（通信与信息系统专业论文）移动因特网中基于移动ip的tcp性能研究.pdf

讶南交谶大学硕士研究缴学位论文第1 页 攘要 移动谤雾擞豹广泛瘦黑接动了入 】对穆动计算虮必线接入豹 研究，即对移动因特网的研究。移动i p 是一种全球因特网上提供 移动功能敬赠络层瓣决方寨，它麓单、可扩展，得到学术界的普遍 认可。 移动l p 中存在跳一个夔要问题就是三角路出，它带来了网络 税费和性能问题。论文首先分析了两种移动i p 路由优化技术 r o m i p v 4 和m i p v 6 ，并通道仿真对其性熊进行分析和比较。 移动i p 中存在的另外个问题就是：移动环境下t c p 髋能下 降。论文通过仿真分析了移动l p 切换造成t c p 性能下降的原湖，说 嘴为了更好的满足用户需求，移韵i p 和t c p 需簧骰避一步改进。 论文的第六章分三类阐述了现有的移动环境下t c p 性能改进 方案：之蓐撬密了一犟孛端至4 端豹蘩子r o m l p v 毒懿t c p 改遗方案 一t c p - b r o m i p v 4 。这种方案利用r o m i p v 4 中的绑寇更新消息以 爱薪爝戆翡羧警告溃惠，溺整发送t c p 在移动繁熹甥揆过稷孛赘 操作。采用网络仿舆工具n s 2 对t c p b r o m i p v 4 进行仿真，仿真 缝栗袭鞠：移动环壤下t c p b r o m i p v 4 协议较传统妻孽t c p 协议在 t c p 性能上有了显著的改赫。 移麓嚣壤下兹t c p 蛙黢敷及务耱t c p 改进隽案在移动l p 扩展 协议下的性能还有待进一步研究，以便最终实现用户程网络问平滑 坟换，辑滢弦豹应髑不孛叛，移动节点在鄹终甥换过程中t c p 性 能对用户透明这一目的。 关键谪：移动i p ；网络协议；路由优瓴：t c p 性能 一 嚣褰交逶大学鞭士聚究黧学靛论文繁l l 燹 a b s t r a c t r e c e n ty e a r st h e r eh a ss e e na ne x p l o s i v eg r o w t hi nt h en u m b e r o f l a p t o pa n dn o t e b o o kc o m p u t e r ss o l d ，w h i c hh a sd r i v e nt h er e s e a r c h i nm o b i l eh o s ta c c e s s i n gi n t e r n e t ，i e m o b i l ei n t e r n e t 。m o b i l ei pi s t h u sas o l u t i o nf o r m o b i l i t y o nt h e g l o b a l i n t e r n e t t th a s g a i n e d u n i v e r s a l a c c e p t a t i o n i na c a d e m i ab e c a u s eo fi t s s i m p t i c i t y a n d s c a l a b i t i t y t r i a n g l er o u t i n gi sa ni m p o r t a n ti s s u ei nm o b i l et p , w h i c ha l s o b r i n g sp r o b l e m si nn e t w o r kc o s ta n dp e r f o r m a n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e r a n a l y z e st w o o f e x i s t i n gt e c h n i q u e so fr o u t i n go p t i m i z a t i o ni nm o b i l e t p ，w h i c ha r e 疑。狱l p v 辱a n dm i p v 6 ，s u b s e q u e n t l y t h e i r p e r f o r m a n c e i sa n a l y z e da n d c o m p a r e dw i t he a c ho t h e rt h r o u g hs i m u l a t i o n a n o t h e ri s s u ei nm o b i l ei pi st h a tt c pp e r f o r m a n c ei nm o b i l e e n v i r o n m e n t si sf a rf r o ms a t i s f i e d i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h et h e s i s a n a l y z e s t c pp e r f o f i n a n c ei nm o b i l ee n v i r o n m e n t s ，s o m er e a s o n s c a u s i n gn e g a t i v ee f f e c t so nt h et c pp e r f o r m a n c ed u r i n gm o b i l ei p h a n d o f fa r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，i tc o n c l u d e st h a tb o t hm o b i l ei pi t s e l f a n dt e pn e e dl ob ei m p r o v e di no r d e rt om e e t u s e r s r e q u i r e m e n t s c h a p t e r6o ft h e t h e s i s a n a l y z e st h r e ek i n d so fs o l u t i o n s f o r i m p r o v i n g t c p p e r m r m a n c e i nm o b i l ee n v i r o n m e n t sa n dt h e n p r e s e n t s a ne n d - t o * e n ds o l u t i o nf o rt c pp e r f o r m a n c e i m p r o v i n g ， w h i c hi sb a s e do nr o m i p v 4 。i nt h i ss o l u t i o n ，s e n d e rt c p m a y8 u s t i t s o p e r a t i o n w h e ni tr e c e i v e s b i n d i n gu p d a t em e s s a g e a n dt h e h a n d o f f w a r n i n gm e s s a g en e w l y d e f i n e d i nr o m i p v 4 ，t h e 羊e p b 袋o m i p v 4 p r o t o c o l i ss i m u l a t e d u s i n g n e t w o r ks i m u l a t o r n s 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 下e p 一嚣r o m i p v 毒h a sg r e a t l y i m p r o v e dt c pp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lt c pp r o t o c o li n m o b i l ee n v i r o n m e n t s b o t ht c pp e r f o r m a n c ei nm o b i l en e t w o r ka n dt h e i m p r o v i n g s o l u t i o n s c o - o p e r a t i o nw i t hm o b i li pe x t e n s i o n sa r et ob ed e e p l y r e s e a r c h e di nf u t u r e 0 u ri d e a li st or e a l i z et h a ts u b s c r i b e r ss m o o t h l y h a n do v e ri nn e t w o r k sa n dt h a ta p p l i c a t i o no n g o i n gi s n t i n t e r r u p t e d i nt h ee n dt c p p e r f o r m a n c ei st r a n s p a r e n tf o ru s e r sd u r i n gm o b i l e h o s t sh a n d i n go v e r ， k e yw or d s ：m o b i l ei p ，n e t w o r kp r o t o c o l ，r o u t eo p t i m i z a t i o na n dt c p p e r f o r m a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文背景 1 1 1 无线因特网 第1 章绪论 因特网的飞速发展和移动计算机日益广泛的应用推动了人们对 移动计算机无线接入的研究，即对移动因特网的研究。像其他台式 机用户一样，移动计算机用户期望能够在任何地点、任何时间接入 网络，共享资源和服务。为了实现上述梦想，就要解决全球移动性 支持问题。在移动性支持方面，依据对移动的处理层次不同，存在 三种不同的概念：( 1 ) 在应用层上的移动，主要是指用户或应用的移 动，例如某拨号用户从甲地移动到乙地后可以使用原来的用户认证 信息在乙地拨号上网；( 2 ) 在i p 层移动，指用户及其携带的终端设备 可以在i p 网间移动，即可以在多种移动物理网( 譬如无线局域网及 数字移动电话网) 问无缝切换：( 3 ) 在物理层移动，如w l a n 、g p r s ， 用户及其携带的终端设备可以在网络的物理覆盖范围内漫游。随着 信息时代的到来，有很多方面要求网络层，即i p 层支持无缝漫游( i p 移动性) 。 通过无线接入因特网的方式可以分为三类：一是基于局域网的 接入技术，如i e e e 8 0 2 1 1w l a n 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、h o m e r f ( 蜂 窝式无线数据解决方案) ；二是基于蜂窝的接入技术，如c d p d 、 g p r s 、e d g e 等；三是基于低轨道卫星系统的方式。 下面仅对i e e e 8 0 2 1 lw l a n 和g p r s 技术做简要的介绍。 1 i e e e s 0 2 1 1w l a n n 1 一种能在几百米范围内支持较高数 据速率( 1 m b i t s 以上) 的无线网络，可以采用微蜂窝、微微蜂窝结 构，也可以采用单区结构一一a dh o c 。i e e e8 0 2 1 l 是由i e e e 提出的 无线局域网标准，协议以c s m a ，c a 作为介质接入策略。8 0 2 1 1 b 工， 作在2 4 g h z 频率上，传输速率为1 、2 、5 5 以及1 lm b i t s ；8 0 2 1 l a 工作在5 - 6 g h z 频率上，它使用正交频分复用( o f d m ) 技术使传输 速率可以达到5 4 m b i t s 。i e e e8 0 2 1 1 定义两种网络结构：基于基础 设施( i n f r a s t r u c t u r e b a s e d )( 移动终端通过接入点与骨干网通信) 的网络和单区网络( a dh o c ) 。i e e e8 0 2 1 1 提出了一种基于c s m a c a 西南变通大学 磺士研究难学位论文第2 页 静分布式协调功髓( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t ef u n c t i o n ) ，傻焉幞 间隔( i f s ，i n t e r f r a m es p a c e ) 和竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 来支 特穰邀接灭。穰震r t s c t s 装勰决多臻髑终靛隐藏终蠛薅题，露对 支持面向接入点和多跳网络拓扑，支持异步业势、时间受限业务和 支持秘攀管理。i e e e8 0 2 。t l 还提嫩了有钱宠级鹣点蛰镄囊裁( p c f ， p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。 2 g p r s ”2 “”逶强分组无线选务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 是对已有静g s m 丽络韵提升。g p r s 安臻了薪酶分缀数鬣 无线通信网络访问节点，并且增强已有的无线通信网络节点，使之 可 冀为薏缝遴信隧络鼹户裁鼹关节熹之瓣靛数据雹疆供雅交。嚣关 节点提供与外部数据包网络的连接，如因特网。g p r s 是通向3 g 的 会熏要逶浚技末。主要解决妥秘在无线强壤孛互联网应翔性轻太 差的问题，如：可嗣带宽的使用效率低，连接设置时间较长和无线 键路容藿低等。爨赋g p r s 的瓠准化王佟主要鬃中在悫服无线因特 两缺陷的研制上。g p r s 最显著的优点就是雏酶褥供磁现有g s m 褥 9 6 k b i t s 更商的数据率，其数据攀可达1 15 k b i t s ，巨大的吞吐量改 交了肇一酶蕊蠢文本戆无拣应薅，使褥恕括蘑片、话嚣稳褪频戆多 媒体业务成为现实。移动用户再也不必遇过拨峙专门的i s p 来收发 邀子郛箨霸测莲w e b 瓤夏。g p r s 提供了无缝、妻接熟霞祷秘连接， 支持x 2 5 协议和l p 协议。 髓着混鸯灏终( h y b r i dn e t w o r k ，捌如g p r s 嚣i e e e 8 0 2 1 1w l a n 的混合网络) 援术的发展。鞋及稳适应终蠕的实用他，要求下一代 无线网络的移动性蟹理能保证网间的无缝切换，从而用户可以从一 令饔理瓣绦平浮切换鬓雯拜一个甥莲瓣络，黪迸孬瓣应嚣并苓孛 断，最终实现网络切换过稷中用户性能的透明性。 1 1 2 移动i p 第一夺移魂圭穰赘议一c o l u m b i a 凝嚣车l 密器稔邃盈大学熬 j o h nl o a n n i d i s 设计，它的主要思想是能用虚拟移动予阀和l pi nl p 嚣氢 4 1 1 5 l i 5 l 。足手写照嚣对，s o n y 公霉鳇f u m i o t e r q o k a 设计了男一 种移动主机协议一虚拟i p ( v i p ) 1 7 i f s l l ”。它便用特殊的路由嚣来记 忆蓼淤主规嬲位置，劳定义了蘩的i p 头遵项来传递数提。不久以屠 的c ，p e r k i n s 耱y - r e c k t e rt g 设计了一种移动奎祝协议，这种协议联 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 糟了现有i p 协议审的可选功畿一松散源鼹由 = s s t h r e s h 时，每问隔一往返时间就将c w n d 增加1 图4 - 3 为慢启动过程和出现拥塞情况时拥塞窗口随时侧的变化 曲线，其中假设拥塞窗i s ij 下常情况下数值为1 6 。 憎_ e ( + f 乇t n 图4 - 3 慢；f l 动和拥塞情况下拥塞窗e 1 变化情况 西南交通大学硕士研究淹学位论文第2 3 页 4 4 快速重传和快速恢麓 发送t c p 实体中一个缀交静鬟传越辩( r t o ) 逶常魄该缀文段 a c k 到达发送方所需要的窝际往邋时间骚长许多。原来的r f c 7 9 3 舞法帮j a c o b s o n 算法都把r t o 熬燕设爨怒毙然诗夔谯返对灏一一 s r t t 要长一熙。如粜一个报文段罴失了，t c p 可能不会及时菔传报 文段。懿果接收t c p 塌按| 警接收策略，那么就会导致许多报文段的 羞失。即使目的t c p 使用按窗口按收策略，不擞时重健报文晚会弓l 起问题。 文f 3 4 】撬躜两种兢程，分弱l i t 徽快速蕊佟帮快速後笺。使掰这两 种规程在某些情况下可以撮商重传的性能。在快速重传中，如粜t c p 实薅收到一个失廖搬文段，宪必须立繇发出最薅一个段弱的按摩报 文段的a c k 。对于每个到来的报文段t c p 将继续重复发送这个a c k ， 矗到丢失的搬文段到达了壤 了缎的缓存器中的空隙。当空隙填充 之后，t c p 就对所有迄今为止按序收到的报文段发送一个积累a c k 。 当发送t c p 收到一个重复的a c k 时，意睐着发生下列两种情况之； ( 1 ) 被确认的报文段簌蘑的报文段竣延遥了骏至予最终必序蜀遮；2 ) 这个报文段蒜失了。在情况( i ) 中，这个报文段最后确实到达了，所 豁t c p 不盛该x | 其黧铸。褒清况2 ) 孛，一令重复豹a c k 霹戳喾馋是 个预警系统，告知源端t c p 一个报文段已经差失了而必须藿传。 为了确定磋到的是博况( 2 ) 瓣不是( 1 ) ，j a c o b s o n 建议t c p 发送方要等 待收到同一个报文段的3 个重复a c k 。在这种情况下，随后的报交 段丢失的可能性就缎大，因此应该被立即重传，而不是等到超时才 重传。 ， 当t c p 实体快逋重传一个报文段时，它假定：这个报文段已经丢 失，秘使还没有在这个掇文段上发生超瓣。j a c o b s o n 论证采羯漫襄 动，拥寨避免方法过分保守。多个a c k 已经返回这个事实本身就说明 数据搬文段仍正常到达对方。所以，j a e o b s o n 提出了一种快速恢复 技术： ( 1 ) 当第三个重复a c k 剥达时： a 设置s s t h r e s h = c w n d 2 ，笄置保证s s t h r e s h = 2 ； b 熏传丢失的报文段； e 莰墨c w n d = s s t h r e s h + 3 ； 西南交通大学颂士研究生学位论文第2 4 页 ( 2 ) 每次裔个鬻多静鬟复a c k 弱遮糖，裁把c w n d 艇l 著在可 能的情况下传输一个报文段。这就考虑到了那熄已经离开网络并触 发重复a c k 盼攘文段 ( 3 ) 当确认新数据的下一个a c k 到达时，设髅c w n d - - s s t h r e s h 。这 墨霾裂戆a c k 瘟该是步骤( d 孛蟊德豹那个摄文鹱蕊确认共虽怒在发 送此撤文段之后的r t t 时间收到的a c k 。此外，这个a c k 应该是 蹲丢失掇文敬爱其爱个摄文段弱积累确认。 由上述过程可l 冀看出，快速俊美过程溅免了蹬现捐潦状态孵窗蜀 所进行的慢扁动过稷，直接进入搠塞避免。 西南交邋大学硕士研究生学位论文第2 5 页 第5 章移动环境下的t c p 性能研究 上一章对传统t c p 的窗口管理机制进行了详细的分析，传统的 t c p 揍议是铮瓣奏线豹霾定斑终来设诗懿，本露垮透避仿真瓣移动 环境下t c p 的性能进行分析和评价。此仿真采用与3 3 节一致的网 络仿真模型。以下分别在t c p 性熊、分缌丢失、吞吐攀三个方殛对 r o m i p v 4 、m i p v 4 、m i p v 6 进行比较分析。 s 1t c p 性能分析 本次落囊采用与3 0 。l 节一致鹣瓣终强境。m h 叛1 0 米，秒戆速 度匀遮窟线运动，九个小区光缝覆箍，每个小区的通信半径都为l o o 涨，m h 经过九个，l 、嚣( 整个路程为1 8 0 0 m ) 嚣要的对阅为1 8 0 s ，业 务从t = ls 开始，仿真到t = 1 8 2 s 时结束。粥5 1 为分组发送端c h ) t c p 序硎号随仿真时间变化的曲线。 图g - 1t c p 分组序列号与时阐关系懿线 盘闰5 - 1 霹鞋看滋，羁穗宾结寐为变，m i p v 6 蛰议馈弦tc h 发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 送的数据分组总量最多，这是由于m i p v 6 采用的移动管理方案与 m l p v 4 、r o m i p v 4 是完全不同的。在m i p v 6 中，m h 的切换延迟很 小，业务受影响时间也很短。m i p v 4 和r o m i p v 4 的移动管理方案是 一致的( 后者只是前者的扩展，增加了路由优化功能) ，所以从曲线 上看两者的性能很相近。下面具体分析移动环境下的t c p 性能。 1 、m i p v 4 协议下t c p 拥塞控制算法对t c p 性能的影响图5 2 是m i p v 4 对应曲线的一部分，c h 端发送数据分组、接收确认分组与 时间关系如表5 1 所示。c h 端在2 1 0 2 5 ls 时接收序列号为2 0 6 6 的 确认分组之后，没有新的确认分组到达，传输控制协议认为序列号 为2 0 6 7 的数据分组由于网络拥塞而丢失，重传数据分组2 0 6 7 。直到 3 4 3 2 7 6 7 s 时c h 接收到确认分组2 0 7 0 以后，进入慢启动和搁塞避免 过程慢慢恢复业务。从用户角度看，业务恢复j 下常需要经历13 2 s 。 考虑本仿真的实际网络环境，在2 1 0 2 5 1s 的时候，m h 已经与归属 链路断丌连接，所以此后一段时间内m h 无法接收到数据分组也无 法发送确认分组，m h 在2 9 1 6 2 l5 4 s 时完成从归属链路到外地链路 的切换( 称为切换1 ) 。m h 与先前代理的无线链路断开到接收到来 自新代理的注册应答消息的这段时间定义为切换延迟( h a n d o f f 1 a t e n c y ) 。计算切换l 的切换延迟( t d 。f f1 ) 为8 13 7 0 5 4 s 。切换完成 后，m h 可以正常接收数据，但是出图中可以看出，c h 与m h 之间 的通信在m h 完成切换之后并没有及时恢复正常。因为c h 端t c p 协议并不清楚m h 移动以及是否完成切换这些网络层信息，只要没 有收到它期望的确认分组，每一次重传超时就将上次的r t o 按指数 退避，如果重传又出现超时则再重传，再将r t o 退避。图5 2 中， c h 端t c p 在重传5 次序列号为2 0 6 7 的分组后才收到序列号为2 0 7 0 分组的确认信息，此后才逐渐恢复业务。 可以看出c h 端t c p 无法预测m h 切换完成时间，t c p 连接 在超时过后重新开始，并且重传超时以倍数递增，但此时m h 的切 换并不一定能够完成，如果切换不能完成，重传超时仍以倍数增加 势必导致业务恢复需要更长的时间。另外m h 切换完成之后，c h 端 t c p 也不知道这一信息，仍需要等待当前重传超时后才重传数据分 组。所以，在m h 切换完成之后业务没有恢复正常完全是由于t c p 协议本身拥塞控制算法中的r t o 指数退避、不了解网络层的切换信 息造成的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 表5 一i c h 端分组接收与发送情况 时问( 秒) 接收a c k 分组发送数据分组 2 10 l8 8 7 2 0 6 52 0 8 5 2 1 0 2 5 l2 0 6 62 0 8 6 2 20 2 5 l2 0 6 7 2 3 0 2 5 12 0 6 7 2 46 2 5 12 0 6 7 2 78 2 5 i2 0 6 7 3 4 2 2 5 l2 0 6 7 3 4 ，3 2 7 6 72 0 7 0 2 0 7 l 、2 0 7 2 3 44 3 5 i42 0 7 i2 0 7 3 3 4 4 3 6 7i2 0 7 22 0 7 4 图5 - 2m i p v 4 协议中t c p 分组、a c k 序列号与仿真时间关系 2 、不同的r t t 对t c p 性能的影响图5 3 为m h 从f a 2 小区 切换到f a 3 小区时，r o m i p v 4 、m i p v 4 两个协议的t c p 分组序列号 l a e j c o o c m 3 口m n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 比较图。r o m i p v 4 中，c h 到m h 的r t t 以及切换延迟都要比m i p v 4 情况下的r t t 和切换延迟小。在m i p v 4 中，m h 从6 1 0 2 s 开始已经 与f a 2 断开连接，c h 以6 2 0 2 s 开始分别以1s 、1 6 s 、3 2 s 、6 4 s 作 为重传超时重发分组4 6 0 9 。在c h 第四次重传分组之后，m h 完成切 换。从7 4 2 2 s 以后业务开始慢慢恢复正常，业务受影响的时间为 l3 2 s 。在r o m i p v 4 中，m h 同样在6 1 0 2 s 开始切换，c h 分别以1s 、 1 2 s 、2 4 s 作为r t o 重传分组4 7 5 2 。当c h 第二次重传分组与第三 次重传分组之间，m h 完成切换。在6 5 5 2 s 时，第三次重传的数据 分组，其正常到达目的端，业务开始慢慢恢复正常，业务受影响时 间为4 4 s 。 图5 - 3r o m i p v 4 与m i p v 4 中t c p 分组序列号与仿真时间关系曲线 仅在图5 3 所示的这一段内，r o m i p v 4t c p 性能较优，这主要 就是由于它实现了从c h 到m h 分组的路由优化，使得r t t 要小一 些进而使得r t o 较小。然而好的t c p 性能势必以其他开销作为代价， r o m i p v 4 增加了管理消息的传输。但从图5 1 来看，两者总的t c p 性能相差不大，路由优化对t c p 性能的影响还有待进一步的研究。 图5 - 4 为m i p v 6 中t c p 分组序列号与时间关系曲线。业务从出 o o e 3 c 8 c o j 叮m n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 现中断到开始恢复所需要的时间为3 6 s ，明显比前面的两个协议性能 好。这里有两个因素：一个是因为m h 切换到新的路由器服务区域 内，在向其h a 发送注册请求的同时，也向c h 发送绑定更新消息。 这样c h 就可以很快更新m h 的地址信息，此后重传的分组就发送到 m h 新的转交地址，m h 可以及时发送分组确认消息到c h ，这样减 少了分组重传的次数，从而减小了业务恢复所需要的时间。另外一 个因素：在m i p v 6 中，c h 到m h 的分组不经过h a 直接发送到m h ， 而且分组在发送端与接收端不需要经过封装、解封装处理，使r t t 小于r o m i p v 4 情况下的r t t ，进而减小了重传超时时间。 舢删 x g r a p h 一二 矿 一 p - ljjj 幽5 4m l p v 6 中t c p 分组序列号与仿真时间关系 综上所述，在移动环境下，基于m i p v 6t c p 协议性能是最优的， 但i p v 6 、m i p v 6 的真正实现还需要很长的时间。表5 - 2 对m i p v 4 、 r o m i p v 4 和m i p v 6 在分组延迟、t c p 性能、控制报文开销和网络可 升级性四个方面进行了定性的比较。 表5 - 2 三种协议性能比较 m i p v 4 r o m i p v 4m r p v 6 分组延迟眭短最短 t c p 性能差差较优 控制报文开销 小较大最小 刚络可升级性 可升级差可升级 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 5 2 分组丢失率分析 图5 - 5 为m i p v 4 、r o m i p v 4 、m i p v 6 三种协议下的分组丢失率随 m h 移动速度变化情况，其中分组丢失率为所有代理丢弃报文数目总 和与c h 端发送报文数目的比值。图5 5 中，每个协议中的分组丢失 率大致上都随着m h 移动速度的增大而增大，这是由于：m h 移动速 度越大，在小区停留的时间就越短，相对的，用于注册的时间就越 多，因为注册时间内发往m h 的分组都会被先前代理丢弃，所以m h 移动速度越大分组丢失率就越高。由图5 5 可以看出，柱状图随着速 度的增加大致是上升的趋势，但在个别处也有下降的情况，例如在 m i p v 4 以及r o m i p v 4 协议对应的柱状图中，分组丢失率在v = 1 6 m s 处都有下降，但这并不能说明t c p 的性能有所改观。 图5 - 5 分组丢失率与节点移动速度关系 图5 - 6 中的六个小图分别是m i p v 4 协议情况中，m h 以1 0 m s 、 1 2 m s 、1 4 m s 、1 6 m s 、l8 m s 、2 0 m s 速度移动时，c h 端t c p 序列 号随时间变化曲线。m h 在整个移动过程中要经过九个子网，图中将 曲线按时问分成九个部分对应九个子网。在每个小图中，曲线水平 部分为c h 端进行数据重传的过程。曲线由上升线形变为水平线形的 转折处，其实就是以下过程：m h 与先前代理端开连接，先前代理丢 弃报文，c h 端的发送窗口由2 0 ( 仿真设定的值) 变为1 ，重传报文， 这一过程丢失的报文数目应为“2 0 + 重传次数”。上述过程发生次数 越频繁，报文的丢失就越多。一般来讲，m h 每切换一次，就要经历 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 l 页 一次这样的过程。但也有可能由于m h 移动太快，业务还没有来得 及恢复m h 又从一个新的子网切换到另外一个新的子网，例如在 t c p 1 6 小图中，曲线有很长的一段时间为水平线形，就是由于节点移 动太快导致其连续经过几个子网都无法恢复业务。曲线处于水平线 形期间，分组丢失数目仅等于重传分组的次数。所以，在v = 1 6 m s 时，分组丢失率要降低一些。 m h 以相同的速度移动时，m i p v 6 分组丢失率最小，其次为 r o m i p v 4 ，分组丢失率最高的为m i p v 4 。 5 3 节点移动过程的吞吐率分析 吞吐率是评价网络性能的一个重要参数。图5 7 是m h 以1 0 m s 速度移动时，三种协议情况下的吞吐率( b i t s ) 随仿真时间的变化曲 线。 在每个协议中，m h 切换过程中的网络吞吐率都明显下降。图中 m i p v 4 对应的曲线，在t = 2 1s 、4 1 s 、6 ls 、1 0 1 s 、1 2 1s 、1 4 l s 、1 6 ls 的时间附近曲线陡然下降到零，很长一段时间之后才恢复正常的水 平。这是因为m h 在上述时间开始与旧的链路断开，经过段时间 注册完成之后业务才能恢复正常；在移动节点注册的过程中所有的 数据都会被先前代理丢弃而不能到达移动节点，所以吞吐率为0 ；当 移动节点完成注册后，业务很快的恢复正常。其中性能最好的为 m i p v 6 ，m h 从h a 移动到f a 8 的过程中，吞吐率只有很少的时间 为零。m i p v 4 、r o m i p v 4 两种协议中，m h 切换造成的分组丢失较多， 从而影响了吞吐率。在同一个外地子网内，r o m i p v 4 、m i p v 6 的吞 吐率比m i p v 4 都要高，这是因为前两者都实现了路由优化，i 玎t 减 小，发送t c p 很快就会得到确认而发送新的数据报文，也就是说发 送t c p 的窗口向右滑动的速度要快，这样在一秒内发送的数据报文 就会较多( 即吞吐率高) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图5 - 6t c p 序列号与时间关系 亘童窒里盔堂塑主塑窒皇堂垒迨窒 蔓箜夏 图5 7 吞吐率与仿真时间关系曲线 由本章的分析可以看出移动环境下的t c p 性能下降是一个很突 出的问题。改进移动环境中t c p 性能的方法之一就是使t c p 协议能 够感知网络层的移动节点切换信息并能够及时恢复业务。由以上的 分析还可以看出，移动i p 并不适用于频繁小区切换。 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 第6 章一种移动环境下t c p 协议改进方案 与性能分析 本章首先介绍现有的改进t c p 性能的解决方案，之后提出一种 新的基于r o m i p v 4 的端到端t c p 改进方案( t c p b a s e d o nr o m i p v 4 ， t c p b r o m i p v 4 ) ，并通过仿真对其性能进行评价。 6 1 现有的t c p 性能改进方案 第5 章分析了移动环境下节点的移动对t c p 性能的影响，在实 际的无线网络中除了移动终端的移动性外还有其他因素影响无线网 络环境下t c p 的性能： 1 带宽有限普通的有线局域网目前至少可以提供i 0 0 m 的带 宽，但目前的无线局域网标准，例如i e e e8 0 2 1 l b ，最多只能提供 l l m 的带宽，这样就很容易在无线介质中造成瓶颈从而降低t c p 的 吞吐量。 2 路径往返时间长通常情况下，无线介质比有线介质的延迟 长。发送t c p 增大拥塞窗口的速度与其从目的t c p 接收到的a c k 速度成正比。由于无线链路的路径往返时间长，拥塞窗口增大的速 度会很慢，这直接影响了t c p 在无线链路上的吞吐量。 3 报文随机丢失无线介质比有线介质的误比特率( b e r ) 高得 多，一般在1 0 。3 到1 0 1 数量级，无线链路往往是报文到达目的端的 最后一跳，但在此跳出现了报文丢失就会导致报文的发送端重传报 文即端到端的重传，势必增加有线链路的负荷。 4 功率损耗功率损耗对移动终端来说是一个很重要的参数，然 而在无线移动环境下，频繁的报文丢失导致的重传会延长t c p 连接 时问，这样就会给移动终端带来更高的功率消耗。 改善t c p 在无线链路上性能的方案可以分为以下三类：链路层 解决方案、将t c p 连接分段和改进t c p 协议( 端到端) ，下面分别 举例介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 s 页 6 1 1 链路层解决方案 无线与移动网络环境下的t c p 性能降低，几乎是由于无线介质 的丢失特性造成的。从层次的角度来看，链路层处于无线介质之上， 它较以上的其他层次对于丢帧信息更能及时的做出反映，在链路层 处理丢包问题不需要对以上各层协议进行改动。学术界已提出一些 链路层的解决方案，例如s n o o p 协议7 】【”】和d e l a y e dd u p a c k s ( d e l a y e dd u p l i c a t ea c k n o w l e d g m e n t s ) 【3 9 1 。 1 s n o o p 协议在本方案中，只需要对基站网络层的路由代码进 行修改，增加一个s n o o p 模块，这个模块负责处理t c p 连接中两 个方向上的报文，基站不运行传输层代码。s n o o p 模块保存来自c h 的未且仍末得到确认的t c p 数据，根据自己的一套策略来处理来自 m h 的确认报文、处理超时，对保存的t c p 数掘进行重传。当有新 的数据报文到达时，s n o o p 就将其输入缓存器，对其进行f 常路由。 s n o o p 同时也监控来自m h 的确认报文，当检测到有报文丢失( 通 过收到d u p a c k 或者本地超时，此处定时器采用的重传超时相对于 c h 端定时器采用的重传超时要短) 就重传报文( 如果保存有此报 文) 。基站不对d u p a c k 进行传送，所以c h 收不到d u p a c k ，做到 了对c h 屏蔽报文丢失这一信号，从而避免c h 端触发不必要的拥塞 控制算法。s n o o p 模块中有两个相关联的程序s n o o pd a t a ( ) 和 s n o o pa c k 0 。前者负责对来自c h 的各种情况的报文，包括有序的、 乱序的且未被保存过的、乱序的已被保存过的报文进行相应的处理； 后者处理来自m h 的各类a c k ，包括新的a c k 、伪a c k 、d u p a c k 进行区别处理，并在必要时触发本地重传。 由以上s n o o p 实现的原理可以看出，这种方案是针对无线链路 上高的误比特率来改善t c p 性能的，并不适合解决由于切换造成的 报文丢失的问题。 2 d e l a y e dd u p a c k s 针对某一个报文丢失，m h 端拖延发 送”d u p l i c a t ea c k s ”。因为”d u p l i c a t ea c k s ”会触发c h 端对此丢失报 文的快速重传，通过拖延，就可以在无线链路上对此报文进行特定 的本地重传。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 6 1 2 将t c p 连接分段 这种方案是在有线无线混合网( w i r e d c u r e w i r e l e s sn e t w o r k ，c b m 为c o m m u n i c a t i o n 之意) 中，将网络分为有线网络和无线网络两部分， 相对应地将连接也分为两部分，一般是以基站作为分割点。固定的 有线节点到基站之间的连接采用传统的t c p 传输协议，从基站到m h 采用更适用于无线链路上的传输协议。这就意味着，c h 端可能收到 来自基站的确认时，但m h 仍未收到相应的报文段，这种方案违背 了端到端t c p 语义。在这种方案中，基站需要缓存器暂时存储报文， 直到接收到来自m h 的确认才能将报文转发，基站处需要很复杂的 硬件和软件措施。 文【4 0 提出的i n d i r e c tt c p 方案就是将t c p 连接在移动支持路器 处( m o b i l es u p p o r tr o u t e r ，m s r ，通常为基站b s ) 分为两个独立的 连接，如图6 1 所示。如m h 期望与c h 建立连接，向当前的b s 发 送请求，b s 就代替m h 与c h 建立t c p 连接，负责接收、存储、确 认来自c h 且发往m h 的数据报文。从c h 端看到的m h 其实就是存 在于m s r 内的一个镜象，当m h 切换到另外一个小区时，此镜象也 随之切换到新的m s r 。在m h 与b s 之间的无线链路上建立一个独 立的连接，并采用与t c p 不同的适用于无线链路的传输协议。 t c p1 号 路由器 图6 1i n d i r e c tt c p 中的两个连接 6 1 3 改进传统的t c p 协议( 端到端) 这种方案就是修改传统的t c p 协议，使得发送t c p 感知无线网 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 络环境的信息，并且能够与目的t c p 功能合作来改善性能。根据大 量的研究资料可知，大致有两种方法使得发送t c p 处理特定情况下 的报文丢失：一个是采用选择确认( s e l e c t i v ea c k n o w l e d g m e n t s ， s a c k s ) 使发送t c p 从报文丢失的状况中恢复业务，而不至于进入 反复重传和定时器超时的不理想状况；另外就是利用一种显式丢失 通知( e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ，e l n ) 机制使发送t c p 区分普通的 拥塞造成的报文丢失和其他状况下的报文丢失。这种方案从理论上 来讲能够很好的改善t c p 性能，但从实现角度来看需要花费很高的 代价来修改因特网中节点和路由器的t c p 代码。下面举例说明这种 方案。 1 f r e e z et c p 文【4 1 1 提出了f r e e z et c p 方案。在f r e e z et c p 中， 当m h 检测到连接将要断丌时，向c h 发送一个确认报文( 相对于收 到序列号最高的报文) ，在确认报文中将m h 的接收窗口设为0 ( 即 z e r ow i n d o wa d v e r t i s e m e n t ，z w a ) 通知给c h ，c h 收到确认报文不 减小捌塞窗口并且停止发送分组。在m h 与新的子网重新建立连接 时，向c h 发送三个确认报文( 相对于m h 在连接断开前最后接收到 的数据分组) ，使c h 快速恢复业务。值得指出的是，在这种方案中， m h 在连接将要断开时，应提前向c h 发送确认报文( 含有z w a ) ， 提前的时间称为警告期，将r t t 作为警告期。m h 根据收到信号的 功率变化情况来预测连接断开的时间，并较连接断开的时刻提前r t t 向c h 发送确认分组。f r e e z et c p 做到了在m h 切换过程中不发任何 数据报文，切换完成后以正常速度发送数据，不需经历慢启动和拥 塞避免过程，所以从理论上分析f r e e z et c p 对t c p 性能的改善已经 达到了最好的程度：提高了吞吐率，而且没有进行不必要的分组重 传，将分组丢失降低到最小程度。 实现f r e e z et c p 必须满足以下条件：c h 到m h 方向上必须一 直有报文发送，这样m h 的m a c 层才能根据信号功率来预测连接断 开时间：m h 应能够精确估算连接断开的时间并在准确的提前警告 时间发送确认报文。如果确认报文过早的到达m h ，就会导致窗口过 早的进入“保持”状态而没有充分利用网络资源，减少了业务量； 如果确认报文没有及时到达m h ，则由于连接断开报文出现丢失导致 窗口减小到l ，出现