移动互联网：原理、技术与应用 第3版 课件 CH6 移动传输机制

移动互联网传输机制1课程大纲传统传输技术

新兴传输层协议QUIC其他传输机制22课程大纲传统传输技术

新兴传输层协议QUIC其他传输机制33TCP/IP概述IP数据包可能乱序传输数据包可能丢失数据包可能重复

44NitinH.Vaidya@Infocom’06TCP/IP概述TCP面向连接的可靠传输如果必要通过重传来实现拥塞避免和控制端到端语义TCP接收方发送确认给发送方来证实数据的送达对数据对确认在数据到达接受方后才发送556样例中假设确认不会被延迟TCP/IP概述基于窗口的流控拥塞窗口大小（W）限定了每个往返时间（RTT）内可以发送的最大数据量吞吐率<=W/RTT拥塞避免和控制慢启动拥塞避免慢启动阈值ssthreshTCP如何检测丢包重传超时(RTO)TCP发送端为一个数据包设定超时计时器如果被计时数据包在计时器到时间前还被确认，则该数据包就被认为丢失了RTO是动态计算的重复确认TCP发送端在连续收到三次重复确认时就认为发生了丢包77TCP/IP概述8ssthresh=8ssthresh=10cwnd=20超时后拥塞控制快速重传在多个（>=3）重复确认到达时发生快速重传快速恢复跟着快速重传快速恢复慢启动阈值（ssthresh）

min(cwnd,接收方通告窗口)/2 (最小2MSS)重传丢失的分片（快速重传）cwnd

ssthresh

+重复确认数新确认到达时cwnd

ssthresh进入拥塞避免9拥塞控制10在快速重传和快速恢复后窗口减半接收端的通告窗口大小快速恢复后TCP在无线网络中的问题1111TCP基本假设丢包是由于拥塞需要降低传输速率

但是在无线网络中丢包可能是由于:高误比特率（BER）,无线信道的BER为10-3-10-5,而有线信道的BER为10-8-10-10

甚至更低不稳定的信道用户移动/节点电池耗尽需要快速重传传输错误的影响随机错误可能引起快速重传重传丢失的包拥塞窗口减小突发错误可能引起超时超时引起慢启动

慢启动减小拥塞窗口到一个MSS从而降低吞吐率随机错误也可能引起超时一个窗口内丢失多个包在使用TCP-Reno时可以造成超时（在使用SACK时影响程度小一些）12传输错误的影响TCP无法分辨丢包是由于拥塞还是传输错误因为传输错误减小拥塞窗口是不必要的拥塞窗口减小降低吞吐率：吞吐率<=W/RTT理想情况：

W=延时*带宽丢包率为p时：W(<=延时*带宽)吞吐率受到损害13随机错误的影响14指数误差模型2Mbps无线全双工链路无拥塞损失吞吐量与错误率成反比NitinH.Vaidya@ASSET’99隐藏和暴露终端问题隐藏终端问题15暴露终端问题ACBABCD不稳定问题有些场景即使只有一个TCP连接，吞吐率可能降到零使得连接不稳定如果站点1正发送给终端5，吞吐率可能由于下面原因而降到零：隐藏和暴露终端问题可能阻止终端2接收RTS或者发送CTS到终端1随机退避时间TCP使用大窗口不稳定问题的解决方案降低TCP层的最大窗口大小让干扰范围和通信范围相同16不兼容问题两个同时的TCP流不能在网络中共存一旦一个会话发展，另一个停工在任何时间可以随机颠倒主要原因隐藏终端问题暴露终端问题

MAC层的指数退避方案解决方案通过惩罚传输太多数据的终端来改变退避政策，使得其他终端也能使用上媒体

调整干扰和感知范围

17单跳不公平问题如果有两个同时运行的TCP连接，一个单跳一个多跳，即使多跳连接先开始单跳连接也会激活原因是隐藏/暴露终端问题、指数退避策略

解决方案基于退避策略的活跃邻居估计(ANE)：替换指数退避策略接收波束形成(RBF)天线：

使用定向天线来避免来自竞争终端的干扰18单跳无线TCP解决方案19单跳无线TCP传输机制丢包恢复连接管理丢包原因的通知机制分离链路机制端对端连接机制链路层丢包恢复机制链路层解决方案目标：让链路层改正所有错误方案

FEC(前向纠错)：在信息中加入冗余用来改正少量错误FEC在没有错误时也会引入更多开销ARQ(自动重传请求)：在链路层重传在超出FEC能力范围时使用仅当错误发生时彩引入重传开销HARQ:FEC+ARQ2020链路层解决方案21物理层链路层网络层传输层应用层rxmtTCP连接链路层状态FHMHBS无线链路固定主机基站移动主机物理层链路层网络层传输层应用层物理层链路层网络层传输层应用层链路层重传：问题链路层应该尝试重传多少次才放弃？有限边界–半可靠的链路层没有边界–可靠的链路层什么触发链路层重传？链路层超时策略链路层确认（否定确认，重复确认……）其他方案(比如后面将要介绍的Snoop)链路层重传需要多长时间？端到端TCPRTT的小部分端到端TCPRTT的大部分或几倍22链路层重传：问题链路层应该在数据包到达时就传输，还是应该按序传输？要按序传输的话，链路层如果必要可能需要缓存数据以及重新排序重传可能导致队头阻塞尽管到接收端1的链路可能很差，到接收端2的链路可能状态良好到接收端1的重传失败也会阻塞发送到接收端2的数据包23接收端1接收端2基站链路层重传：问题重传可能导致拥塞丢包尝试重传队列头部的一个包，显著降低可用带宽，可能使得基站的队列长度更长队列满之后数据包会丢失，对发送端表明拥塞这是应该的吗？24基站接收端1接收端2链路层重传：初期研究

发送端的RTO是测量得到的RTT的函数链路层重传会提升RTT，从而提升RTO如果错误不频繁的话，RTO并不能解释由于链路层重传引起的RTT变化发生错误时，发送端可能在链路层重传成功前发生超时重传发送端和链路层都进行重传重复重传（干扰）会浪费无线带宽超时会造成拥塞窗口减少缺点：不能准确建模实际的TCP栈25A.DeSimone@Globecom’93链路层重传：更准确的了解频繁的差错在比较慢的无线链路上会显著提高RTO链路层和TCP重传间干扰的可能性更小但是拥塞响应会因为更大的RTO而受到延迟无线丢包引起超时时会浪费很多时间大TCP重传超时间隔有助于减少和链路层重传间的干扰不利于拥塞丢包的恢复需要一个对两种丢包都正确响应的超时策略（开放型问题）26H.Balakrishnan@Sigcomm’96链路层重传：按序传输为了避免不必要的快速重传，使用重传的链路层应该尝试尽量按序传输按序传输并不是所有连接都能从重传或者按序传输中获得好处（比如音频视频就不一定）需要能够在每个包的基础上指定要求某个包应该重传吗？多少次？强制按序传输？需要一个标准的方案来指定要求开放型(IETFPILC工作组)27R.Ludwig@Sigmetrics’98链路层方案：总结可靠的链路层什么时候对TCP性能有益？如果能够提供几乎按序的传输以及

TCP重传超时大到能够容忍由于链路层重传引起的额外时延28链路层方案：特性对TCP发送端隐藏无线丢包在无线链路两端都要进行链路层修改TCP不需要修改29SnoopTCP在BS（外地代理）中的“透明的”TCP扩展缓存发送给移动端的数据包无线链路上（双向！）的丢包会立刻由移动端或者基站（外地代理）重传BS因此“snoops（窥探）”数据包流并且识别双向确认只修改BS中的TCP30“有线”互联网缓存数据端到端TCP连接本地重传对端节点CN外地代理（基站）移动节点窥探ACKH.Balakrishnan@ACM95SnoopTCP31FHMHBS无线rxmt每个TCP连接状态TCP连接数据传输到移动端FA缓存数据到接收到MH的ACK，FA通过重复确认或者超时检测丢包可能快速重传，对固定网络透明数据来自移动端FA通过序列号检测无线丢包，FA直接回复NACK给MHMH现在可以以很小到时延重传数据物理层链路层网络层传输层应用层物理层链路层网络层传输层应用层物理层链路层网络层传输层应用层SnoopTCP

保留了分离链路方案的本地恢复和链路层重传策略集成了MAC层MAC层通常含有和TCP类似的方案MAC已经能够检测到由于重传而重复的数据包并丢弃改进了分离链路保留了端到端语义在基站使用软状态而不是硬状态对发送端隐藏无线丢包只需要对BS进行修改（以网络为中心的方案）32SnoopTCP332Mbps无线链路Snoop相对基准TC片的吞吐率增长SnoopTCP：什么时候有用？Snoop阻止快速重传除非发生传输错误，在无线链路进行乱序传输乱序传输当且仅当引起了至少3个重复确认时才快速重传在无线链路层带宽时延乘积少于四个数据包时，一个简单的（TCP不感知的）链路层重传策略就足够了由于带宽时延乘积很小，重传策略可以在不引起3次重传确认的情况小传输丢失的包34SnoopTCP：优点可以达到高吞吐率使用选择确认时性能可以进一步提高本地回复无线丢包发送端不会触发快速重传除非时乱序链路层传输保留了端到端语义基站中是软状态软状态丢失影响性能但不影响正确性35SnoopTCP：缺点基站但链路层需要是TCP感知的隔离无线链路不如I－TCP好在TCP头加密时无用(IPsec)在TCP数据和确认走不同路径时无用（两个都不经过基站）36非TCP感知的链路层目标仿真snoopTCP的性能不需要BS的链路层感知在BS链路层重传是用来进行本地恢复在snoop-TCP中重传由TCP重复确认触发，但在非TCP感知的链路层重传由链路层确认触发3737非TCP感知的链路层MN减少了TCP和链路层重传间的干扰对最开始两个数据包，立刻发送副本对后续连续包，副本延迟时间d3838传统TCP中的干扰3939151410131011129DS新ACK16151410121311DSACK1716151410131012DSACK1010101817161510101413DS新ACKACKACK101010重复ACK10非TCP感知的链路层4040151410131011129DS新ACK16151410121311DSACK1716151410131012DSACK101018171615101413DS新ACKACKACK1010重复ACK被延迟了重复ACK被延迟了非TCP感知的链路层优点链路层不需要感知TCP在无线链路上小RTT的情况工作良好缺点DUPACK延时的最优值独立于无线链路4141丢包原因通知机制EBSN基站发现无线链路的通信质量不好时，马上向发送点发送消息，调整数据包大小并更新超时时间，避免不必要的超时。50%性能提升加重基站负担42分离链路方案考虑有线部分比无线部分更可靠无线链路可能成为瓶颈因此分开控制

一个单独的TCP连接拆分成两个TCP连接FH-MH=FH-BS+BS-MH4343分离链路方案FHMHBS无线链路physicallinknetworktransportapplicationphysicallinknetworktransportapplicationphysicallinknetworktransportapplicationrxmt每条TCP连接状态TCP连接TCP连接固定终端基站移动终端44ITCP(Indirect-TCP)考虑

把TCP连接分割成两个不同的连接一个移动终端（MN）到基站（BS）间的连接

一个基站（BS）到

对端节点（CN）45A.Bakre@ICDCS’95移动节点（主机）接入点（外地代理）“有线”互联网“无线”TCP标准TCP固定主机ITCP移动终端发送一个特殊的I-TCP请求到当前的AP来建立连接固定主机完全不知道这种间接连接46移动节点（主机）接入点（外地代理）“有线”互联网“无线”TCP标准TCP固定主机ITCP套接字和状态迁移47移动主机老的AP互联网新的AP套接字迁移和状态转移当MN转移到一个新的AP老的AP扮演外地代理来缓存和转发数据包到新的APITCP优势固定网络不需要改变，主机（TCP协议）不需要改变，所有当前对TCP的优化仍然有效无线链路上的传输错误不会传播到固定网络容易控制，无线TCP仅仅在外地代理和移动终端间单跳中使用可以对数据包进行快速重传48ITCP缺点破坏了端到端语义切换延时更高，由于需要在外地代理中缓存数据然后转发到一个新的外地代理49MTCP(Mobile-TCP)问题

移动性——MN和BS之间的连接丢失一小段时间，者会导致：发送端超时，慢启动AP可能缓存太多数据MTCP借助于监控主机(SH)来解决这个问题5050保留一个到FH的ACKZ.Haas@ICC’97MTCP监控主机SH在有线网络中控制一些AP的节点没有缓存，没有重传保留一个ACK给FH监测所有数据包，如果检测到断连将发送端窗口置为0发送端自动进入保持模式（发送端的一个模式，不管接收端断连多久都不会改变）旧的或者新的SH重新打开窗口51MTCP优点保持了端到端语义（尽管TCP连接在SH处分割了）支持断连没有缓存转发避免发送端慢启动缺点无线链路的丢包传播到固定网络无线链路上的自适应TCP5252分离链路方案：特点对发送端隐藏传输错误基站负主要责任如果无线链路使用特殊传输协议，那个移动终端也需要进行修改53分离链路方案：优点可以独立于FH-BS连接对BS-MH连接进行优化两个连接上进行不同的流控和差错控制错误恢复因为无线连接RTT变短而恢复更快使用合适的BS-MH协议可以获得良好的性能标准TCP在BS-MH表现很差，当一个窗口中出现多个丢包时（这种情况下选择确认可以改善性能）54分离链路方案：缺点违背了端到端语义ACK可能在数据传输到接收端之前发送给发送端对不依赖TCP维持端到端语义的应用而言可能并不是个问题55FHMHBS403937383640BS处于困难模式 BS故障可以导致数据丢失（不可靠）如果BS故障，数据包40将会丢失因为数据包40已经对发送端确认，发送端不再缓存56FHMHBS403937383640分离链路方案：缺点分离链路方案：缺点BS处于困难模式

切换延时因为状态转移而上升被确认给发送端了的数据必须移动到新的基站57FHMHBS403937383640MH新基站切换4039分离链路方案：缺点在BS上每个TCP连接都需要缓存空间在无线链路比固定连接更慢时，BS缓存会渐渐填满（对每个分割的连接，在有线连接上一个窗口大小的数据要能够存储在基站中）BS-MH连接的窗口会因为误码而减小对带宽延时乘积很小的无线链路问题不大58分离链路方案：缺点BS中额外的数据复制从FH-BS套接字缓存到BS-MH套接字缓存提高端到端延时在数据和确认通过不同路径事可能无效（双方不通过基站）例子：数据走卫星无线链路，确认走一个拨号通道59FHMHBS数据ack端到端解决方案只有端点参与流控接收端提供网络状况反馈发送端决定拥塞控制60TCPSACK(选择确认)问题ACKn确认正确且按序接收到的直到序列号n的包如果单个丢包很频繁，空缺处开始的一整个数据包序列都得重传（回退N），浪费带宽解决方案TCP选择确认

允许单个包确认允许发送端只重传丢失得包6161M.Mathis@RFC2018SACKSACK指出接收端接受到到一个数据块发送端可以直到丢失包的准确编号优点效率更高缺点接收端需要更多缓存发送端和接收端都需要修改SACK块编码在TCP选项域，限制了每个ACK能携带的SACK块数目拥塞避免能力有限6262Freeze-TCP（冷冻TCP）M-TCP需要基站的帮助基站扣留一字节的确认基站在一个移动端移动到另一个小区时，使用这个确认来发送一个零窗口广告Freeze-TCP要求接收端发送零窗口广告（ZWA）63FHMHBS移动TCP接收端Freeze-TCPTCP接收端确定切换是否即将发生确定可以基于信号强度理想情况下，接收端应该在切换前一个RTT尝试发送ZWA在路由重建时，接收端发送3个重复确认不需要来自基站的帮助端到端的增强方案64TCP-Veno移动节点监测网络拥塞的级别，根据检测到的网络拥塞级别来调整慢启动算法的阈值，并判断丢包的原因是拥塞还是链路错误。有效地提高了无线移动互联网的网络利用率在断路和切换频繁时性能较差。65JTCP使用抖动率区分拥塞和断路抖动率是一定时间间隔内由于抖动产生的丢包数量通过连续的应答消息到达时间的差异计算抖动率，然后区分因拥塞造成的丢包和其他原因引起的丢包。66多跳无线TCP解决方案路由失败fix降低路由失败损失降低信道竞争67TCP-F该机制禁用TCP拥塞控制机制以防网络引起的非拥塞相关的丢包以及路由失败导致的超时事件。68ELFN定期探查链路恢复TCP-RC：恢复后参数重新计算CIIA：跨层信息通知缺陷：TCP更加激进69AdhocTCP在网络层和传输层间增加名为ATCP的中间层，以确保在高传输错误时甚至路由失败时采取正确的行为。70TCP-BuS一旦发生路由失败，中间节点就对信息包进行缓存而不是加以丢弃，目的是为了不重新发送所有这些信息包。明确路由断开通知(ERDN)明确路由成功通知(ERSN)71ENIC:增强的中间层通信和控制机制ELFN+TCPSACK第一个考虑路径重建后路由性质的潜在变化的方案。vsTCP-BuS中间节点协助更少72TCPDOOR利用数据包和/或异常传递的ACK来表示路由变更而不用明确的反馈。当异常包被收到时，发送节点可以暂时禁用TCP拥塞控制机制以保持它的状态变量为常数。此外，它可能回滚到之前的某个状态。73降低路由失败的损失PreemptiveRouting：利用信号强度来预测路由失败BackupPathRouting：维护多条路径AtraFramework：预测+快速通知74降低竞争，增强公平性COPAS：动态竞争平衡LinkRED：控制重传的平均次数N-RED：基于邻居队列的平均长度计算75课程大纲传统传输技术

新兴传输层协议QUIC其他传输机制767677QUIC概述QUIC协议栈结构工作在用户态，而非内核QUIC概述需求驱动用户对于网络安全、低延迟传输的强烈需求从互联网到物联网，网络连接数量不断增多TCP丢包重传机制影响了传输速度，其协议栈复杂难以修改快速建链QUIC将加密和传输握手结合在一起QUIC再次建立连接的时候通常只需要0-RTT拥塞控制

可嵌套的拥塞控制，便于部署不同的拥塞控制算法流量控制使用流级别和连接级别的流量控制7879QUIC概述多路复用HTTP/2的多路复用仍基于TCPQUIC使用多流机制减缓队头阻塞连接迁移

用64bit的ID来标识一个连接IP发生改变后，QUIC连接仍可存活安全性

QUIC的包头参与加密，防止中间人攻击QUIC连接

第一次连接建立QUIC改进了连接建立的过程，将TLS1.3的握手与传输层握手结合QUIC的握手数据包中携带了TLS秘钥、证书协商信息以及相关的初始化参数80QUIC连接

再次建立连接0-RTT建链QUIC利用缓存信息避免了传输握手和秘钥协商的过程，让客户端可以直接发送加密消息给与其通信过的服务器81QUIC连接

连接迁移TCP连接由源地址、源端口、目标地址和目标端口的4元组标识QUIC连接由一个64-bit连接ID标识。在IP地址改变和NAT重绑定时，QUIC连接可以继续存活，因为连接ID在这些迁移过程中保持不变。移动设备在WIFI和4G移动网络切换时，客户端的IP肯定会发生变化。QUIC的连接能继续存活，而TCP需要重新建立和服务端的连接。82多路复用多路复用使得多个数据流在一个传输连接上发送83多路复用HTTP/1.1只能一次请求一个资源客户端与服务器之间经常建立多个很短的TCP连接HTTP/2