（通信与信息系统专业论文）无线网络中tcp拥塞控制的研究.pdf

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对以上各算法进行了仿真，根据仿真结果( 拥塞窗口和吞吐量) ， 对各算法进行了比较和性能分析。在出现报文丢失的情况下，t a h o e 、r e n o 、n e w - r e n o 、s a c k 和v e g a s 的性能按顺序依次增加。另外，对r e n o 和v e g a s 的公平 性问题进行了仿真和分析。在路由器缓冲区较小的情况下，使用v e g a s 的链路吞 吐量要大于r e n o 的，随着路由器缓冲区的增加，v e g a s 缓冲区的占有率逐渐减 小，当缓冲区较大时，它竞争不过r e n o 。由于v e g a s 和r e n o 在同时竞争带宽时 表现出的不公平性，制约了其在现行i n t e r n e t 上的使用。 其次，在无线接入有线的环境下，对几种主要的t c p 拥寨控制算法进行了仿 真，根据仿真结果对各算法进行了比较和性能分析，并指出传统算法的不足，从 而为无线网络中t c p 拥塞控制的研究提供了依据。仿真证明，t a h o e 、r e n o 、n e w - - r e n o 、s a c k 和v e g a s 对有慢衰落和差错特性的无线信道效果不好，虽然引入 d a 之后，性能有所改善，但不能解决根本性的问题。在以上基础上，本文提出 山东大学硕士学位论文 了一种改进算法r d r e n o ，其性能在无线环境中比传统算法有了一定程度的提高。 最后，总结并分析了现已提出的无线环境中的各种改进方法。从基本原理上 来划分，可将这些方法归纳为四种基本的解决方案：分离式方案、链路层方案、 端到端方案和显式指示方案。 本文内容主要分为以下几个部分： 第一章介绍了与课题相关的基本知识：无线网络、t c p 协议、拥塞控制的基 本概念和仿真工具n s ； 第二章介绍了t c p 拥塞控制的两个关键技术：重发定时器管理和窗口管理： 第三章介绍了几种主要的t c p 拥塞控制算法，并对各算法进行了仿真，比较 和分析了其性能； 第四章在无线环境下对原有的t c p 拥塞控制算法进行了仿真、比较和性能分 析，并提出了改进算法。讨论了目前提出的无线环境下的各种改进方案； 第五章总结全文，并对研究的后续发展方向进行了展望。 关键词：因特网，无线网络。t c p 拥塞控制，n s 4 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h el a s tf e wd e c a d e s ，i n t e r n e h a v ee x p a n d e dr a p i d l y ，t h e s e r v i c eo ft h ei n t e r n e ta r eb e i n gm o r ea n dm o r eb u s y a n dt h e i n c r e a s e o ft h ec o r m u n i c a t i o nt r a f f i cm a k e st h eb a c k b o n e n e t w o r k sc o n g e s t t o i n s u r et h ei n t e r n e tw o r kb e t t e r ，w es h o u l dt a k es o m ep o l i c i e st oa v o i d a n dc o n t r o lt h e c o n g e s t i o n o ft h en e t w o r k t h i si s t h e c o n g e s t i o n a v o i d a n c ea n dc o n t r o lp o l i c y t o d a yt c pc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi s w i d e l yu s e di n t h ei n t e r n e t w i t ht h ec o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e f o r w a r dt ot h e p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sr a p i d l yi nt h el a s t f e wy e a r s c o m p a r ew i t ht h ew i r e de n v i r o n m e n t ，t h ec h a r a c t e r sa r eh i g h b i te r r o rr a t e s ，l o wb a n d w i d t h ，l o n gt i m ed e l a y ，f r e q u e n c ym o v i n ga n ds o o n ，s ot h e r ea r eh i g he r r o rr a t ei nw i r e l e s sn e t w o r k i nw i r e l e s sn e t w o r k s ， c o n g e s t i o n i sn o tt h e o n l y r e a s o nf o rd a t al o s i n g i fw eu s et h e t r a d i t i o n a ic o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n i q u ei nw i r e l e s sn e t w o r k ，i tc a nm a k e t h es e n d e rd e c r e a s et h e s e n d i n g r a t eu n n e c e s s a r i l ya n dr e s u l t st h e d e c r e a s eo ft h en e t w o r k p e r f o r m a n c e s o t h et r a d i t i o n a l c o n g e s t i o n c o n t r o lh a v en o ta d a p t e dt ot h ew i r e l e s se n v i r o n m e n tw i t ht h eb a d1 i n e q u a l i t y h o w t o i m p r o v e t h et c pp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s se n v i r o n m e n t n a t u r a l l yb e c o m e sa ni m p o r t a n tt a s ko ft h en e t w o r k t h et h e s i si n c l u d e st h r e ep h a s e st or e s e a r c ht h en e t w o r kc o n g e s t i o n f i r s t ，w er e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo ft h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o li n t h ei n t e r n e t ，s u m m a r i z es o m ei m p o r t a n tt c pc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m s ( t a h o e ，r e n o ，n e w r e n o ，s a c ka n dv e g a s ) ，a n ds i m u l a t et h ea l g o r i t h m su s i n g s i m u l a t o rt o o l ( n s 一2 ) a c c o r d i n gt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ( c o n g e s t i o n w i n d o wa n dt h r o u g h p u t ) ，w ec o m p a r ea n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h m s i nt h ec a s eo ft h em e s s a g el o s i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et a h o e ， r e n o ，n e w r e n o ，s a c k ，v e g a si n c r e a s ei no r d e r i na d d i t i o n ，w es i m u l a t e a n da n a l y z et h ej u s t i c ep r o b l e mo ft h er e n oa n dv e g a s w h e nt h er o u t e r h a ss m a l lb u f f e r ，t h et h r o u g h p u ti nt h el i n ku s i n gv e g a si s l a r g e rt h a n t h el i n ku s i n gr e n o w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb u f f e r ，t h eb u f f e ru t i l i z e r a t eo ft h ev e g a sg r a d u a l l yd e c r e a s e ，w h e nt h eb u f f e ri s l a r g e r ，v e g a s c a n tc o m p e t ew i t hr e n o b e c a u s et h eu n f a i ro fc o m p e t i n gt h eb a n d w i d t h b e t w e e nr e n oa n dv e g a s ，v e g a si sn o tu s e di nt h ei n t e r n e t t o d a y 5 山东大学硕士学位论文 s e c o n d ，w es i m u l a t et h ea b o v ea l g o r i t h m si nt h ew i r e d c u m w i r e l e s s e n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t h er e s u l t o ft h es i m u l a t i o n ，w ec o m p a r ea n d a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m s ，a n dp o i n to u tt h es h o r t c o m i n g s o ft h e t r a d i t i o n a a l g o r i t h m s t h i s o f f e r st h eb a s i s f o rt h et c p c o n g e s t i o n c o n t r o lr e s e a r c hi nt h ew i r e l e s sn e t w o r k t h es i m u l a t i o n p r o v e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft a h o e ，r e n o ，n e w r e n o ，s a c ka n dv e g a sis b a di nw i r e l e s sc h a n n e lw i t ht h ec h a r a c t e ro fs l o wf a d i n ga n de r r o r w h e n t h e s ea l g o r i t h m sa r ec o m b i n e dw i t hd a ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e mc a nb e i m p r o v e d 。b u tt h i sc a n ts o l v et h ee s s e n t i a lp r o b l e m o nt h eb a s i co f t h ea b o r ew ep u tf o r w a r dan e wa l g o r i t h m r d r e n o ，i t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e r t h a nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m si nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t l a s t 。w ec o n c l u d ea n da n a l y z et h ee x i s t i n gw i r e l e s ss o l u t i o n s t h e s e s o l u t i o n sc a nm a i n l yb ec l a s s i f i e di n t ot h ef o l l o w i n gc a t e g o r i e s ：s p l i t c o n n e c t i o np r o j e c t ，l i n kl a y e rp r o j e c t ，e n d t o e n dp r o j e c ta n de x p l i c i t n o t i f i c a t i o np r o j e c t t h et h e s i si sd i v i d e di n t os e v e r a l p a r t sa sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h et a s k ：t h e c o n c e p to ft h ew i r e l e s sn e t w o r k ，t c pp r o t o c o l ，c o n g e s t i o nc o n t r o la n dt h e s i m u l a t o rt o o l ( n s - 2 ) t h es e c o n d c h a p t e r i n t r o d u c e st h et w o k e yt e c h n i q u e s ：t h e r e t r a n s m i s s i o nt i m e rm a n a g e m e n ta n dt h ew i n d o wm a n a g e m e n t t h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e s a n ds i m u l a t e ss o m e i m p o r t a n t t c p c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m s ，c o m p a r e sa n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ea l g o r i t h m s t h ef o r t hc h a p t e rs i m u l a t e st h et r a d i t i o n a lt c pc o n g e s t i o nc o n t r o l i nt h ew i r e l e s s e n v i r o n m e n t ，c o m p a r e sa n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo f t h e m ，p u t sf o r w a r dar e f o r m a t i v ea l g o r i t h m d i s c u s sa l lk i n d so fw i r e l e s s s o l u t i o np r o j e c t st h a th a v eb e e np u tf o r w a r db yn o w t h ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i e sa n dp r o s p e c t st h et h e s i s k e yw o r d s ：i n t e r n e t ，w i r e l e s sn e t w o r k ，t c pc o n g e s t i o nc o n t r o l ，n e t w o r k s i m u l a t o r 6 山东大学硕士学位论文 。g j _ _ _ _ _ e _ g 口_ e e = e e l i e e _ = ! s 自 符号说明 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 o l 传输控制协议 u d p u s e rd a t e rp r o t o c o l 用户数据报协议 m s s m a x i m u ms e g m e n ts i z e 最大报文段大小 r t o r e - t r a n s m itt i m e o u t 重传超时 r t t r o u n dt r i pt i m e 往返时间 c w o d c o n g e s t i o nw i n d o w 拥塞窗口 a w n d a d v e r t i s e dw i n d o w 通告窗口 s s t h r e s h s l o ws t a r tt h r e s h o l d 慢启动阈值 a i m d - a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e 加性增加乘性减小 a c k a c k n o w le d g e m e n t 确认 s a c k s e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t选择确认 d u p a c k d u p l i c a t ea c k n o w l e 曲e m e n t重复确认 n s n e t w o r ks i m u l a t o r 网络仿真 b e r b i te r r o rr a t e 比特错误率 d a d e l a y e da c k n o w l e d g e m e n t 延迟确认 f h f i xh o s t 固定主机 b s b a s es t a t i o n 基站 m h m o b il eh o s t 移动主机 s h s u p e r v i s o rh o s t 监管主机 f e c f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 向前差错检测 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自动重传请求 w w a n w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 无线广域网 w l a n - w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 无线局域网 e l n e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n 显式丢失指示 c r c c i r c u l a rr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余检测 r e d r a n d o me a r l yd e t e c t i o n 随机早期检测 e c n e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n 显式拥塞指示 m a c t m o b i l ea d h o cn e t w o r k s 移动a d h o e 网络 r f n r o u t ef a i l u r en o t i f i c a t i o n 路由失败指示 r r n r o u t er e e s t a b l i s h m e n tn o t i f i c a t i o n 路由重建指示 7 山东大学硕士学位论文 引言 计算机网络在过去的几十年中经历了爆炸式的增长，随之而来的是越来越严 重的拥塞问题。网络产生拥塞的根本原因在于用户提供给网络的负载大于网络资 源容量和处理能力，表现为报文时延增加、丢弃率增大、吞吐量下降等。拥塞一 旦发生往往会形成一个不断加重的过程，如果不加控制，将会严重降低网络的性 能，甚至会使整个网络发生瘫痪。 据统计，i n t e r n e t 上大约有8 0 的业务需要t c p 的服务。i n t e r n e t 主要互 连协议的t c p 拥塞控制机制对拥塞控制具有特别重要的意义。拥塞控制是确保 i n l e r n e t 鲁棒性和稳定性的关键园索因此成为当前刚络研究的一个热点问题。 近年来无线通信得到快速发展，各种无线通信系统包括g s m 、g p r s 、c d m a 和w l a n 等已得到广泛应用，并且已经有越来越多的移动主机接入到i n t e r n e t 中。在未来的通信发展中。无线遁信和i n t e r n e t 的结合无疑是通信技术和业务 发展的一大趋势。最初，t c p 是为有线网络而设计的，其主要的特点是能确保分 组按顺序正确发送，这对于有线园特网非常有效。但在无线网络中，由于噪声的 突发性、多径衰落、移动性和干扰的影响，使得无线链路有很高的差错率。无线 网络差错而引起的报文丢失使得传统的t c p 误认为是网络拥塞造成的，不必要的 开始它的拥塞控制处理，从而使网络性能严重降低。传统的t c p 拥塞技术已无法 适应链路质量相对较差的无线环境。这样，在无线环境中如何有效的提高t c p 性 能自然成了一个重要的网络研究课题。 针对咀上情况，本文对t c p 拥塞控制进行了逐步的分析和研究。 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无线网络及其发展 个人通信是指任何人在任何时间和任何地点实现与任何人进行任何种类的 信息交换。个人通信的实现将使人类彻底摆脱现有通信网的束缚，达到无约束自 由通信的最高境界。而无线接入是实现个人通信的必要条件，也是技术难点。随 着通信技术向个人通信的迈进，近年来无线通信得到飞速的发展。各种无线通信 系统，包括无线寻呼、g s m 、g p r s 、u m t s 、c d m a 和w l a n 等已得到广泛应用。无 线通信系统基本上可分为移动通信网络( 如g s m 、c d m a 等) 和无线计算机网络( 如 w l a n ) 。在可预期的将来，以上各系统也将会融合在一起并提供i p 数字化的多媒 体业务。所有这些发展都使褥与无线通信相关的技术成为研究的热点。 无线通信的发展已经经历了三代：第一代无线通信( 如a n p s 、t a c s 、n t m 等) 约始于7 0 年代后期，使用的是模拟蜂窝技术。9 0 年代初，以g s m 和i s - 9 5 为代 表的第二代无线通信逐步替代了第一代使用的是数字传输技术，它具有更高的 频谱利用率，能提供语音和低比特率的数据业务，目前，尤其是g s m 系统及其演 变的g s m l 8 0 0 、g p r s 等系统仍然在快速的增长。第三代无线通信于1 9 8 5 年提出， 目前以i m t 2 0 0 0 为代表的第三代无线通信正完成其传输技术标准，并将近期进入 市场，它主要是以c d m a 为核心技术，以智能通信为主要特征，与前两代相比， 具有更大的容量、更好的通信质量、更高的频带利用率，这些特点使得它能为高 速和低速移动用户提供话音、数据、会议电视及多媒体等多种业务，而且用户能 在全球范围内无缝漫游。下一代( 即第四代) 无线通信的研究始于1 9 9 6 年，目 前还只是一个主题概念，暂可耨其称之为“多媒体移动通信( m u l t i m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) ”，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统 和交互式广播网络，以o f d m 和智能天线为核心技术，可以在不同的固定、无线 平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联 网( 包括卫星通信和平流层通信) ，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等 综合功能。此外，第四代无线通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽 带接入i p 系统。 纵观整个电信行业，目前无线通信市场空前繁荣，无线业务日趋丰富，无线 山东大学硕士学位论文 技术日新月异，总的发展趋势是： 无线通信规模化，移动通信市场已经进入规模化的大发展阶段： 无线网络全球化，全球的无线网络建设正在加快； 无线业务数据化，无线数据业务展现出广阔的前景； 无线技术宽带化，宽带化为无线业务的不断发展提供了基础： 无线接入普遍化。多种接入技术不断出现，百花齐放； 无线i p 化。 另一方面，由于互联网的全球成功连接与飞速增长，使得核心网和接入网都 向i p 转化。从而，无线移动通信与互联网的飞速发展已成为全球信息社会中最 耀眼的两大亮点，正在将人类实现全球个人通信的梦想一步步变成现实。无线数 据业务的进一步发展需要互联网的支撑，而互联网的个人连接能力又以无线通信 为基础。因此，无线、移动与互联网的结合是发展的必然。 1 2t c p 协议概述 在网络的传输层主要有两种协议：一种是面向连接的t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议，另一种是无连接的u d p ( u s e rd a t e rp r o t o c 0 1 ) 协 议。t c p 是互联网上应用最广泛的传输层协议，它可提供端到端可靠的字节流传 送服务。 t c p 是一个面向连接的协议，即在网络端点进行数据传输之前要建立连接， 连接属于全双工方式( 即数据可以在两个方向上同时进行传输) 。t c p 在不可靠 的i p 层( 此层随时都有可能出现数据丢失、损坏、重复传送、延迟和错误) 上 提供可靠的数据传输服务，即所有被传输的数据最终都应到达接收端。在t c p 中， 接收端对其所接收的每一个分组都进行确认，在一定时间范围内没有得到确认的 分组会被发方重传。接收端如果收到一个重复的分组，将会丢弃这个分组：如果 收到乱序的分组，则对这个分组重新排序。每一个分组都会有自己对应的序列号， 在发送方对收到的分组确认中指出接收端所希望接收的下一个分组的序列号。当 通信双方均有数据要发送时，t c p 可以将确认信息在数据分组中发送以减少控制 信息的流量。t c p 协议对数据单元的传输及重传策略，对于网络的拥塞状况有深 刻的影响。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 2 1t c p 报文段格式 t c p 软件在两台计算机之间传输的数据单元称为报文段( s e g m e n t ) 。通过报 文段的交互来建立连接、传输数据、发出确认、通告窗口大小及关闭连接。图 1 1 示出了t c p 报文段的格式，每个报文段分为两个部分：首部和数据。报文段 既可以用来建立连接，也可以运载数据和应答。 图1 1t c p 报文段格式 t c p 首部固定部分各字段的意义如下： 源端口和目的端口：各占2 个字节，是传输层与高层的接口。 顺序号：占4 字节，是本报文段所发送的数据部分第一个字节的序号。在 t c p 输送的数据流中，每一个字节都有一个顺序号。例如，在一个报文段中，序 号为3 0 0 ，而报文中的数据为1 0 0 字节，那么，在下一个报文段中，其顺序号就 是4 0 0 。由此可见，t c p 是面向数据流的。 确认号：占4 字节，是期望收到对方下次发送数据的第一个字节的序号。 首部长度：占4b i t ，它指出以3 2b i t 为单位的t c p 报文段首部的长度。 在首部字段后面是6b i t 的保留字段，是为将来的应用而保留的，目前置为0 。 紧急比特u r g ：当u r g = i 时，表明此报文段应该尽快发送，而不要按照原 来的排队顺序发送。它通常与紧急指针( 位于第5 个3 2b i t 字段中的后一半) 配合使用，紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。紧急 指针使接收方可以知道紧急数据共有多长。需要注意的是，即使窗口大小为0 时 山东大学硕士学位论文 也可发送紧急数据。 确认比特a c k ：只有当a c k ：i 时确认序号字段才有意义。当a c k = 0 时，确 认序号无意义。 急迫比特p s h ：当p s h = 时，表明请求远地t c p 将本报文段立即传送给其 应用层，而不要等整个缓冲区都填满之后再向上交付。 复位比特r s t ：当r s t = 1 时，表明出现严重差错，必须释放连接，然后再 重新建立连接。 同步比特s y n ：在连接建立时使用。当s y n = i 而a c k = o 时，表明这是一个 连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在发回的报文段中使s y n = i 和 a c k ：i 。因此s y n 置为1 ，就表示这是一个连接请求或连接接受报文，而a c k 比 特的值用来区分是哪一种报文。 终止比特f i n ：用来释放一个连接。当f i n = i 时，表明欲发送的字节串已 经发完，并请求释放传输层连接。 窗口：占2 字节。窗1 ：3 字段提供端到端的流量控制，它表示在确认了字节 之后还可以发送多少个字节。此字段值为0 是合法的，表示它已经收到了包括确 认号减1 ( 即己发送的所有报文段) 在内的所有报文段，但当前接收方急需暂停。 之后通过发送一个带有相同确认号和滑动窗口字段非零值的报文段来恢复原来? 的传输。 校验和：占2 字节。校验和字段覆盖的范围包括首部、数据和概念上的伪 t c p 首部( p s e u d o h e a d e r ) ( 如图1 2 所示) 之和。 源地址 目的地址 零 协议= 6t c p 数据段长 图1 2 伪t c p 首部 伪t c p 首部不是t c p 数据报真正的首部，只是在计算校验和时临时和t c p 数 据报连接在一起，得到一个过渡的t c p 数据报，校验和就是按照这个过渡的t c p 数据报来计算的。伪t c p 首部既不向下传送，也不向上递交。 1 2 山东大学硕士学位论文 选项字段：长度可变。t c p 只规定了一种选项，即最大报文段长度 m s s ( m a x i m u ms e g m e n ts i z e ) 。m s s 将缓冲区所能接收的报文段的最大长度告诉 对方的t c p 。m s s 的选择并不简单。当m s s 长度减小时，网络的利用率就降低。 一般认为，m s s 应尽可能大些，只要在i p 层传输时不要再分片就行。在t c p 连 接建立的过程中，双方都将自己能够支持的最大报文段长度m s s 写入这一字段。 在以后的数据传送阶段，m s s 取双方提出的较小的那个数值。若主机未填写这项， 则m s s 的默认值是5 3 6 字节长的净负荷。 1 2 2t c p 连接的建立与关闭 1 ) t c p 连接的建立 由于t c p 是一个面向连接的协议，因此在能够传送任何应用层数据之前必须 先在两个用户进程之间建立一条逻辑连接( 虚电路) 。t c p 使用三次握手协议来 建立连接。图1 3 显示了建立连接的过程。 在罔点1 的事件同路报文在嘲点2 柏事件 发送s y l , l ：e q w x 接收s v n + a c k 报文教 发避a c g y + ! 接收s l r n 报文段 发送s y n s e q - y a c k x + 接收 a 【攫文裴 图1 3 建立t c p 连接的三次握手过程 请求端指明连接的t c p 端口号，当一端为建立连接而发送它的同步报文段 s y n 时，它为连接选择一个初始序号( i s n ) ，i s n 是一个3 2 位的计数器，每4 毫 秒加1 ，防止网络中被延迟的分组以后又被传送。接收端返回自己的s y n 报文段， 该报文段包括了对发起端s y n 加l 的确认。最后请求端再发回一个确认信息，用 来通知目的主机双方一致认为连接已经建立。这个过程是连接的两端正确同步的 充要条件。 2 ) 关闭连接 山东大学硕士学位论文 t c p 协议内部使用改进的三次握手来关闭连接。t c p 连接是全双工的，可以 看作两个独立的不同方向的数据流的传输。当一个应用程序通知t c p 数据已经发 送完毕时，t c p 将单向地关闭这个连接。为了关闭自己一方的连接，发送方的t c p 送完剩下的数据之后等待确认，然后再发送一个将码元字段的f i n 位置1 的报文 段。接收方的t c p 确认这个f i n 报文段，并通知本端的应用程序不会再收到数据 了。一旦在某一方向上的连接已经关闭，t c p 就拒绝该方向上的数据。这时，在 相反方向上，发送方还可以继续发送数据，直到发送方关闭连接。当然，尽管连 接已经关闭，对确认信息还是会反馈给发送方。当连接的两个方向都已关闭后， 在该连接的两个端点的t c p 软件就删除这个连接的记录。 1 2 3 流量控制 t c p 采用滑动窗1 3 来进行流量控制( 在2 2 节中会具体描述) ，在发送方和 接收方各存在一个滑动窗口，它限制了网络中的未经确认的分组数量。发送方一 次最多只能发送窗口大小数量的分组。然后只能等待接收方的确认才能继续发送 分组。 1 3 拥塞控制概述 i n t e r n e t 在过去的几十年中经历了飞速的发展，通信量的增加使得主干网 目益拥塞。1 9 8 6 年1 0 月，由于拥塞崩溃的发生，美国l b l 到u cb e r k e l e y 的数 据吞吐量从3 2 k b p s 跌落到4 0 b p s 。之后，在拥塞控制领域便开展了大量的研究 工作。 据统计，i n t e r n e t 上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议，所以t c p i p 的拥 塞控制机制对网络的正常运行具有重要的意义。目前，i n t e r n e t 中主要使用的 是t c p 拥塞控制机制，它在保证网络的鲁棒性和稳定性方面起着至关重要的作 用。 当( 一部分) 通信子网中有太多的分组时，其性能降低，这种情况叫做拥塞。 网络产生拥塞的根本原因在于用户提供给网络的负载( 1 0 a d ) 大于网络资源容量 和处理能力( o v e r l o a d ) 。其表现为数据报时延增加、丢弃概率增大、吞吐量下 降等。图1 4 表示了拥塞控制所起的作用。 山东大学硕士学位论文 图1 4 拥塞控制起的作用 拥塞产生的直接原因有以下3 点： r ) 储空问不足。几个输入数据流共同需要同一个输出端口，在这个端口就 会建立排队。如果没有足够的存储空间存储，数据包就会被丢弃。对突发数据流 更是如此。增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如果路由器有无限 存储量时，拥塞只会交得更坏，而不是更好，因为在网络里数据包经过长时间排 队完成转发时，它们早己超时，源端认为它们已经被丢弃，而这些数据包还会继 续向下一个路由器转发，从而浪费网络资源，加重网络拥塞。 2 ) 带宽容量不足。低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。根据香农 信息理论，任何信道带宽最大值即信道容量c = b l o g ：( i + s n ) ( n 为信道白噪声的 平均功率，s 为信源的平均功率，b 为信道带宽) 。所有信源发送的速率r 必须小 于或等于信道容量c 。如果r c ，则在理论上无差错传输就是不可能的，所以在 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、速度慢也能引起拥塞。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，也会产生拥塞。 要避免拥塞的发生，对以上3 点原因需要综合考虑。例如：只提高链路速率 而不改变处理器，只会转移网络瓶颈而不能避免拥塞。所以，拥塞往往也是系统 各部分不匹配的结果。 拥塞一旦发生往往会形成一个不断加重的过程，如不加控制，就会影响网络 山东大学硕士学位论文 ! j - _ 日! e e ! g e l _ _ e ! 目! l l _ 目_ - _ 目 的性能，严重的情况甚至会使整个网络发生瘫痪。所以，拥塞控制是网络中必不 可少的机制。 1 4n s 仿真工具介绍 1 4 1 n s 的开发背景 n s 是n e t w o r ks i m u l a t o r 的缩写，它是由l b n l ( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 的网络研究小组开发的仿真工具。n s 是一种可扩展、易配置、可 编程的事件驱动的网络仿真软件。它支持许多基本的协议，如t c p 协议、一些路 由协议和多点发送协议等。 l b n l 的网络仿真软件的开发始于1 9 9 0 年5 月对s k e s h a v 的r e a l 网络仿真 程序的修改。9 1 年夏天，对仿真描述语言进行了修改。称为t c p s i m 。1 9 9 4 年1 2 月，m c c a n e 用c + + 重写了t c p s i m ，称为n s 。 n s 仿真器由1 0 万行c + + 代码、7 万行o t c l 代码、3 万行测试代码和2 万行 文本文档构成。n s 能在大多数u n i x 平台下运行。在w i n d o w s 平台下工作不是很 稳定。 1 4 2 n s 系统的层次结构 n s 是一个用c + + 编写的面向对象仿真器，它的前端是一个o t c l 解释器。仿 真器内核定义了有层次结构的多种类，称为编译类结构。在o t c l 解释器中有相 似的类结构，称为解释类结构。这两种类结构关系密切。如图1 5 所示。从用户 的角度来看。两种结构的类之间有一一对应的关系。用户通过解释器创立新的仿 真对象之后，解释器对它进行初始化，与编译类结构中相应的对象建立映射。 1 6 哐 。图1 5n s 仿真器一般结构 n s 仿真器用到了六种t c l 类，分别是： 山东大学硕士学位论文 1 ) c l a s st c l ：封装了o t c l 解释器实例。向外提供方法( m e t h o d s ) 来访问 解释器。获得t c l 实例的一个参考、通过解释器激活o t e l 过程、返回结果、报 告错误状态、存储和查找t c l 对象。 2 ) c l a s st c