【文章內(nèi)容簡介】 只增加一個報文顯得太慢，而每丟棄一個報文卻以減半方式減小擁塞窗口又顯得變化太劇烈。②維持一個大的平均擁塞窗口需要一個極小的均衡丟棄概率，這在實際網(wǎng)絡中很難做到。③由于Reno采用二元擁塞控制信號，將導致抖動不可避免。④由于動態(tài)特性的不穩(wěn)定而引起的劇烈抖動只能通過精確估計報文丟棄概率以及對流的動態(tài)特性的穩(wěn)定設計才能解決。第三章 異構(gòu)網(wǎng)絡傳輸控制技術(shù)近年來，異構(gòu)網(wǎng)絡傳輸控制已經(jīng)成為TCP/IP研究的活躍領(lǐng)域。本章分析和比較了具有代表性的各種異構(gòu)網(wǎng)絡傳輸控制機制，最后提出了進一步的研究方向。 異構(gòu)網(wǎng)絡傳輸控制技術(shù)進展異構(gòu)網(wǎng)絡上的傳輸控制機制研究興起與90年代后期，為適應固定主機向移動主機傳輸數(shù)據(jù)的需要，并且針對不同的網(wǎng)絡提出了許多的改進方案。它們大都針對有線/無線的異構(gòu)環(huán)境，尚未探討垂直切換問題。 純端到端的方案TCP是面向連接的端到端的可靠傳輸協(xié)議，它假定下層只能提供不可靠的數(shù)據(jù)報服務，并可以在多種硬件構(gòu)成的網(wǎng)絡上運行。因此許多TCP傳輸控制機制是為這種盡力投遞的IP網(wǎng)絡設計的，基于IP的網(wǎng)絡不提供任何路由機制來支持這些TCP機制。也正是由于這一點，使TCP得以迅速應用在今天的Internet上，這些機制稱為端到端的傳輸控制機制。在異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下，許多方案就采用直接修改TCP協(xié)議的方法，使之更好地應用于復雜的異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下。①TCP NewrenoTCP Newreno [2528]是1996年由Floyd等人提出的。Newreno對Reno中“快速恢復/快速重傳”算法進行了補充。它考慮了一個發(fā)送窗口內(nèi)多個報文丟失的情況。在“快速恢復”算法中，發(fā)送方收到一個不重復的應答后就退出“快速恢復”狀態(tài)，而在Newreno中，只有當所有報文都被應答后才退出“快速恢復”狀態(tài)。Newreno算法盡力避免可能引起的多個重傳超時，利用優(yōu)先的信息基本解決了同一個窗口中多個數(shù)據(jù)包丟失的問題。但是，該算法仍然存在以下缺點：1）Newreno算法利用ACK估計網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)。當ACK在途中丟失時，源端會低估到達目的端的數(shù)據(jù)包，從而低估快速恢復階段的網(wǎng)絡帶寬。2）Reno和Newreno都只能在每個RTT時間內(nèi)恢復一個丟失的數(shù)據(jù)包，恢復速度較慢。②TCP SACK[29][30]。在連接創(chuàng)建階段，源端和目的端進行“協(xié)商”，以確定本次連接是否可用SACK選項。如果目的端同意，那么在隨后的數(shù)據(jù)傳輸中，若目的端緩存隊列中出現(xiàn)了序列號不連續(xù)的數(shù)據(jù)，就向源端發(fā)送承載有SACK選項的重復ACK。這樣，源端得以知道哪些數(shù)據(jù)已正確接收或正在接收緩沖區(qū)中排隊，從而有選擇地重傳確實丟失的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)在一個RTT內(nèi)選擇重傳多個丟失的數(shù)據(jù)包，提高了TCP的性能，它是目前公認的最好的ACK反饋機制之一。但是SACK選項需要修改TCP協(xié)議，實現(xiàn)起來較復雜。③TCP FACK1996年M. Mathis等提出了FACK算法[31]，該算法將擁塞控制（決定何時發(fā)，發(fā)送多少數(shù)據(jù)）從數(shù)據(jù)恢復算法（決定發(fā)送什么數(shù)據(jù)）中分離出來。它使用SACK選項收集與擁塞有關(guān)的狀態(tài)信息，在丟包恢復階段更精確地控制源端向網(wǎng)絡中注入數(shù)據(jù)流。由于該算法保持了對傳輸中數(shù)據(jù)量的準確估計，所以在數(shù)據(jù)恢復階段能夠更好地實施擁塞控制，保持了TCP自計時，減少了突發(fā)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。④ TCP D_SACK[32]，提出D_SACK算法。當目的端收到了重復的數(shù)據(jù)包，SACK選項的第一個數(shù)據(jù)塊就作為D_SACK塊，用于報告目的端最近收到的序列號連續(xù)的重復數(shù)據(jù)塊。于是，收到D_SACK信息的源端可以正確推斷出目的端收到的數(shù)據(jù)包的順序，以確定某些數(shù)據(jù)包的重傳是否有必要。對于不必要的重傳（如數(shù)據(jù)包亂序、ACK丟失、計時器不必要超時引起的重傳等），源端可以“撤銷(undoing )”擁塞窗口減半等控制措施，因而避免了帶寬的浪費和一連串的重傳操作。與其它TCP擁塞控制算法相比，使用D_SACK算法可使源端正確推斷引起數(shù)據(jù)包重傳的原因，在數(shù)據(jù)包亂序、ACK丟失、數(shù)據(jù)包復制等事件經(jīng)常發(fā)生的復雜環(huán)境下更具魯棒性?；贒_SACK的擁塞控制機制還在進一步的研究中。⑤ TCP VegasTCP Vegas是基于測量的TCP技術(shù)。Vegas算法采用了一種獨特的擁塞避免機制。分別為新的重傳機制，新的擁塞避免機制和擴展的“慢啟動”（slowstart）機制。由于Vegas是基于回路響應延時RTT估計的，它比基于丟包探測的Reno擁塞控制性能優(yōu)越[2326]。算法存在的問題：①Brakmo等人最初提出Vegas時，并沒有任何處理更換連接路徑的機制。但回想在Vegas中，BaseRTT是最小的回路響應延時。既然Vegas估計BaseRTT去計算期望吞吐量和相應地調(diào)整窗口尺寸，這樣對Vegas連接數(shù)量的精確故居非常重要。變更路徑可能導致固定延時的變化，進而導致吞吐量退化。②持續(xù)擁塞的問題。既然Vegas使用BaseRTT作為路徑傳輸延時的估計，它的性能會受BaseRTT精確度的影響。因此，如果連接基于不正確的BaseRTT過高的估計傳輸延時，這將驅(qū)動系統(tǒng)進入持續(xù)的擁塞。③Vegas采用了主動的擁塞避免機制，在實際丟包以前減小擁塞窗口。而Reno采用了反應式的擁塞控制機制。它增加擁塞窗口直到發(fā)現(xiàn)丟包。所以，Reno和Vegas共存時，Reno會竊取Vegas的帶寬。這種不兼容性限制了Vegas的應用。 鏈路層解決方案傳輸中的數(shù)據(jù)經(jīng)由物理層首先到達數(shù)據(jù)鏈路層，在這里進行差錯檢驗，出錯的數(shù)據(jù)幀將會被丟棄。所以數(shù)據(jù)鏈路層通常能比其上各層更早地感知丟包，并能更快地做出反應。因此，對于異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下的數(shù)據(jù)包丟失問題，許多研究人員推崇鏈路層的解決方案:用一種對傳輸層透明的方法，在鏈路層檢測和糾正錯誤，從而避免觸發(fā)TCP丟包恢復機制通常的差錯控制系統(tǒng)可以分為自動重復請求（ARQ）和前向錯誤糾正（FEC）。①ARQ方法和TCP_Aware ARQ協(xié)議傳統(tǒng)的ARQ適于傳輸要求高可靠性的數(shù)據(jù)[33]，但有時會妨礙TCP的性能。因為數(shù)據(jù)包丟失后，使用ARQ的鏈路層在重傳丟失的數(shù)據(jù)時，可能傳輸層會有重復的ACK己經(jīng)到達了源端，從而引起不必要的擁塞窗口減半。為了減少鏈路層重傳與傳輸層重傳之間的干擾，實現(xiàn)二者的緊密配合，可采用替代的TCP_Aware ARQ[37]協(xié)議：鏈路層在路由器處抑制來自傳輸層的重復ACK，阻止他們到達源端，從而防止源端啟動擁塞避免算法。若鏈路層不能重傳丟失的數(shù)據(jù)包，重傳計時器超時，這時的源端才啟動丟包恢復機制。在無線鏈路為數(shù)據(jù)傳輸中的最后一跳時，TCP_Aware ARQ協(xié)議效果良好。若無線鏈路后面還有路由器，該方法易隱藏擁塞丟包，需結(jié)合其他算法改進性能。ARQ方法在出錯率較低的鏈路中效果良好，當用于出錯率較高的鏈路中時，會引起數(shù)據(jù)包的大量重傳，從而引起網(wǎng)絡擁塞。②FEC方法傳統(tǒng)FEC方法[38]的主要思想是在要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊上附加冗余信息用于重建包的損傷部分，從而使受損的數(shù)據(jù)包直接得到修正而不必重傳，F(xiàn)EC不干擾TCP機制，可以廣泛用于無線環(huán)境。然而，F(xiàn)EC也有明顯的缺點:當鏈路處于良好狀態(tài)時，冗余信息毫無用處，而且，計算這些多余的信息給網(wǎng)絡帶來不必要的時延。 TCP與其它層相結(jié)合的改進方案近幾年，越來越多的研究人員開始致力于TCP與其它層相結(jié)合的改進方法。該類方法通常利用鏈路層或網(wǎng)絡層反饋來的信息，由TCP分析數(shù)據(jù)丟失的原因并決定采取何種措施處理丟包。由于數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡層及傳輸層都有各自的差錯檢驗和出錯恢復機制，理想的多層協(xié)作方案或許可以集眾“家”之長。目前實現(xiàn)的技術(shù)有:在中間節(jié)點基站處使用“軟”狀態(tài)代理（agent ），使TCP連接保持了端到端傳輸?shù)幕菊Z義；利用其它協(xié)議層反饋丟包信息，使處理措施更有針對性且更有效，從而提高了TCP的性能。①推遲重發(fā)確認（Delayed duplicate Ack）M. Mehta和N. Vaidya于1997年底提出的推遲重發(fā)確認算法[39]。推遲重發(fā)確認法不必檢查TCP頭部而只對鏈路層進行修改，該方法是“TCP無意識（unaware）”的。其主要思想為：1）在鏈路層采取鏈路層重傳機制；2）盡量降低TCP重傳與鏈路層重傳之間的影響。當數(shù)據(jù)包丟失或失序，目的端需向源端發(fā)送重復ACK時，目的端延遲重復ACK的發(fā)送，這時源端因為收不到三個重復的 ACK而避免了TCP重傳。若在時間段d內(nèi)目的端收到了丟失的包，則取消重傳請求，否則時間段d后目的端向基站發(fā)送所有的重傳確認，觸發(fā)源端的快速重傳機制。推遲重發(fā)確認法適用于解決無線鏈路傳輸錯誤引起的丟包。但是，如果是由于有線網(wǎng)絡擁塞致使數(shù)據(jù)包丟失，等待d段時間后便會使情況進一步惡化。②WTCP[40]是一種基于速率的擁塞控制機制，目的端監(jiān)測收到的數(shù)據(jù)包，根據(jù)包之間的延遲時間推斷連接當前的傳輸速率，進而決定源端發(fā)送速率的增減，達到擁塞控制的目的。此外，目的端還保存非擁塞丟包的歷史記錄，計算其期望值和偏差，以此為依據(jù)區(qū)分擁塞丟包和非擁塞丟包，從而采取不同的控制措施。WTCP算法隱藏了基站實現(xiàn)本地重傳的時間，所以不影響源端RTT的估計值，是一種性能較好的無線TCP。③TCP Decoupling2000年，S. Y. Wang和H. T. Kung提出TCP Decoupling方法[41]。其主要思想是：實現(xiàn)差錯控制與擁塞控制的分離，讓二者獨立操作。當開始發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時，源端也建立一個TCP控制回路用于探測網(wǎng)絡可用帶寬。這樣，TCP Decoupling策略將數(shù)據(jù)的發(fā)送與報頭的發(fā)送獨立開來，只有報頭的傳送受TCP擁塞控制策略的制約，而數(shù)據(jù)流免受TCP擁塞控制機制的影響。其優(yōu)點是：在鏈路中若有數(shù)據(jù)包損傷或丟失時不會觸發(fā)擁塞控制機制；由于報頭的長度一般較小，其在傳輸中出錯的幾率遠小于數(shù)據(jù)流，因此大大減少了TCP誤操作的可能性。 TCP技術(shù)研究動向隨著移動通信技術(shù)和無線接入技術(shù)的發(fā)展，Internet呈現(xiàn)出異構(gòu)化的趨勢，這給傳統(tǒng)的TCP傳輸控制機制的實現(xiàn)及其有效性帶來了新的挑戰(zhàn)。改進現(xiàn)有的TCP協(xié)議，優(yōu)化異構(gòu)環(huán)境下TCP的性能仍然是廣大科研工作者的重要課題。通過對上述TCP改進算法的討論，作者認為在如下方面還可以做進一步的研究：①采用基于速率的擁塞控制機制?；谒俾实膿砣刂茩C制將窗口控制和速率控制結(jié)合起來，以克服基于窗口的擁塞控制策略的如下缺陷：容易導致報文的突發(fā)；速率受發(fā)送窗口尺寸的限制；一個窗口內(nèi)多個報文的丟失不容易恢復等。在基于速率的控制策略中，源端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率受丟包率，延遲，鏈路帶寬參數(shù)的影響，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送的突發(fā)性和數(shù)據(jù)量的震蕩性，從而達到減少擁塞的目的。一些研究表明，某些基于速率的擁塞控制機制能有效改善無線網(wǎng)絡中的通信性能。但這類算法與廣泛應用的基于窗口的擁塞控制機制共享時，容易引起公平性問題。目前這仍是一個開放的研究課題。②TCP/IP協(xié)議中的公平性問題還未完全解決。在異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下，除了無連接的UDP數(shù)據(jù)流與面向連接的TCP流之間競爭可用帶寬外，使用不同控制策略，數(shù)據(jù)包大小不同，RTT不同的TCP連接之間也存在著帶寬占用的不公平性問題。所以，針對不同的Internet應用如何在多種鏈路間公平地分配有限的網(wǎng)絡資源顯得尤為重要。而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源在多個鏈路間的公平分配，通常需要修改現(xiàn)有的傳輸控制機制，或在各路由器上配置新的算法。這就要考慮可操作性和系統(tǒng)開銷等一系列問題，因此要徹底解決這一難題還需要進一步的工作。此外，在雙向數(shù)據(jù)包發(fā)送的非對稱鏈路上，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)流與ACK流之間帶寬占用的公平性也是一個新的研究課題。③數(shù)據(jù)突發(fā)問題仍需關(guān)注。路由器存儲空間不足是引起網(wǎng)絡擁塞的直接原因之一。在現(xiàn)實網(wǎng)絡中，大部分路由器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)容量都是有限的。如果路由器沒有足夠的存儲空間，到達的數(shù)據(jù)包就會被丟棄，對突發(fā)數(shù)據(jù)流更是如此。而ACK的延遲或丟失（常發(fā)生在非對稱鏈路中），最大窗口尺寸過大（常發(fā)生在BDP值較大的鏈路上）等因素極易造成數(shù)據(jù)量的突發(fā)，致使路由器緩沖區(qū)過早溢出，大大降低了網(wǎng)絡吞吐量。在異構(gòu)環(huán)境下這種情況更加突出，因而數(shù)據(jù)突發(fā)問題也引起了許多研究者的關(guān)注。目前有關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡的TCP改進方案大部分都是針對有線/無線的異構(gòu)環(huán)境。并且其研究動向大致分為：“慢啟動”過程的改進、顯示區(qū)分不同原因引起的報文丟失、改進TCP連接的確認機制。針對異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境中垂直切換下的TCP性能增強技術(shù)研究較少?；诖?，本文選取了幾種有代表性的TCP擁塞控制算法，在有線自身異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境中進行垂直切換下分析它們的性能。所選算法為：TCP Reno、TCP Newreno、TCP SACK、TCP FACK、Vegas。仿真實驗目的為：考察現(xiàn)存的一些TCP仿真方案在異構(gòu)環(huán)境中進行垂直切換時的性能。綜合分析現(xiàn)存的TCP及其改進方案在應用中的優(yōu)點和缺陷。以期在理論和實踐綜合分析的基礎(chǔ)上提出新的TCP改進方案。使其能更好的適應于異構(gòu)網(wǎng)絡，提高TCP的性能。仿真工具：。該拓撲模擬了有線自身異構(gòu)的網(wǎng)絡環(huán)境。網(wǎng)絡1為慢速網(wǎng)絡，網(wǎng)絡2為快速網(wǎng)絡。其中快速網(wǎng)絡的帶寬是慢速網(wǎng)絡帶寬的八倍。TCP連接從0時刻開始，仿真時間是120秒。TCP數(shù)據(jù)流在0～40秒時間由路由器經(jīng)慢速網(wǎng)絡1到達目的端。在40秒時進行垂直切換，40～80秒內(nèi)由路由器經(jīng)快速網(wǎng)絡2到達目的端。80秒時再次進行切換到慢速網(wǎng)絡3，在80～120秒內(nèi)經(jīng)慢速網(wǎng)絡3到達目的端。120秒時仿真結(jié)束。仿真實驗中，分別考察Reno、Newreno、SACK、FACK、Vegas算法在拓撲1中的性能?？疾斓男阅苤笜酥饕〒砣翱?，平均吞吐量和重傳率。其中擁塞窗口和平均吞吐量用符號CWND和Average Throughput表示。①擁塞窗口的分析比較 Reno擁塞窗口 Newreno擁塞窗口 SACK擁塞窗口 FACK擁塞窗口 Vegas 擁塞窗口 各個協(xié)議擁塞窗口的比較～、Newreno、SACK、FACK、Vegas算法在拓撲1環(huán)境下?lián)砣翱诘淖兓瘓D。從上述圖中可以看出：1）Reno與Newreno的窗口變