（通信与信息系统专业论文）传输层协议sctp性能优化研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人 承担 论文作者签名：起童签 日期： 2 咄上p 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：忽丛导师签名： 期：堕：皇：竺 山东大学硕士学位论文 中文摘要 近年来，随着互联网的日益普及和无线通信技术的飞速发展，职网络 开始承载更加丰富的网络服务，许多实时应用对互联网的服务质量提出更高 的要求传输层在互联网的协议栈中处于中间位置其性能的优劣对应用程 序有直接影响t c p 协议更是承载了i n t e r n e t9 0 以上的业务。但有一些t c p 自身设计的问题，难以通过修补来改进i e t f 于2 0 0 0 年提出新的传输协议 流控制传输协议s c t p s c t p 增加了多种性质：多宿、多流、部分可 靠传输和用于提高安全性能的c o o k i e 机制等本论文围绕着s c t p 这些新 的特性以及这些特性在应用中出现的问题进行了研究，论文的工作主要包括 以下几个方面： ( 1 )分析了移动网络中分组乱序、复制、延迟刺等现象产生的原因以及 造成的影响我们发现延迟刺会使s c t p 发生假超时，并使s c t p 备用路径 上的拥塞窗口错误地增加本文通过使用时间戳选项等措施，给出了s c t p 假超时的检测和响应算法仿真结果证明改进后的s c t p 能检测出大部分的 假超时，且能有效抑制备用路径拥塞窗口的过度增加 ( 2 )如何判断s c t p 的主路径与备用路径是否存在公共的瓶颈链路是一 个开放的问题本文提出一个用于判断s c t p 的主路径与备用路径是否存在 公共瓶颈的检测算法：利用公共瓶颈链路上分组延迟的相关性作为判断的依 据，同时利用小波去噪滤除非公共瓶颈上的延迟等干扰，增加判断的准确性。 ( 3 )s c t p 的主路径与备用路径的切换是静态的，s c t p 对路径传输能力 的推测是滞后的、不精确的本文提出一个方案将s c t p 的这两点不足结合 在一起解决：基于精确控制的s c t p 动态路径切换机制为s c t p 增加了精 确控制功能，使s c t p 主机能及时准确地了解路径上的流量状况根据主路 径与备用路径上实时流量的对比，完成主路径与备用路径间的动态切换，使 数据流在状况好的路径上传输 关键诃：s c t p 拥塞控制，多宿，假超时。公共瓶颈链路 山东大学硕士学位论文 i i | 舅曼鼍置胃曼e 置舅| | 鼍量量鲁置鼍皇皇鼍置皇_ _ 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n dw i r e l e s st e c h n o l o g y , m a n yn e w n e t w o r ks e r v i c e sb e c o m ea v a i l a b l ei nr e c e n ty e a r s t h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s p o r t l a y e rp r o t o c o li sak e yi s s u eb e c a u s eo fi t sm i d d l es t a t u si ni pp r o t o c o ls t a c k s t h o u g hm o r et h a n9 0p e r c e n to fi n t e r a c tt r a f f i c sa r et r a n s m i t t e db yt h et c p p r o t o c o l ，t h e r ea r es t i l lm a n yd i s a d v a n t a g e sa b o u tt c ei e t fp r o p o s e dan e w t r a n s p o r tp r o t o c o l ：s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( s c t p ) i l t2 0 0 0 s c t ph a ss u c hn o v e lc h a r a c t e r sa sm u l t i - h o m i n g ，m u l t i - s t r e a m i n g ，p a r t i a l l y r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o na n d “c o o k i e ”m e c h a n i s m t h et o p i c sr e l a t e dt ot h e s e n e wf e a t u r e sa b o u ts c t pa r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r e a sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h er e a s o na n di n f l u e n c eo fp a c k e tr e o r d e r i n g ，p a c k e td u p l i c a t i o na n d d e l a ys p i k eo c c u r r e di nm o b i l en e t w o r ka r fs t u d i e d ，w ef o u n dt h a ts c t pj s v u l n e r a b l et os p u r i o u st i m e o u tr e s u l t i n gf r o mt h ed e l a ys p i k e m o r e o v e r t h e s c t ps e n d e rw o u l di n c r e a s et h ec o n g e s t i o nw i n d o wo ft h ea l t e r n a t ep a t h u n n e c e s s a r i ly w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft i m e s t a m pc h u n k ，w ep r o p o s e dt h e d e t e c t i o na n dr e s p o n s ea l g o r i t h m st om a k es c t pm o r er o b u s tt os p u r i o u s t i m e o u t ( 2 ) an o v e la p p r o a c ht od e c i d ew h e t h e rt h e r ei sab o t t l e n e c ks h a r e db yt h e s c t pp r i m a r yp a t ha n dt h ea l t e r n a t ep a t hi sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mi sb a s e d o nt h ec r o s s c o r r e l a t i o no ft h ed e l a ye x p e r i e n c e di nb o t hp a t h s t og e tm o r e e x a c tc r o s s c o r r e l a t i o n ，w a v e l e td e n o i s i n gi su s e dt oe l i m i n a t et h ed i s t u r b a n c e c o m i n gf r o mo t h e ri n d e p e n d e n tp a t h sd e l a y t h e r e f o r e ，m o r ea c c u r a t ed e t e c t i o n c a nb ea c h i e v e d ( 3 ) a d y n a m i ch a n d o v e rm e c h a n i s mb e t w e e nt h es c t pp r i m a r yp a t ha n d t h ea l t e r n a t eo n e a c c o r d i n gt ot h e i rt r a f f i c sa n dc o n g e s t i o ns t a t u si sp r o p o s e d t o g e tt h ee x a c tp e r f o r m a n c eo fb o t hp a t h si nt i m e 。ap r e c i s ec o n t r o lc h u n k ( p c c ) i si n t r o d u c e d b yc o m p a r i n gt h ei n - t i m ec o n g e s t i o nd e g r e eo nb o t hp a t h s ，t h e t r a f f i c sw o u l db es w i t c h e dt ot h eb e t t e rp a t h k e yw o r d s ：s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ， m u l t i - h o m i n g ，s p u r i o u st i m e o u t ，s h a r e db o t t l e n e c kl i n k 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 上世纪九十年代以来，网络和通信技术获得了飞速发展，其中最引人注 目的无疑是i n t e r n e t 在全球的普及和无线通信的迅速崛起当今世界，以指 数速率高速增长的因特网和移动通信已成为信息产业的两大支柱 因特网无处不在的成功发展很大程度上取决于因特网的t c p i p 协议族 技术【i 】设计i p 协议【2 】的明确目标即在最大范围内支持各种不同种类的网 络实体进行信息交互；使得不同的网络可以在全球范围内广泛互联为了更 好地支持业务的应用需求，通常要由比m 层更高的传输层来控制和提高这 种b e s te f f o r t 业务的端到端性能传输层协议是用户应用层与网络层( i p 层) 之间的接口虽然传输层协议提供的是面向用户的业务，但它们的设计 是以适应网络特性为目标因此，提高传输层协议的性能，对提供满足因特 网各种应用要求的服务、适应底层链路的不同特性，具有重要的意义。 在因特网高速发展的同时，另一个迅速发展的通信领域是无线通信 3 】 2 0 世纪8 0 年代以来，无线透信技术与网络技术的突飞猛进推动了无线网络 在研究上和应用上的迅速成熟数字蜂窝、无线局域网以及低轨卫星通信等 技术相结合，将大大扩展无线连接范围。拓宽全球性的广域网络连接无线 通信技术的广泛应用，为传输层和网络层协议的性能提出了更高的要求各 种异质网络的存在以及通过无线网络传输多媒体信息的需求不断提高，都 需要传输层提供相应的支持和服务 网络技术的发展及新应用的出现，对传输层的性能也提出了更高的要 求但是由于t c p 4 ，5 】设计时的一些问题，通过简单的修补很难解决问题。 在这种情况下，i e t f 提出了新的传输协议一一流控制传输协议( s c t p ： s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o n p r o t o c 0 1 ) 6 】s c t p 既继承了部分t c p 的性质， 又增加了许多新的特性，如多宿、多流、部分可靠性等本文主要针对s c t p 山东大学硕士学位论文 的这些新特性以及它们在应用时出现的问题进行研究，并给出相应的解决方 法 1 2 传输层u d p 与t o p 协议 目前，互联网中存在的主要传输层协议是u d p ( u s e rd a t a g r a m p r o t o c l ) 7 、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 ) 【4 ，5 】协议下面对这两个 协议进行简单介绍 1 2 1u d p 协议 u d p 7 协议为应用层提供不可靠的传输服务，分组格式简单，头部丌 销较小它不使用确认机制来确保数据被接收端正确接收，不会重传丢失的 数据，在接收端也不会按序递交数据，也不提供拥塞控制、流量控制机制。 因此，u d p 分组在传送过程中可能会丢失、重复、乱序u d p 协议比较适 合信息量较大、实时的应用( 如语音、视频传输) 。而不适合需要提供可靠 服务的应用，因此不是目前互联网中传输层使用的主流协议 1 2 2t c p 协议 t c p 4 ，5 】协议是目静应用最普遍的传输层协议。它提供面向连接的、叮 靠的数据流服务并具备拥塞控制功能。能通过发送方、接收方和网络之日j 的 相互协作实现在一个或多个互联的不可靠网络中进行可靠的数据传输 t c p 所谓的“面向连接”是指基于t c p 的两个应用程序在交换数据之 前要先建立t c p 连接，在一条t c p 连接上进行通信的只有两个系统。t c p 通过重传及其确认机制来实现数据的可靠传输，要求接收端对每个收到的数 掘段进行确认来实现传输的可靠性t c p 发送端发送数据后启动一个重传计 时器，如果发送端在重传计时器超时前没有收到对该数据的确认，或收到对 该数据的三个重复a c k 分组，就会采用重传恢复算法重传该数据并启用 相应的拥塞退避机制t c p 使用基于滑动窗口机制的的拥塞管理算法，采用 4 山东大学硕士学位论文 和式增加，积式减少的拥塞控制策略，以维护网络的稳定性 但是，t c p 的设计有一定的局限性，在某些方面已不能满足应用的需求 和底层链路的特性如t c p 设计时假定传输链路误码率很低，分组丢失主 要是由网络拥塞引起的随者目前网络技术的发展这些假设在很多情况下 都不再成立( 如，无线环境) 1 1 小节分析了目前高带宽链路的广泛应用 数据传输和多媒体通信的飞速发展，各种无线通信技术的互联。也为t c p 协议的应用提出了新的挑战同时，各种不同应用的出现，对传输层的服务 特性提出了新的要求，而t c p 已经不能满足新出现的应用的要求。因此很 多应用开始基于u d p 协议来实现自己的可靠数据传输协议t c p 主要的局 限性在于【4 5 ，6 】： ( 1 ) t c p 提供了可靠的数据传输和数据在接收端的严格有序递交但有些 应用不需要维持数据在接收端的递交顺序，还有些应用只需要数据在接 收端递交时部分有序。如n o 7 信令消息，w w w 业务m p e g 4 等业务 在这两种情况下t c p 的严格有序递交机制可能导致队头( h e a d o f - l i n e ) 阻塞引入不必要的延迟 ( 2 ) t c p 是面向比特流的。将数据看作没有结构的字节序列进行传输。应 用层只能自己标记发送的消息，采用t c p 的“p u s h ”机制来确保在合理 的时间内发送完这个消息 ( 3 ) t c ps o c k e t 不支持多宿性，不能很好的支持组播 【4 ) t c p 协议安全性较差，在初始化连接的过程中容易受到d o s ( d e n i a l o f s e r v i c e ) 攻击，如s y n 攻击 由于t c p 协议已不能满足现在各种应用的要求，也为了在i p 网络上传 输n o 7 信令，2 0 0 0 年，i e t f ( 互联网工程任务组) 的信令传输工作组 ( s i g t r a n ：s i g n a l i n gt r a n s p o r tg r o u p ) 提出了流控制传输协议s c t p ，命 名为r f c 2 9 6 0 6 】，使得s c t p 正式成为国际标准由于s c t p 具有适合 i n t e r a c t 数据和多媒体传输的特性，并可能成为下一代的传输层协议，因此 s c t p 正成为当前研究的热点 山东大学硕士学位论文 i 3s c t p 协议简介 1 3 1s c t p 协议结构 s c t p 的帧结构如图1 3 i 所示每个s c t p 分组包括一个s c t p 公共头 部、一个或多个c h u n k c h u n k 是s c t p 基本的数据传输单位s c t p 定义 了两种基本类型的c h u n k ：控制块( c o m r o lc h u n k ) 和数据块( d a t a c h u n k ) c o n t r o lc h u n k 用来传输与控制和状态相关的信息。而d a t a c h u n k 就是用户数据为实现新功能扩展。s c t p 采用了与i p v 6 类似的机制， 允许用户自己定义新的c h u n k 类型c h u n k 中包含有相应的c h u n k 参数 用于协助完成c h u n k 功能c h u n k 采用统一结构定义：类型长度值( t l v ) 利用这种开放式的结构定义新的c h u n k 类型及其参数，能够很方便地为 s c t p 增加新功能 s o - - e p o r t l d e w j m t i o n p o r t s c t p v m f i c a t i o n t a g c o r s i l o 日 c h e c k s u m h 瞄d 百 t y p e f f l a s ii 蚓 u d a t a c 岫r t l ： ： 。“。1 。c 。h t m 。k 。n 。 l! ! 竺= !l 图1 3 1s c t p 的帧结构 在s c t p 发送端，由于s c t p 面向消息的性质。应用程序的写操作把一 个消息转换成一个或多个s c t pd a t ac h u n k ，并为每个d a t ac h u n k 分配 一个传输序列号( t s n ：t r a n s m i s s i o ns e q u e n c en u m b e r ) 这与t c p 为字节 分配序号不同如果应用程序写的消息比较小，则多个c h u n k 可以捆绑成 一个s c t p 分组( c h u n kb u n d l i n g ) s c t p 的c o n t r o lc h u n k 如s c a k h b ( h e a r t b e a t ) 。e c n e ( e c ne c h o ) 可以与d a t ac h u n k 捆绑在一起发送。若 干个不同类型的c h u n k 封装在一个i p 分组中传输，并在s c t p 接收端完成 相应的解封装，并以消息的形式将数据递交给应用程序 6 山东大学硕士学位论文 为便于传输，s c t p 提供消息的拆分和组装，以及消息的捆绑传输功能。 消息可以在不同的路径上传输，流管理和路径管理是相对独立的从功能上 看，如图1 3 2 所示，s c t p 协议可以分为下述模块：s c t p 控制模块，流引 擎、流控差控、消息验证、路径管理、数据捆绑解复用 i 上层应用 l ls c r p 控制ii 路径管理il 流引擎 l 流控，差控 f 各关联的全局变量li 捆绑，解复用 1 分配关联 i i 验证消息有效性 i网络适配层 1 3 2 $ e t p 协议的特性 图1 3 2s c t p 的功能摸块 和t c p 一样，s c t p 提供可靠传输服务，保证数据无差错和有序传输， 并且提供与t c p 相似但有所增强的流量控制和拥塞控制机制。除此之外。 针对上述t c p 的缺陷，s c t p 增加了两个新的特性：多流( m u l t i s t r e a m i n g ) 、 多宿( m u l t i h o m i n g ) ，还实现了用于协议安全的c o o k i e 机制【6 】。 ( 1 ) 多流特性 多流特性是指s c t p 消息在不同的数据流内传输，这也是流控制传输协 议名称的由来s c t p 发送端把数据分割到多个独立递交的数据流进行发送， 在同一流内发送的消息有序，而不同流之阃的消息无序，因此不同流之问的 消息传输是相对独立的，而且在某个流内由于数据传输失败而引起的阻塞不 会影响其他流的消息递交为实现这一点，数据流内每个数据块都有2 套序 号：传输序号( t s n ) 用于消息传输。诊断消息的丢失：流i d ( s t r e a mi d ) 山东大学硕士学位论文 m ，流序号( s s n ：s t r e a ms e q u e n c e n u m b e r ) 当接收端连续收到的分组t s n 出 现中断时，接收端能立即发现错误，并判定在序号问隔之后收到的分组是否 属于受影响的流：如果收到的消息属于受到影响的流，接收端在缓存受到影 响的数据流分组时，继续递交耒受影响的流因此，多流特性可以帮助解决 t c p 中的队头阻塞问题而t c p 传输是按字节顺序严格递交的，先行传送 的字节如果丢失或损坏，即使正确接收到后续的字节也不能向上层提交，必 须在接收端缓存起来，直到先行字节由于重传而全部正确接收到后才可以提 交，才能释放缓存区 ( 2 ) 多宿特性 在i n t e r n e t 中，可以使用多宿特性来提供网络层的冗余在传输层提供 端到端的冗余对重要的应用程序是非常重要的我们将一个具有多个r p 地 址的主机称为多宿主机t c p 没有提供2 个主机之间的多宿操作；当一个主 机的i p 地址不可用时，t c p 会超时，进而使应用程序中断通信 s c t p 主机通过支持一个主机有多个m 地址提供多宿s c t p 会选择一 个地址为“主”地址，所有数据在正常情况下都发送到这个目的地址，并使 用叫做“f a i l o v e r ”的机制来检测和恢复路径的故障当“主”地址不可用 时，从备用地址中选择一个可用地址作为新的“主”地址，重新传输发送失 败的数据，以提高关联的可靠性。降低时延。 当前s c t p 的多宿仅提供冗余而没有考虑负载均衡每个终端选择一个 i p 地址作为主目的地址，即正常的数据传输的目的地址，而重传数据或t 路径不可用时才使用备用地址r f c 2 9 6 0 的第6 4 中规定：“w h e ni t sp e e ri s m u l t i h o m e d a l l e n d p o i n ts h o u l dt r y t or e t r a n s m i td a t at oa na c t i v e d e s t i n a t i o nt r a n s p o r ta d d r e s st h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h el a s td e s t i n a t i o na d d r e s st o w h i c ht h ed a t aw a ss e n t 。 ( 3 ) s c t pc o o k i e 机制 t c p 初始化采用的是“三次握手”，因此不能抵抗各种d o s 攻击为了 预防d o s ，s c t p 建立关联时采用。四次握手”。并引入了“c o o k i e ”机制 其中涉及到四个消息序列：i n i t ，i n i t a c k ，c o o k i ee c h o ，c o o k i e a c k 。 s c t p 服务器接收到i n i t 后，不给t c b ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lb l o c k ) 分配 内存t 而是建立关于t c b 消息的c o o k i e 参数以及有效的生命周期和甩于鉴 l 山东大学硕士学位论文 权的签名，将这些信息放在i n i ta c k 中发送给客户端因为i n i ta c k 总 是发送到玳i t 的源地址，因此，盲目的攻击者得不到c o o k i e ，而合法的s c t p 客户端将获得c o o k i e 并在c o o k i ee c h o 块中返回，服务器验证c o o k i e 后用 它来重建t c b 这样s c t p 可以使用c o o k i e 机制和四次握手来有效避免拒 绝服务和欺骗攻击的影响 1 4s c p 的研究现状 s c t p 继承了t c p 与u d p 的一些优点，又具有自己独特的优势，使其 迅速发展并应用其开放式的设计理念，使它具有t c p 无法实现的可扩展 性。研究人员可以很容易地实现更多的功能目前研究热点包括： ( 1 ) s c t p 的安全特性i e t fr f c3 4 3 6 1 8 ，r f c3 5 5 4 1 9 ( 2 ) s c t p 的部分可靠性研究( i e t fr f c3 7 5 8 ) 【1 0 研究人员发现部分可 靠性比较适合七号信令传输，在3 g 标准之一的w c d m a 中s c t p 已 成为标准另外相关研究表明部分可靠性非常适合传输多媒体数据， 如：为m p e g 4 不同类型的帧设置不同的可靠性。优化传输性能 s s t h r e s h 时，s c t p 协议执行拥塞避免算法每经过一个r t t ， 发送端的c w n d 增加y在此阶段，拥塞窗口线性增加，如果检测到分 c w n a 组丢失，s c t p 拥塞控制则进入快速重传和快速恢复阶段 山东大学硕士学位论文 s c t p 在慢启动和拥塞避免阶段拥塞窗口变化可用公式表示如下： lc w n d + l ，fc w n d s s t h r e s h 删拈1 士，c w n d t h r e s h c w n d + i fo w n d s s t h r e s q 。1 d 【4南， ( 2 ) 快速重传( f a s tr e t r a n s m i o 与快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 在慢启动或拥塞避免阶段增大拥塞窗口时都可能超过网络容量，不可 避免地丢失分组发送端为检测到数据丢失，一种方法就是等重传计时器 ( r t o ：r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ) 超时，然后重传丢失分组后进入慢启动， 但这种方式依赖于r t o ，效率低发生超时后，c w n d 和s s t h r c s h 如下： c w n d ：1 s s t h r e s h # 2 霉 ( 2 1 2 ) 2 j a c o b s o n 提出了快速重传算法【1 9 】根据i e t f 标准，发送端若收到三 个重复应答。则认为分组已经丢失，发送端立即重传丢失的分组，快速重传 之后进入快速恢复： s s t h r e s t h = c w n d ，：w n d = s s t h r e s t h + 3 s s t h r e s t hc w n ds s t h r e s t h3( 2 1 3 ) = ， = + ( 2 l 3 ) 2 从上面的分析可以看出s c t p 的窗口呈周期性地变化：窗口持续增加直 到有分组丢失：然后减小窗口，进入侵启动；经过慢启动阶段的指数增长和 拥塞避免阶段的线性增加，窗口达到某个值时，出现分组丢失。窗口的周期 性将会导致吞吐量的周期性 ( 3 ) r o u n dt r i pt i m e 与r t o s c t p 依靠设置重传定时器来进行重传。为了给出合适的超时问隔，计 算发送分组的时间与a c k 到达的时间差可以得到往返时间( r t t ) 的采样 值。s c t p 按如下方式计算r t t 与r t t 偏差d ： 露玎= ( i - a ) r t t + a t + m ( 2 - 1 - 4 ) d = ( 1 一) d + 矿i r t t - m i ( 2 - l - 5 ) 其中m 为最近的r t t 采样，0 口s 1 超时问隔( 即重传超时r t o ) 的计算如下： 尺z d = r 7 7 + 4 ，d( 2 - 1 6 ) ( 4 )多宿情况下的拥塞控制 山东大学硕士学位论文 1 in m m m 自自自e s i 由于s c t p 支持多宿特性，通信双方主机在关联建立之初交换彼此的i p 地址集，设置其中一个p 地址为“主地址”，在整个关联生存期间，可以 更换主地址其余为备用地址，s c t p 源端会定时发送h e a r t b e a t 消息，检查 各用地址的可达性。当关联中主口地址有数据需要重传时，可以采用备用 地址。提高重传的有效性而且因为有多个通往对端的路径，发送端对每一 条路径都有一套拥塞控制参数和控制用的数据结构。这类似于有多个通往对 端的t c p 连接s c t p 为多条路径的流量控制和拥塞控制提供统一的管理机 制。s c t p 为每个路径设置一个错误计时器，当某一路径上的错误达到一个 门限时，该路径将会被标记为不活动的( i n a c t i v e ) s c t p 就把传输转移到 另一条路径上进行因此，多路径带来比t c p 更好的网络级容错机制。 与t c p 相比，s c t p 除了提供多宿情况下的拥塞控制外s c t p 的拥塞 窗口初始值可以是2 个m t u ，可以比t c p 获得更快的窗口增长：s c t p 的 拥塞控制采用了选择性确认( s a c k ) 【1 6 1 8 】快速重传和快速恢复机制以 及块结构和控制块结构，可以比t c p 更大地提升传输性能。 2 2 假重传的产生与影响 前一节分析了s c t p 的拥塞控制算法，我们知道，当网络中发尘拥摩， 分组丢失时，s c t p 的发送端会相应地做出反应执行一些恢复措施如慢； 动，快速重传、将拥塞窗口和慢启动门限减半等。但i n t e r a c t 是一个基于i p 协议的分组网络，分组在网络中传输，可能会经历分组乱序、延迟等这足 分组网络的本质造成的但是这些现象可能会使传输层协议( s c t p 或t c p ) 误认为网络发生拥塞或已有分组丢失，并执行相应的重传和捐 塞退避机制。 传输层协议之所以会这样傲的根本原因就是我们在2 i 节中详细给出的 s c t p 拥塞控制算法我们将这种情况下传输层协议的重传统称为假重传， 它们之所以为“假”，是因为：在网络中并没有发生拥塞和分组丢失。因此 这些重传本身就是不必要的，而且这些假重传会进一步，孵重降低s c t i 的性 能。 由2 1 节，我们知道s c t p 有两种类型的重传恢复机制：快速重传和 超时重传。快速重传是指发送端在r t o 超时之前收到3 个重复的a c k 后 i 山东大学硕士学位论文 罾量吕日一i i 重传分组；超时重传是由于发送端还没有收到3 个重复的a c k 就发生r t o 超时而重传分组我们通过分析，发现以下事件可能会错误触发s c t p 发送 端丢失恢复和拥塞避免算法。导致所谓的假重传【2 0 】： ( 1 ) 分组乱序； ( 2 ) 分组复制： ( 3 ) 假超时 接下来，我们分析这三种现象的产生以及它们造成的影响 2 2 1 分组乱序和分组复制 由于i p 协议不保证分组的按序递交，网络中可能发生分组乱序。而s c t p 接收端为每一个不按序到达的分组产生一个重复的a c k 因此如果不按 顺序到达接收端的数据段个数超过快速重传门限( 一般设为3 ) 导致至少 有3 个重复a c k 到达发送端，就触发假的快速重传 网络内部的设备( 如路由器) 也可能产生重复分组，如果接收端没有删 除这些分组，s c t p 接收端会为每个重复的数据段产生重复的a c k 与分组 乱序一样，如果重复a c k 中有3 个到达发送端，就会引起假的快速重传 分组乱序和分组重复对s c t p 的负面影响可总结为：重传分组( 假快速 重传) ，执行快速恢复，使s c t p 发送端的拥塞窗口不必要的减半 2 2 2 假超时 “假超时。是指网络没有发生拥塞也没有发生分组丢失只是路径的 r t t 突然增加，超过了发送端重传计时器的值数据和a c k 路径突然发生 延迟的增加会引起这种。假超时。它滞后了a c c e p t a b l e a c k ( 指确认先前 没确认过的分组的a c k ) 的到达，即在发送端的重传定时器超时后到达 通信链路上发生的延迟刺是造成s c t p 假超时的最主要的原因 下面我们具体分析哪些情况可能会发生延迟刺并触发s c t p 的假超时 延迟刺是指通信链路上的延迟突然增加延迟刺会导致传输层协议t c p 或s c t p 误以为发生了超时，不必要的减小拥塞窗口和重传分组无线链路。 1 5 山东大学硕士学位论文 置| | | 一i i 一 如2 5 g 和3 g 链路，出现延迟刺的概率要远大于有线传输i n t e r n e t 骨干网， 这是由于无线链路有以下特点【2 l 】： ( 1 ) 无线传输信道是时变的，无线信号的覆盖范围也随时间变化当某段 时间由于无线信号没有覆盖某个区域，一条无线链路就会衰竭，当无 线信号恢复时，这条无线链路也相应地恢复这个恢复过程，在t c p 和s c t p 看来就是一个长的延迟刺这在日常生活中很常见，当驱车进 入隧道或带着手机进入电梯时都会出现类似的情形 ( 2 ) 带宽波动在无线频谱有限的情况下为满足无线系统高数据速率的 要求，需要在多个数据用户之间实现动态资源共享，可以采用不同的 调度机制来使资源利用率最大化如果多个用户同时希望传输很多数 据，调度器可能需要为每个用户重复地分配和释放资源这种周期性 的分配和释放高速信道称为带宽波动带宽波动会产生很多影响，如 假重传、吞吐量降低等有研究表明【2 2 1 1 2 3 ：在某些情况下，带宽抖 动是降低吞吐量的重要原因当s c t p 参数固定时，可达到的吞吐量依 赖于资源分配的模式当资源分配和释放的频率足够高时，裁没有吞 吐量的下降然而，提高资源分配和释放的频率，会增加网络中的信 令负担，这可能不划算3 g 无线技术的标准中提供了一些机制用于克 服带宽抖动的负面影响p i l c 工作组认为正确的无线子网设计必须避 免带宽抖动负面影响 ( 3 ) 在小区间切换时，移动终端和新基站必须交换信息和进行其他一些耗 时的操作，才能在新小区中进行数据传输 ( 4 )系统问的切换r f c 3 4 8 1 1 2 1 认为。在实施3 g 技术的初期3 g 系统将 作为“熟点”技术应用在人口密度高的地区，而2 5 g 系统则在其他地 方提供低速率的数据业务这样，移动用户在异构网络之间漫游时， 需要保持正在进行的s c t p 关联这种系统问的切换可能引起很高的延 迟刺，并可能导致数据丢失目前i e t f 正在研究无缝漫游的问题 ( 5 ) 很多无线广域网通过从一个基站到下一个基站在内部重新路由分组束 提供无缝切换，这也会导致另外的延迟 ，( 6 ) 3 g 网络同时提供电路交换和分组交换功能，一般的语音业务使用电路 7 7 交换，且具有较高的优先级；而数据业务使用分组交换，优先级较低 1 6 山东大学硕士学位论文 量一i i i i | 暑鼍曼璺曼鲁 当到来的电路交换的呼叫或者更高优先级的数据临时先占了无线信道 时其余的数据连接就会受到高优先级数据流的阻挡这是因为目前 绝大多数终端不能同时处理语音呼叫和数据连接，在这种情况下就 会暂停数据连接 ( 7 ) 另外，无线网络的调度机制能够阻止低优先级的数据传输。将无线信 道让给高优先级用户使用 与分组乱序和分组重复对s c t p 性能的影响相比，假超时的负面影响要 严重的多 首先，超时事件本身引起单个分组的假重传，并不必要地使s c t p 发送 端进入慢启动f 5 ，6 】 其次，在连接过程中，假超时触发的一系列后续响应，进一步降低了 s c t p 的性能由于是假超时，可能有几个针对原始发送数据的a c k ，在重 传数据的a c k 之前到达s c t p 发送端( 除非严重的分组乱序和假超时同时 发生，重传分组的a c k 是第一个到达s c t p 发送端的a c c e p t a b l ea c k ) 这些原始发送数据的重复a c k 会在s c t p 发送端触发分组丢失恢复过程 【2 q 如果未完成的分组和相应的a c k 实际上没有丢失。只是由于r t t 突 然增加，对发送分组的确认在重传计时器超时后才到达发送端，所有未完成 的分组都被不必要的重传 此外，一些s c t p 发送端发生假的快速重传因为不必要的分组丢失恢 复过程中重传分组到达了s c t p 的接收端，导致多个重复a c k 到达发送端。 触发假快速重传 2 3 相关的工作 针对2 2 节中三种现象对传输层协议性能的负面影响，已经提出一些针 对t c f 协议的解决方法 2 1 。2 5 2 7 2 3 1d s a c k 算法 基于d s a c k ( d u p l i c a t es e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ) 的算法【2 5 】使用 山东大学硕士学位论文 曼旨| - i 皇舅曹一 t c p 中的d s a c k 信息来检测是否发生假重传发送端通过d s a c k 信息得 知接收端已经多次接收到同一个分组d s a c k 要求维护分组丢失恢复阶段 重传数据的信息，发送端收到d s a c k 后更新相应的数据如果发送端发现 所有的重传分组都已经在d s a c k 中得到确认，发送端就可以断定所有的重 传( 快速重传和超时重传) 都是假重传基于d s a c k 的算法没有增加分组 的开销，但是它无法解决网络中的分组重复和a c k 丢失的问题由于 d s a c k 信息在丢失恢复结束后才到达发送端，因此发送端在丢失恢复阶段 无法检测到假重传基于d s a c k 的算法可以适用于t c p 以及s c t p ：在s c t p 中有相应的d u p t s n ( d u p l i c a t et r a n s m i s s i o ns e q u e n c en u m b e r ) 检测方法 2 3 2f - r t o 算法 f - r t o 2 6 是一个启发式的算法，在发生超时后改变发送端的发送模式。 发生超时后。发送端重传。最老”的未确认分组( 即未确认的序号最小的分 组) 收到第一个a c k 后。发送端发送一个新的数据分组，而不是按照t c p 协议的规定重传分组进行超时恢复如果下一个a c k 确认了未进行重传的 分组，发送端就认为这个超时是假超时f r t o 没有增加分组开销，且只需 发送端参与但f r t o 仅适用于假超时而不能解决假快速重传的问题。 2 3 3e i f e i 算法 e i f e l 算法最早在文献【2 l 】中提出，算法使用时间戳选项或t c p 分组头 部的一个比特来实现e i f e l 发送端进行丢失恢复时，首先将第一个重传分 组的时间戳存在r e t r a n s m i t t s 变量中，收到第一个a c c e p t a b l ea c k 后，发 送端比较a c k 返回的时间戳与r e t r a n s m i t t s 值。如果返回的时侧戳小于 r e t r a n s m i t t s 的值，发送端就认为刚才进行的重传( 由于超时或快速重传) 是假重传e i f * l 算法的优点在于能够在很短的时间内检测出假重传，从而 避免了后续不必要的重传和拥塞退避机制e i f c l 算法还可以解决分组乱序， 分组重复等问题但e i f e l 算法是针对t c p 协议提出的，并没有考虑其他传 输协议如s c t p 的闯题 1 8 山东大学硕士学位论文 上面提到