黃海利 ，王曉喃

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，傳輸層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層.從通信和信息處理的角度看，傳輸層向上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，屬于面向通信部分的最高層，同時(shí)也是用戶功能中的最低層.傳輸層有兩種不同的傳輸協(xié)議，即面向連接的TCP（Transmission control protocol）和無連接的UDP（User da?tagram protocl）.

由于兩種協(xié)議各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，因此它們適用于不同壞境的應(yīng)用，從而面臨著在不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中該如何正確選擇協(xié)議的問題.深入理解不同協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)和性能指標(biāo)是應(yīng)用協(xié)議的前提，因此本文從傳輸延時(shí)、丟包率、吞吐量三個(gè)方面分別對(duì)TCP和UDP的性能進(jìn)行了分析，為如何應(yīng)用這兩種協(xié)議提供了參考依據(jù).

2 傳輸協(xié)議

2.1 TCP協(xié)議

TCP是面向連接的傳輸層協(xié)議，即應(yīng)用程序在使用TCP協(xié)議之前，必須建立TCP連接，在數(shù)據(jù)傳送完畢后，必須釋放建立的連接，此過程也稱作三次握手（Three-way handshake）.

TCP提供可靠交付的數(shù)據(jù)傳輸，通過TCP連接傳送的數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)：無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)并且按序到達(dá).TCP使用分組編號(hào)，在發(fā)送端對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，在接收端進(jìn)行重組.接收端接收到數(shù)據(jù)后，都需發(fā)送確認(rèn)消息給發(fā)送方，通知其已經(jīng)成功收到數(shù)據(jù).

TCP采用滑動(dòng)窗口機(jī)制來控制發(fā)送方的發(fā)送速率，發(fā)送方和接收方都維持一個(gè)特定大小的窗口，窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)允許發(fā)送.當(dāng)發(fā)送方接收到確認(rèn)幀后，它會(huì)向前移動(dòng)自己的發(fā)送窗口.接收方收到按序到達(dá)的數(shù)據(jù)后，也會(huì)向前移動(dòng)自己的窗口，從而達(dá)到兩個(gè)窗口相互作用控制發(fā)送速率的目的.

網(wǎng)絡(luò)的擁塞是不可避免的，如何防止數(shù)據(jù)擁塞至關(guān)重要，TCP采取如下措施來防止擁塞.在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前，并不知道網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷情況，如果將大量的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)，很有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞.慢開始（slow-start）算法是由小到大逐漸增大（按照指數(shù)規(guī)律增長）擁塞窗口的數(shù)值，不斷監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)擁塞情況.當(dāng)注入量不斷增大時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致?lián)砣?此時(shí)，采用擁塞避免機(jī)制解決這個(gè)問題.首先為擁塞窗口設(shè)置一個(gè)慢開始門限，當(dāng)擁塞窗口達(dá)到門限值時(shí)就改用擁塞避免（按照線性規(guī)律變化）.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，將慢開始門限值減半，啟動(dòng)慢開始算法.快重傳和快恢復(fù)算法在擁塞避免機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，只要連續(xù)接收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)幀就重傳接收端尚未收到的報(bào)文段，并把慢開始門限減半.這時(shí)，發(fā)送方認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁塞，它會(huì)將擁塞窗口設(shè)置為慢開始門限減半后的值，開始執(zhí)行擁塞避免算法.

2.2 UDP協(xié)議

UDP為應(yīng)用程序提供了一種不必建立連接就可以發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)的方法.

UDP是無連接的，即在發(fā)送數(shù)據(jù)之前無需建立連接，因此減少了開銷和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.UDP不保證可靠交付，因此發(fā)送端不需要維持復(fù)雜的連接狀態(tài)表.

UDP沒有擁塞控制，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，發(fā)送端不會(huì)降低自己的發(fā)送速率.因此UDP適用于具有如下特點(diǎn)的應(yīng)用：1）要求發(fā)送端以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)；2）允許在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)丟失一些數(shù)據(jù)；3）不允許數(shù)據(jù)有太大的時(shí)延.這些應(yīng)用包括IP電話、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等.

圖1 仿真拓?fù)鋱D

3 仿真與性能分析

3.1 仿真參數(shù)

仿真工具采用NS-2，仿真參數(shù)見圖1.源節(jié)點(diǎn)n0采用TCP傳輸cbr數(shù)據(jù)，n1采用UDP傳輸cbr數(shù)據(jù).兩條數(shù)據(jù)流在相同配置的鏈路上傳輸，鏈路的帶寬是2 Mbs，鏈路延時(shí)是10 ms.兩條數(shù)據(jù)流由n2接收后再轉(zhuǎn)發(fā)給n3，節(jié)點(diǎn)n3采用sink代理接收數(shù)據(jù).n2和n3之間的鏈路帶寬為1.7 Mbps，延時(shí)為20 ms.上述的設(shè)置是為了產(chǎn)生瓶頸，出現(xiàn)丟包和排隊(duì)現(xiàn)象以便進(jìn)行性能分析.n2隊(duì)列大小為20，數(shù)據(jù)包長度為1000 bytes，cbr發(fā)送速率為1 Mbps.

圖2 TCP與UDP時(shí)延

3.2 性能分析

如圖2所示，TCP協(xié)議下的路由延時(shí)比UDP協(xié)議下的延時(shí)高，主要原因是TCP采用可靠機(jī)制傳輸數(shù)據(jù).發(fā)送端在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后，必須等待確認(rèn)幀，如果沒有收到確認(rèn)幀，必須進(jìn)行重傳.因此，TCP的傳輸時(shí)間就包括了傳輸?shù)耐禃r(shí)間，從而增加了傳輸延時(shí).與TCP協(xié)議對(duì)比，UDP無反饋機(jī)制，不保證可靠傳輸，所以UDP發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間只包括從發(fā)送端到接收端的時(shí)間，從而它的傳輸延遲比TCP短.

由圖3可知，UDP的節(jié)點(diǎn)吞吐量高于TCP的吞吐量.TCP協(xié)議是可靠傳輸，采用滑動(dòng)窗口協(xié)議控制發(fā)送窗口的發(fā)送速率，即接收方和發(fā)送方都維持特定大小的窗口，只有當(dāng)發(fā)送方收到接收方的確認(rèn)幀后，才會(huì)增加自己的窗口.在網(wǎng)絡(luò)狀況擁塞時(shí)，如果接收方?jīng)]有收到確認(rèn)幀，它就會(huì)減小發(fā)送窗口的大小，因此導(dǎo)致可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量減小.當(dāng)仿真時(shí)間到1.0 s時(shí)，UDP流和TCP流開始競爭帶寬，因此TCP會(huì)降低自己的發(fā)送速率，而無反饋流UDP仍然按照原來的發(fā)送速率發(fā)送.所以，TCP的發(fā)送量減少，而UDP沒有改變，從而導(dǎo)致UDP的吞吐量高于TCP.UCP吞吐量相比1.0 s之前會(huì)降低，是由于TCP數(shù)據(jù)流和UDP發(fā)生了競爭，產(chǎn)生了丟包.圖2也說明了TCP和UDP的相互作用會(huì)影響TCP數(shù)據(jù)流對(duì)帶寬的使用率.

從圖4可以看出，TCP的丟包率呈下降趨勢，這是由于TCP的滑動(dòng)窗口和確認(rèn)機(jī)制起了作用.TCP會(huì)定時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，發(fā)現(xiàn)丟包后會(huì)降低自己的發(fā)送速率，從而也降低了丟包率.UDP不檢測網(wǎng)絡(luò)狀況，也不會(huì)減少發(fā)送速率，因此它的丟包率受TCP發(fā)送數(shù)據(jù)量的影響，從而導(dǎo)致此起彼伏的現(xiàn)象，即TCP流數(shù)據(jù)少，UDP丟包率就少，TCP數(shù)據(jù)流多，UDP丟包率就多.在這里，不能判定由于TCP是可靠傳輸，就斷定UDP的丟包率比TCP的丟包率要高，隊(duì)列大小和cbr參數(shù)都會(huì)對(duì)丟包率造成影響.

圖 5中，cbr從1 mb降低為 0.9 mb，從而得到UDP和TCP的丟包率.從圖5可以看出，丟包率明顯降低，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)流的發(fā)送速率降低緩解了網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，從而給接收端提供了充裕的時(shí)間接收數(shù)據(jù).

圖6中，隊(duì)列大小從20改為25.同樣可以提取UDP和TCP的丟包率來比較.從圖6可以看出，丟包率降低，這是由于在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)隊(duì)列緩存空間的增大可以接收更多的數(shù)據(jù)，因此降低了丟包率.

4 總結(jié)及后期工作

由仿真結(jié)果分析，TCP的可靠機(jī)制是用增加延時(shí)減少吞吐量作為代價(jià).不能判定由于TCP是可靠傳輸，就斷定UDP的丟包率比TCP的丟包率要高，怎樣降低丟包率是個(gè)值得思考的問題.增加隊(duì)列大小和降低發(fā)送速率雖然會(huì)降低丟包率，但是也會(huì)帶來其他負(fù)面影響，比如增加隊(duì)列大小會(huì)增加排隊(duì)延時(shí)，降低發(fā)送速率會(huì)降低鏈路利用率等.

圖3 TCP與UCP吞吐量

圖4 TCP和UDP丟包率

圖5 不同發(fā)送速率的丟包圖

我們下一步的工作將從以下幾方面入手：

（1）怎樣在一定的網(wǎng)絡(luò)壞境下設(shè)定最優(yōu)值，使數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、丟包率、吞吐量都能達(dá)到最優(yōu)解.

（2）為UDP設(shè)置一個(gè)監(jiān)聽器，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，以一定概率降低自己的發(fā)送速率.

（3）由于網(wǎng)絡(luò)層的分組丟棄策略對(duì)TCP擁塞控制影響較大，因此，通過改進(jìn)路由算法來提高TCP的性能.

圖6 不同隊(duì)列大小的丟包圖

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