【文章內(nèi)容簡介】 只增加一個(gè)報(bào)文顯得太慢，而每丟棄一個(gè)報(bào)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(gè)大的平均擁塞窗口需要一個(gè)極小的均衡丟棄概率，這在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中很難做到。③由于Reno采用二元擁塞控制信號(hào)，將導(dǎo)致抖動(dòng)不可避免。④由于動(dòng)態(tài)特性的不穩(wěn)定而引起的劇烈抖動(dòng)只能通過精確估計(jì)報(bào)文丟棄概率以及對流的動(dòng)態(tài)特性的穩(wěn)定設(shè)計(jì)才能解決。第三章 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制技術(shù)近年來，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸控制機(jī)制，最后提出了進(jìn)一步的研究方向。 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制技術(shù)進(jìn)展異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的傳輸控制機(jī)制研究興起與90年代后期，為適應(yīng)固定主機(jī)向移動(dòng)主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的需要，并且針對不同的網(wǎng)絡(luò)提出了許多的改進(jìn)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(bào)服務(wù)，并可以在多種硬件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。因此許多TCP傳輸控制機(jī)制是為這種盡力投遞的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，基于IP的網(wǎng)絡(luò)不提供任何路由機(jī)制來支持這些TCP機(jī)制。也正是由于這一點(diǎn)，使TCP得以迅速應(yīng)用在今天的Internet上，這些機(jī)制稱為端到端的傳輸控制機(jī)制。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(fù)/快速重傳”算法進(jìn)行了補(bǔ)充。它考慮了一個(gè)發(fā)送窗口內(nèi)多個(gè)報(bào)文丟失的情況。在“快速恢復(fù)”算法中，發(fā)送方收到一個(gè)不重復(fù)的應(yīng)答后就退出“快速恢復(fù)”狀態(tài)，而在Newreno中，只有當(dāng)所有報(bào)文都被應(yīng)答后才退出“快速恢復(fù)”狀態(tài)。Newreno算法盡力避免可能引起的多個(gè)重傳超時(shí)，利用優(yōu)先的信息基本解決了同一個(gè)窗口中多個(gè)數(shù)據(jù)包丟失的問題。但是，該算法仍然存在以下缺點(diǎn)：1）Newreno算法利用ACK估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)。當(dāng)ACK在途中丟失時(shí)，源端會(huì)低估到達(dá)目的端的數(shù)據(jù)包，從而低估快速恢復(fù)階段的網(wǎng)絡(luò)帶寬。2）Reno和Newreno都只能在每個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)恢復(fù)一個(gè)丟失的數(shù)據(jù)包，恢復(fù)速度較慢。②TCP SACK[29][30]。在連接創(chuàng)建階段，源端和目的端進(jìn)行“協(xié)商”，以確定本次連接是否可用SACK選項(xiàng)。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(duì)列中出現(xiàn)了序列號(hào)不連續(xù)的數(shù)據(jù)，就向源端發(fā)送承載有SACK選項(xiàng)的重復(fù)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(duì)，從而有選擇地重傳確實(shí)丟失的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)RTT內(nèi)選擇重傳多個(gè)丟失的數(shù)據(jù)包，提高了TCP的性能，它是目前公認(rèn)的最好的ACK反饋機(jī)制之一。但是SACK選項(xiàng)需要修改TCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)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(shí)發(fā)，發(fā)送多少數(shù)據(jù)）從數(shù)據(jù)恢復(fù)算法（決定發(fā)送什么數(shù)據(jù)）中分離出來。它使用SACK選項(xiàng)收集與擁塞有關(guān)的狀態(tài)信息，在丟包恢復(fù)階段更精確地控制源端向網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)確估計(jì)，所以在數(shù)據(jù)恢復(fù)階段能夠更好地實(shí)施擁塞控制，保持了TCP自計(jì)時(shí)，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(dāng)目的端收到了重復(fù)的數(shù)據(jù)包，SACK選項(xiàng)的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊就作為D_SACK塊，用于報(bào)告目的端最近收到的序列號(hào)連續(xù)的重復(fù)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(jì)時(shí)器不必要超時(shí)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(fèi)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(fù)制等事件經(jīng)常發(fā)生的復(fù)雜環(huán)境下更具魯棒性?；贒_SACK的擁塞控制機(jī)制還在進(jìn)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(dú)特的擁塞避免機(jī)制。分別為新的重傳機(jī)制，新的擁塞避免機(jī)制和擴(kuò)展的“慢啟動(dòng)”（slowstart）機(jī)制。由于Vegas是基于回路響應(yīng)延時(shí)RTT估計(jì)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(shí)，并沒有任何處理更換連接路徑的機(jī)制。但回想在Vegas中，BaseRTT是最小的回路響應(yīng)延時(shí)。既然Vegas估計(jì)BaseRTT去計(jì)算期望吞吐量和相應(yīng)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(dǎo)致固定延時(shí)的變化，進(jìn)而導(dǎo)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(shí)的估計(jì)，它的性能會(huì)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(jì)傳輸延時(shí)，這將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入持續(xù)的擁塞。③Vegas采用了主動(dòng)的擁塞避免機(jī)制，在實(shí)際丟包以前減小擁塞窗口。而Reno采用了反應(yīng)式的擁塞控制機(jī)制。它增加擁塞窗口直到發(fā)現(xiàn)丟包。所以，Reno和Vegas共存時(shí)，Reno會(huì)竊取Vegas的帶寬。這種不兼容性限制了Vegas的應(yīng)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(dá)數(shù)據(jù)鏈路層，在這里進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀將會(huì)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(yīng)。因此，對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(cuò)誤，從而避免觸發(fā)TCP丟包恢復(fù)機(jī)制通常的差錯(cuò)控制系統(tǒng)可以分為自動(dòng)重復(fù)請求（ARQ）和前向錯(cuò)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(shí)會(huì)妨礙TCP的性能。因?yàn)閿?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(shí)，可能傳輸層會(huì)有重復(fù)的ACK己經(jīng)到達(dá)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(shí)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(fù)ACK，阻止他們到達(dá)源端，從而防止源端啟動(dòng)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(jì)時(shí)器超時(shí)，這時(shí)的源端才啟動(dòng)丟包恢復(fù)機(jī)制。在無線鏈路為數(shù)據(jù)傳輸中的最后一跳時(shí)，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?fù)砣麃G包，需結(jié)合其他算法改進(jìn)性能。ARQ方法在出錯(cuò)率較低的鏈路中效果良好，當(dāng)用于出錯(cuò)率較高的鏈路中時(shí)，會(huì)引起數(shù)據(jù)包的大量重傳，從而引起網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，可以廣泛用于無線環(huán)境。然而，F(xiàn)EC也有明顯的缺點(diǎn):當(dāng)鏈路處于良好狀態(tài)時(shí)，冗余信息毫無用處，而且，計(jì)算這些多余的信息給網(wǎng)絡(luò)帶來不必要的時(shí)延。 TCP與其它層相結(jié)合的改進(jìn)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(jìn)方法。該類方法通常利用鏈路層或網(wǎng)絡(luò)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(luò)層及傳輸層都有各自的差錯(cuò)檢驗(yàn)和出錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，理想的多層協(xié)作方案或許可以集眾“家”之長。目前實(shí)現(xiàn)的技術(shù)有:在中間節(jié)點(diǎn)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(rèn)（Delayed duplicate Ack）M. Mehta和N. Vaidya于1997年底提出的推遲重發(fā)確認(rèn)算法[39]。推遲重發(fā)確認(rèn)法不必檢查TCP頭部而只對鏈路層進(jìn)行修改，該方法是“TCP無意識(shí)（unaware）”的。其主要思想為：1）在鏈路層采取鏈路層重傳機(jī)制；2）盡量降低TCP重傳與鏈路層重傳之間的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)包丟失或失序，目的端需向源端發(fā)送重復(fù)ACK時(shí)，目的端延遲重復(fù)ACK的發(fā)送，這時(shí)源端因?yàn)槭詹坏饺齻€(gè)重復(fù)的 ACK而避免了TCP重傳。若在時(shí)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(shí)間段d后目的端向基站發(fā)送所有的重傳確認(rèn)，觸發(fā)源端的快速重傳機(jī)制。推遲重發(fā)確認(rèn)法適用于解決無線鏈路傳輸錯(cuò)誤引起的丟包。但是，如果是由于有線網(wǎng)絡(luò)擁塞致使數(shù)據(jù)包丟失，等待d段時(shí)間后便會(huì)使情況進(jìn)一步惡化。②WTCP[40]是一種基于速率的擁塞控制機(jī)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(shí)間推斷連接當(dāng)前的傳輸速率，進(jìn)而決定源端發(fā)送速率的增減，達(dá)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(jì)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(shí)現(xiàn)本地重傳的時(shí)間，所以不影響源端RTT的估計(jì)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(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制與擁塞控制的分離，讓二者獨(dú)立操作。當(dāng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)，源端也建立一個(gè)TCP控制回路用于探測網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。這樣，TCP Decoupling策略將數(shù)據(jù)的發(fā)送與報(bào)頭的發(fā)送獨(dú)立開來，只有報(bào)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(jī)制的影響。其優(yōu)點(diǎn)是：在鏈路中若有數(shù)據(jù)包損傷或丟失時(shí)不會(huì)觸發(fā)擁塞控制機(jī)制；由于報(bào)頭的長度一般較小，其在傳輸中出錯(cuò)的幾率遠(yuǎn)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(dòng)向隨著移動(dòng)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(jī)制的實(shí)現(xiàn)及其有效性帶來了新的挑戰(zhàn)。改進(jìn)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(jìn)算法的討論，作者認(rèn)為在如下方面還可以做進(jìn)一步的研究：①采用基于速率的擁塞控制機(jī)制?；谒俾实膿砣刂茩C(jī)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(dǎo)致報(bào)文的突發(fā)；速率受發(fā)送窗口尺寸的限制；一個(gè)窗口內(nèi)多個(gè)報(bào)文的丟失不容易恢復(fù)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(dá)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(jī)制能有效改善無線網(wǎng)絡(luò)中的通信性能。但這類算法與廣泛應(yīng)用的基于窗口的擁塞控制機(jī)制共享時(shí)，容易引起公平性問題。目前這仍是一個(gè)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(luò)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(yīng)用如何在多種鏈路間公平地分配有限的網(wǎng)絡(luò)資源顯得尤為重要。而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源在多個(gè)鏈路間的公平分配，通常需要修改現(xiàn)有的傳輸控制機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流與ACK流之間帶寬占用的公平性也是一個(gè)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(chǔ)空間不足是引起網(wǎng)絡(luò)擁塞的直接原因之一。在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)空間，到達(dá)的數(shù)據(jù)包就會(huì)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(luò)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(luò)的TCP改進(jìn)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(dòng)向大致分為：“慢啟動(dòng)”過程的改進(jìn)、顯示區(qū)分不同原因引起的報(bào)文丟失、改進(jìn)TCP連接的確認(rèn)機(jī)制。針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中垂直切換下的TCP性能增強(qiáng)技術(shù)研究較少。基于此，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(luò)環(huán)境中進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椋嚎疾飕F(xiàn)存的一些TCP仿真方案在異構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行垂直切換時(shí)的性能。綜合分析現(xiàn)存的TCP及其改進(jìn)方案在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。以期在理論和實(shí)踐綜合分析的基礎(chǔ)上提出新的TCP改進(jìn)方案。使其能更好的適應(yīng)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提高TCP的性能。仿真工具：。該拓?fù)淠M了有線自身異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)1為慢速網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)2為快速網(wǎng)絡(luò)。其中快速網(wǎng)絡(luò)的帶寬是慢速網(wǎng)絡(luò)帶寬的八倍。TCP連接從0時(shí)刻開始，仿真時(shí)間是120秒。TCP數(shù)據(jù)流在0～40秒時(shí)間由路由器經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)1到達(dá)目的端。在40秒時(shí)進(jìn)行垂直切換，40～80秒內(nèi)由路由器經(jīng)快速網(wǎng)絡(luò)2到達(dá)目的端。80秒時(shí)再次進(jìn)行切換到慢速網(wǎng)絡(luò)3，在80～120秒內(nèi)經(jīng)慢速網(wǎng)絡(luò)3到達(dá)目的端。120秒時(shí)仿真結(jié)束。仿真實(shí)驗(yàn)中，分別考察Reno、Newreno、SACK、FACK、Vegas算法在拓?fù)?中的性能。考察的性能指標(biāo)主要包括擁塞窗口，平均吞吐量和重傳率。其中擁塞窗口和平均吞吐量用符號(hào)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(gè)協(xié)議擁塞窗口的比較～、Newreno、SACK、FACK、Vegas算法在拓?fù)?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