【正文】 基于網(wǎng)絡(luò)測量的TCP協(xié)議改進 摘要 基于網(wǎng)絡(luò)測量的TCP協(xié)議設(shè)計專業(yè)名稱：計算機科學與技術(shù)摘 要隨著信息化浪潮和互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)擁塞已經(jīng)成為了一個令人無法忽視的問題。由于當今網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)是TCP/IP協(xié)議族，所以學界關(guān)注的焦點在于TCP擁塞控制。其控制機制是根據(jù)反映網(wǎng)絡(luò)負載的隱含信號來動態(tài)地調(diào)整滑動窗口。原理是發(fā)送方即源端把丟包事件作為擁塞信號，當檢測到擁塞發(fā)生后就相應地減少發(fā)送窗口大小從而達到緩解和控制擁塞的目的。然而，由于網(wǎng)絡(luò)服務類型的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)TCP擁塞控制機制受到了挑戰(zhàn)。本文的主要內(nèi)容是Multi Phase算法，即分段逼近的慢啟動算法。首先，文中提到當前使用的TCP版本Tahoe、Reno、Vegas其參數(shù)設(shè)置靈活性比較小，適應能力比較低，本論文提出采用網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)可用帶寬估計，利用帶寬值為擁塞控制提供參考，從而更好地適應網(wǎng)絡(luò)容量變化的要求；其次，文中提到TCP擁塞控制的慢啟動機制中所采用的指數(shù)增長算法對于網(wǎng)絡(luò)流量具有較大的沖擊，會引起可用容量迅速枯竭，本論文提出采用分段逼近的慢啟動算法，于是降低了突發(fā)性的洪峰信息量，避免了擁塞的頻繁發(fā)生；最后，文中提到的分段逼近的漸進式增長規(guī)律在某些特殊場合，比如說Web頁面的Java Applet、Flash下載時，該算法的效率不高，其持續(xù)時間過長，本論文提出采用設(shè)置一個增長因子來調(diào)節(jié)擁塞窗口的增長幅度，從而動態(tài)地適應不同類型的服務需要，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，取得了性能與公平的折衷。本論文中采用基于LINUX平臺的NS2模擬器進行相關(guān)算法的實驗仿真。從定性的角度來說，本論文提出的算法達到了預期的效果，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的提高，改進了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，取得了一定意義上的創(chuàng)新。關(guān)鍵詞 TCP擁塞控制；慢啟動階段；帶寬估計；分段逼進算法 ABSTRACT As the information tide spreads wide and the Internet blooms splendidly, the congestion of networks turns into a inevitable problem. Nowadays the basic infrastructure of networks is the suite of TCP/IP , so institutions mainly take a focus on TCP congestion control. The mechanism dynamically adjusts the sliding window according to internal signs for the load of networks. TCP sender which is the source endpoint accordingly shrinks the sending window in order to delay and control the congestion when detecting the rise of the congestion which takes packet loss as signals. The traditional TCP congestion control mechanism es into a challenge with the transformation of service types on networks. The thesis is centered on the Multi Phase algorithm, that is, the phasedivided asymptote algorithm. Firstly, the TCP versions including Tahoe, Reno, Vegas referred to have lack of flexibility on parameters configurations and adaptive capability, so the proposal discussed adopts the bandwidth estimation based on the networks measurement which provides references for congestion control to meet requirements for fluctuation of networks capacity 。 then, the exponential increase law in the slow start mechanism referred to takes an impact to networks streaming and results in the drain of available capacity, so the scheme advanced introduces the phasedivided asymptote algorithm to alleviate the sudden flooding transmit and avoid the frequent turns of the congestion。 at last, the Multi Phase algorithm described above in some cases such as the download of Java Applet and Flash on Web pages it takes a low efficiency and a long wait, so the improvement brought forward amplifies the expanding extent of the congestion window in the control of increase key value resulting in adoptions to the demands of different service types and enhanced performance of transmission which is the tradeoff between fair and efficiency.The thesis takes an emulation experiment of the Multi Phase algorithm on the NS2 simulator running under the Linux box. From an angle of determining the nature, the algorithm put forward takes the expected effects and improves the capacity and efficiency, which is the most important, achieves the innovation to some extent.KEY WORDS TCP congestion control。 slow start phase。bandwidth estimation。 phasedivided asymptote algorithm V基于網(wǎng)絡(luò)測量的TCP協(xié)議改進 目錄目 錄緒 論 1第一章 TCP 擁塞控制機制 21．1 擁塞現(xiàn)象與控制 21．1．1 擁塞現(xiàn)象的產(chǎn)生 21．1．2 控制階段的劃分 31．2 國外相關(guān)工作 41．2．1 控制機制的發(fā)展：Tahoe到Reno 41．2．2 新改進：NewReno、 SACK和Vegas 41．3 慢啟動算法評估 61．3．1 面臨的困難和問題 61．3．2 算法缺陷分析 71．3．3 基于網(wǎng)絡(luò)測量的方向 7第二章 網(wǎng)絡(luò)測量方法與研究 82．1 網(wǎng)絡(luò)測量方法 82．1．1 測量方法對比 82．1．2 主動測量方法 82．2帶寬測量的研究 92．2．1 算法基本原理 92．2．2 主要算法對比 102．3 主動帶寬測量方案 112．3．1 鏈路帶寬測量 112．3．3 端到端的帶寬測量 12第三章 基于帶寬測量的TCP分段逼近算法 133．1問題分析 133．1．1 慢啟動階段 133．1．2 解決思路 133．2 端到端測量的擁塞控制 143．2．1 端到端的原則 143．2．2 擁塞信號的處理 153．3 基于帶寬測量的TCP算法原理 153．3．1 計算公式 153．3．2 過濾器原理 163．4 基于帶寬測量的TCP擁塞控制過程 183．4．1 過程原理 183．4．2 偽代碼 183．5 TCP慢啟動分段逼近改進方案 193．5．1 方案原理 193．5．2 算法偽代碼 203．5．2 性能分析 213．6 帶增長因子的TCP慢啟動分段逼近方案 213．6．1 方案原理 213．6．2 算法偽代碼 223．6．3 性能分析 22第四章 仿真實驗實現(xiàn)與研究 234．1實驗平臺介紹 234．1．1 平臺問題分析 234．1．2 NS2體系結(jié)構(gòu)和類層次 234．1．3 NS2模塊組成和使用 244．2 NS2擴展模塊設(shè)計 274．2．1 類結(jié)構(gòu)層次圖 274．2．2 類屬性聲明與接口定義 284．3 模塊TCL接口實現(xiàn) 294．3．1構(gòu)造函數(shù)MultiPhaseTcpAgent( ) 294．3．2 類變量綁定函數(shù)delay_bind_dispatch( ) 304．4模塊關(guān)鍵算法流程 314．4．1 接收處理函數(shù)recv ( ) 314．4．2 擁塞控制窗口調(diào)節(jié)函數(shù)opencwnd ( ) 324．4．3 重復性ACK處理函數(shù)dupack_action ( ) 334．4．4 超時處理函數(shù)timeout ( ) 344．5 仿真實驗設(shè)計 354．5．1 拓撲圖 354．5．2 測試腳本 354．6 實驗編譯調(diào)試 384．7 實驗結(jié)果分析 394．7．1擁塞窗口Cwnd 394．7．2 路由器隊列長度Queue length 40第五章 結(jié)論 415．1 回顧 415．2 總結(jié) 415．3 下一步工作 425．4 結(jié) 束 語 43致 謝 44參 考 文 獻 45基于網(wǎng)絡(luò)測量的TCP協(xié)議改進 緒論緒 論 本課題來源于指導老師所進行的TCP協(xié)議的優(yōu)化與改進研究。該研究對當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下出現(xiàn)的突出問題進行了全面而詳細的分析與檢驗。并且其在國際國內(nèi)的研究成果上進行了對比與探索，提出了具有前瞻性的獨創(chuàng)性意見，取得了階段性的成果。 自從ARPNET誕生以后，全球的信息化步伐進一步加快，Internet的發(fā)展也以超乎想象的速度進行擴張。越來越多的聯(lián)網(wǎng)主機加劇了網(wǎng)絡(luò)資源的競爭與分配，這也直接惡化了網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量，使得網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況成為廣泛為人關(guān)注的話題。在Internet上95％的數(shù)據(jù)流都采用TCP/IP協(xié)議作為其通信手段的環(huán)境中，研究和改進TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議的擁塞控制機制無疑顯得特別緊迫和重要。本課題要求廣泛查閱資料，了解TCP協(xié)議的基本原理及協(xié)議設(shè)計的基本方法和相關(guān)研究國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，針對目前TCP協(xié)議算法的局限性，對TCP協(xié)議進行優(yōu)化設(shè)計，并通過仿真實驗加以驗證。針對當前網(wǎng)絡(luò)面臨的實際問題，在著眼于Internet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分析下，進行了有益的探索。其一方面促進了課題研究者對于TCP協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)的深入理解，而另一方面也鍛煉了學習能力與創(chuàng)新能力，從而使得研究者具備了從事相關(guān)領(lǐng)域研究的理論知識與實踐才能。 經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前TCP協(xié)議主要包含有四個版本：TCP Tahoe、TCP Reno、TCP New Reno和TCP SACK。TCP Tahoe是早期的TCP版本，它包括了3個最基本的擁塞控制算法－“慢啟動”、“擁塞避免”和“快速重傳”。TCP Reno在TCP Tahoe基礎(chǔ)上增加了“快速恢復”算法。TCP New Reno對TCP Reno中的“快速恢復”算法進行了修正，它考慮了一個發(fā)送窗口內(nèi)多個數(shù)據(jù)包丟失的情況。在1994年，. Brakmo等提出了一種新的擁塞控制策略－TCP Vegas。由于RTT值與網(wǎng)絡(luò)運行情況有密切關(guān)系，因此，TCP Vegas通過觀察TCP連接中RTT值改變感知網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生擁塞，從而控制擁塞窗口大小。 本課題要求進行TCP協(xié)議中擁塞控制算法的優(yōu)化與改進研究。經(jīng)過本次設(shè)計，要求設(shè)計者對TCP協(xié)議原理與設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)仿真有一個較為全面的了解，熟悉Linux環(huán)境下C++、Tcl/Tk程序設(shè)計開發(fā)過程和技巧。通過目前網(wǎng)絡(luò)研究中廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)模擬器――NS2，在 Redhat Linux 。開發(fā)平臺：RedHat Linux ；程序開發(fā)語言: C++,Tcl/TK； 針對目前Internet廣泛使用的TCP協(xié)議存在的性能較低和抖動問題，利用當前網(wǎng)絡(luò)測量研究的成果，無縫地引入到TCP協(xié)議中實現(xiàn)有效的傳輸控制，適當對TCP協(xié)議的慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快速恢復等算法中的部分算法改進優(yōu)化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能。 48基于網(wǎng)絡(luò)測量的TCP協(xié)議改進