異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)TCP的性能仿真研究

精品文檔-下載后可編輯異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)TCP的性能仿真研究1引言

TCP已經(jīng)被證明在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中能夠高效地運(yùn)行，即使在原先并不是為其設(shè)計(jì)的高速有線網(wǎng)絡(luò)以及其它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也能夠正常運(yùn)行。然而隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，無線廣域網(wǎng)(如GPRS、UMTS等)、無線局域網(wǎng)(如IEEE802.11)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等多種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)接入的最后一跳。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合在一起，也使得TCP擁塞控制機(jī)制面臨著新的挑戰(zhàn)。

2TCP版本簡介

當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)中使用的TCP版本有NewReno和SACK等，下面對(duì)NewReno和SACK做簡單介紹。

(1)NewReno

NewReno在早期版本Reno的基礎(chǔ)上做了一個(gè)簡單的改進(jìn)，它消除了Reno在遭遇單窗口多包丟失的情況下被迫等待重傳定時(shí)器超時(shí)的現(xiàn)象。部分ACK(partialACKs)是指在快速恢復(fù)開始時(shí)，對(duì)發(fā)送端已經(jīng)發(fā)送的部分分組的確認(rèn)。在Reno中，當(dāng)發(fā)送端TCP接收到partialACKs時(shí)，則退出快速恢復(fù)階段，并把當(dāng)前可用窗口“縮減”至擁塞窗口(cwnd)的大?。欢贜ewReno中，partialACKs卻不使TCP退出快速恢復(fù)階段，其具體實(shí)現(xiàn)的機(jī)制如下：

①當(dāng)收到第三個(gè)重復(fù)ACK并且發(fā)送端還沒有處于快速恢復(fù)過程時(shí)，設(shè)置ssthresh為當(dāng)前擁塞窗口（假設(shè)接收窗口無限大）的一半，并記錄傳送的最大序列號(hào)：

cwnd=ssthresh（1）

②重傳丟失的段并設(shè)置cwnd為ssthresh加3，即：

cwnd=ssthresh+3（2）

按已經(jīng)離開網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文段數(shù)目③擴(kuò)充擁塞窗口。

③對(duì)每個(gè)接收到的額外的重復(fù)ACK，將cwnd增大1個(gè)段，即：

cwnd=cwnd+1（3）

擴(kuò)充擁塞窗口以反映已經(jīng)離開網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)段。

④如果cwnd和接收端的通知窗口的值允許的話，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段。

⑤當(dāng)一個(gè)確認(rèn)新數(shù)據(jù)的ACK到達(dá)時(shí)，此ACK可能是由步驟②中的重傳引發(fā)的確認(rèn)，或者是由稍后的一次重傳引起的。

如果這個(gè)ACK確認(rèn)了包括“傳送的最大序列號(hào)”的數(shù)據(jù)，那么這個(gè)ACK確認(rèn)了所有在丟失段的原始傳送和第三個(gè)重復(fù)ACK接收之間的段，設(shè)置：

cwnd=ssthresh（4）

這里的ssthresh是步驟①中設(shè)置的值。

如果這個(gè)ACK不確認(rèn)包括“傳送的最大序列號(hào)”的所有數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生一個(gè)部分ACK。在此種情況下，重傳第一個(gè)沒有確認(rèn)的數(shù)據(jù)段。按確認(rèn)的新數(shù)據(jù)量來減小擁塞窗口，如果cwnd的新值允許的話，然后加回一個(gè)段并發(fā)送一個(gè)新數(shù)據(jù)段。這個(gè)“部分窗口縮減”試圖確定：當(dāng)快速恢復(fù)最終結(jié)束時(shí)，大約ssthresh數(shù)量的數(shù)據(jù)還在向網(wǎng)絡(luò)中傳送。此時(shí)，不退出快速恢復(fù)過程，即如果任何重復(fù)ACK隨后到達(dá)，執(zhí)行上面的步驟③和④。對(duì)在快速恢復(fù)期間第一個(gè)到達(dá)的部分ACK，也要重設(shè)重傳定時(shí)器。

（2）SACK

TCP-SACK是對(duì)早期版本Reno的一種簡單改進(jìn)。它們?cè)跀U(kuò)大和減少擁塞窗口上使用的是相同的方法。在TCP中增加SACK并不改變擁塞控制基本階段的方法，SACK保留了Reno在報(bào)文失序時(shí)的魯棒性，且在必要時(shí)使用重傳計(jì)時(shí)等待來進(jìn)行恢復(fù)。SACK和Reno的主要差別在于當(dāng)多個(gè)報(bào)文段從一個(gè)數(shù)據(jù)窗口丟失時(shí)的性能和所采取的策略。

SACK和Reno一樣，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送端收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)時(shí)，就進(jìn)入快速恢復(fù)階段，發(fā)送端重發(fā)報(bào)文，并把擁塞窗口減半。在快速恢復(fù)階段中，SACK保持了一個(gè)變量pipe，用它來估計(jì)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，這與Reno的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同。當(dāng)pipe小于擁塞窗口大小時(shí)，源端發(fā)送新的報(bào)文分組或者重發(fā)一個(gè)老報(bào)文，并將變量pipe值加1。而當(dāng)發(fā)送端接收了一個(gè)帶SACK選項(xiàng)的重復(fù)ACK報(bào)文，表明新數(shù)據(jù)已被接收端接收時(shí)，pipe值減1。用pipe變量可以把何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)分組與發(fā)送哪個(gè)分組分離開來。發(fā)送端維護(hù)了一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(scorebord)，記憶前面SACK的確認(rèn)信息。當(dāng)發(fā)送端被許可發(fā)送分組時(shí)，依次發(fā)送丟失列表中記錄的分組。如果沒有這樣的分組，而接收端的通告窗口又足夠大，則發(fā)送端將發(fā)出新的數(shù)據(jù)分組。

當(dāng)重傳分組本身被丟棄后，SACK用重傳超時(shí)探測丟失，再次重傳后進(jìn)入“慢啟動(dòng)”過程。在確認(rèn)了所有出現(xiàn)在進(jìn)入“快速恢復(fù)”階段的分組后，發(fā)送端將從“快速恢復(fù)”階段退出。

對(duì)于“部分ACK”(partialACK)，即“恢復(fù)ACK”，SACK有特殊的處理。每收到一個(gè)“部分ACK”，發(fā)送端將變量pipe減2，而不是減1。在啟動(dòng)“快速重傳”的時(shí)候，當(dāng)認(rèn)定一個(gè)分組已經(jīng)被丟失時(shí)，將變量pipe減1；重傳一個(gè)分組時(shí)，pipe變量加1。

3仿真工具介紹及仿真分析

本文使用的仿真工具是OPNET10.0，它的功能強(qiáng)大，可以做各種各樣的模擬和調(diào)試，是仿真工具中較好的一個(gè)。在OPNET各種產(chǎn)品中，Modeler采用階層性的模擬方式，從協(xié)議間關(guān)系看，節(jié)點(diǎn)模塊建模完全符合OSI標(biāo)準(zhǔn)。為了對(duì)比各種TCP的性能，在仿真中重點(diǎn)考察平均吞吐量Throughput。

4各TCP版本在無線環(huán)境中的仿真分析

(1)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配置

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，一般認(rèn)為所謂“啞鈴型”結(jié)構(gòu)可以比較近似地反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況。

在節(jié)點(diǎn)server2到節(jié)點(diǎn)client2之間建立CBR恒比特流，這里配置的是視頻會(huì)議業(yè)務(wù)流，爭搶AP節(jié)點(diǎn)到hub之間的鏈路帶寬。節(jié)點(diǎn)server1為TCP發(fā)送方，業(yè)務(wù)源為FTP，節(jié)點(diǎn)client1為TCP接收方。

本仿真中無線鏈路僅僅考慮誤碼率，不考慮移動(dòng)性等其他無線特性。在節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)AP之間的誤碼率呈均勻分布，誤碼率選取分別為1E-5、1E-6、1E-12。仿真時(shí)間為20分鐘。TCP段的長度選為1000字節(jié)。路由策略為尾部丟棄。

(2)不同誤碼環(huán)境中的仿真結(jié)果和分析

在圖2中，進(jìn)行了SACK、NewReno在不同誤碼環(huán)境中的吞吐量比較。當(dāng)誤碼率為1E-5時(shí)，SACK與NewReno相比略有提高。在這種環(huán)境中，SACK恢復(fù)單窗口多丟包的機(jī)制更為有效、準(zhǔn)確。

當(dāng)誤碼率為1E-6以上時(shí)（此時(shí)近似為有線網(wǎng)絡(luò)中的誤碼情況），這兩種版本的吞吐量差別不大。主要是由于這時(shí)誤碼率已經(jīng)很低，他們提高TCP性能的機(jī)制起作用的機(jī)會(huì)自然不多。

當(dāng)無線誤碼環(huán)境很糟糕時(shí)（如誤碼率位1E-5），SACK、NewReno都不能有效提高TCP的吞吐量。但是在無線環(huán)境中，誤碼率1E-5甚至更差的情況是比較常見的，因此，在廣泛的無線環(huán)境中，SACK、NewReno無法良好運(yùn)行。

5結(jié)束語

通過對(duì)各版本TCP的仿真分析，可以得出這樣的結(jié)論：在高誤碼的環(huán)境中，現(xiàn)有的TCP版本（如：NewReno和SACK）的使用都會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降。SACK選項(xiàng)的使用，可以適當(dāng)提高TCP在無線環(huán)境中的性能。但是TCP_SACK在無線環(huán)境中性能提高的程度相當(dāng)有限,主要是因?yàn)樗荒軌虬颜`碼丟包與擁塞丟包有效區(qū)分開來，同時(shí)由于在遭遇丟包，并接收到DUPACKs時(shí)，擁塞窗口cwnd盲目減半，導(dǎo)致TCP在無線環(huán)境中吞吐量會(huì)很低，不能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

現(xiàn)有的解決方案中有的或者失去了端對(duì)端的語義，或者存在公平性方面的問題，或者鏈路層的重傳與TCP層的重傳存在沖