基于NS-2的傳輸協(xié)議性能比較與分析

黃海利 ，王曉喃

（1.中國礦業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 徐州 221116；2.常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應用，傳輸層是整個網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層.從通信和信息處理的角度看，傳輸層向上面的應用層提供通信服務，屬于面向通信部分的最高層，同時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)議各有特點和優(yōu)勢，因此它們適用于不同壞境的應用，從而面臨著在不同的網(wǎng)絡應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)缺點和性能指標是應用協(xié)議的前提，因此本文從傳輸延時、丟包率、吞吐量三個方面分別對TCP和UDP的性能進行了分析，為如何應用這兩種協(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：無差錯、不丟失、不重復并且按序到達.TCP使用分組編號，在發(fā)送端對用戶數(shù)據(jù)進行分片，在接收端進行重組.接收端接收到數(shù)據(jù)后，都需發(fā)送確認消息給發(fā)送方，通知其已經(jīng)成功收到數(shù)據(jù).

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

網(wǎng)絡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)絡的負荷情況，如果將大量的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡，很有可能引起網(wǎng)絡擁塞.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)絡擁塞情況.當注入量不斷增大時，必然會導致?lián)砣?此時，采用擁塞避免機制解決這個問題.首先為擁塞窗口設置一個慢開始門限，當擁塞窗口達到門限值時就改用擁塞避免（按照線性規(guī)律變化）.當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，將慢開始門限值減半，啟動慢開始算法.快重傳和快恢復算法在擁塞避免機制基礎上進行了改進，只要連續(xù)接收到三個重復確認幀就重傳接收端尚未收到的報文段，并把慢開始門限減半.這時，發(fā)送方認為網(wǎng)絡已經(jīng)擁塞，它會將擁塞窗口設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)傳輸時延.UDP不保證可靠交付，因此發(fā)送端不需要維持復雜的連接狀態(tài)表.

UDP沒有擁塞控制，因此當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，發(fā)送端不會降低自己的發(fā)送速率.因此UDP適用于具有如下特點的應用：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)絡發(fā)生擁塞時丟失一些數(shù)據(jù)；3）不允許數(shù)據(jù)有太大的時延.這些應用包括IP電話、實時視頻會議等.

圖1 仿真拓撲圖

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，延時為20 ms.上述的設置是為了產(chǎn)生瓶頸，出現(xiàn)丟包和排隊現(xiàn)象以便進行性能分析.n2隊列大小為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時延

3.2 性能分析

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

由圖3可知，UDP的節(jié)點吞吐量高于TCP的吞吐量.TCP協(xié)議是可靠傳輸，采用滑動窗口協(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，只有當發(fā)送方收到接收方的確認幀后，才會增加自己的窗口.在網(wǎng)絡狀況擁塞時，如果接收方?jīng)]有收到確認幀，它就會減小發(fā)送窗口的大小，因此導致可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量減小.當仿真時間到1.0 s時，UDP流和TCP流開始競爭帶寬，因此TCP會降低自己的發(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，從而導致UDP的吞吐量高于TCP.UCP吞吐量相比1.0 s之前會降低，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的相互作用會影響TCP數(shù)據(jù)流對帶寬的使用率.

從圖4可以看出，TCP的丟包率呈下降趨勢，這是由于TCP的滑動窗口和確認機制起了作用.TCP會定時檢測網(wǎng)絡擁塞情況，發(fā)現(xiàn)丟包后會降低自己的發(fā)送速率，從而也降低了丟包率.UDP不檢測網(wǎng)絡狀況，也不會減少發(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，隊列大小和cbr參數(shù)都會對丟包率造成影響.

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，這是因為數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率降低緩解了網(wǎng)絡的擁塞情況，從而給接收端提供了充裕的時間接收數(shù)據(jù).

圖6中，隊列大小從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)絡出現(xiàn)擁塞時隊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的可靠機制是用增加延時減少吞吐量作為代價.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值得思考的問題.增加隊列大小和降低發(fā)送速率雖然會降低丟包率，但是也會帶來其他負面影響，比如增加隊列大小會增加排隊延時，降低發(fā)送速率會降低鏈路利用率等.

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)絡壞境下設定最優(yōu)值，使數(shù)據(jù)傳輸延時、丟包率、吞吐量都能達到最優(yōu)解.

（2）為UDP設置一個監(jiān)聽器，監(jiān)聽網(wǎng)絡擁塞情況，當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，以一定概率降低自己的發(fā)送速率.

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

圖6 不同隊列大小的丟包圖

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