（计算机应用技术专业论文）基于双向路径的tcp拥塞控制研究.pdf

基于双向路径的t c p 拥塞控制研究 摘要 t c p 是基于因特网的重要传输协议，而网络拥塞是引发数据丢失 造成网络q o s 下降的主要因素，t c p 拥塞控制机制很好地避免拥塞引 发数据丢失，提高了网络的o o s 质量。另一方面，基于连接的t c p 在 正常单向大数据量传送时，表现的状态与拥塞是十分类似的，标准t c p 拥塞控制机制无法区分，引起网络频繁启动拥塞控制，降低了网络q o s 。 r t t 是t c p 协议实现的基础，是判断网络路径拥塞程度的重要参 数。本文首先阐述了传统r t t 的测量理论，然后对r t t 的结构进行分 析，指出双向对称路径的发现与基于双向不对称路径发现的区别，并 在不改变标准t c p 结构的前提下，分析在单向大数据量传送( 如：组播 网) 与时延敏感( 如：基于能量控制的无线网络) 的两种网络环境下，传 统r t t 测量理论的局限性。提出了一种适应单向大数据量传送网络环 境与时延敏感的网络环境下的优化传输控制算法一基于双向不对称路 径发现的r t t 算法。该算法能有效区分单向大数据传送与真正的网络 拥塞，仿真证实提高了网络的o o s 。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 在系统分析双向对称l 汀t 的测量基础上，分析了当前的网络现 状与需求，提出双向不对称网络路径识别的迫切性。 ( 2 ) 在对l h t 测量方法、r t t 的时延结构详细分析后，重点论述了网 络视频、无线网络等单向大数据量传送的不对称网络产生的类 拥塞现象，提出基于双向不对称路径发现的阈值r t t 算法，在 不影响标准t c p 协议基础上，有效遏制了拥塞假像频繁启动拥 塞控制的现象，提高网络的q o s 。 ( 3 ) 利用网络仿真软件o p n e t ，对基于单向大数据量传送( 组播) 网 络和时延敏感的无线网络，采用基于双向不对称路径发现的阈 值r t t 算法进行仿真实验，结果证实算法的有效性。 通过网络测试表明，在基于组播协议网络和基于能量控制的无线 网络中，能有效区分拥塞与正常数据传送，是提高q o s 的有效途径。 同时，它与现有的r t t 测量有很好的互操作性。 关键词：网络拥塞；管道理论；双向r t t ：域值控制 s t u d yo nc o n g e s t i o nc o n t r o lo ft c pb a s e do n b i d i r e c t i o n a lp a t h a b s t r a e t t c pi sa ni m p o r t a n tf i l et r a n s f e rp r o t o c o lb a s e do nt h ei n t e r n e t a n d n e t w o r kc o n g e s t i o ni sam a j o rf a c t o ro fd a t al o s st h a t c a u s i n g r e d u c t i o no fq o s ( t c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mc a ne f f e c t i v e l y a v o i dt h ed a t al o s sd u et oc o n g e s t i o na n ds ot h a tt h eq u a l i t yo fq o sc a n b ei m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt c pw h i c hi sb a s e do nl i n k e d c o n v e y sn u m e r o u sd a t au n id i r e c t i o n a l l y ，i tw i l la s s u m es t a t es i m i l a rt o t h ec o n g e s t i o n a n ds t a n d a r dt c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mc a n t t e l l a p a r tt h e m a c c o r d i n g l y , t h i ss i t u a t i o nb r i n g sa b o u tf r e q u e n t l y s t a r t i n go ft h ec o n g e s t i o nc o n t r o la n dr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo fq o s r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) i st h eb a s e o fr e a l i z a t i o no ft h et c pp r o t o c o l ， a n di ti sa l s oav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fj u d g i n gd e g r e eo ft h e n e t w o r kc o n g e s t i o n i nt h ep a p e r ，f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h em e a s u r e t h e o r yo ft r a d i t i o n a lr t t ，a n da n a l y z et h es t r u c t u r eo fr t t s e c o n d l y ， t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb i - d i r e c t i o n a ls y m m e t r yp a t ha n da s y m m e t r y p a t hh a sb e e np o i n t e do u t ，a n dt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lr t t ，w h i c h u n d e rt h ec o n d i t i o no fn o tc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fs t a n d a r dt c p , a l s o h a sb e e na n a l y z e dw h e nt r a n s m i tl a r g ev o l u m eo fd a t au n i l a t e r a l l y ( m u l t i c a s t ) a n dd e l a ys e n s i t i v i t y ( w i r e l e s sn e t w o r kb a s e do uc o n t r o l l e d e n e r g y ) l a s t l y ，w ep r o p o sak i n do ft r a n s m i ta n dc o n t r o la r i t h m e t i co f o p t i m i z a t i o n - r t ta l g o r i t h m w h i c hw a sb a s e do nb i - d i r e c t i o n a l a s y m m e t r yp a t h ，w es h o wt h a t t h en e wr t ta l g o r i t h ms u i t st ot h e n e t w o r kc i r c u m s t a n c eo fu n i l a t e r a ll a r g ed a t at r a n s m i ta n ds e n s i t i v et o d e l a y , t h e s i m u l a t i o n p r o v e s i tc o u l d e f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s h t h e u n i l a t e r a ll a r g ed a t at r a n s m i ta n dn e t w o r kc o n g e s t i o n ，e o n s e q u e n t l y ，i t c o u l di m p r o v ee f f e c t i v e l yt h eq o s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so fm yw o r ka r ea sf o l l o w s ： 。 ( 1 ) o nt h eb a s i so fs y s t e m sa n a l y s i st ot h es y m m e t r yo ft h er t t m e a s u r e m e n t ，w ea n a l y z e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e m a n do fn e t w o r k ， a n dp u tf o r w a r dt h eu r g e n tr e q u i r e m e n to fb i - d i r e c t i o n a ls y m m e t r yp a t h w i t hn e t w o r ki d e n t i f i c a t i o n ( 2 ) b yd e t a i l e da n a l y z i n gt h em e t h o do fr t tm e a s u r e m e n ta n dt h e s t r u c t u r eo fr t td e f e r r i n g ，t h ep a p e rd e s c r i b et h ec a t e g o r yc o n g e s t i o n c a u s e db yt h o s ek i n d so fu n i l a t e r a la s y m m e t r i cn e t w o r kw i t hl a r g e v o l u m eo fd a t at r a n s m i s s i o n t h et h r e s h o l dr t ta l g o r i t h m sm e t h o db a s e d o nt h ed i s c o v e r yo fb i - d i r e c t i o n a la s y m m e t r i cr o u t ei sp r o p o s e d t h i s a l g o r i t h m sc a ne f f e c t i v e l yl i m i tt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lc a u s e db yt h e f r e q u e n tc o n g e s t i o nf a l s ea n de n h a n c et h en e t w o r kq o sw h i l ew i t h o u t a f f e c t i n gt h es t a n d a r dt c e ( 3 ) b yu t i l i z i n gt h en e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r eo p n e ta n db a s e d o nt h en e t w o r kw i t hl a r g ev o l u m eo fd a t at r a n s m i s s i o n ( m u l t i c a s t ) u n i l a t e r a l l ya n dw i r e l e s sn e t w o r kw i t hd e f e r r i n gs e n s i t i v i t y , t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no ft h et h r e s h o l dr t ta l g o r i t h mo nt h eb i d i r e c t i o n a l a s y m m e t r i cr o u t e w ec a n c o n f i r mt h e v a l i d i t y o ft h r e s h o l di h t a l g o r i t h m t h r o u g ht h et e s t o fn e t w o r ki ts h o w st h a tt h ew i r e l e s sn e t w o r k s w h i c ha r eb a s e do nt h em u l t i c a s tp r o t o c o l b a s e dn e t w o r k sa n de n e r g y c o n t r o lc a nd i s t i n g u i s hc o n g e s t i o na n dn o r m a ld a t at r a n s m i s s i o n e f f e c t i v e l y ，t h e r e f o r e i ti s a ne f f e c t i v e w a yo fe n h a n c i n gq o s m e a n w h i l e ， i th a sa g o o di n t e r o p e r a b i l i t y w i t ht h ec u r r e n tr t t m e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：n e t w o r kc o n g e s t i o n ；p i p e l i n et h e o r y ；b i d i r e c t i o n a lr t t ： t h r e s h o l dc o n t r 0 1 插图清单 图2 1 网络路径多径输入5 图2 2 大小管道的链接5 图2 3t c p i p 拥塞控制- 6 图2 4t c pr e n o 流程“7 图2 5r e n o 的慢启动8 图2 - 6 快速重传算法一9 图2 7t c p 慢启动和拥塞避免、快速重传和快速恢复”1 3 图3 1 典型r t t 测量原理结构图1 6 图3 2 基于地理位置的r t t 网络时延2 5 图3 3 单项大数据量传送与返回的比较图2 6 图4 1 测量出的r t t 和t c p 计算的r t o 的例子“2 9 图4 2 时延理论测量结构图3 2 图4 3s y n a c k 结构3 3 图4 4 基于层模型下的时延结构“3 6 图5 1o n ep a c k e t 模型一3 9 图5 2 单包模型4 0 图5 3p a c k e tt a i l g a t i n g 在多播树上测量“4 l 图5 - 4 取得已经完成的o w d p 测量会话结果的端系统4 3 图6 1 有线网络有无控制算法时延仿真统计5 2 图6 2 无线网没有启用控制算法时延抖动分配情况一5 2 图6 3 无线网启动算法后的时延抖动分配情况5 2 表格清单 表3 1t c p 定时器组成1 8 表3 2 不同终端的评价结果2 5 表4 1 典型测量采用p i n g 方法获取如下数据”3 3 表4 2四个小时后再次测量获取如下数据一3 3 表4 3 二个小时后再次测量获取如下数据一3 4 表4 - 4e ( i 汀t ) 所有算法总结3 5 表4 5 巾( r t t ) 的主要算法总结3 6 表4 - 6 网络时延的不同部分对不同网络段的性能“3 7 表5 1正常情况下的双向r t t 测试结果一4 5 表5 2 拥塞下情况下的双向i 汀t 测试结果4 6 表5 3分析结果4 7 表5 4 返回a c k 时延与p i n g ( 双向对称) 的对延的测试比较4 7 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，也不包含为获得金壁王些太堂 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：囔琴 签字日期：力叩年办伊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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。本人授权金胆王些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) 学位论文作者签名：素器 签字日期：力中年月舻日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲7 乞例一 签字日期；夕哆年e 厂五日 电话： 邮编： 致谢 本论文的写作，从选题、开题到整个写作过程，一直是在导师沈 明玉的悉心指导与严格要求下完成的。在整个学习过程中，沈老师不 仅给予我专业的学术知识，更给予了我做研究的科学方法，这将使我 获益终生：沈老师开拓性的思维方式，正直朴素的品质、对科学真知 的追求精神、严谨求实、特别是他的认真负责、精益求精的科学研究 态度潜移默化地给予我巨大的影响。我的硕士毕业论文得以完成，首 先我要对导师沈明玉老师致以深深地感谢。 衷心感谢合肥工业大学计算机信息学院所有老师，是他们在各自 领域渊博的学识指导我避免进入很多误区。在他们的热情帮助下使我 顺利完成了学业。 本论文的写作同时也得到了我的同事黄山学院的王雪飞老师与官 骏鸣老师给予于不尽的启迪与研究的思路。在此我衷心地对所有帮助 过我的老师表示衷心的感谢。 真诚感谢在百忙中抽时间评阅论文和参加答辩韵各位专家、教授。 作者：袁琴 2 0 0 7 年5 月1 0 日 1 1 论文研究的现状 第一章概述 t c p 是一种基于滑动窗口、端到端、面向连接、可靠的传输协议。 它首先通过三次握手过程建立连接，然后启动拥塞控制算法，将应用 层数据分成数据报文逐个传送到对端，每个报文由字节顺序号和报文 大小唯一确定。接收端每收到一个数据报文，就产生一个相应的应答 报文。如果接收端收到不连续的超前数据报文，就发送重复应答报文 d u p a c k ( d u p li c a t ea c k ) 。 早期t c p 只有简单的滑动窗口流量控制机制而没有拥塞控制。1 9 8 8 年j a c o b s o n 提出了一些有创见性的拥塞控制机制，称为t c pt a h o e ， 包括慢启动、拥塞避免和快速重传算法。两年后又加入了快速恢复算 法，t c p 发展为t c pr e n o 1 ，它在目前的网络应用中占主导位置。 继j a c o b s o n 后研究者又做了大量的研究，特别是在9 0 年代初许 多人企图提出一种“理想”的拥塞控制方案来克服t c p 由于对窗口的 慢增快减所引起的震荡特性，包括d u a l 、t c pv e g a s 等。 然而，考虑到实际应用的问题和异构网络的整体性能，早期提出 的这些拥塞控制机制与t c pr e n o 兼容性不强，甚至有可能带来负面影 响。这也是这些机制至今不能在实际网络中得到广泛应用的原因。9 0 年代后期大多数人开始转向改进t c pr e n o 中的快速恢复算法，并取得 了有效的进展，新算法主要包括t c pn e wr e n o 口1 ，s a c k ( s e l e c t i v e a c k ) 。所有这些算法都提高了r e n o 中快速恢复算法的性能。 随着互联网的飞速发展，无线、移动网络的出现，初设计的t c p 基于“报文丢失是由于网络拥塞引起”的假定已不再成立，t c p 遭遇 了新的问题。无线网络环境下，由比特错误而非网络拥塞造成的随机 报文丢失是普遍的，这造成t c p 性能极大地下降，为此研究者们提出 一些改进的t c p ，如s n o o pt c p 陆1 、n e l n 砌e b s n 7 1 、t c p w 抽1 。为了支 持主机的移动性，i e t f 提出了i p v 4 ( 当前) 、i p v 6 ( 一= 代中1 两种解决 方案，我们统称为“m o b i l ei p ”。m o b i l ei p 具有较大的“切换时延”， 导致t c p 性能大幅度下降，为此研究者提出多种改进方案，如平滑切 换【9 1 、f r e e z e t c p 1 0 1 、t c p m d & t c p r 【】。所有这些算法不是意在替 换t c pr e n o 的拥塞控制机制而是提高r e n o 中快速恢复算法的性能， 都没有考虑到网络路径不对称的情况。 1 2 论文研究的目的与意义 随着互联网的迅速发展和广泛应用，人类进入了信息时代与网络 经济时代。以互联网为依托的电子商务也迅猛兴起。互联网以其信息 的即时性、交互性、快速、无地域限制以及信息丰富等特征而越来越 得到人们的青睐。人类的各种活动都通过互联网紧密地联系起来了。 网络已经渗透到人类社会活动的各个方面。 随着计算机网络技术的发展，人们不但希望能够在任何时间、任 何地点、任何对象之间进行商务活动，还希望网络能更深入到生活、 学习和工作的各个领域，这包括网络会议、网络视频与无线移动网络。 作为组播、视频等单向大数据量传送网络中与时延敏感的无线网络中 t c p 性能的下降闯题已经成为影响网络q o s 的主要障碍之一。 近年来，基于连接的t c p 在单向大数据量传送与时延敏感的网络 环境下的t c p 性能下降已引起众多的关注n ”。当前网络中应用的t c p 对网络做了一个基本的假设，认为网络中几乎所有的网络路径都是对 称的。r t t 的增大都是由于网络拥塞引起的，而不是由于在传输时单 向大数据量或时延抖动引起的n ”。在单向大数据量传送与时延敏感的 网络环境下，在网络上表现的状态与拥塞是十分类似的，这也是网络 频繁启动拥塞控制的主要因素之一，拥塞是一个网络上的一种特定的 状态，它不针对特定的数据或信息，频繁的拥塞控制启动对网络的时 延影响很大，降低了网络q o s ；同时，无线网络的带宽非对称性亦严 重地降低了t c p 的性能。 目前在网络路径测量与研究主要是以下三个方面展开： 一类以r f c 为主的定义方式认为，大数据量传送引发的路由等队 列过长导致的拥塞是可能的，在解决的问题上主要采用的拥塞处理方 法；另一类方法中大数据的传送是以特定协议( 组播) 传送，从而避 免了拥塞现象的出现，但它对网络的其它数据传送方式产生拥塞启动， 仍然影响网络的公平；还有一类是采用基于资源预约的协议，进行网 络的数据传送。无论是那种方式，其中心是对网络路径的测量控制， 也就是基于r t t 的控制。 在对单向路径与双向路径的研究中，数据经过路径的时延是一个 重点与热点，在这一方向的研究主要在三个方面展开：基于双向或单 向的端到端的时延确定，引入报文时间戳对端的数据传输时延进行测 量；另一个是利用一个全局的同步信号，如g p s 、n t c 时间服务器等 进行测试；再一个是利用数据路由时延记录完成，对数据的详细路由 2 ( 径) 产生细致的描述。 本文在综合了时间戳与数据路径的记录方式后，提出一个新的时 延测量方法，以正确的区分拥塞与单向大数据传送，且不占用网络数 据带宽。 1 3 主要内容与编制 本文共分7 章，各章内容简介如下 第一章绪论。本章讲述了t c p 拥塞控制机制的研究发展历史，分析 了本论文的研究背景，最后讲述了论文的组织结构和内容安 排。 第二章拥塞控制理论与r t t 的关系。本章主要讲述现有t c p 拥塞控 制算法，分析其局限性，指出r t t 在拥塞控制理论中的重要 地位。 第三章网络路径测量方法。本章主要讲述了论文研究的一些背景知 识。首先简要讲述传统网络路径的测量原理，系统分析了基 于双向对称下的r t t 的测量，指出其局限性，然后提出双向 不对称网络路径测量的需求。 第四章测量理论对r t t 结构分析。本章主要讲述了l 汀t 测量史上的 几种r t t 量方法，分析了r t t 的结构，并结合r t t 与r t t 的 有关算法中分析出r t t 与网络时延的关系及网络视频等巨大 数据流对t c p 的r t t 影响。 第五章基于双向路径发现的报文测量。本章首先讲述了已有的常用 r t t 测量工具及其测量原理，然后提出正确区分网络状态是 拥塞还是非拥塞的问题，基于双向路径发现的1 w t 算法， 并详细讲述了改进的算法。并统计获取阀值 的一个参考值 是0 6 6 。 第六章阀值下的数据传送的仿真与验证。基于双向不对称路径发现 的r t t 算法在o p n e t 上的实验。本章首先讲述了网络模拟 仿真环境软件o p n e t 的工作原理，然后详细讲述了基于双向 路径发现的r t t 算法在o p n e t 中的实验方案。实验结果表 明基于双向路径发现的i 汀t 算法能够很好的区分单向大数 据传送与时延敏感网络的类拥塞；并且可以与原有的r t t 测量和谐共存，而不影响其性能。 第七章结束语。就全文内容进行了归纳总结，并讨论了需要进一步 研究的问题。 2 1 概述 第二章拥塞控制理论与r t t 的关系 t c p i p 实际上是一个协议组，t c p 用户数据报协议( 也称作t c p 传 输控制协议，t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，可靠的端到端层协议。 是一种可靠的面向连接的传送服务。它在传送数据时是分段进行的， 数据被作为无结构的字节流( 比特流) ，端交换数据必须建立一个会话。 t c p 使用可靠的数据传输，确保报文的到达。t c p 主要完成：握手过程、 报文管理、流量控制、错误检测和处理( 控制) ，根据一定的编号顺序 对非正常顺序的报文给予重新排列顺序。 2 2 t c p 连接中的拥塞现象 2 2 1 拥塞现象( c o n g e s t i o n ) 当通信子网中有太多的分组时，网络性能降低，这种情况就叫拥 塞，拥塞现象是指拥塞崩溃前的网络状态。而拥塞控制是确保通信子 网能够有效为主机传递分组。 在网络中消除拥塞是难以做到的，但可以通过对拥塞的预先避免 来控制拥塞的发生，这称之为拥塞避免。拥塞现象发生时主要产生如 下现象： 1 、分组丢失 2 、时延恶化( 增加、抖动) 2 2 2 拥塞产生的三个主要原因 拥塞产生的直接原因如下： 1 ) 存储空间不足： 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，数据包就会丢弃，对突发数据 流更是如此。增加存储空间只是缓解这一矛盾，却不能解决问题。如 果路由器有无限存储量时，拥塞只会变得更坏，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，源端认为它们己经被丢 弃，而这些数据包还会继续向下一路由器转发，从而浪费网络资源， 4 加重网络拥塞。 图2 - 1网络路径多径输入 2 ) 带宽容量不足： 低速链路对高速数据流r 的输入也会产生拥塞。根据香农信息理 论，信道带宽最大值即信道容量c 二b 1 0 9 。( 1 + s n ) ( n 为信道白噪 声的平均功率，s 为信源平均功率，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，网络就 会发生拥塞。 图2 2大小管道的链接 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。同样，低速链路对高速c p u 也 会产生拥塞。 拥塞现象是数据网络中的数据传送的特点，为维持数据网络的通 信，拥塞控制是数据通信网络中的一个重的技术。 2 3 拥塞控制 2 3 1 拥塞控制的概述 在i n t e r n e t 中，交换机的处理速度、通信信道及缓冲空间通常既 是网上所有主机共享的资源，也是网络系统潜在的瓶颈。随着信源主 机数和信源业务量的不断增加，瓶颈处就会发生资源竞争，从而导致 网络拥塞。 i n t e r n e t 实际使用的拥塞控制基本上是建立在t c p i p 协议中的 传输层t c p 流量控制及i p 层的拥塞控制基础之上的。虽然现在在i p 层控制拥塞的研究逐渐增多，成为了一个新的研究热点，但是就目前 而言，在i n t e r n e t ( i p v 4 ) 上起主要拥塞控制作用的还是传输层的端到 端t c p 拥塞控制。图2 - 3 显示了t c p i p 在i n t e r n e t 上拥塞控制的作 用范围。 图2 - 3t c p i p 拥塞控制 t c p 拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 的基本思想就是在共享资源 管理的基础上，按一定的算法控制发送端的业务发送量，合理使用 瓶颈资源，保证网络的稳定性、健壮性。可见t c p 拥塞控制算法是确 保整个网络良好运行的关键。 到目前为止，研究者已断断续续地提出了大量t c p 拥塞控制算法， 如t a h o e 、r e n o 、v e g a s 等等，所有这些算法的核心都是通过控制窗口 的大小，发送端可以控制注入网络的业务量，进而控制网络拥塞。在 传输过程中，发送端通常增加窗口的大小或线性或指数级，直到出现 包丢失，此时窗口在一步内迅速下降，接着又开始逐渐增大。t c p 以 此来试探网络而获得最大的传输速率，并以包丢失来指示发送速率已 6 超过网络的可用带宽。这些t c p 算法有效的避免了拥塞瘫痪，同时也 增强了网络的健壮性。 当前网络上，广泛采用的t c p 拥塞控制算法是t c pr e n o ，下面我 们将详细讲述t c pr e n o 的拥塞控制机制原理。 2 3 2t c pr e n o t c pr e n o 控制流程如图2 - 4 所示。主机与服务器之间首先通过三 次握手过程建立t c p 连接，随后启动r e n o 拥塞控制机制：初始设置发 送窗口c w n d 为1 个报文段，慢启动门限s s t h r e s h 为接收方通告窗口 大小，此后进入慢启动阶段，调用慢启动算法，窗口快速增长直至到 达慢启动门限，之后进入拥塞避免阶段，启用拥塞避免算法，窗口缓 慢增加直至发生拥塞。如果拥塞指示是r t o 超时，则重新进入慢启动 阶段；否则进入快速重传和快速恢复阶段，调用相应的机制，恢复之 后再次进入拥塞避免阶段。 困 0 困 图2 - 4t c pr e n o 流程 从以上过程中我们可以看出，r e n o 可以分为四个阶段：慢启动阶 段、拥塞避免阶段、快速重传和快速恢复阶段。相应地，在不同阶段 调用了不同的算法，分别为：慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传 和快速恢复算法，下面详述之： 7 1 ) 慢启动和拥塞避免算法 发送主机在确定发送速率时，既要根据接收端的接受能力，又需 考虑不要超过网络负荷。为此，一个t c p 连接，需要有以下三个状态 变量： 接收端窗口，这是接收端根据其目前接收缓存大小所提供的最新 窗口，表示着接收能力。 拥塞窗口c w n d ，这是发端根据自己对网络拥塞程度而设置的窗口 值。 慢启动门限s s t h r e s h ，是发端对网络容量门限的估计值。 发送端的发送窗口上限取为接收端窗口和拥塞窗口这两个变量中 最小的一个，也就是说发送端的发送速率是受目的主机和网络中较慢 的一个制约，控制着数据传输。 t c p 慢启动是在t c p 连接开始或者重传超时之后启动的，首先将 窗口设置为一个数据包的大小，然后逐渐增加窗口，即增加注入网络 的业务流量，其目的在于使t c p 发送端探测网络的可用带宽，从而避 免由于突发数据使发送端出现拥塞。 当建立了一个t c p 连接时，拥塞窗口被初始化为1 个最大报文段 大小( m s s ) ，每收到一个新的应答a c k ，拥塞窗口就增加一个报文段 m s s 。其中，c w n d 以字节为单位，但是慢启动以报文段大小为单位进 行增加。 以下我们举例说明。如图2 5 所示，开始时发送方发送一个报文 段，然后等待a c k 。当收到该a c k 时，拥塞窗口从i 增加为2 ，即可以 发送2 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。通过慢启动，t c p 可以很快地达到系统 的近似平衡点。 图2 - 5r e n o 的慢启动 随着慢启动进行，c w n d 不断增加，一旦c w n d y s s t h r e s h 时，停止 慢启动算法而改用拥塞避免算法。 拥塞避免算法具体为：每经过一个r t t 发送窗口c w n d 就增加一个 报文段，此时c w n d 按线性规律缓慢增长，比慢启动阶段的窗口增长缓 慢的多。 2 ) 快速重传和快速恢复 每次当接收端接收到报文段时，根据收到的报文段的序列号进行 判断：如果此包序列号小于下一个所期望接收的包序列号，表明此包 为重复包，直接丢弃，不发送a c k ；相反，如果此包序列号大于下一 个所期望接收的包序列号，接受此包，但需重发最近一次发送的a c k ， 相同a c k 的再次重发被称为一个重复的应答d u p a c k ( d u p l i c a t ea c k ) 。 发送d u p a c k 的目的在于通知发端可能有报文段发生丢失，当收端接收 到3 个d u p a c k ，就重传丢失的报文段。如图2 - 6 所示，接收方接收到 报文段1 和2 ，但报文段3 丢失了。因此，当报文段4 到达时，接收方 发送报文段2 的重复a c k ，报文段5 到达也是如此，依此类推。当发 送方收到3 个重复a c k ( 此时报文段6 已经到达接收端) 后重发报文 段3 。当接收方接收到重发的报文段3 后，向发送方发送累计应答， 应答包括报文段6 在内的所有报文段。 快速重传和快速恢复算法通常相继执行。当发端接收到三个重复 a c k 时，触发快速重传算法，将s s t h r e s h 设定为当前窗口的一半；然 后调用快速恢复算法管理数据传输直至没有重复的应答d u p a c k 到达。 具体过程见下： 图2 - 6 快速重传算法 答2 答2 答2 重传丢失的数据包，同时设c w n d = s s t h r e s h + 3 s m s s ，人为的将拥 塞窗口增大三个报文段，这些包是在网络中滞留的、已经被接收端收 到的。每接收到一个d u p a c k ，e w n d 增加一个s m s s 大小，这是为了反 9 映网络中滞留的报文段数量而人为地增加拥塞窗口。如果c w n d 的新值 和接收端的通告窗口允许，则发送一个报文段。当下一个a c k 累积应 答了从发生报文段丢失到接收方接收到三个重复a c k 之间的所有包 后，设置c w n d = s s t h r e s h ，从而缩小窗口。快速恢复阶段结束后，从最 新的s s t h r e s h 开始执行拥塞避免算法 快速重传是一个有效的启发式算法，比常规的超时机制更能迅速 的触发重传丢失报文段机制。快速重传机制并不是要代替常规的超时 机制，而是更好地提高了其灵活性。 2 3 3r e n o 的改进算法( n e wr e n o 、s a c k ) 当一个窗口中发生多个报文段丢失时，r e n o 将多次下降发送窗口， 不必要地降低了吞吐量。为此，人们提出了很多改进的丢失恢复算法， 如n e wr e n o 、s a c k 等。其中一些采用部分应答来触发重传机制，另 外一些则采用基于t c p 选择性应答的机制。 ( 1 ) t c ps a c k 处理多个包丢失的方法其中之一就是接收端通知发送方它已经收 到了哪一个数据包，选择性应答s a c k 就是其中一种。接收端利用s a c k 标识位来通知发送方它收到错序的包。 当发送方接收到s a c k 块时，就可以知道接收端的队列情况：哪些 包丢失，哪些包已经成功接收。根据以前的s a c k 信息s c o r e b o a r d 跟 踪发送和接收包，每发一个包，s c o r e b o a r d 都记录其序列号和标志比 特以指示该包是否已经被选择性应答。标有s a c k 比特的包不需要重 传，而没有s a c k 标识的包而且序号小于最大的s a c k 包则要重传。不 管是否被选择性应答，当被累计确认后才从重发存储器中删除。s a c k 可以在一个r t t 内恢复多个丢失报文段。 ( 2 ) n e wr e n o n e wr e n o 在收端接收到三个重复a c k ，进入快速重传时，记下此 时发端所发送的报文段的最大序列号，只有当回来的a c k 所确认的序 列号大于或等于此最大序列号时，才退出此次快速重传，进入拥塞避 免阶段。解决了r e n o 中当发生多个报文段丢失时部分确认使发端退出 快速恢复阶段而导致窗口不断下降的问题，但是在快速恢复期间，在 一个r t t 内，n e wr e n o 只能恢复一个丢包。r f c 2 5 8 2 已经接受了n e wr e n o 对t c p 快速恢复的修改。 t c ps a c k 、n e wr e n o 依然使用与r e n o 相同的拥塞控制算法，它 们和r e n o 的主要区别在于当发生多个报文段丢失时所采取的动作，进 1 0 一步优化了r e n o 的快速重传和快速恢复算法。当在单一窗口发生多个 包丢失时，n e wr e n o 、s a c k 都不需多次下降窗口，窗口仅下降一次。 2 3 4r c n o 及其改进算法( n e wr e n o 、s a c k ) 缺陷分析 虽然r e n o 对i n t e r n e t 网络拥塞控制发挥了重要作用，但是随着 新型网络的出现以及人们对通信要求的提高，r e n o 及其改进机制已暴 露出许多不可忽视的缺陷，现总结如下： ( 1 ) 对链路的瓶颈缓冲的鲁棒性不强：每当检测到三个重复a c k ， r e n o 及其改进机制都盲目的将窗口减半，当链路的瓶颈缓冲远小于链 路带宽与时延乘积时，这将使得其由快速恢复进入拥塞避免时不能充 分地利用网络带宽，降低吞吐量；相反若链路的瓶颈缓冲远大于链路 带宽与时延乘积时，这将加重网络拥塞，不利于整个网络的稳定。 ( 2 ) 无线网络中性能下降，不论使用如何成熟的恢复算法，当快速 重传检测到包丢失时，t c pr e n o 和其改进版都会将窗口减半。在无线 网络中，这种算法便不必要的降低了网络的吞吐量，因为此时的报文 段丢失大多是由于比特错误而不是网络拥塞引起的。 ( 3 ) 首次慢启动阶段窗口盲目、快速地增长常导致大量数据包丢 失，浪费了网络资源；此外对长肥链路而言，其慢启动阶段网络利用 率不高。 ( 4 ) 当出现多包丢失时，r e n o 频繁的下降窗口，降低了吞吐量， 改进机制n e wr e n o 、s a c k 虽然能够恢复多包丢失，但是n e wr e n o 在 快速重传期间，在每个r t t 中只能恢复一个数据包，当窗口内发生大 量数据包丢失时，这反而使其性能下降；s a c k 算法虽然能在一个r t t 内恢复多个数据包，但是它需要在收发两端都作修改，与现行网络互 操作性不强。 2 3 5t c pv e g a s 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t c p v e g a s 。由于r t t ( r o u n d t r i pt i m e ) 值与网络运行情况有密切关系， 因此，t c pv e g a s “钉“乱通过观察t c p 连接中r t t 值，改变感知网络是否 发生拥塞，控制拥塞窗口大小。如果发现r t t 值变大，t c pv e g a s 就 认为网络正在发生拥塞，于是开始减小拥塞窗口；另一方面，如果r t t 变小，t c pv 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