傳輸層通信的SACK選項功能分析及性能仿真

龔猷龍

【摘要】 傳輸層通信時，如果發送序列中間某個數據包丟失，一般的TCP 協議會等到超時后再重送遺失的數據包，在等待超時的這段時間中，TCP不能重送發新的數據，這使得鏈路的使用率很低，急劇降低了TCP性能。為改善這種情況，選擇性確認（SACK）技術提供了相應機制使發送方能區分數據丟失及重發情況。本文將分析SACK選項功能，同時采用NS-2模擬器進行仿真，分析SACK丟包情況、隊列長度及擁塞窗口性能。

【關鍵詞】 TCP 選擇性確認 NS-2 重新發送

一、引言

TCP協議是面向連接、保證高可靠性（數據無丟失、數據無失序、數據無錯誤、數據無重復到達）傳輸層協議。TCP協議中經常要關注到網絡性能，比如網絡擁塞，產生了多種TCP擁塞控制算法，Tahoe、Reno、NewReno與SACK算法。擁塞控制就是防止過多的數據注入網絡中，這樣可以使網絡中的路由器或鏈路不致過載。擁塞控制是一個全局性的過程，和流量控制不同，流量控制指點對點通信量的控制。

二、TCP SACK的原理

發送方維持一個叫做擁塞窗口cwnd（congestion window）的狀態變量。擁塞窗口的大小取決于網絡的擁塞程度，并且動態地在變化。發送方讓自己的發送窗口等于擁塞窗口，另外考慮到接受方的接收能力，發送窗口可能小于擁塞窗口。慢開始算法的思路就是，不要一開始就發送大量的數據，先探測一下網絡的擁塞程度，也就是說由小到大逐漸增加擁塞窗口的大小。這里用報文段的個數的擁塞窗口大小舉例說明慢開始算法，實時擁塞窗口大小是以字節為單位的。當然收到單個確認但此確認多個數據報的時候就加相應的數值。所以一次傳輸輪次之后擁塞窗口就加倍。為了防止cwnd增長過大引起網絡擁塞，還需設置一個慢開始門限ssthresh狀態變量。擁塞避免算法讓擁塞窗口緩慢增長，即每經過一個往返時間RTT就把發送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。這樣擁塞窗口按線性規律緩慢增長。無論是在慢開始階段還是在擁塞避免階段，只要發送方判斷網絡出現擁塞（其根據就是沒有收到確認，雖然沒有收到確認可能是其他原因的分組丟失，但是因為無法判定，所以都當做擁塞來處理），就把慢開始門限設置為出現擁塞時的發送窗口大小的一半。然后把擁塞窗口設置為1，執行慢開始算法。

在傳送過程中，若同時有多個數據包在網絡中丟失，大多數情況下一般的TCP都必須等到超時（Timeout）后才能重新發送丟失的數據包。而SACK是TCP Reno的另一個衍生版本。在這個版本中，加入了一個SACK選項（TCP option field），允許接收端在返回Duplicate ACK時，將已經收到的數據區段（連續收到的數據范圍）返回給傳送端，數據區段與數據區段之間的間隔就是接收端沒有收到的數據。傳送端就知道哪些數據包是已經收到的，哪些是該重送的，因此SACK的傳送端可以在一個RTT時間內重送多個的數據包。SACK通常都是由TCP接收方產生的，在TCP握手時，如果接收到對方的SACK允許選項同時自己也支持SACK的話，在接收異常時就可以發送SACK包通知發送方。在SACK中描述的是收到的數據段，這些數據段可以是正常的，也可能是重復發送的，SACK字段具有描述重復發送的數據段的能力，在第一塊SACK數據中描述重復接收的不連續數據塊的序列號參數，其他SACK數據則描述其他正常接收到的不連續數據，因此第一塊SACK描述的序列號會比后面的SACK描述的序列號大；而在接收到不完整的數據段的情況下，SACK范圍甚至可能小于當前的ACK值。通過這種方法，發送方可以更仔細判斷出當前網絡的傳輸情況，可以發現數據段被網絡復制、錯誤重傳、ACK丟失引起的重傳、重傳超時等異常的網絡狀況。

三、TCP SACK的性能仿真

針對性能指標：丟包情況、隊列長度及擁塞窗口性能。下面將通過NS-2仿真工具進行仿真。

（1）仿真實驗圖：

（2）按照圖1，使用NSG2工具自動生成TCL代碼進行仿真。實驗仿真結果：a.吞吐量：1918.4 Kbps；b.擁塞窗口cwnd變化情況如圖2：c.隊列變化情況如圖3：

總結：TCP SACK的吞吐量比較大，擁塞窗口不會重設為1，而且保持平穩的波動。且隊列變化情況也是很有規律的。可見，TCP SACK的發送機制還是比較優化的。

參 考 文 獻

[1] 王輝. NS-2網絡模擬器的原理和應用.西北工業大學出版社，2008.

[2] 謝希仁. 計算機網絡（第5版）. 電子工業出版社，2009.

[3] Comer，D.，Internetworking with TCP/IP，Vol.1，5ed.，Pearson Education，2006.