（通信与信息系统专业论文）hsdpa网络中tcp的性能分析及改进.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 作为w c d m a 的增强型 无线技术，支持无线因特网的高速接入。t c p 作为传统因特网上使用的传 输层协议，如果可以应用于h s d p a 网络，h s d p a 的服务就可以和现有因 特网的服务保持良好的兼容性。因此深入了解传统t c p 在h s d p a 网络中 的性能显得非常重要。 然而传统的基于有线环境的t c p 技术己无法适应链路质量相对较差 的h s d p a 环境。因此需要采取必要的措施来改进t c p 在h s d p a 中的性 能，为用户提供更好的服务。本文分析了t c p 在h s d p a 网络中的性能并 对t c p 进行了优化，以更好的适应h s d p a 的网络环境。本文主要用吞吐 量来衡量t c p 的性能。 文中首先描述了移动通信网络t c p 的研究状况，以及h s d p a 网络中 的t c p 的研究现状，t c p 的基本原理及版本发展。 接着分析了h s d p a 的三种快速分组调度算法在h s d s c h 信道上的各 个用户t c p 数据流的公平性。在网络仿真平台n s 2 和扩展模块e u r a n e 的基础上对r o u n dr o b i n ，m a x i m u mc i ，p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s 调度算法进 行了性能仿真，比较了这些调度算法对t c p 性能的影响。 本文最后分析了h s d p a 无线链路的特点以及对t c p 性能的影响。为 了克服这些不良影响，我们从t c p 协议本身提出了改进方案：选择性确认 功能，适当通告窗口值，大初始窗口值，大m t u 分组，t c p 时间戳选项 等。最后在h s d s c h 信道上对以上优化方案在n s 2 下进行了仿真实验， 验证了以上方案的有效性。 关键词：h s d p a ，t c p ，调度算法，性能仿真 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 h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) i st h ee n h a n c e dw i r e l e s s t e c h n o l o g yf o rw c d m a t h a te n a b l e sh i g h - s p e e dw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s s t c p i st h em o s tc o m m o n l yu s e dt r a n s p o r tp r o t o c o lo nt h ei n t e r n e t w h e ni ti su s e d a st r a n s p o r tp r o t o c o li na nh s d p a e n v i r o n m e n t ，t h eh s d p a s e r v i c e sw i l lb e m o r ec o m p a t i b l ew i t ht o d a y sm o s tu s e di n t e r n e ts e r v i c e s s oi ti si m p o r t a n t t os t u d yi t sp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yo v e rh s d p a h o w e v e r , t c pb a s e do nt r a d i t i o n a lw i r ee n v i r o n m e n td o e sn o tp e r f o r m w e l li nh s d p aw i t hr e l a t i v e l yp o o rl i n k s c o n s e q u e n t l y , o p t i m i z i n gt c p p e r f o r m a n c e o v e rh s d p as y s t e mi se s s e n t i a l f o rp r o v i d i n gg o o du s e r e x p e r i e n c e a n df o ro p t i m i z i n gs y s t e mc a p a c i t y t h i st h e s i sa n a l y z e st h e p o s s i b l e r e a s o n so ft c p s p o o rp e r f o r m a n c e i nh s d p aa n d p r o p o s e s e n h a n c e m e n t st oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c e t h r o u g h p u ti su s e da sm a i n p e r f o r m a n c em e t r i ci nt h ed i s c u s s i o n i nt h et h e s i s ，w ef i r s t l yd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft c 只i n c l u d i n g b a s i ct h e o r ya n de d i t i o nd e v e l o p m e n t ；i n t r o d u c et h er e s e a r c hr e s u l t so ft c p p e r f o r m a n c eo v e rm o b i l en e t w o r ka n dh s d p a n e t w o r k s e c o n d l y , w ea n a l y z et h ef a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do na n a l y s i s a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft c pp e r f o r m a n c e ，w ec o m p a r et h r e es c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ，s u c h a sr o u n dr o b i n ，m a x i m u mc i ，p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s s c h e d u l i n g ， f i n a l l y , w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh s d p al i n ka n dd e d u c et h e i r e f f e c t so nt c pp o o rp e r f o r m a n c e i no r d e rt oo v e r c o m ei t ，w ep r o p o s e e n h a n c e m e n t so nt c pi t s e l f f o rt c p , t h ee n h a n c e m e n t sa r e ：s e l e c t i v e a c k n o w l e d g m e n t s ，a p p r o p r i a t ew i n d o ws i z e ，i n c r e a s e di n i t i a lw i n d o w , l a r g e r m t u ，a n dt c pt i m e s t a m p so p t i o n a n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no v e r h s d s c hi nn s 2h a v ep r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e e n h a n c e m e n t s k e yw o r d s ：h s d p a ，t c p , s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重迭壑电太堂或 其他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 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夏毒l j 签字日期： 。，7 年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重医鲣生态堂有关保留，使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重宏业电盔堂可以将学位论文的全都或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夏列 签字日期： 。7 年6 月j e l 导师签名：唧里 签字日期：- 7 年月7e 1 ， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1h s d p a 网络系统结构和协议结构 h s d p a 系统结构【1 1 如图1 1 所示： ii 国 震 n o d e yu ： i 主 影：土0 x 印 i 白 ：撇i 国 i 。戮嵫 j 。噬 土 j l u u u e 图1 1h s d p a 系统结构图 h s d p a 协议结构2 1 如图1 2 所示： r 黼弱 - - - -甑鑫”甏 囊“麓；m a c d i 8 ? 1 b 陲m a c rh s 呼镧 羹p 蝌蠹 良? 暾一 。碰。 氛 ； c k n a c k 虬b u r 图1 2h s d p a 协议结构图 冀l c a g i q h a c k 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 h s d p a 【2 】( 高速下行分组接入技术) 最早是3 g p pr e l e a s e5 规范为了 满足上、下行数据业务不对称需求而提出的一种新技术，其目的是在不改 变现行w c d m a 网络结构的情况下，把下行链路峰值速率提高到1 08 m 1 4 4 m b p s 。作为w c d m a 的演进技术，h s d p a 将大大提高系统网络的性 能和容量。它不仅能有效地支持非实时业务，同时也可以用于许多实时业 务，如流媒体等。图1 1 和图1 2 分别展示了h s d 队网络的系统结构图和 协议结构图。 1 1 2h s d p a 网络关键技术 w c d m ar 5 版本高速数据业务增强方案充分参考了c d m a 2 0 0 01 x e v - d o 的设计思想与经验，新增加一条高速共享信道( h s d s c h ) ，同时 采用了一些更高效的自适应链路层技术。共享信道使得传输功率、p n 码 等资源可以统一利用，根据用户实际情况动态分配，从而提高了资源的利 用率。自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整，如快 速链路调整技术【2 1 、结合软合并的快速混合重传技术2 1 、快速分组调度技 术【2 】等，从而尽可能地提高系统的吞吐率。 快速链路调整技术 如前所述，数据业务与语音业务具有不同的业务特性。语音通信系统 通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，以获得相对稳定 的速率，而数据业务相对可以容忍延时，可以容忍速率的短时变化。因此 h s d p a 不是试图去对信道状况进行改善，而是根据信道情况采用相应的速 率。由于h s d s c h 每隔2 m s 就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整 单元可以快速跟踪信道变化情况，并通过采用不同的编码调制方案来实现 速率的调整。 当信道条件较好时，h s - d s c h 采用更高效的调制方法- - - 1 6 0 a m ，以获 得更高的频带利用率。理论上，x q a m 调制方法虽然能提高信道利用率，但 由于调制信号间的差异性变小，因此需要更高的码片功率，以提高解调能 力。因此，x q a m 调制方法通常用于带宽受限的场合，而非功率受限的场合。 在h s d p a 中，通常靠近基站的用户接收信号功能相对较强，可以得到x q a m 调制方法带来的好处。 此外，w c d m a 是语音数据合一型系统，在保证语音业务所需的公共以 及专用信道所需的功率外，可以将剩余功率全部用于h s - d g c h ，以充分利 用基站功率。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 结合软合并的混合重传( h a r q ) 技术 终端通过h a r q 机制快速请求基站重传错误的数据块，以减轻链路层 快速调整导致的数据错误带来的影响。终端在收到数据块后5 m s 内向基站 报告数据正确解码或出现错误。终端在收到基站重传数据后，在进行解码 时，结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关 信息，以提高译码概率。基站在收到终端的重传请求时，根据错误情况以 及终端的存储空间，控制重传相同的编码数据或不同的编码数据( 进一步 增加信息冗余度) ，以帮助提高终端纠错能力。 快速分组调度技术 快速分组调度技术是决定h s d p a 性能的关键因素。c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 以及h s d p a 追求的是系统级的最优，如最大扇区通过率，快速分组调度机 制使得系统可以根据所有用户的情况决定哪个用户可以使用信道，以何种 速率使用信道。快速分组调度技术使得信道总是为与信道状况相匹配的用 户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。 信道状况的变化有慢衰落与快衰落两类。慢衰落主要受终端与基站间 距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。数据速率相应于信道的这两 种变化也存在短时抖动与长时变化。数据业务对于短时抖动相对可以容 忍，但对于长时抖动要求则较严。好的调度算法既要充分利用短时抖动特 性，也要保证不同用户的长时公平性。亦即，既要使得最能充分利用信道 的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在 一定时间内能够使用信道，以保证业务连续性。 常用的调度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大c i r 算法。乒乓 算法不考虑信道变化情况；比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定 程度的长时公平性；最大c i r 算法使得信道条件较好的少数用户可以得到 较高的吞吐率，多数用户则有可能得不到系统服务。 1 1 3 移动通信网络中t o p 的研究现状 目前在t c p 方面的研究工作方向主要可以分为两类：一种是通过软 件仿真和网络上的现场实验对t c p 或其改进形式的性能进行分析【3 ，4 ，5 ，6 j ； 另一种是建立t c p 的解析分析模型，以在给定的协议和信道参数条件下快 速获得t c p 的定量性能指标【7 ，8 】。广大研究工作者经过多年来的努力，针 对不同的网络链路状况提出了不同的拥塞控制算法，使得t c p 发展出了许 多变种 g a o l ，包括了t a h o et c p ，r e n ot c p ，n e w r e n ot c p ，s a c kt c p ，v e g a s 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 t c p ，f a c kt c p 等。 移动通信网络作为无线网络的重要组成部分，是t c p 研究工作中提出 改进方法最多的网络模型。目前移动通信网络中t c p 的研究工作集中在对 t c p 协议本身的改进和t c p 与链路层的联合改进，主要基于两个思路： 屏蔽发送端；发送端觉察，把这些改善t c p 性能的方法大致分为以下5 类【1 1j ： 纯端到端方案，纯端到端方案直接修改t c p 连接两端的协议使之 更好的应用于无线环境，如t c pr e n o ，t c ps a c k 和随路t c p 等。 t c p 分段连接方案，该类方案最典型的就是i - t c p ，它建议根据有 线和无线链路的不同特性而分别采取不同的发送策略，将移动主机 m h 和通信对等端间的t c p 连接在中间节点分成两段，有线连接段 使用基本t c p 协议，无线连接段使用适于无线环境的改进协议。 无线链路上的数据丢失对发送端是屏蔽的，中间节点保留了数据的 硬状态，切换时是基于数据的转发，该处的数据丢失不能被t c p 恢 复，这类方案破坏了端到端的t c p 连接语义，且需对移动主机和中 间节点的t c p 软件作修改。 t c p 缓存方案，分段连接方案改变了t c p 端到端传输的基本语义， 因此出现了t c p 缓存方案，它在代理中采用了软状态方式，软状态 的丢失虽会影响性能，但不会阻止t c p 端到端的数据传送，这类方 案最具代表性的是s n o o p 方法，此外还有不完全应答法a c k p 和 w t c p ，s n o o p 方法：在中间节点增加探查代理来缓存和探测，通过 检查t c p 报头，发送移动主机的t c p 数据段和返回的确认，根据 情况决定是否重发缓存中的数据段，它提供可选择性的重传，使中 间节点可较准确的区分拥塞和无线传输产生的错误。 交叉层解决方案，该类方案由链路层或网络层将链路环境状态反馈 到t c p 层，t c p 采取相应的方法来处理数据段丢失，根据低层通知 方式和t c p 处理措施的不同，交叉层解决方案又可分为三类： 重传机制改进方案传统t c p 中的快速重传方法虽然可以解 决切换造成的性能衰退，但对高误码率的情况效果不大，因此 出现了重复确认延迟发d e l a y e dd u p a c k s 。它提出在发送端重 传丢失数据段之前进行无线链路层的重传，采用对重复确认进 行延迟发送的机制。 显式状态通知法链路层将状态通知信息( e b s n 。e l n 和e c n 等) 作为t c p 的选项捎带在t c p 确认a c k 中发送回t c p 发送 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 方，显式地通知发送方链路产生了非拥塞造成的数据包丢失， 这样发送方就不会肩动不必要的拥塞控制算法而采用新的处 理机制( 如快速重传) 。这类方法一般较难实现，因为需要修改 中间节点和发送方的t c p 协议，同时，在网络加密情况下也无 法起作用。 超时冻结机制这类方法运用了t c p 的一个基本特性当t c p 接收方将接收窗口大小减小为零时t c p 的发送方会迸入坚持 模式p e r s i s tm o d e 它会冻结所有数据段的重传计时，并且不 减小拥塞窗口这样慢启动阶段的空闲时问可以避免，可利用 这个特性来改善t c p 连接断开情况下的性能，m t c p 方法正 是应用这个思路。但检测通知的功能由基站b s 实施，当基站 检测到一个连接断开或数据丢失时它将一个零窗口大小的确 认送回给发送方，使发送方t c p 迸入坚持模式。本方法需要修 改中间节点和接收方的t c p 。 纯链路层解决方案链路层协议是克服链路高误码率特性的常用方 法f 坡l ，采用本地丢失恢复的思想，使无线链路向上呈现非常低的丢 失率，从而对发端完全透明，这种方法最大的好处是符合网络协议 的分层思想。传统的方法包括前向纠错f e c 和自动重传请求a r q 以及这两种方法的混合。 综合上面所述，t c p 分段连接方案，t c p 缓存方案和交叉层解决方案 要么破坏了t c p 连接的定义，要么实现很复杂，要么对t c p 协议两端的 改动都比较大，不利于保持与公共的i n t e r n e t 的兼容性，而纯端到端方 案只是对t c p 协议本身做了些改进，对整个系统的体系结构几乎不影响， 可以保持较好的兼容性。链路层解决方案使t c p 可以获得近似于有线信 道的误包率条件，从而使得t c p 仅对网络拥塞丢包启动拥塞控制机制，避 免不必要的吞吐率降低。链路层协议的主要优点是数据链路层的误包恢复 功能在无线链路上实现，而不需要上层的t c p 作任何修改，符合t c p i p 参 考模型中关于不同协议层分别独立实现不同的协议功能的思想。链路层协 议的主要缺点是t c p 和数据链路层竞争重传和由于数据链路层重传所引 起的延迟的加大。 1 2 研究目标和内容 目前h s d p a 中t c p 研究大体情况是：针对h s d p a 链路特点从t c p 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 提出的优化方案很少。主要关注于对h s d p a 链路级r l c 层 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 进行研究，并提出优化方案。本论文的研究主要目标是分析t c p 相关参数 在h s d p a 环境中对t c p 性能的影响，进而提出改进h s d p a 网络中t c p 性能的t c p 优化策略。 本文研究的主要内容包括：( 1 ) 评估三种分组调度算法对用户t c p 流公平性的影响。( 2 ) 改进传统t c p 协议的相关参数，使之适应于h s d p a 网络的链路特点，从而优化t c p 性能。 1 3 论文结构安排 全篇论文分以下七个章节进行介绍： 第一章：简要说明研究工作的背景、本研究的主要内容； 第二章：简要介绍了传统传输控制协议t c p 的关键技术和版本发展； 第三章：详细阐述h s d p a 网络的分组调度算法，基于仿真对三种典型的 调度算法进行性能评估，给出了分析和结论； 第四章：详细阐述h s d p a 网络的链路特性对t c p 性能的影响，给出了优 化策略、仿真分析和结论； 第五章：全文总结及有待进一步研究的问题； 6 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 基本原理 第二章t c p 基本原理及发展 t c p 是一个面向连接的传输层协议，也就是说在数据交换以前，必须 先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。这点和电路交换的 许多特性相似，因此又称其为“虚”电路服务。t c p 维护每个流入、流出 t c p 模块的用户数据流的身份和状态信息，在不可靠的i p 层基础上为应 用层提供一个可靠的、按序的、端到端的数据传输服务。 本章着重介绍基于有线网络而设计的t c p 技术，主要涉及t c p 摄文 段格式、t c p 连接、t c p 流量控制、t c p 拥塞控制等。 2 1t c p 基本原理 2 1 1t g p 报文段格式 两台机器上t c p 实体之间传输的数据单元称为报文段( s e g m e n t ) 。 t c p 通过报文段的交互来建立连接、传输数据、发出确认、通告窗口大小 以及关闭连接1 引。图2 1 给出了t c p 报文段结构。 1 6 t ：l 源魑1 3 号 t6 圣c 【目昀端阳号 3 2 位序号 3 2 位确认序号 4 能酉酃 攥翻( 6 位) ur)， rcs syl 1 6 位窗翻大小 致度 okhtnn 1 6 位效验和1 6 位繁急攒钟 选瑗 5 k 数据 ) 图2 1t c p 报文段结构 7 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 基本原理 2 1 2t o p 连接 t c p 是面向连接 1 8 1 的协议。面向连接的传输是通过两个过程来完成 的：连接建立和连接终止。 连接建立通过“三次握手”来建立，在这个过程中，叫做客户的应用 程序愿意与另一个叫做服务器的应用程序使用传输层协议中的t c p 建立 连接。“三次握手”过程从服务器开始。服务器程序告诉其t c p ，它已准 备好接受一个连接。这就叫做请求被动打开。它表示虽然t c p 己准备好 世界上任何一个机器来的连接，但它自己并不能完成这个连接。 连接终止通过“四次握手”在这种过程中，应用程序( 通常是客户) 打算终止连接。这个过程从客户开始。客户程序告诉其t c p ，它已发完数 据，并愿意终止连接。它是主动关闭的请求。在收到主动关闭请求后，客 户t c p 就关闭了客户到服务器方向的通信。但是，另一个方向的通信仍 然是打开的。当服务器程序已经发完了服务器到客户方向的数据时，它就 可以请求其t c p 关闭服务器到客户方向的连接。这通常是被动关闭。 连接复位，在通信的过程中，t c p 可以请求将一条连接复位。这里的 复位表示当前的连接已经被破坏了。 2 1 3t o p 流量控制 t c p 把数据流当成八位组或字节的序列，为了便于传输又把这个序列 划分成若干个段( s e g m e n t ) 。通常，每个段被放置到单个i p 数据报中在互 联网上传输。t c p 使用一个专门的滑动窗口机制来解决两个重要问题：传 输效率和流量控制。t c p 的滑动窗口机制是按八位组操作的，数据流的八 位组被编上序号。发送方对每个连接保留三个指针，这些指针定义了一个 滑动窗口( 如图2 2 ) 。位于滑动窗口左边的第一个指针把己经发送并得到 确认的八位组与尚未得到确认的八位组区分开来；图示最右边的指针标出 了窗口的右边界，指出序列中在没有得到确认的情况下可以发送的最高八 位组序号；中间的指针位于窗口内部，它划分出已经发送的八位组与还没 有发送的八位组之间的界限。从图上可以看出，3 号以前的八位组已经发 送并得到确认；4 号到7 号的八位组已经发送但尚未得到确认；8 号到9 号的八位组还没有发送出去，但即将发送；1 0 号及更高序号的八位组在窗 口滑动之前不能发送。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 基本原理 12 3f4 5 67 ：891 01 1 r 1 t 。1 _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - - 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ l _ 。- - 。_ _ _ 。_ _ 一 fll 图2 2t c p 滑动窗口 t c p 接收方基于接收缓存进行传输数据的接收，即接收方接收到八位 组数据时，t c p 接收方将这些数据放在接收缓存区内，然后交付给应用程 序。如果缓存溢出，就会导致数据丢失，对这种情况进行控制的机制称为 流量控制，流量控制的目的是阻止快的发送方因发送数据太快而淹没了慢 的接收方( 很多数据没有等到接收方处理就溢出缓存) 。t c p 具体的处理方 法是快发送方必须等待慢的接收方返回确认才能发送下一窗口数据。t c p 采用滑动窗口的流量控制中，需要指出的是窗口大小不是固定不变的，它 可以随着网络的拥塞情况发生变化，因此能充分利用网络资源。 2 1 4t o p 拥塞控制 t c p 数据发送窗口的大小取决于接收方的通告窗口【1 8 1 和发送方的拥 塞窗口，即： 发送窗口= m i n ( 接收方通告窗口，发送方拥塞窗1 3 ) 式( 2 1 ) 显然，如果接收方通告窗口足够大，则发送窗口主要由拥塞窗口( e w n d ) 大小决定。当网络发生拥塞时，必须减小拥塞窗口c w n d ，从而限制发往网 络的数据量，减轻网络的负担，使网络能够从拥塞中恢复出来。 目前，i n t e r n c t 主要采用的t c p 版本为t c pr e n o ，其拥塞控制包括： 慢启动、拥塞避免、快速重传和和快速恢复。t c p 在以下两种情况下认为 报文段丢失并启用拥塞控制机制：( 1 ) 发送方的重传定时器( r t o ) 超时：( 2 ) 发送方收到三个重复的a c k 。t c p 拥塞控制需要对每个连接维护两个变 量：拥塞窗口c w n d 和一个慢启动门限s s t h r s h 。 慢启动 在初始连接或因拥塞而超时时，t c p 采用慢启动机制来增加拥塞窗口， 拥塞窗口初始值为1 个t c p 报文段，此后每收到一个确认( a c k ) ，c w n d 增加1 个报文段，直至增加到s s t h r e s h 。( 如图2 3 ) o v n d4 - - c w n d + 1 式( 2 2 ) 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 基本原理 拥塞避免 在慢启动阶段，拥塞窗口( c w n d ) 是以指数规律增加的，“慢启动” 其实很快，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，近似按式( 2 3 ) 增加拥塞窗口， 从而使窗口呈现线性增长，进入拥塞避免阶段。( 如图2 3 ) 删d 卜例h d + 上 c w n d c 剃( s o g m a n t # 图2 ，3t c p 探测到丢包时c w n d 的变化 快速重传和快速恢复算法 t c p 使用序号对数据在流中的位置进行确认，接收方把到达的报文段 中的八位组重组为发送数据流的副本。由于报文段是封装在i p 包中传输 的，他们可能丢失或乱序，接收方使用序号将报文段进行重新排列。t c p 确认中的确认序号比最后收到的八位组序号大1 ，这样发送方就能在不断 发送数据流的同时，从接收方得到连续的反馈信息。也就是说t c p 的确认 信息指出了接收方期望接收到的下一个八位组序号。 每当收到失序的报文段时，t c p 接收方会产生一个重复的a c k ，告 诉发送方期望接收的报文段号。除非收到正确的t c p 段，否则它会一直发 送丢失报文段的重复应答。接收方收到一个或两个重复应答时，认为报文 段在网络上发生了延迟；但是当收到连续三个重复应答时，就认为对应的 报文段已经丢失。快速重传和快速恢复算法就是发送方的定时器没有超 时，而收到三个重复a c k 时实施的策略。具体实现为当发送方收到三个 重复a c k ，重传丢失的报文段，拥塞窗口和阈值近似按公式( 2 4 ) 增加 ( 如图2 4 ) 。 i o 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 基本原理 船舭妇卜三删 c w n d4 - - s s t h r e s h + 3 如果发送方每收到一个附加的重复a c k ，c w n d 增大1 ，这将人为的 扩充拥塞窗口，以反映已经离开网络的附加数据段；当下一个确认新数据 的a c k 到达时，设定c w n d4 - - s s t h r e s h 。 s e n d e r r e c e i v e r 2 2t c p 版本发展 c w n d = l 滞确；2 t i a e 图2 4 快速重传算法 经过十多年的发展，目前t c p 主要包含有多个版本，具有代表意义 的有：t c pt a h o e 、t c pr e n o 、t c pn e w r e n o ，t c ps a c k 和t c p v e g a s 。 2 2 1t a h o et c p t c pt a h o e 指的是1 9 8 8 年加入v a nj a c o b s o n 提出的慢启动、拥塞 避免和快速重传算法之后的4 3 b s d 或类似的t c p 实现版本【19 1 。正如 r f c 7 9 3 所要求的，t a h o e 采用了递增式肯定重传策略和“g o b a c k n ”模型 ( 滑动窗口算法) 。在慢启动阶段，拥塞窗口( c w n d ) 随着确认的到来以指数 方式递增( 这种以a c k 来触发t r a n s m i t 的机制，被v j 称为“a c k 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 基本原理 c l o c k i n g ”，或“s e l f - c l o c k i n g ”1 ，直到到达阀值s s t h r e s h ( s l o ws t a r tt h r e s h o l d ) ； 之后t c p 进入拥塞避免阶段，c w n d 每隔r t t 以线性方式递增1 个单 位。如果连续收到3 个重复确认，t c p 不等重传定时器溢出，马上重传 丢失的报文段，这称为快速重传；之后t c p 返回慢启动状态。 2 2 2r e n ot c p t c p r e n o 在快速重传之后进入快速恢复【2 0 1 ( 而不是t c p t a h o e 采用 的慢启动) 。v j 给出的原因是，接收方发送重复确认不仅仅意味着有报文 段丢失了，还意味着有报文段离开了网络，到达了接收方的缓冲区 ( s e l f - c l o c k i n g ) ，也就是说，网络“管道”空出了新的位置，这样t c p 可 以继续发送新的报文段( 当然c w n d 应该减小一些) 。另一个不进入慢启 动的原因是，d u pa c k s 的到达已经使得发送方的确认“时钟”得到了同 步。快速重传和快速恢复通常一起实现： 1 ) 收到第 3个重复确认之后， 令 s s t h r e s h = m a x ( f l 培h t s i z e 2 ，2 + s m s s ) ； 2 ) 重传丢失的报文段，并令c w n d = s s t h r e s h + 3 ； 3 ) 对每个d u p a c k ，c w n d + = s m s s ，此时，窗口大小允许的话发送 一个报文段； 4 ) 当确认了新数据的a c k 到达时，令c w n d = s s t h r e s h ，即进入拥塞 避免状态。 t c pr e n o 在一个窗口中的多个报文段同时丢失的情况下会出现性能 问题，因为此时引起t c p 退出快速恢复的“确认了新数据的a c k ”没有 确认进入快速重传之前丢失的所有报文段。其它丢失的报文段会使得t c p 不断执行快速重传和快速恢复，而c w n d 和s s t h r e s h 亦会多次被减半， 大大降低了吞吐量。 2 2 3n e wr e n ot c p t c pn e w r e n o 修改了t c pr e n o 的快速恢复算法2 1 1 ，以处理一个窗 口中的多个报文段同时丢失时出现的“部分确认”( p a r t i a la c k s ，它在快 速恢复阶段到达并且确认了新数据，但它只确认了进入快速重传之前发送 的一部分数据) 。 在这种情况下，t c pr e n o 会退出快速恢复状态，等待重传定时器溢 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章t c p 基本原理 出或者d u p a c k s 的到达，但是t c p n e w r e n o 并不退出快速恢复状态， 而是 1 ) 重传紧接着那个p a r t i a la c k 之后的报文段； 2 ) c w n d 一= p a r t i a la c k 确认的新数据，c w n d + = s m s s ； 3 ) 对第一个( 另一个建议是每一个) p a r t i a la c k ，复位重传定时器。 2 2 4s a c kt c p t c ps a c k 关注的也是一个窗口内多个数据包丢失的情况，它避免了 之前版本的t c p 重传一个窗口内所有数据包的情况，包括那些已经被接收 端正确接收的数据包，而只是重传那些被丢弃的数据包【2 2 1 。 2 2 5v e g a st c p 在1 9 9 4 年，l s ，b r a k m o 等提出了一种新的拥塞控制策略一t c p v e g a s 。 由于r t t 值与网络运行情况有密切关系，因此，t c pv e g a s 通过观察 t c p 连接中r t t 值改变感知网络是否发生拥塞，从而控制拥塞窗口大小。 如果发现r t t 值变大，v e g a s 就认为网络正在发生拥塞，于是开始减小 拥塞窗i ：1 ；另一方面，如果r t t 变小，v e g a s 就认为网络拥塞正在解除， 于是再次增加拥塞窗口。这样，拥塞窗口在理想情况下就会稳定在一个合 适的值上。t c pv e g a s 的最大优点在于拥塞机制的触发只与r t t 的改变 有关，而与包的具体传输时延无关。由于t c pv e g a s 不是利用丢包来判断 网络可用带宽，而是以r t t 的变化来判断，因此能更精确地预测网络的 可利用带宽，其公平性、效率都较好。但t c p v e g a s 之所以未能在互联网 上大规模使用，主要是因为使用t c p v e g a s 的流在带宽竞争能力方面不及 未使用t c pv e g a s 的流，从而导致网络资源享用不公平，而不是算法本身 的问题。 2 2 6v e n ot c p 值得一提的是，华人傅承鹏博士综合了t c pr e n o 和t c pv e g a s 的 优点，提出了t c pv e n o 2 3 1 ，成功攻克了互联网的传输协议在无线环境下 不能有效运行的公开难题，提出一个与现存网络完全兼容的极易实施的传 输技术，并得到真实网络环境的验证。t c pv e n o 的诞生开创了移动互联 重庆邮电大学硕士论文第二章t c p 基本原理 网崭新局面，并已相继被美国、德国、英国、韩国、台湾地区、香港地区、 新加坡、加拿大、澳大利亚和中国大陆等研究学者广泛引用。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章分组调度算法对t c p 公平性影响的研究 第三章分组调度算法对t c p 公平性影响的研究 h s d p a 中的n o d eb 新增的m a c h s 功能实体主要负责h s d p a 的快 速分组调度和h s d s c h 信道的实时控制。分组调度算法控制着共享资源 的快速分配，在很大程度上决定了a m c 和h a r q 的效率和性能。根据 无线信道的质量状况和等待发射的数据量以及业务的优先等级等因素，分 组调度算法快速地实现共享资源的最优分配。 3 1 三种典型的分组调度算法 3 1 1 轮询调度算法( r o u n dr o b in ) 在考虑公平性时，一般都把r o u n dr o b i n 算法【2 4 】作为衡量的标准，该 算法是最简单和最容易实现的。该算法的基本思想是：循环的调用每个用 户，就被调度的概率而言。对k 个用户，一次循环中每个用户被调用的概 率p ( k ) 都等于1 k 。也就是说，每个用户以相同的概率占有可分配的时隙 和功率。r o u n dr o b i n 算法认为不同用户的传输优先级是同等的，因而实 现了用户间的最佳公平性。该算法的执行遵循以下规则： 每个用户对应一个队列，以存放待传数据； 在调度时非空的队列以轮询的形式接收服务以传送数据； 在一个队列再次接收服务前，其他所有的非空队列必须都被服务过 一遍： 除非只有一个非空队列否则一个队列不可能连续接受服务； 调度算法可一次传送多个数据包。 轮询算法的优点有： 不仅可以保证用户闻的长时公平性。而且可以保证用户间的短时公 平性： 算法实现简单。这是为什么一些实际系统采用轮询算法的原因。 当然轮询算法也存在致命的缺点。由于算法没有考虑到不同用户的无 线信道的具体情况，因此系统吞吐量是很低的。 通常，人们认为轮询算法是最公平的，因为它保证所有用户占用等量 重庆邮电大学硕士论文第三章分组调度算法对t c p 公平性影响的研究 的时间进行通信；同时该算法是性能最低的，因为它的系统吞吐量在实际 系统中是最低的。也就是说。轮询算法是公平性的上界以及系统吞吐量的 下界。 3 1 2 最大载干比调度算法( m a xc ia i g o ti t h i n ) 如果调度器不是采用有序的无线资源分配( 例如r o u n d - - r o b i n 算法) ， 而是采用依赖于信道质量的调度算法 2 4 1 ( m a x i m u mc i 算法) ，即按信道瞬 时状况好坏区分优先次序向终端发送数据，系统容量将会有显著增加。该 算法的执行遵循以下规则： 每个用户对应一个队列，以存放待传数据； 在调度时，所有非空队列以用户的c i 为优先级从高到低进行排列； 任意时刻接收服务的用户总有最高的c i 。 如果在时刻t 有k 个用户同时请求传输数据，此刻每个用户的c i 为 ( c ，) 。( f ) ，则最大c i 调度算法选中的用户为： | j = a r g m a x ( c i i ) s ( t ) = l ，2 ， 显然最大载干比算法有不少优点： 当系统采用自适应调制编码技术时，采用最大载干比算法的无线系 统可获得最大的系统吞吐量； 算法实现简单。 当然最大载干比算法有自身无法克服的缺点一一完全没有考虑不同 用户的公平性要求因此在实际系统中没能得到使用。通常，认为最大载 干比算法是最不公平的并且把采用该算法得到的系统吞吐量看作系统吞 吐量的上界。 3 1 3 正比例公平算法( p r o p o r t io n a if a ir n e s sa i g o r i t h m ) 原则上，系统吞吐量的降低会使公平性有更多的保障。因此，在两者 之间必须进行权衡。正比公平算法2 5 1 就是在吞吐量和公平性二者之间折中 产生的。在正比公平分组调度算法中，每个用户被分配一个相应的优先级； 任意时刻，小区中优先级最大的用户接受服务。该优先权如下所示： p r i o t ( t ) = 嘴扣1 2 ， 1 6 重庆邮电大学硕士论文第三章分组调度算法对t c p 公平性影响的研究 这里( c z ) 。( f ) 指第k 个用户在t 时刻的载干比，而r ( f ) 指该用户在时 隙t 内的平均传输速率。显然，在覆盖多个用户的小区中，一个用户不可 能总是进行通信。这是因为当用户连续进行通信时，r ( f ) 逐渐变大，从而 使得该用户的优先级变小，无法再获得服