（计算机应用技术专业论文）卫星通信中tcp性能研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 近年来，基于卫星的互联网的发展已经成为宽带卫星通信发展的一个主要方向。 卫星与互联网相结合具有更强大的功能，能够提供更广泛的服务。但是在设计和实 现基于卫星的互联网时，卫星系统与现有地面互联网基础设施结构之间的互操作性 却提出了一些新的技术挑战，其中一项关键的技术就是有效实现传输控制协议( t c p ) 在基于卫星的互联网中的应用。 t c p 协议最初是为有线网络设计的，它是目前互联网中最广泛使用的传输层协 议，为应用提供可靠的、端到端的通信服务当t c p 协议直接应用于卫星上时，卫星 链路的长传播延时和较高误码率等特性会对t c p 的拥塞控制机制和差错控制机制的 性能产生很大的影响，从而降低了网络的整体性能。因此，对卫星环境中t c p 性能的 研究，以及如何提高t c p 在基于卫星的互联网中的应用性能的研究己经成为有效实现 基于卫星的互联网通信的重要研究课题 有线信道的误码率较低，数据分组的丢失主要是由网络拥塞造成的，因此t c p 拥 塞控制机制所占的比重要比差错控制机制大很多，而在卫星环境中，信道的误码率 比较高，数据分组因受损而丢失的概率也较大，在这种环境中应用t c p 协议时，t c p 差错控制机制的功能就显得很薄弱，因为t c p 协议无法区分网络拥塞造成的数据分组 丢失和数据分组因受损而造成的丢失，从而大大影响了其性能，因此需要对其差错 控制机制的功能进行增强。 本文在第二章介绍了几种常见的t c p 变体，第三章介绍了近年来较有影响的基 于速率控制的t c pw e s t w o o d 及其增强变体w e s t w o o d n r ，这几种算法各有特色，尤 其w e s t w o o d 在保持t c p 端到端语义的基础上能大大提高t c p 在无线卫星链路下的性 能但是w e s t w o o d 在慢启动，及时捕获带宽等方面仍然有不足，本文在此基础上提 出了一种新的算法，w e s t w o o d n r v ，并在l i n u x 下利用网络仿真工具n s 2 建立了卫星 环境中t c p 协议的仿真平台，在仿真平台上进行了w e s t w o o d n r 和w e s t w o o d n i w 这两 种协议的对比仿真结果验证了新算法在吞吐量，重传分组数目，及时捕获可用带 宽以及t c p 全局同步等性能指标方面均有更好的表现。 关键字：卫星网络，互联网，传输控制协议，拥塞避免 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 i nr e c e n ty e a r s , r e s e a r c ho nt 1 1 es a t e l l i t e - b a s e di n t e r n e th a sb e c o m ea nu r g e n ta n d i n t e r e s t i n gr e s e a r c h 1 1 坞s a t e l l i t e - b a s e di n t e r n e th a ss t r o n g e rf u n c t i o n a l i t i e sa n dc a n p r o v i d eav a r i e t yo fs e r v i c e s h o w e v e r , w h e nd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g a s a t e l l i t e - b a s e di n t e m e lt h ei n t e r o p e r a t i o nb e t w e e nas a t e l l i t es y s t e ma n dt h ee x i s t i n g t e r r e s t r i a li n t e r n e ti n f r a s t r u c t u r ei n t r o d u c e sn e wt e c h n i c a lc h a l l e n g e s m u c ha t t e n t i o n h a sb e e np a i dt ot h ee f f i c i e n ta p p l i c a t i o no ft r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) t o t h es a t e l l i t e - b a s e di n t e r a c t t c ph a sb e e nd e v e l o p e df o rw i r e dn e t w o r k st h a th a v ea l o w e rd e l a ya n dav e r yl o wb i te n o rr a t e ri st h em o s tc o m m o n l yu s e dt r a n s p o r tl a y e r p r o t o c o li nt h ei n t e m e tt h a tp r o v i d e sr e l i a b l ea n de n d - t o - e n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s f o ra p p f i c a t i o n s t c pc o n g e s t i o nc o n t r o la n de r r o rc o n t r o lm e c h a n i s m sw i l lb e s i g n i f i c a n t l yi m p a c t e db yt h el o n gp r o p a g a t i o nd e l a ya n de r r o r - p r o n ec h a r a c t e r i s t i c s o f s a t e l l i t e t h e r e b yd e g r a d i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t c po v e rs a t e l l i t el i n k s n l j s t h e s i sf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gt c p p e r f o r m a n c ei ns a t e l l i t ee n v i r o n m e n t sa n dh o wt o e n l l a l l c et c pp e r f o r m a n c eo v e rt h es a t e l l i t e - b a s e di n t e m e t w h e nt c pr i m so v e rt e r r e s t r i a ll i n k sw i t hv e r yl o wb i te r r o rr a t e ，i t sc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s mi sv e r yi m p o r t a n th o w e v e r , w h e nt c pr u n so v e rs a t e l l i t el i n k s w i t hh i g hb i to i l o rr a t e , i t s 删c o n t r o lm e c h a n i s mr e v e a l sw e a k n e s s t k si sb e c a u s e t h a tt c pi si n a b i l i t yt od i s t i n g u i s hb e t w e e np a c k e tl o s s e sd u et oc o n g e s t i o na n dd u et o c o r r u p t i o n , t h e r e b yd e g r a d i n gt c pp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sa t t e m p t st oe n h a n c et c p e r r o rc o n t r o lm e c h a n i s mw i t ht h ee x i s t i n gm e c h a n i s m s n l i st h e s i si n t r o d u c e ss e v e r a lv a r i a n tt c pi nc h a p t e r2 。a n dt h er a t e - b a s e dt c p w 色s t w o o da n di t se n h a n c e m e n tv e r s i o nw c s t w o o 觚i nc h a p t e r3 t c p wc a l l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft c pi ns a t e l l i t ew i r e l e s sl i n k s b u tt h e r ea l es o m e d i s a d v a n t a g e si nt h es l o ws t a r tp h a s e , a n d i nc a p t u r i n gt h ea v a i l a b l eb 锄d w i d mi nt i m e t m st h e s i sp r o v i d e san e wa l g o r i t h m , w e s t w o o d n r v 。a n dw et e s ti tu n d e rt h en s 2 p l a t f o r m 耵圮r e s u l ts h o w st h a tt h en e wo n e 啪i m p m v et h et h r o u g h p u ti nt h e s a t e l l i t ee n v i r o m e n t k e yw o r d s ：s a t e l l i t en e t w o r k s ，i n t e m e t ，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 ，c o n g e s t i o n c o n t r o l 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，也不包含为获得重废邮电太堂或 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 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：眵；势 签字日期：，厂年多月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废整电去堂有关保留。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庆虹虫太堂可以将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) 撇名唧吁 签字日期：2 , 羽o b 年b 月鼋日 日 伊4 乎 月 矿、， 垆 年 名 签 p 懿 佑” ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 重庆邮电大学硕士论文 绪论 在过去几十年的时间里，互联网迅猛发展，已经发展成为全球应用种类最多、 应用范围最广的信息基础设施。随着终端用户数量的急剧增加，以及新业务的不 断涌现，互联网将面l i 缶新的挑战，需要宽带传输系统予以支持。而卫星通信具有 覆盖面广、通信距离远、不受地理条件限制等优点，卫星本身还具有广播特性、 组网灵活，易于实现多址连接，它可以作为陆地移动通信的扩展、补充和备用。 因此，对航空用户、航海用户、缺乏地面通信基础设施的偏远地区用户，以及对 网络实时性要求较高的专门用户都具有很大的吸引力此外，卫星还能够提供直 接到家庭的i n t e r n e t 服务，是解决l a s t l i l e 问题的最佳方案之一。也是向全球 用户提供宽带综合i n t e r n e t 业务的最佳选择之一。 卫星通信与互联网的结合是由卫星通信的功能和属性，以及互联网应用环境 的变化所决定的，是互联网商用化，信息内容数字化、广播电视数字化的必然结 果基于卫星的互联网的出现加快了通信多媒体化、信息服务个性化，互联网媒 体化的进程，它己经成为信息服务产业中的一个重要组成部分。基于卫星的互联 网是一个开放。宽带、具有实时广播功能的网络平台，可以提供更广泛的服务： ( 1 ) 宽带互联网接入，可以根据用户的需求，通过地面网络和卫星线路回传； ( 2 ) 多媒体服务，如网页内容投递、内容镜像、缓存、数字电视、商务电视、 流式音视频、软件分发更新、远程教学、信息商务等； ( 3 ) 交互式应用，如视频点播。网上学习、网上游戏等。 此外，基于卫星的互联网还可以提供企业网、v p n 等服务发展基于卫星的 互联网对于多媒体通信、信息服务以及互联网本身的发展都具有极其重要的意 义。基于卫星的互联网的发展已经成为当前宽带卫星通信发展的主要方向之一 互联网上数据的可靠传输是通过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) 来保证的。t c p 能够很好的工作在各种不同类型的网络中，具有很 强的兼容性。但是，它们却不能直接用于卫星通信网络在传统的分组交换技术 中，没有考虑到卫星通信链路的高误码率，长时延等因素。当t c p 用于卫星链路 时，许多研究表明t c p 协议在这种情况下，会有过多的数据传送超时和数据重传， 这将使带宽的利用率人为下降。t c p 协议的其它一些特征，如较小的初始窗口等， 也对它在含有卫星链路的端到端的系统中应用带来一定的困难。因此，有必要研 究解决方案，以提高t c p 协议在卫星系统中的应用性能。 进入2 0 世纪9 0 年代后期，卫星通信系统得到了迅速发展以个人通信全球 化为特征的非静止轨道卫星通信系统( 中、低轨卫星) 正成为下一代全球通信系统 重庆邮电大学硕士论文 的重要组成部分与地球同步轨道卫星( g e o ) 相比，中、低轨道卫星( 舡0 ，l e o ) 具有传输延时小，链路损耗小等优点，这对实现终端手持化是有利的。虽然具有 以上这些优点，但是单颗l e o 或m e o 等非静止轨道卫星( n o n - g e o ) 很难满足全球 或区域性通信系统的要求。通常需要采用星座方式将分散的n o n g e o 卫星网络 化，形成卫星移动通信网，利用网络优势弥补单颗卫星覆盖特性的缺点。 卫星网络通信中很关键的一方面是端到端的可靠数据传输。 关于卫星网络中t c p 的研究，目前有两种途径，第一种是设计全新的卫星网 络t c p ，第二种是优化或改进现有地面网络t c p 使其能够应用到卫星网络中。从 目前的研究现状来看，更多的是采用第二种途径。t c p 作为一种端到端的可靠数 据传输协议已经事实上成为了地面i n t e r n e t 的基础协议。t c p 工作在异构的网 络环境，独立于传输介质、传输速率、链路延时和链路误码率。这也是其在地面 网络中广泛应用的重要原因。大量研究表明在地面i n t e r n e t 网络中广泛使用且 具有良好鲁棒性的t c p 协议可以应用到卫星网络中，然而空间与地面通信环境有 明显的不同，t c p 协议应用到卫星网络中性能有很大的下降，因此需要对现有的 t c p 协议进行改进与优化，并通过计算机仿真的方式评价其性能。优化后的t c p l 协议将有助予实现卫星网络结点之间端到端的可靠数据传输，将使各种卫星之间 以及卫星网络与地面网络之间具有很好的互操作性，并且降低网络设计的复杂 度，减少代价 卫星网络本身的特点使进行物理实验研究的可行性不高；现代卫星网络的复 杂性，决定了用理论分析的方法进行研究的难度；仿真是卫星网络中协议研究的 很好的选择因为免费、开源、面向对象等特点，我们选择n s 2 作为工具，在 l i n u x 平台上搭建具有卫星链路特点的网络环境，并在该环境中进行协议的仿真 分析。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 第一章卫星通信系统与t c p 概述 1 1 卫星通信系统 1 1 1 卫星网络的特点 相对于地面有线网络，卫星网络具有很多自身的优势或特点： 1 覆盖范围广，通信成本与距离无关 一颗静止卫星的波束可覆盖全球i 3 的面积，在波束范围内处处都可以提供 可靠通信。特别适合在边远山区或者光纤及其它通信媒介不易到达的地方。 2 卫星网络组网灵活，快速。由于它不需要铺设通信线路，既能绕开地面的 各种复杂网络，以较短的时间和工程建成独立的卫星网络，又可以和地面网络系 统结合建成地空互联互补的综合网络 3 由于卫星通信具有点到多点的广播功能，利用卫星多信道的广播特性，可 以方便地为用户提供网上广播业务 总的来说，由于地面的通信基础设施( 如光纤、铜缆) 的覆盖范围有限，对 于广大边远地区和经济不发达地区而言，建设传统的高速通信线路系统既耗时 间，同时也是十分沉重的经济负担卫星通信以其独特的宽覆盖面，受自然灾害 影响小，卫星地面站安装简单快捷等优势越来越引起人们的关注卫星网络能够 给广大地区的用户特别是地面网络不能覆盖到的用户提供宽带接入服务，也可以 为相距较远的用户群之间提供互连服务。即使是在城市区域，卫星网络接入的高 速低价的特点也具备了一定的竞争优势可以说。卫星网络已经成为了地面网络 的一个重要组成部分，并且，它将越来越受到i s p 的青睐，发挥其独特的优势和 作用。 1 1 2 卫星网络与地面有线网络的不同 1 长延时： 卫星链路上传输的时延主要取决于传输介质( 激光、微波) 的传输速度，卫 星之间的空间距离以及卫星运行轨道的高度。同步轨道卫星位于距离地面约 3 6 0 0 0 公里的高度，当地面站位于卫星正下方时传播的延时是2 3 9 6 毫秒，而当 地面站处于卫星视野边缘时，这个延时是2 7 9 0 毫秒，这些时延指的是地面站到 卫星再到地面站的路径上的时延。因此在两个地面站之间直接借助同步卫星通信 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 的情况下，一个报文和它的响应所需的总的传播时延通常在5 0 0 毫秒以上。并且 往返延时r t t ( r o u n d - t r i pt i m e ) 并不单单基于卫星的传播时延，它还会受网 络中其他因素的影响而增加，例如在网络路径的其他链路上的传输时间以及在网 关上的排队时延。另外，在使用星际链路的综合信息网中，卫星的传播时延会更 长，而星上信息的处理也会增加更多的延时。另外随着星一星，星一地相对位置的 改变，其r t t 会随之发生改变。 多数情况下，低轨道系统单向传播延迟是2 0 2 5 m s ，中轨道系统是1 1 0 1 3 0 m s 静止轨道系统为2 5 0 2 8 0 m s 。系统延迟还受星问路由选择、星上处理以及缓 存等因素的影响 2 较高的b 职： 卫星信道的比特差错率( b 职) 大约为1 0 - 1 0 - - o 数量级，这远远高于高速 有线媒质( 如光纤) 另外空间信道的各种随机因素使得信道会出现一些突发错 误。； 1 2 t c p i 2 1 标准t c p 回顾 1 标准t c p 分组结构 t c p 协议是当今基于i p 的网络世界中应用最普遍的一个传输层协议，它提 供了可靠的数据传输和拥塞控制一种网络机制、协议能否很好的支持t c p 协议 将直接决定这种网络机制、协议的可行性和实用性在过去的二十年中，通过反 复修改和调整，t c p 在有线网络中取得了较好的性能，但在无线网络中t c p 的性 能却不如在上述网络中那么令人满意。因为基于有线网络的一些假设在无线网络 下并不成立。 t c p 在网络中的地位很重要。它控制流量和阻塞，保证数据的发送与接收以 及中间网络的链路容量相匹配。t c p 为两台主机提供高可靠的数据通信。它所做 的工作包括把应用层交给它的数据分成小块，然后交给下面的网络层；确认接收 到的分组；设置发送分组的超时时钟等更重要的是，t c p 屏蔽掉了下层传输中 的数据错误、分组丢失、乱序等问题。由于t c p 提供了高可靠性的端到端的通信， 因此，应用层可以忽略所有这些细节。 如图1 1 所示，为t c p 分组头格式。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章卫星通信系统与t c p 概述 源端口目的端口 序列号 确认号 苜部 长度 保留 控制位1 6 位窗口大小 1 6 位t c p 效验和1 6 位紧急指针 其他选项( 若有) 图1 1t c p 分组头部 t c p 报头中各字段的设定及控制算法等对其性能都有影响， t c p 序列号：序列号长度为3 2 b i t 。一个给定的序列号只表示一个特定的数 据分组字节。 t c p 接收窗口；接收窗口的日的是允许用户控制接收数据的速率在t c p 报 头中，窗口只有1 6 b i t 的宽度，所以标准的t c p 窗口不能超过6 4 1 0 3 。这将t c p 的有效带宽限制为l2 ”r t t ( b y t e s ) 。其中r t t 为链路往返时延。对于像g e o 卫星所具有的长时延链路，这将大大限制系统的最大的数据速率。 2 t c p 工作机制 t c p 协议在发展过程中经历了几次改动，形成了几种不同的协议版本，但各 种版本的t c p 协议都包括流量控制机制、拥塞控制机制和差错控制机制，只是具 体实现时采用了不同的算法实现而已。下面我们将对这三种机制进行简单的介 绍 ( 1 ) 流量控制机制 确保发送端发送的数据量不超过接收端的最大处理能力是很重要的一项工 作，t c p 提供了一个允许接收端限制发送端所发数据量的机制，它使用滑动窗口 算法实现流量控制。在发送端，t c p 保持一个发送缓冲区，该缓冲区用于存储已 经发送但还未得到确认的数据，以及已经由发送应用写入，但还没有被传送的数 据。在接收端，t c p 保持一个接收缓冲区，该缓冲区保留接收应用程序还没有读 取的数据。 为了避免缓冲区空间被耗尽，接收端向发送端通告它可以接收多少数据，这 个工作是由t c p 头中的通告窗口域( r w n d ) 来完成的。通告窗口的尺寸表示的是接 收缓冲区中的空闲空间，也是在无需等待来自接收端的确认的情况下，允许发送 端发送的最大数据量 ( 2 ) 拥塞控制机制 当网络中存在过多的数据报文时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。 ， 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”现象。一般 来说，拥塞崩溃发生在网络负载增加导致网络效率很低的时候。 虽然流量控制机制能够避免发送端发送的数据量超出接收端所能处理的能 力，但是t c p 协议还是提供了一个拥塞控制机制来预防发送端向网络发送过多的 数据量。t c p 协议进行拥塞控制的思想是对于接入到网络中的各个连接，首先要 确定网络中有多少可用带宽，这样发送端就可以知道传送多少数据量是安全的。 t c p 的拥塞控制机制采用的是一种a i 岫( 和式增加积式减少) 的、基于窗口的、端 到端的控制方式，它使用状态变量c w n d 来表示给定时间允许t c p 发送端传送的数 据量。 由于t c p 的流量控制和拥塞控制是一起使用的，因此c w n d 值不应该超过接收 端的通告窗口尺寸或网络的容量。虽然用于流量控制的r , m d 可以通过接收端和发 送端之间的信息交换很容易地获得，但是有关网络容量的信息却是动态变化的。， 且很难得到。因此，。与流量控制机制相比，拥塞控制机制要更为复杂一些，而且 对于各种类型的网络情况也更为敏感。t c p 的拥塞控制机制规定了如何确定合适 的拥塞窗口值，拥塞控制是通过控制一些重要参数的改变来实现的，用于拥塞控 制的参数主要有以下几个嚣 拥塞窗口( e w n d ) ：是拥塞控制的关键参数，它描述发送端在拥塞控制情况 下一次最多能发送的数据分组数量。 通告窗口( m d ) ：是接收端给发送端预设的发送窗1 ：3 大小，它只在t c p 连接的初始阶段起作用 发送窗口：是发送端每次实际发送数据的窗口大小 慢启动阀值( s s t h r e s h ) ：是拥塞控制中慢启动阶段和拥塞避免阶段的分 界点 往返时间( r t t ) ：发送端传送一个数据分组到收到该分组的确认的时间 间隔。 重传超时计时器( r t o ) ：描述数据分组从发送到失效的时间间隔，是判断 数据分组丢失与否、网络是否发生拥塞的重要参数。该值通常设为2 r t t 或5 r t t 快速重传阀值( r e x m t t h r e s h ) ：是能触发快速重传的发送端收到的重复确 认包的数目。当此数目超过r e x m t t h r e s h 时，网络就进入快速重传阶段。 r e x m t t h r e s h 的缺省值为3 ( 3 ) 差错控制机制 差错控制机制是可靠协议的一个主要部分，它包括差错检测和差错恢复。t c p 使用确认分组、定时器和重传来完成差错控制。t c p 采用累积确认，当有数据分 组丢失时，阻止确认前进。滑动窗口机制实际上是和流量控制、拥塞控制和差错 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 控制结合在一起使用的。 3 拥塞控制涉及的4 个算法 传统t c p 拥塞控制主要涉及4 个算法：慢启动，拥塞避免，快重传，快恢复。 ( 1 ) 慢启动( s l o ws t a r t ) 当刚开始传输数据时，t c p 在这个新连接中并不知道当前的网络状况。因此， 一开始t c p 必须探测当前网络的可用带宽，以免出现由于发送大量突发数据导致 网络拥塞的情况。慢启动算法就是为解决这个问题而设计的，它通常用于连接的 开始阶段和由于重发定时器超时而引起的重传 慢启动为发送方的t c p 设立了c w n d 。当与另一个网络的主机建立p 连接时， 拥塞窗1 2 1 通常被初始化为1 个数据分组每收到一个a e k ，拥塞窗1 ：3 就增加一个分 组大小( e w n d 以字节为单位，但是慢启动以分组为单位进行增加) 发送方取拥 塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限拥塞窗口是发送方使用的流量控 制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。 发送方开始时发送一个分组，然后等待a c k 当收到该a c k 时，拥塞窗口从1 增加为2 ，即可以发送两个报文段当收到这两个报文段的a c k 时，拥塞窗口就增 加为4 这是一种指数增加的关系在某些点上可能达到甚至超过了网络的容量， 于是中间路由器开始丢弃分组。这就通知发送方它的拥塞窗口开得过大，此时就 将切换到拥塞避免算法 这个算法虽然称为慢启动算法，但实际上。它增长的速率并不慢。要达到可 利用的最大窗口w ，只需要时间r t t 1 0 9 2 w ( r t t 为往返时间) 早期t c p 的实现 只是当通信的另一端在不同的网络上才使用该算法，现在，t c p 实现总是使用该 算法。 ( 2 ) 拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 拥塞避免算法假定由于分组受到损坏而引起的丢失是非常少的( 远小于1 ) ， 因此分组丢失就意味着在源主机和目的主机之间的某处网络上发生了拥塞有两 种分组丢失的指示；发生超时和接收到一定数目的重复确认。 拥塞避免算法和慢启动算法是两个独立的算法。在实际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：e w n d 和 s s t h r e s h 通常这样得到的算法的工作过程如下： 1 ) 对一个给定的连接，初始化c w n d 为1 个分组，s s t h r e s h 为6 4 个分组 2 ) t c p 输出例程的输出不能超过c v m d 和n v n d 的最小值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，而后者则与接收方在该连接上的可用缓存大小有关 7 重庆邮电大学硕士论文第一章卫星通信系统与t c p 概述 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，但最少为2 个报文段。此外，如果是超时引起了拥塞，则c w n d 被设置为1 个报文段( 这就是慢启动) 。 4 ) 当新的数据被对方确认时，就增力f l 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 d 、于或等于s s t h r e s h ，则正在进行慢启动， 否则正在进行拥塞避免。 拥塞避免算法要求每次收到个确认时将c w n d 增力b 1 c w n d 。与慢启动的指数 增加比起来，这是一种加性增长( a d d i t i v ei n c r e a s e ) 。我们希望在一个r t t 内最 多为e w n d 增加1 个分组( 不管在这个r t t 中收到了多少个a c k ) ( 3 ) 快速重传( f a s tr e t r a n s m i t ) 与快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 由于这两个算法通常一起实现，我们在这里一起介绍。 无论慢启动或拥塞避免，c w n d 总是增长一旦数据分组丢失。发送方只能 在定时器超时之后，才启动数据重发过程，这样往往不能及时反映数据丢失快 速重传算法就是为了避免这个问题而设计的在快速重传可能丢失的报文段之 后，t c p 就执行拥塞避免算法( 而不是慢启动算法) ，这就是快速恢复算法这两 个算法通常按如下过程实现。 当收到第3 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d 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。 每次收到另一个重复的a c k 时，c w n d 增加1 个报文段大小并发送1 个分组 ( 如果新的c w n d 允许发送) 。 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 h r e s h ( 在第1 步中设 置的值) 。这个a c k 应该是在进行重传后的一个往返时间内对步骤1 中重传的确认 另外，这个a c k 也应该是对丢失的分组和收到的第1 个重复的a c k 2 _ 间的所有中间 报文段的确认 通过快恢复，可使得窗口在中度拥塞发生时，网络仍然具有较高的吞吐量 此外，快恢复也可减少快重传造成的c w n d 急剧振荡。实际上，收到重复的a c k 只是表明有一个数据分组丢失了，也就是说，此时源端与接收方之间仍然存在着 数据流，因此，发送方不必进入慢启动阶段而急剧减少数据流。快速恢复是基于 。管道”模型的。数据报文守恒”的原则，即同一时刻在网络中传输的数据分组 数量是恒定的，只有当“旧”数据分组离开网络后，才能发送。新”数据分组进 入网络。如果发送方收到一个重复的a c k ，则认为已经有一个数据报文离开了网 络，于是将拥塞窗口加1 。如果。数据报文守恒”原则能够得到严格遵守，那么 网络中将很少会发生拥塞；本质上，拥塞控制的目的就是找到违反该原则的地方 并进行修正 0 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 1 2 2 常见t o p 的几种变体 自从1 9 8 1 年拟定最初规范以来，t c p 协议经历了几次改动和增强，这里我们 只对t c p 发展过程中几个主要的协议版本进行简单的介绍。 1 原始t c p 原始t c p 协议版本只规定了连接建立和连接关闭的程序。用于可靠性和有序 传送的序列号的使用，以及基于超时的基本重传策略的使用“1 。为了将数据从发 送端传送到接收端，t c p 首先要建立一个连接，建立一个t c p 连接的程序被称作三 次握手，因为要传送三个信息来建立连接，其步骤如下： 发送端通过设置s y n 位请求到接收端的连接。并记录其初始序列号； 接收端通过设置a c k 位确认请求，并指明下一个要接收的数据字节，接收 端通过设置s y n 位请求到发送端的连接，并记录其初始序列号； 发送端设置a c l ( 位确认下一个要接收的数据字节，并确认来自接收端的请 求。 三次握手完成以后，发送端开始传送数据。当数据传送完成时，发送端和接 收端需要发送f i n 段来终止连接，关闭连接有以下四步 发送端首先发送一个f i n n 接收端； 接收端确认发送端的f i n ，此时接收端仍可发送数据； 接收端发送一个f i n 到发送端； 发送端对接收到的f i n 进行确认， t c p 协议的可靠性是通过给各个数据分组字节分配一个序列号，并对每个接 收到的数据分组进行确认来实现的，如果在某一规定的时间内没有收到数据分组 的确认，那么就假设该数据分组已经丢失了，需要重新进行传送t c p 的确认是 累积的，这就意味着发送的每个确认都指明了到目前为止接收到的最高有序序列 号的数据分组，因此，接收到的最新确认就认为所有以前接收到的确认都是多余 的。t c p 接收端总是对接收到的最高有序序列号的数据分组进行确认，即使有具 有较高序列号的新数据分组到达。对失序数据分组的确认被称为重复确认。 原始t c p 协议引入了流量控制机制，但是不包含任何拥塞控制机制，因此， 现在的互联网已不再使用该版本的t c p 协议。 2 t c pt a h o e 在互联网遭受了一系列的拥塞崩溃以后，v a nj a c o b s o n 于1 9 8 8 年指出t c p 在 控制网络拥塞方面存在的不足，并提出在原始t c p 中增加拥塞控制策略，即形成 了t c pt a h o e 翻t a h o e 是一个比较简单，比较旧的t c p 协议版本，它采用三个基 本的拥塞控制算法：慢启动，拥塞控制和快重传。 9 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 3 r e n o t c pr e n o 是当前互联网中最广泛使用的t c p 协议版本，它在t c pt a h o e 的基础 上增加了一种新的机制，即快速恢复啪。t c pr e n o 包括了前面介绍的4 个基本的 拥塞控制算法，即：慢启动，拥塞避免，快重传，快恢复枷。 4 t c pv e g a s t c pv e g a s 圈蜘是p h b r a k m o ，0 m a l l e y 和p e t e r s o n 提出来的，它具有独特的重 传机制和拥塞控制策略，t c pv e g a s 拥塞控制机制的能自动检测拥塞的开始，并 在发生丢失以前减小发送端的传输速率。为了达到这一目的，t c pv e g a s 利用测 量的r t t 来精确地计算发送端能够发送的数据分组的数量在t c pv e g a s 中。发送 端必须记录r t l r 和各个数据分组的发送时间，而且必须保存最小的往返时间 r t t _ m i n t c pv e g a s d p 有三个修正是基于测量的r t t 提出来的。 新的拥塞避免算法 r e n o ，t a h o e 协议的拥塞控制机制都是基于窗口进行控制的，而t c pv e g a s 的拥塞控制机制是基于速率进行控制的当接收到一个a c k 时，发送端计算期望 的吞吐量和实际吞吐量之间的差值： e x p e c t e dr a t e = c w n d r t t m i n a c t u a lr a t e2c w n d r 弧 a 2e x p e c t e dr a t e - a c t u a lr a t e d i f f = 士r t t m i n 期望的速率表示的是网络没有发生拥塞时连接的可用带宽；实际速率表示的 是当前连接使用的带宽t c p v e g a s 定义了两个阀值( a ，6 ) 作为一个容限，该容 限允许发送端控制一个r t t 内期望吞吐量和实际吞吐量之间的差值。如果d i f f ，贝l j c w n d 减少一个数据分组，即 i fd i f f b c w n d 一1 1 i fo d i f f 9c w n d 不变 早期数据分组丢失检测机制 当接收到一个重复确认时，发送端校验当前时间和发送时间之间的差值加上 相关分组的r t t m i n 是否大于超时值，如果大于超时值，则t c pv e g a s 立即重传数 据分组，而不需等待三个重复确认的到达。这个修正避免了这样一种情况，即如 重庆邮电大学硕士论文第一章卫星通信系统与t c p 概述 果发送端永远接收不到三个重复确认，则必须依赖粗粒度超时来恢复丢失的数据 分组。 为了解决多个数据分组丢失的问题，t c pv e g a s 特别关注数据分组重传后的 前两个部分确认，发送端通过校验未确认包的超时来确定是否有多个数据分组丢 失了。如果有任意一个超时出现，则发送端不需要等待任何重复确认，就可以立 即重传数据分组。而且，为了避免窗口尺寸由于丢失的出现而造成的过分减小， t c pv e g a s 将重传数据分组的时间戳和最后一次减小c w n d 时的时间戳进行比较， 如果重传的数据分组是在c w n d 最后一次减小之前进行发送的，那么t c pv e g a s 在 接收到这个数据分组的重复确认时不减j 、c w n d ，这是因为该数据分组的丢失是由 以前的c w n d 尺寸造成的对于i c fv e g a s 来说，设计一种避免c w n d 不必要减小的 机制是非常重要的，因为它能对数据分组丢失迅速地做出响应。 修正的慢启动机制 为了在慢启动期间检铡和避免拥塞，t c pv e g a s 每隔一个r t t 将其c 粕d 尺寸增 加一倍，而不是对每个r t t 都使其c w n d 加倍。 该算法能较好地预测网络带宽使用情况，其性能较好但是t c pv e g a s 当前 在i n t e r n e t 并没有被广泛使用，因为这里有一个问题没有解决：在竞争带宽时， 由于v e g a s 的过度保守的窗口递增机制，会使v e g a s 的吞吐量明显低于r e n o 等t c p 机制m ，导致网络资源分配的严重不公平性。 5 t n e w r e n o t c pn e w r e n o 这个名词是由k e v i nf a l l 和s a l l yf l o y d 提出的嘲，它是较新版 本的t c p 协议，对t c pr e n o 的拥塞控制机制和重传机制都进行了改动。n e w r e n o 扩展了r e n o 的快速恢复机制，当使用快速重传检测到数据分组丢失时，记录到目 前为止传送的最高序列号，然后进入快速恢复阶段当接收到丢失前发送的最高 序列号的确认时，退出快速恢复阶段。在n e w r e n o 快速恢复期间，通过接收的部 分确认来检测额外的数据分组丢失。部分确认是对具有低于丢失前传送的最高数 据分组序列号的新数据的一种确认，采用这种机制，n e w r e n o 不需等待超时，就 能够恢复每个拥塞窗口中多个丢失的数据分组与r e n o 相比，该修正特性改善了 吞吐量，因为如果每个窗口中有多个数据分组丢失时，r e n o 就要连续几次进入快 速恢复，几次减少c w n d 的尺寸，丢失的数据分组必须借助于超时才能恢复但是 r e n o 存在这样一个缺陷，即每个r t t 内发送端只能重传一个丢失的数据分组，当 一个窗口中有多个数据分组丢失而i u l 很大时，t c p 发送端通常要在相当长的延时 以后才能恢复所有丢失的数据分组。 重庆邮电大学硕士论文 第一章卫星通信系统与t c p 概述 1 3n s 2 网络模拟器嘲 近年来，随着计算机网络技术的快速发展，特别是因特网的广泛应用，研究 人员对于网络协议的研究越来越深入。在网络协议的研究过程中，对协议或算法 进行正确性验证和性能评估是非常重要的，而构建真实的网络测试平台成本高、 灵活性差、周期长，因而开发出灵活、稳定、支持多协议的网络模拟器成为首选 的替代方案。1 9 9 6 年，由u s c i s i ，x e r o x p a r c ，l b n l 和u cb e r k e l e y 联合成 立v i n t ( v i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d ) 项目组。该项目组得到d a r p a 资助， 其目的是实现一个可扩展的支持多协议的网络模拟器v i n t 包括网络模拟器的 核心n s 以及相关的辅助软件。目前n s 已经在计算机网络研究中得到广泛的应用， 最新版本为2 2 9 ，并且仍然在不断的扩展和完善。 1 3 。1n s - 2 网络模拟器的特性 一个优秀的网络模拟器应该既能在多种网络拓扑条件下进行网络协议的模 拟和评价，又能对多种协议的相互影响进行模拟和分析。n s 网络模拟器具备一 个优秀模拟器应有的特性，它有如下一些特点：4 1 模块化框架结构n s 的这种特性模拟了因特网的体系结构，使得用户可 以快速、独立的开发新协议或新应用，然后以模块的方式添加到n s 中 2 可视化。可视化工具可以将模拟过程动态表现出来，方便研究者粗粒度的 观测协议的交互，同时研究者也可以利用可视化工具在概略级别上对协议进行调 试。 3 仿真。n s 的仿真功能可以将真实网络中的数据报文