TCP不同版本的比较

TCP不同版本的比较实验目的：观测TCP协议的数据传输过程拥塞窗口变化，比较TCPTahoe，TCPReno，TCPNewReno和SACK版本的拥塞控制算法。实验环境：WindowsXP+Cygwin+NS22.29实验说明：当数据从频宽较大的网络送到频宽较小的网络，会发生拥塞现象。同样当很多流量同时到达一个路由器时也会发生拥塞。所以在运输层TCP协议下有拥塞控制机制来防止或减少拥塞。为了研究TCP不同版本拥塞控制的机制，所以选用如下的网络拓扑结构和链路参数配置（FTP代表端施加恒定的流CBR）实验过程：观察TCPTahoe，TCPReno，TCPNewReno和SACK版本的拥塞窗口的变化：打开ns2窗口：1.观察Tahoe版本的congestionwindow和queuelength的变化情况:Tahoe算法是TCP的早期版本。Tahoe包括3个基本的拥塞控制算法：“慢启动”、“拥塞避免”和“快速重传”。Tahoe算法存在着不足之处：在收到3个重复ACK或在超时的情况下，Tahoe置cwnd为1，然后进入慢启动阶段。这一方面会引起网络的激烈振荡，另一方面大大降低了网络的利用率。如上图所示出现错误：“}”和“elseif”之间要有空格，“}”和“else”之间同理，改正后$nslab2.tclTahoe可以看到结果如上图所示：使用gnuplot观察cwnd的变化值:$gnuplot之后打开cwnd-Tahoe.gif图片如图11所示：图11通过图11可以看出，在TCP的Tahoe版本中，cwnd值会呈现周期性的重复变化。刚开始采用慢启动（Slow-Start），避免了连接建立时突发数据流对网络的冲击，cwnd呈指数方式增长，当cwnd超过Ssthresh时就进入了拥塞避免（congestionavoidance）阶段，限制传输过程中无限制的速率增长，避免由此可能导致的拥塞。由于网络上的数据包不断增加，超过路由器的转发能力时，排队缓冲队列出现了溢出，路由器开始使用Drop-tail将数据包丢掉。当数据包丢失后，Tahoe版本TCP将ssthresh设为出现数据包丢失时的Windows值的1/2，并将cwnd值重设为1，并重新开始执行慢启动算法。使用gnuplot观察queuelength的变化值:之后打开queue_length_Tahoe.gif图片如图12所示： 图122.观察Reno版本的congestionwindow和queuelength的变化情况:针对Tahoe算法的不足之处，在Tahoe的基础上提出了改进算法Reno。改进主要有两个方面：一是对于收到连续3个重复ACK，算法不经过慢启动，而直接进入拥塞避免阶段；二是增加了快速重传/快速恢复机制。Reno在收到3个重复ACK后，就转入快速重传/快速恢复阶段；而遇到超时时，Reno和Tahoe一样进入慢启动阶段。使用gnuplot观察cwnd的变化值:之后打开cwnd-Reno.gif图片如图21所示： 图21通过图21可以看出，在TCP的Reno版本中，开始阶段与Tahoe的表现一样。当网络上的数据包不断增加，超过路由器的转发能力时，排队缓冲队列出现了溢出，出现数据包丢，Reno版本TCP将ssthresh和cwnd都设为出现数据包丢失时的Windows值的1/2，重传丢失的数据包，由于重传过程中发生超时（timeout），所以ssthresh设为当前窗口的一半，cwnd=1，并开始慢启动阶段，当cwnd>ssthresh时进入拥塞避免阶段。当网络上的数据包不断增加，超过路由器的转发能力时，排队缓冲队列出现了溢出，出现数据包丢失，Reno版本TCP将ssthresh和cwnd都设为出现数据包丢失时的Windows值的1/2，重传丢失的数据包，不发生超时的情况下，进入拥塞避免阶段。使用gnuplot观察queuelength的变化值:之后打开queue_length_Reno.gif图片如图22所示： 图223.TCP的NewReno版本congestionwindow和queuelength的变化：NewReno是修改自Reno的TCP版本。这个版本中主要修改了TCPReno的快速恢复算法。NewReno在收到PartialACK时，并不会立刻结束快速恢复，相反，NewReno的传送端会持续地重送PartialACK之后的封包，直到将所有遗失的封包重送后才会结束快速恢复，这使得NewReno的传送端在网络有大量封包遗失时不需等待Timeout就能更正此错误，减少大量封包遗失对传输效果所造成的影响。使用gnuplot观察cwnd的变化值:之后打开cwnd-Newreno.gif图片如图31所示： 图31通过图31可以看出，在TCP的NewReno版本中，当网络上的数据包不断增加，超过路由器的转发能力时，排队缓冲队列出现了溢出，数据包丢失后，NewReno版本TCP将ssthresh和cwnd都设为出现数据包丢失时的Windows值的1/2，重传丢失的数据包，不发生超时的情况下，进入拥塞避免阶段。使用gnuplot观察queuelength的变化值:之后打开queue_length_Newreno.gif图片如图32所示： 图324.TCP的（SACK）版本congestionwindow和queuelength的变化：SACK版本是选择重传的版本，是对NewReno版本的一种改进，通过SACK选项，传送端可以很明确地知道哪些封包已经被接收到了，并且直接针对遗失部分重传，而不必重传重复确认的ACK后的所有窗口内的数据包，所以效率明显比NewReno版本高。使用gnuplot观察cwnd的变化值:之后打开cwnd-Sack.gif图片如图41所示： 图41通过图41可以看出，在TCP的Sack版本中，当网络上的数据包不断增加，超过路由器的转发能力时，出现数据包丢失后，将ssthresh和cwnd都设为出现数据包丢失时的Windows值的1/2，重传丢失的数据包，不发生超时的情况下，进入拥塞避免阶段。使用gnuplot观察queuelength的变化值:之后打开queue_length_Sack.gif图片如图42所示： 图42实验图分析： 从图11和21的比较可以看出Tahoe版本的TCP在每次出现数据包丢失的时候都重新开始执行Slow-Start算法，这样使得网络的吞吐率并不高。但经过改进后的Reno版本出现数据包丢失的时候，并不是把当前cwnd设为1，而是设为出现数据包丢失时窗口cwnd的1/2，所以Reno版本的TCP的平均吞吐率较Tahoe更高。 由图21和31比较可以看出Newreno版本的效率比Reno版本高。当网络有大量的数据丢失时，Reno版本会出现数据超时，则进入慢启动阶段，NewReno的传送端在网络有大量封包遗失时不需等待Timeout就可以重传所有丢失的数据包，从而避免了不必要的timeout。 由图31和41的比较可以看出Sack的优势，在快速重传阶段图31中Newreno版本所用的时间明显比图41中Sack版本所用的时间多，从而可以看出Sack版本中，发送端只快速传送未收到确认ACK的数据包，从而提高了效率。 由图12，22，32，42比较可知，Tahoe版本的queuelength的波动较大，可知Tahoe版本在出现丢包之后就进入慢启动阶段，使网路的震荡较大，传输效率低。快速重传阶段图32中Newreno版本queuelength明显比图42中Sack版本queuelength的变化幅度大，从而证明了TCP的SACK版本采用选择重传的优越性。实验总结： 本次实验是在借鉴了已有资料的基础上，自己动手实现的，根据自己对ns2相关的知识的学习，对于已有文件进行了改动，使之符合自己实验的思路。通过实验数据图比较了TCP的四种版本的拥塞控制策略，从而对TCP各版本的拥塞控制策略有了更深的了解。但是通过cwnd和queuelength图只能定性的看出网络的拥塞状况，而不能看出丢包，延时等的具体情况。将lab2.tcl进行部分改动，改动后的内容见lab.tcl，可以查看动态的网络数据包传输情况。通过命令$nslab.tclTCPversion例如：$nslab.tclSack附件:Lab2.tcl文件：if{$argc!=1}{ puts"Usage:nslab2.tclTCPversion" puts"Example:nslab2.tclTahoeornslab2.tclRenoornslab2.tclNewrenoornslab2.tclSack" exit}setpar1[lindex$argv0]#产生一个仿真对象setns[newSimulator]#打开一个trace文件，用来记录封包传送的过程setnd[openout-$par1.trw]$nstrace-all$nd#打开一个文件用来记录cwnd的变化情况setf0[opencwnd-$par1.trw]#﹚定义一个结束的程序procfinish{}{globalnsndf0tcppar1#显示最后的平均吞吐量puts[format"averagethroughput:%.1fKbps"\ [expr[$tcpsetack_]*([$tcpsetpacketSize_])*8/1000.0/10]]$nsflush-trace #关闭文件close$ndclose$f0 #使用awk分析记录文件，以观察队列的变化 execawk{ BEGIN{ highest_packet_id=-1; packet_count=0; q_eln=0; } { action=$1; time=$2; src_node=$3; dst_node=$4;type=$5;flow_id=$8;seq_no=$11;packet_id=$12; if(src_node=="0"&&dst_node=="1"){ if(packet_id>highest_packet_id){ highest_packet_id=packet_id; } if(action=="+"){ q_len++; printtime,q_len; } if(action=="-"||action=="d"){ q_eln=q_len--; printtime,q_len; } } } }out-$par1.tr>queue_length-$par1.trexit0}#定义一个记录的程序#每隔0.01s就去记录当时的cwndprocrecord{}{ globalnstcpf0 setnow[$nsnow] puts$f0"$now[$tcpsetcwnd_]" $nsat[expr$now+0.01]"record"}#产生传送结点，路由器r1,r2和接收结点setr0[$nsnode]setr1[$nsnode]setn0[$nsnode]setn1[$nsnode]#建立链路$nsduplex-link$n0$r010Mb1msDropTail$nsduplex-link$r0$r11Mb4msDropTail$nsduplex-link$r1$n110Mb1msDropTail#设置队列长度为15个封包大小setbuffer_size15$nsqueue-limit$r0$r1$buffer_size#根据用户的设置，指定TCP版本if{$par1=="Tahoe"}{ settcp[newAgent/TCP] settcpsink[newAgent/TCPSink] $tcpsetdebug_1}elseif{$par1=="Reno"}{ settcp[newAgent/TCP/Reno] settcpsink[newAgent/TCPSink] $tcpsetdebug_1#这里的setdebug_设为1的话就可以产生出上文所提的Debug数据了}elseif{$par1=="Newreno"}{ settcp[newAgent/TCP/Newreno] settcpsink[newAgent/TCPSink] $tcpsetdebug_1}else{ settcp[newAgent/TCP/Sack1] settcpsink[newAgent/TCPSink/Sack1] $tcpsetdebug_1}$nsattach-agent$n0$tcp #将awnd的值设为24，这是advertisedwindow的上限#advertisedwindow是接收端的缓冲区可以容纳的封包个数#因此当congestionwindow的值超过advertisedwindow时#TCP的传送端会执行流量控制，以避免传送得太快而导致接收端的缓冲区溢满$tcpsetwindow_24 $nsattach-agent$n1$tcpsink$nsconnect$tcp$tcpsink#建立FTP应用程序setftp[newApplication/FTP]$ftpattach-agent$tcp#在0.0s时，开始传送$nsat0.0"$ftpstart"#在10.0s时，结束传送$nsat10.0"$ftpstop"#在0.0s时调用record来记录TCP的cwnd变化情况$nsat0.0"record"#在第10.0s时调用finish来结束模拟$nsat10.0"finish"#计算在传输路径上大约可以容纳多少个封包#计算方式：在bottlenecklink上每秒可以传送的封包数*RTT+队列缓冲区大小puts[format"onpath:%.2fpackets"\[expr(1000000/(8*([$tcpsetpacketSize_]+40))*((1+4+1)*2*0.001))+$buffer_size]]#执行模拟$nsrunLab.tcl文件：if{$argc!=1}{ puts"Usage:nslab2.tclTCPversion" puts"Example:nslab2.tclTahoeornslab2.tclRenoornslab2.tclNewrenoornslab2.tclSack" exit}setpar1[lindex$argv0]#产生一个仿真对象setns[newSimulator]#Openthenamtracefilesetnf[opentest.namw]$nsnamtrace-all$nf#打开一个trace文件，用来记录封包传送的过程setnd[openout-$par1.trw]$nstrace-all$nd#打开一个文件用来记录cwnd的变化情况setf0[opencwnd-$par1.trw]#﹚定义一个结束的程序procfinish{}{globalnsndf0tcppar1nf#显示最后的平均吞吐量puts[format"averagethroughput:%.1fKbps"\ [expr[$tcpsetack_]*([$tcpsetpacketSize_])*8/1000.0/10]]$nsflush-trace #关闭文件close$ndclose$f0 #使用awk分析记录文件，以观察队列的变化 execawk{ BEGIN{ highest_packet_id=-1; packet_count=0; q_eln=0; } { action=$1; time=$2; src_node=$3; dst_node=$4;type=$5;flow_id=$8;seq_no=$11;packet_id=$12; if(src_node=="0"&&dst_node=="1"){ if(packet_id>highest_packet_id){ highest_packet_id=packet_id; } if(action=="+"){ q_len++; printtime,q_len; } if(action=="-"||action=="d"){ q_eln=q_len--; printtime,q_len; } } } }out-$par1.tr>queue_length-$par1.tr #Closethetracefileclose$nf #Executenamonthetracefileexecnamtest.nam&exit0}#定义一个记录的程序#每隔0.01s就去记录当时的cwndprocrecord{}{ globalnstcpf0 setnow[$nsnow] puts$f0"$now[$tcpsetcwnd_]" $nsat[expr$now+0.01]"record"}#产生传送结点，路由器r1,r2和接收结点setr0[$nsnode]setr1[$nsnode]setn0[$nsnode]setn1[$nsnode]#建立链路$nsduplex-link$n0$r010Mb1msDropTail$nsduplex-link$r0$r11Mb4msDropTail$nsduplex-link$r1$n110Mb1msDropTail$nsduplex-link-op$n0$r0orientright-up$nsduplex-link-op$r0$r1orientright$nsduplex-link-op$r1$n1orientright-down#设置队列长度为15个封包大小setbuffer_size15$nsqueue-limit$r0$r1$buffer_size#根据用户的设置，指定TCP版本if{$par1=="Tahoe"}{ settcp[newAgent/TCP] settcpsink[newAgent/TCPSink] $tcpsetdebug_1}elseif{$par1=="Reno"}{ settcp[newAgent/TCP/Reno] set