【正文】 e 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 。本文的主要內(nèi)容是Multi Phase算法，即分段逼近的慢啟動算法。由于當今網(wǎng)絡的基礎架構是TCP/IP協(xié)議族，所以學界關注的焦點在于TCP擁塞控制。其控制機制是根據(jù)反映網(wǎng)絡負載的隱含信號來動態(tài)地調(diào)整滑動窗口。首先，文中提到當前使用的TCP版本Tahoe、Reno、Vegas其參數(shù)設置靈活性比較小，適應能力比較低，本論文提出采用網(wǎng)絡測量技術進行網(wǎng)絡可用帶寬估計，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)絡傳輸效率，取得了性能與公平的折衷。 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。 phasedivided asymptote algorithm V基于網(wǎng)絡測量的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)絡測量的方向 7第二章 網(wǎng)絡測量方法與研究 82．1 網(wǎng)絡測量方法 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體系結構和類層次 234．1．3 NS2模塊組成和使用 244．2 NS2擴展模塊設計 274．2．1 類結構層次圖 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構造函數(shù)MultiPhaseTcpAgent( ) 294．3．2 類變量綁定函數(shù)delay_bind_dispatch( ) 304．4模塊關鍵算法流程 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 結論 415．1 回顧 415．2 總結 415．3 下一步工作 425．4 結 束 語 43致 謝 44參 考 文 獻 45基于網(wǎng)絡測量的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。越來越多的聯(lián)網(wǎng)主機加劇了網(wǎng)絡資源的競爭與分配，這也直接惡化了網(wǎng)絡服務質(zhì)量，使得網(wǎng)絡擁塞狀況成為廣泛為人關注的話題。其一方面促進了課題研究者對于TCP協(xié)議設計與實現(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領域研究的理論知識與實踐才能。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。經(jīng)過本次設計，要求設計者對TCP協(xié)議原理與設計以及網(wǎng)絡仿真有一個較為全面的了解，熟悉Linux環(huán)境下C++、Tcl/Tk程序設計開發(fā)過程和技巧。在網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，會導致吞吐量下降，嚴重時會發(fā)生“擁塞崩潰”（congestion collapse）現(xiàn)象。Floyd總結出擁塞崩潰主要包括以下幾種：傳統(tǒng)的崩潰、未傳送數(shù)據(jù)包導致的崩潰、由于數(shù)據(jù)包分段造成的崩潰、日益增長的控制信息流造成的崩潰等。如果負載繼續(xù)增加，路由器開始丟包，當負載超過一定量時，吞吐量開始急劇下降，這一點稱為Cliff。源端按cwnd大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每收到一個ACK確認，cwnd就增加一個數(shù)據(jù)包發(fā)送量。此時就進入擁塞避免階段。所以快速重傳和恢復就是在源端收到3個或3個以上重復ACK時，就斷定數(shù)據(jù)包已經(jīng)丟失，重傳數(shù)據(jù)包，同時將ssthresh置為當前cwnd的一半，而不必等到RTO超時。大量的實踐證明這種擁塞控制機制對Internet上大批量文件傳輸?shù)缺M量做好(besteffort)型服務具有較好的適應性。但TCP Reno算法仍有不足。RTT最簡潔的估計方法是應用舊RTT值和新RTT采樣值的求加權和。如果接近0，RTT對時延變化的反應就非常靈敏。1．2．2 新改進：NewReno、 SACK和Vegas針對以上缺點，近年來又提出了一些改進算法，其中NewReno和SACK都是改進版。顯然,NewReno只需修改源端代碼。Reno和NewReno使用第一種策略，而Tahoe使用第二種。Vegas就是通過觀察以前的TCP連接中RTT值改變情況來控制擁塞窗口cwnd，如果發(fā)現(xiàn)RTT變大，Vegas就認為網(wǎng)絡發(fā)生擁塞，并開始減小cwnd。而與包的具體傳輸時延無關。有研究通過仿真分析了Vegas實際的運行效果，由于它沒有采用包丟失來判斷網(wǎng)絡可用帶寬，而改以RTT的改變來判斷，所以能較好地預測網(wǎng)絡帶寬使用情況，并且對小緩存(smallbuffer)的適應性較強，其公平性、效率都較好。有研究表明，當前互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)為短生存期連接（如Web頁面點擊），長生存期連接（如ftp下載）占少數(shù)。而對于長生存期連接，慢啟動機制只作用于連接建立階段和分組傳輸超時而引起的重傳階段。1．3．2 算法缺陷分析為了有效提高短生存期連接的傳送效率以及改善長生存期連接的啟動過程和丟包重啟過程的傳輸效率，研究者提出了系列改進方法。 TCP Vegas通過計算擁塞窗口與實際測量的的比值，計算出實際傳送帶寬，與期望的傳送帶寬比較，來調(diào)整發(fā)送端的傳送帶寬，并通過兩個門限參數(shù)，使傳送帶寬收斂于網(wǎng)絡可用帶寬，測量表達式，為擁塞窗口的大小，為分組往返時間，通過計算上一個分組傳送的速率，作為計算當前大小和慢啟動門限值的依據(jù)。 被動測量和主動測量的區(qū)別在于，前者是被動地在網(wǎng)絡上接收流經(jīng)的數(shù)據(jù)包，而不會對網(wǎng)絡造成任何的負載；后者則是主動地向?qū)Ψ桨l(fā)出測試數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡上的傳輸情況來判斷網(wǎng)絡的性能。這些機器交換測試流量，并收集全天的丟包率、延遲和連通性統(tǒng)計。 主動測量是基于RTT測量，而不是對單程延遲的測量。 具體來說， RTT測量是通過類似Ping的程序，每隔一定時間進行一次。 另外一點，就是要查看丟包率。di為分組在鏈路li的固定時延，為分組k在鏈路li的排隊延遲，為分組k由源節(jié)點到Ni的延遲總和為分組k的往返延遲，其他變量約定依此類推。t= (5)（其中是第二個包的大小， 是瓶頸帶寬）?；舅惴ㄊ墙⒃趯ΨQ網(wǎng)絡的基礎上的。令是線性函數(shù)(B)的斜率。路由器由路由表查詢算法將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到相應的輸出端口，輸出端口將數(shù)據(jù)包以數(shù)據(jù)位的形式發(fā)送到鏈路上，傳輸至下一個路由器的輸入端口。假設鏈路i帶寬（bps，bits/second），測試數(shù)據(jù)包k大小為，響應數(shù)據(jù)包大小為比特。由帶寬定義知道，鏈路帶寬表征接口處理數(shù)據(jù)包的能力，鏈路帶寬越大，接口在單位時間內(nèi)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到傳輸介質(zhì)上的能力就越強，數(shù)據(jù)包傳送的速率就越快。已知端到端鏈路徑和各鏈路帶寬，則可以知道路徑帶寬，端到端測量技術主要測量路徑的容量和有效帶寬。該方案中的原則主要是不依靠核心路由器的統(tǒng)計和分析，而是由發(fā)送端進行獨立的測量，即強調(diào)了端與端之間的網(wǎng)絡是一個“黑箱”，只有通過主動測量才能實現(xiàn)端到端的帶寬測量。因此，有研究者提出使用一個更大的初始窗口和采用快啟動來減少慢啟動過程所經(jīng)歷的時間，減少慢啟動對網(wǎng)絡性能的沖擊。接著，引發(fā)源端重傳超時，導致網(wǎng)絡參數(shù)的全局同步；全局同步又導致整個網(wǎng)絡的流量負載加重和排隊延遲的抖動。一旦進行設置，以后就不再修改。往往當根據(jù)上一個時間間隔內(nèi)的樣本值所計算的結果得到帶寬估計值，此時網(wǎng)絡帶寬容量又發(fā)生了新的變化。另外，在慢啟動階段，源端的發(fā)送窗口是按照指數(shù)規(guī)律進行增長，即按照時間單位6…，窗口大小變化為132…。當慢啟動階段開始進入擁塞避免階段前最后一個RTT時間單位，與前一次的數(shù)值相比，其發(fā)送窗口增加幅度差為ssthresh/2。按照當前慢啟動算法的思路，當鏈路剛建立時，為了探索網(wǎng)絡可用帶寬，同時避免大窗口造成網(wǎng)絡擁塞，所以采用了小的初始窗口，增加幅度大的指數(shù)型規(guī)律。 慢啟動窗口增加速度3．2 端到端測量的擁塞控制3．2．1 端到端的原則TCP擁塞控制算法的基本設計哲學是其操作必須是“端到端的”。但是采用這個方法的結果是TCP源端無法從網(wǎng)絡中獲得主動的擁塞反饋信息。而過去所采用的帶寬估計（通過監(jiān)測ACK）只是通過間接方法，比如說瓶頸隊列長度的估計， 來控制TCP窗口。 當源端收到重復的ACKs（DUPACKs）即表示亂序接收，也會采用這些數(shù)據(jù)來估計帶寬，而且一旦接收到，就會馬上計算出新的估計值。 很重要的是要注意到，由超時或一般而言，n個重復的ACK導致的擁塞階段結束以后，瓶頸鏈路處于飽