线终端做尽量少的修改，这样对于使用者和网络管 理员来说，都是最可行的，也最方便。这种做法对于端到端的t c p 拥塞控制机制来说，可以达到透 明的效果。 2 第1 章绪论 1 4 论文结构的安排 论文各章节安捧如下： 绪论部分简要介绍了改进t c p 在无线有线混合网中性能的背景和意义，并介绍了本文的主要目 标、内容和范围。 第二章首先介绍t c p 常用的版本，以及拥塞控制机制的演进，接着介绍无线网络和有线网络各 自不同的特性以及现有的t c p 拥塞控制机制面临的挑战 第三章介绍各种解决方案，并对他们的优点、缺点、尚待解决的问题进行综合分析和评价。重 点介绍s n o o p 、部分确认、f r e e z c - t c p 和t c p p r o b i n g 的思想。最后，我们在前面各种方案的基础 上提出自己解决方案的思路。 第四章主要是对本文系统的分析和实现。先介绍s n o o p 算法，然后再在此基础上进行改进。主 要包括：用部分确认的思想加快本地重传的速度，用t c p - p r o b i n g 的思想探测无线网络端的状态， 以及用f r z e - t c p 的方法阻止发送方超时后拥塞窗口的减小。随后给出了系统的状态迁移图，并详 细介绍了各个状态的转移条件和处理流程。 第五章对我们改进后的系统进行性能的分析。主要包括：改进后系统吞吐量的提升，有线网络 端r t t 对系统性能提升的影响，各种版本t c p 能量使用效率的分析；。顷及改进后系统能量使用效 率的权衡和比较。 第六章先对本论文做一个简单的总结，然后再展望了未来该课题可以研究的方向 1 5 本章小结 本章主要介绍了t c p 在无线有线混合网中性能改进的背景和意义。然后介绍了本文的主要目 标、内容和范围。最后阐述了本文所做的工作和文章内容的安排。 3 第2 章t c p 协议介绍 2 1t c p 的基本原理 第2 章t c p 协议介绍 当今，t c p i p 协议已经成为i n t e r a c t 的主流协议。t c p 协议主要是用来提供面向连接的可靠服 务。而其中差错控制是协议的核心成分，同时也影响到协议的性能，包括吞吐量、能量消耗等。差 错控制分为两部分：检错和纠错。t c p 的基本原理如下： 应用数据被分割成t c p 认为最合适发送的数据块，称为报文段 当t c p 发出一个报文段后，启动一个定时器，等待目的端确认。如果不能及时收到确认，将重 发这个报文段。 t c p 将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中 的任何变化。如果收到的报文段的校验和有差错，t c p 将丢弃这个报文，并且不发送确认信息 ( 希望发送方超时重发) 。 由于t c p 报文段作为i p 数据包来传输，而伊数据包的到达可能会失序，因此t c p 报文段的到 达也可能会失序。如果必要，t c p 将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序 交给应用层。 由于i p 数据包会发生重复，t c p 的接收方必须丢弃重复的数据 t c p 还能提供流量控制t c p 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。t c p 的接收方只允许发 送方发送接收缓冲区所能接纳的数据，这将防止较快主机导致较慢主机的缓冲区溢出 t c p 通过察看接收到的确认序号来检错，当超时放生后，没接收到相关的确认，意味着网络中 发生了拥塞。然后通过重传和调整发送方的窗口大小和超时定时器来进行纠错。 2 2t c p 的拥塞控制机制 由于在t c p 协议设计之初，无线互联网技术尚未出现，所以t c p 的设计是基于高可靠性、低 错误率的有线网络。它将网络中所有报文段的丢失都假设为网络中产生了拥塞。正是由于这样的假 设，t c p 在应用于无线网络时，遇到了很大困难。其性能也大大降低。为了更好的说明这个问题， 下面重点介绍一下t c p 的拥塞控制机制。 当网络中存在过多的数据包时，网络的性能会下降，这种现象称之为拥塞。拥塞控制是控制发 送主机向网络发送数据包的速率，以保证网络资源( 路由器缓冲) 的可用性，使发送主机的速率与 网络的接收能力匹配，即网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞发生做出反应的控制方法。 t c p 的拥塞控制机主要使用了四个参数：发送方的发送窗口，防止接收方来不及接收数据的接收方 通告窗1 ：3 或称为允许窗d ( r e c e i v e f s a d v e r t i s e d w i n d o w ) ，用来限制数据发送速率以防止网络拥塞的 拥塞窗口( c o n g e s t i o n w i n d o w ，记为c w n d ) 。避免拥塞窗c i 增长过快而导致拥塞产生的慢启动临界 值或称为i 1 1 琨宣且( s l o ws t a r tt h r e s h o l d ，记为s s t h r c s h ) 。t c p 的拥塞控制机制包括了慢启动、拥 塞避免等算法它们都基于发送方的拥塞控制窗口和一个慢启动门限值，它们是两个目的不同、独 立的算法。但是在实际应用当中，它们又往往结合在一起实现t c p 的拥塞控制机制。 慢启动算法( s l o ws t a r t a l g o r i t h m ) ：慢启动中为发送方增加了一个窗e l ：拥塞窗i c l ，记为c w n d 当与另一个网络的主机建立连接时，拥塞窗i ：l 初始化为1 个报文段。每收到一个a c k ，拥塞窗口就 4 东南大学硕士学位论文 增加一个报文段。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。由于慢启动的拥塞窗口 是按指数方式增长，所以这个过程实际上并不慢。 拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) ：拥塞避免算法实际上是一种处理丢失分组的方法。该算法 假定数据包受到损坏引起的丢失是非常少的( 远小于l ) ，因此分组丢失就意味着在源和目的主机 之间的某处网络上发生了拥塞。有两种数据包丢失的指示：发送方超时和接收到重复确认。这个时 候需要降低数据的发送速率。 拥塞避免和慢启动中这两个算法通常在一起实现。拥塞避免算法和慢启动算法需要对每个连接 维持两个变量：一个拥塞窗口c w n d 和一个慢启动门限s s t h r e s h 。这样得到的算法工作过程如下： 1 对一个给定的连接，初始化c w n d 为一个报文段 2 t c p 输出例程的一次输出数据不能超过c w n d 和接收方通告窗口的大小。拥塞避免是发送方使 用的流量控制。而通告窗口则是接收方进行的流量控制前者是发送方感受到的网络拥塞的估计， 后者则是接收方在该连接上可用的接收缓存大小。 3 当拥塞发生时( 超时或收到重复确认) ，s s t h r e s h 被设置为当前窗口大小的一半。此外。如果是 超时引起的拥塞，则c w n d 被设置为1 个报文段( 即慢启动) 。 4 当新的数据被对方确认后，增加c w n d ，但增加的方法依赖于我们是否正在进行慢启动或拥塞避 免。如果c w n d 小于或等于s s t h r e s h ，则正在进行慢启动，否则进行拥塞避免。 _ 麓 拥。 塞 窗。 口 n 0_抖 时间 图2 1 慢启动和拥塞避免的示意图 慢启动算法初始设置c w n d 为一个报文段，以后每收到一个确认就加一个报文段，这将使窗口按 指数方式增长。拥塞避免算法要求每收到一个确认将c w n d 增加1 c w n d 。与慢启动的指数增加相比。 这是一种加性增长。在一个往返时问内最多为e w n d 增加1 个报文段，而不管在这个r t t 中收到了 多少个a c k ，而慢启动是根据一个r t t 中所收到的确认的个数增加c w n d 大小。 如图2 1 所示，图中以报文段为单位来显示c v m d 和s s t h r e s h ，但它们实际上都是以字节为单位 进行维护的。在时刻0 发送了一个报文a c k ，于是c w n d 增加为2 ，接着发送了两个数据包并假定 在时刻2 收到a c k ，于是c w n d 增加为4 ( 对每个a c k 增加1 ) 这种指数增加算法一直进行到c w n d 等于s s t h r e s h ，图中假定s s t h r e s h 为3 2 个报文段。从此时起。c w n d 以线性方式增加，在每个往返时 间内最多增加1 个报文段。而且假定在时刻1 2 收到它的c w n d 为3 6 个报文段时就会发生拥塞，此 时于是把c w n d 设为1 个报文段，而s s t h r e s h 将为原来窗口的一半，即1 8 个报文段，然后重新执行 慢启动过程。 5 第2 章t c p 协议介绍 2 3 拥塞控制机制的演进 在收到一个失序的数据包时，t c p 立即需要产生一个重复的a c k ，这个重复的a c k 目的在于 让对方知道收到一个失序的数据包，并告诉对方自己希望接收到的数据包的序号。接收方在收到这 个重复的a c k 时，知道数据包丢失了，按照前面的拥塞控制算法应该等待定时器超时。然后进行 慢启动和拥塞避免算法。可以看到，如果仅仅是由于突发的差错导致某个数据包丢失，那样这种拥 塞控制机制会大大降低网络的吞吐量。因此，提出了快速重传和快速恢复的算法。下面介绍几种典 型的改进后的t c p 拥塞控制机制。 2 3 1t c p7 i a h o e t c p t a h o e 拥塞控制算法包含慢启动，拥塞避免，增加了快速重传。同时还实现了基于r t t 的 重传中的超时估计 t c p 的c w n d 从l 开始增长，开始为慢启动阶段，直到超过s s t h r e s h 的时候，则进入拥塞避免阶 段。t c p 把数据包丢失的事件分为重传定时器超时和重复收到同一a c k 两种。当重传定时器超时， 拥塞窗口会降为l ，s s t h r e s h 会将为现在窗口的一半，执行慢启动程序而在收到重复的a c k ( 通 常是3 个) 后，则执行快速重传。此时不用等到定时器超时就立刻重传数据包，拥塞窗口会降为1 ， s s t h r e s h 会降为现在窗口的一半，执行慢启动过程。 然而，慢启动算法并不总是有效，尤其当差错是突发的，短暂和随机的时候，这时事实上没必 要减小窗口，否则将导致在接下来的窗口扩张里信道吞吐量不高。 2 3 2t c pr e n o t c p r e n o 在快速重传的基础上引入了快速恢复算法，快速恢复在重传的时候没有采用慢启动， 而是直接采用了拥塞避免算法。由于收到重复的a c k 不仅仅告诉我们一个数据包丢失了，接收方 只有在收到另一个数据包时才会产生重复的a c k ，也就是说在收发两端之间仍然有流动的数据。因 此不必执行慢启动来突然减少数据流。 算法通常按照如下过程实现： 1 发送方当连续收到第三个重复的a c k 时，将s s t h r e s h 设置为当前拥塞窗口c w n d 的一半，重传 丢失的报文段。设置c w n d 为s s t h r e s h 加上3 倍的报文段大小。公式表述如下：( 其中m s s 表示最大 报文长度，即t c p 传往另一端的最大数据块长度) 占s t h r e s h = 1 2 + c w n d ( 2 1 ) c wn d = s s t h r s h + 3 mss(2-2) 2 每次收到另一个重复的a c k 时，设置c w n d 增加一个报文段大小 c wn d = c wn d + mss(2-3) 3 当下一个确认新数据的a c k 到达时，设置c w n d 为s s t r e a h ( 在第一步中设置的值) 。这个a c k 应该是在重传后的一个往返时间内对步骤l 中重传的确认，同时也应该是对丢失的数据包和收到的 第一个重复的a c k 之间所有中间数据包的确认。 值得注意的是，由于增加了快速恢复的观念，在快速重传阶段重传丢失的数据包后，会进入快 速恢复，直到收到重传数据包的a c k 后，才离开快速恢复阶段，回到拥塞避免阶段。在快速恢复 阶段，t c p 发送方和在慢启动阶段一样，每收到一个a c k ，拥塞窗口就增加一个数据段大小 6 东南大学硕士学位论文 定时器超时 i t h r h h = e w n d 2 c w n d 矗l 2 3 3t c p n e wr e n o 图2 2t c pr e n o 的状态迁移图 n e w r e n o 解决了多个数据包丢失的问题。实际上，它可以避免r o n o 中的多次重传超时。n e w r e n o 中在快速恢复中引入了部分确认。部分确认定义为在启动快速恢复时对新数据的确认( 不包括 还在传输中未接收到的数据) 。这就意味着在进入快速恢复之前并非所有的数据都接收到了。在r e n o 中，部分确认导致离开快速恢复状态。在n o wr e n o 中意味着至少丢失了一个数据包并且需要重传， 这个重传被认为是有效的，继续进行快速恢复。这样，当在一个窗口中丢失了多个数据段时，n e w r c n o 可以马上恢复而不必等待重传超时。 举一个例子，例如当一个序号为i 的数据包丢失了，而t c p 发送方又陆续送出了序号为2 ，3 ， 4 ，5 的数据包。然后t c p 发送方接收到了3 个重复的a c k ，进入快速重传阶段，重传丢失的序号 为l 的数据包，最后进入快速恢复阶段，等待序号为l 的数据包的a c k 报文。这个时候t c p 发送 方会记录序号5 ，也就是说，t c p 发送方希望收到序号为6 的a c k 。如果t c p 发送方接收到序号 为6 ( 或大于6 ) 的a c k ，那么这个a c k 就确认了重传数据包之前的所有数据包如果t c p 发送 方接收到的序号小于6 的a c k ( 例如序号为3 的a c k ) ，那么这个a c k 只是确认了重传数据包之 前的( 例如重传数据包的序号为1 ) 之前的部分数据包( 只是确定t c p 接收方有收到序号为2 的数 据包，但是并没有收到序号为3 的数据包，也就是说，一个发送窗口之内发生了多个数据包丢失的 现象，序号为1 和3 的数据包都丢失了) ，这个a c k 就是部分确认的a c k 。 此时收到部分确认的a c k ( 序号为3 的a c k ) 的t c p 发送方，如果按照t c pr e n o 原有的机 制( 如图2 2 所示) ，他会离开快速恢复阶段，回到拥塞避免阶段，之后要再收到3 个重复的a c k ( 序号都为3 的a c k ) ，再进入快速重传阶段，再重传多重丢失中的下一个遗失的数据包( 序号为 3 的数据包) ，再进入快速恢复阶段。这个过程对t c p 发送方来说，不只是增加了反应的时间。更 糟糕的是，t c p 发送方会一直重复的把拥塞窗口( c w n d ) 降低一半。如果一个发送窗口之内的多个 数据包丢失的情况经常发生，整个t c p 的吞吐量会变得很低。而且在t c p n e wr c n o 中，t c p 发送 方接收到部分确认( 序号为3 的a c k ) 的时候，不会离开快速重传阶段。而是直接重传多重丢失中 下一个丢失的数据包( 序号为3 的数据包) ，这样一来，t c p 发送方即可以快速反应，又可以避免 拥塞窗口不必要的重复缩减。 7 第2 章t c p 协议介绍 2 4t c p 在无线环境下遇到的问题 我们知道。一直以来，t c p 协议的设计和改进都是针对固定网络的。它的很多算法都是根据固 定网络的某些特性而设计实现的。比如，t c p 认为数据包的丢失是由于网络拥塞而造成的。这样的 假设是有根据的。因为在固定网络中，传输上的数据丢失率是非常低的，几乎可以忽略不计。但在 无线网络环境中，情况却不是如此，t c p 协议还必须处理好各种问题。 下面我们来看看这些情况： 1 在包含有无线网络的环境中缺乏有效的差错检测机制。 t c p 只能检测到发生了差错也即有数据包被丢弃而无法检测出差错的性质。对传输过程中出现 的差错，t c p 假设丢包都是由于网络拥塞造成的。由于有线网络的b e r 很低，这种假设基本上是 成立的。但是在无线网络环境下存在许多与拥塞无关而导致丢包的原因，如无线信道突发性比特差 错、移动设备处在切换过程中、信道衰减等。t c p 将丢包都归结于网络拥塞的发生，而无法检测出 差错的本质。 在包含有无线网络环境中，t c p 协议面临的一个重大挑战就是如何判断数据包丢失的原因，并 根据丢失原因采取积极有效的措施。这也是本文研究和探讨的重点 2 缺乏有效的差错恢复机制。 一旦检测出丢包，t c p 便触发拥塞控制处理过程，首先重传未被确认的包，减小拥塞窗口从而 降低发送速率，超时时钟指数回退、减小慢启动门限( s s t h r e s h ) 。最后进入拥塞避免阶段以确保拥塞 得以解除。如果丢包不是由网络拥塞而是由于无线网络的b e r 高或者移动设备切换而产生，那么 t c p 的这种差错恢复机制会导致协议性能下降，包括吞吐量的下降和延时的增加。 3 在无线环境下，由于无线信道的传播延迟，回路响应时间( r t t ) 更长。 t c p 协议对于r t t 长的连接表现出不公平性，拥塞窗口增加比较慢，所以可用带宽往往较低， 从而使得t c p 源端的发送速率受到限制。使其用较小的拥塞窗1 3 发送数据。在这种情况下，一旦有 数据包丢失，发送方就不能收到足够多的重复确认包进行快速重传，而只能通过超时机制恢复，因 而降低了可用带宽的使用效率并且增加了延迟。 4 t c p 在无线环境下的能量使用效率需要从新衡量。 当无线链路上发生了随机的短暂突发性差错时，t c p 发送方便降低其拥塞窗口。然后很保守地 逐步增加拥塞窗口的大小。在拥塞窗口缓慢地膨胀过程中，此时如果信道恢复正常，则正确传输机 会便被浪费。并且增加了通讯时间。而当差错持续时间较长( 例如信道衰减、链路频繁的突发性差 错) 时，t c p 发送方尽管降低了其拥塞窗1 ：3 大小，但仍然在尝试着发送数据，从而造成更多数据包 的丢失。尽管吞吐量会有所增加，但是却消耗了更多的能量，降低了能量使用的效率。也就是说， 在无线有线网络混合环境中，当需要t c p 回退更多时它没有这样做，而不需要时它却这样做了。 由于t c p 不是专为某种网络类型或应用而开发，故可以针对特定的网络和应用加以改进。有 线网络上的t c p ，由于数据丢失通常是由拥塞引起，首先由j a e o b s o n 开始研究拥塞避免等算法。近 来，随着无线应用的发展，t c p 在无线和卫星中的特性成为研究的要点。研究表明受无线中的随机 差错和突发差错及长传播延时影响，t c p 的吞吐量显著下降。因此，出现了很多方法以改进无线网 络中的t c p 的性能，并尽可能减少对现有协议的改动。例如，有些建议要求路由器或基站的参与， 以向发送方提供显式的差错类别信息或者完全向发送方隐藏差错。如r a m a k r i s h n a n 和f l o y d 建议在 l p 协议中加入显式拥塞通告( e c n ) 以触发t c p 拥塞控制。这样可以提高t c p 性能，同时可以针 对不同的差错类型采取不同的恢复措施，但是同时也要求路由器和t c p 都作修改。带来了复杂性。 与e c n 不同，r e d 网关在拥塞将要发生的时候不是标记数据，而是直接丢弃。这样的目的是为了 触发t c p 拥塞控制，只丢失一个数据包。r e d 不需要对现有传输层协议结构作任何修改。 另外对于t c p 的研究提出了一个重要的问题：功能改进放在何处比较合适? 关于这个问题还投 有明确的答案。差错控制不仅仅是路由器或基站的特性，也不仅仅是传输层的任务。目前比较广泛 接受的看法是：如果某一层能完全实现一个功能，则此功能放在其上实现由于底层不清楚上层应 8 东南大学硕士学位论文 用的要求、协议参数和设备限制，则不能完全依靠它来实现整个差错控制，只能辅助高层完善功能。 在下一章中，将介绍各种典型的几种解决方案。这几种解决方案设计到通信中的各个部分有 需要修改移动终端的，有需要服务端支持的，有需要基站和路由器参与的。或者兼而有之；有处于 链路层的，也有处于传输层的，等等。我们逐一分析它们的异同和优劣，井提出自己的解决方案。 2 5 本章小结 本章主要介绍了t c p 的基本原理，拥塞控制的主要演变过程，以及主要版本t c p 拥塞控制的 变化及改进。在此基础上，详细分析了在无线网络存在的情况下，t c p 传统的拥塞控制的假设基础 不成立的原因，以及由此带来的一系列问题，并简单介绍了以前人们提出的解决方案的一些方法和 思路。 9 第3 章无线环境下改善t c p 性能的基本解决方案 第3 章无线环境下改善t c p 性能的基本解决方案 目前的t c m p 协议是为有线网络、固定主机设计的，t c p 的差错控制主要是以网络拥塞丢包 为中心，而忽略链路传输差错等其他问题，这在传统有线网络上是成立的，但在无线网络环境下， 链路b e r 差错，切换过程中的丢包问题等是典型的差错特征，t c p 缺乏处理这些差错类型的能力， 因此必须进行改进。 对t c p 性能的改进主要表现在以下几个方面： 1 检测出导致丢包的差错性质，基于不同的差错性质采用不同的差错恢复策略。 2 根据检测到的差错性质调整数据发送速率，对于不同的差错应采取或保守或激进的不同策略。 例如对于无线链路上发生的偶然性随机的差错，不必缩减拥塞窗口。降低发送速率；对于短暂的无 线信道差错率偏高的情况，可以将其发送速率适当降低后，再很快恢复到原来的水平，而无需缓慢 地增长；如果链路上持续发生差错，则可暂时停止数据的发送以避免数据包的进一步丢失；对于 有线链路上发生的错误或拥塞则继续采用传统的t c p 的拥塞控制和错误恢复策略。 3 吞吐量和能量消耗之间的权衡，也就是吞吐量，能量的效率问题。提高能量的使用效率对基于电 池的移动设备来说是至关重要的 4 精确检测无线链路r t t ，以及有线链路r t t 的能力。在此基础上采取相应的措施。标准的t c p 根据收到的a c k 增大或减小发送窗口，这样由于无线链路上的错误而导致a c k 的延迟或丢失会影 响发送方数据的传送速率。a c k 丢失也会降低协议检测差错的能力和探测可利用带宽的能力 目前，改善t c p 在无线有线混合网络中的性能主要以流量控制为手段。鉴于无线网络与有线网 络之间存在着本质的差异，且各式各样的无线网络本身也有着不一致的链路特点，如：卫星通信中 的主要链路特性是高误码率、高传输时延、高度非对称性；而在蜂窝网和无线局域网络中，链路的 主要特性却表现为终端的频繁移动、多次越区切换、以竞争方式占用信道等。无线链路诸多特点导 致一系列用于改善无线有线混合网络t c p 性能的不同方案得以提出，根据其实现机制的不同，大致 可以做出如下的分类： 1 )端到端方案( e n d - t o - e n ds c h e m e ) 2 ) 链路层方案( 1 i n k - l a y e rs c h e m e ) 3 ) 分段连接方案( s p l i tc o n n e c t i o ns c h e m e ) 3 1t c p 在无线环境下性能改进的三大方案 3 1 1 端到端的方案 端到端的方案要求使用一个有效的传输层，而t c p 可能是最好的代表，它与网络中的其它部分 的兼容性较好。大量的研究己经表明，使用多年的t c p 是稳健的。 这种方案的目的是使t c p 发送方能够区分拥塞相关的数据包丢失和其它形式的数据包丢失。只 有当网络拥塞发生时，t c p 拥塞控制处理过程才被激活，而对于其他形式的丢包则执行其他差错恢 复处理过程。这种方案的优点是保持了t c p 端到端的语意( s e m a n t i c s ) ，缺点是需要对固定网络主 机上的t c p 算法进行改动，而如果要对i n t e r n e t 上现存的所有t c p 应用进行修改是一件比较困难的 事情。 端到端的解决方案主要有： s a m a r a w e e r a 等提出的一种称为“非拥塞数据包丢失检测”的方法( n o nc o n g e s t i o n p a c k e t l o s s 1 0 东南大学硕士学位论文 d e t e c t i o n 。n c p l d ) 。 t s a o u s s i d i s 等提出的t c p - n e a l 是一种基于波( w a v e ) 的差错检测机制。 p a r s a 和a c e v c s 提出通过计