發布日期：2022-07-15 點擊率：69
無線寬帶網絡接入市場近年來飛速發展,它在給人們帶來方便的同時,網絡擁塞和RF環境的惡化卻經常導致信息丟失,本文介紹的流量監測方法讓設計工程師能夠改進應用軟件設計,從而提高在各種環境下的數據傳輸性能,重點比較了RLP和TCP處理出錯情況的方法,并通過流量測試對兩協議的工作過程進行了分析。
在兩臺主機的數據交換通路中引入無線網絡,如果高速數據傳輸受到嚴重的干擾,那么,不但數據率肯定會降低,帶來更大的傳輸延遲,而且因無線路徑中存在噪聲,誤碼也將顯著增加。
在網絡產生擁塞時,RF傳輸條件的退化會導致網絡上層曲解超時設置,從而極大降低網絡效率。遇到這種情況時,傳輸控制協議(TCP)會調用一種擁塞控制算法,以便路由器有時間清理出錯的數據包,而這類操作對應用層的影響可能會導致軟件性能降低至用戶無法接受的程度。
要解決以上問題,就需要在應用運行時,測量在各種數據率下和噪聲或陰影級別下,射頻鏈路層和傳輸層的數據流量。這樣,就能觀測到具體的應用對于數據流量下降的敏感度,從而便于軟件設計工程師決定是否需要作出改進。
本文中,我們將考察一種CDMA2000系統的數據流,該系統使用了高速分組數據業務選項33模型,這一標準允許對數據流經的各網絡實體中的不同層上的協議要求進行定義,從而使CDMA網絡支持數據傳輸。其中,我們將重點討論數據流量測試對無線鏈路協議(RLP)層和TCP層的影響。
可靠性問題
在一個高速CDMA分組數據網中,可靠性是通過面向連接的協議來實現的,包括傳輸層的TCP協議和物理層的RLP協議。
其中,TCP協議提供了一種基于光纖和銅纜的面向連接的業務,拓展了不同通信終端之間的通信距離。路由器是分組數據網中常用的設備,用于緩沖數據,并將其轉發到目的地。在分組數據網中,存在猝發通信的情況,猝發數據會引發擁塞,最終導致數據包延遲甚至完全丟失,但這部分網絡卻幾乎不會出現由于線路噪聲而丟失數據的情況。
然而,當網絡中包含了一個空中接口之后,造成數據丟失的最主要的原因就不再是擁塞,而是噪聲和干擾。TCP認為數據傳送的問題是由網絡擁塞引起的,所以其應對機制均假設所有問題出現在網絡的有線部分。其中的一種應對機制就是保持跟蹤傳送每個數據分組所需的時間,另一種則是在數據沒有在預計時間內到達時重傳分組。總之,最終TCP必須保證不漏傳任何分組。
而RLP是無線鏈接的物理層的一部分,用于在一次單跳上提供可靠的數據傳輸。在一些RF信道中,多徑信號和建筑物的影響常常會使信道條件惡化。這時,RLP為保證數據傳輸而能達到的最佳狀況叫做“最佳效果”幀傳輸。如果信道中出現嚴重問題,迫使RLP放棄發送部分數據,那么RLP會重啟一次,并繼續運行,這樣就將問題轉移給協議棧的上層TCP來處理,而在TCP中,任何錯誤都必須被糾正。
下面我們將比較RLP和TCP在無線鏈接中出現信號丟失時的應對措施有什么不同。但首先,讓我們先看看分組激活(packet-enabled)CDMA設備的協議棧。
協議棧描述
圖1給出了一個CDMA2000無線設備的協議棧,其中陰影區域為專用于Service Option 33(高速分組數據)呼叫的協議實體。
在連接上一個高速分組數據呼叫之后,不同的TCP 對(peers)之間就能進行應用數據交換。TCP規定,接收機在接到數據之后,必須確認,因此如果數據分組被丟失、破壞或延遲,那么TCP就會重新發送這些數據分組。如果在一個預定的時間長度之內,發送設備沒能收到分組確認信號,那么TCP就會降低數據流量。
TCP依靠IP(因特網協議)來管理其載荷的傳輸,將其送至目的設備,這些載荷通常封裝在IP數據包之內。IP協議和網絡層中的其他控制協議一起,監督著數據包傳輸路徑中的各個路由器對該數據包的中繼情況。這一傳輸路徑可能會跨越包括無線鏈接在內的,具有不同拓撲結構的各種網絡。在默認條件下,IP并不完成糾錯功能,而是由其下層的服務來完成檢錯和糾錯功能。
PPP(點到點協議)負責在無線站和分組數據業務節點(PDSN)之間建立連接。PPP需要其下所有層的服務才能將數據從PDSN(PDSN是一種專用路由器,用作無線終端與因特網的接口)發送到無線設備。
RLP可為基站和無線終端間提供字節(8位)流服務。復用子層則將RLP數據和其他業務(例如話音業務)數據組合起來,并將這些數據映射到物理層通信信道結構中。在RLP之下的物理信道完成收發二進制數據流所必須的編碼和調制功能。
這些協議中,RLP和TCP有許多相似之處:
1. RLP也是一種面向連接的字節流業務,在分割數據時,不會保留數據在上層時的幀邊界,而是將幀重組的任務交給上層來完成。
2. RLP中,每一塊數據也都分配有一個序列號,如果數據到達時順序被打亂,那么就按照這個序列號將他們插入到它們各自在字節流中的正確位置中去。
3. RLP中也有一種專門的機制可用于重傳那些沒有按時到達的數據。
但RLP和TCP之間仍有一些差異值得注意:
1. RLP提供的是“最佳效果”傳輸,而TCP提供的則是可靠傳輸。
2. TCP段從大小上來說比RLP幀大很多倍。典型的TCP段為1,500字節,而一個典型的RLP幀只有30字節左右。
3. RLP并不試圖控制數據流,數據通常按照業務選擇所定義的速率在MAC子層和物理信道中傳輸。
RLP可為PPP提供類似有線鏈接的業務
PPP協議通常用于撥號調制解調器應用中,RLP可為PPP提供一種盡力傳送服務(best effort delivery service)。在有線情況下,PPP通常通過以太網等高速、低延遲介質傳送信息,而這些介質相對較不易受高噪傳輸線路的影響而丟失數據,因而PPP無需通過分配序列號和對接收分組進行確認來跟蹤數據傳送的情況。在本文討論的無線系統中,由于RLP層具備糾錯功能,而且試圖通過無線網絡為PPP協議提供類似有線網絡的服務,因此也無需通過分配序列號和對接收分組進行確認來跟蹤數據傳送的情況。
當空中接口上出現數據丟失時,原因通常是RF信號條件變差。出現這種情況時,RLP會盡快重發丟失的數據幀。如果信道條件在一個足夠快的時間內得到改善,那么就不會有數據丟失,而且瞬間數據丟失對上層(尤其是TCP層)的影響已經被屏蔽掉。為了增大RLP快速修復的可能性,重發數據幀的優先級要高于新發送的數據幀。但如果信道條件沒有及時得到改善,誤碼就無法得到糾正。這一級服務是自動完成的,以減輕PPP負擔,使其不再負責糾錯,但對那些必須確保無錯的業務而言,錯誤修復工作有時就必須上推到TCP層來完成。
假如有任何一幀RLP數據無法傳送,那么至少需要重發一個1,500字節的IP包。圖2所示為每一協議層所交換的數據單元的典型長度。
TCP流控制對網絡數據流量的影響
TCP對數據流有一定的限制,以避免路由器過載或超出接收端對輸入數據的緩沖能力。該協議通過測量數據段發送到目標地址并返回確認信息的往返時間來監測網絡中是否出現擁塞,從而避免網絡過載。根據這一往返時間可以估計出重傳定時器的值,而重傳定時器的值恰恰反映了當前數據通路的狀況。值得注意的是,即使在理想情況下,空中接口也是數據傳輸的瓶徑。
如果在重傳定時器超時前都沒有收到數據段接收的確認信號,那么該數據段就會被送入重傳隊列。同時,TCP會啟動一種流量控制算法,將數據流量降至接近零,以消除網絡擁塞。若收到了確認信息,數據率就會逐漸恢復。數據流量恢復的速度取決于RTT,即TCP估計網絡能夠應付的數據率。由此可見,TCP擁塞控制算法對錯誤情況的處理遠不同于RLP,后者只是力求盡快重發數據。
此外,TCP還限制了發送數據的量,目的是避免接收機過載。接收機能否繼續接收數據,要看它發回給發送端的接收確認信息。該信息通常被視為一個“piggybacked”確認信息,因為它是隨著回流到發送端的數據一起,搭便車回來的。如果擁塞控制算法沒有降低數據率,那么在某些點上,接收窗口會將數據率降低。
我們可以建立一個高速分組數據連接,并監測IP數據流量(TCP數據段封裝在IP分組之中),以此 觀測擁塞控制的情況。圖3所示為數據流量測量的一次屏幕顯示。
該圖是從一臺顯示IP數據率的瞬時值、峰值和平均值的測試儀器上抓取下來的。實驗中,我們利用一臺移動電話與一臺PC機建立數據連接,從而建立起一次CDMA2000 service option 33呼叫。在以153.6 kbit/s的速度上傳數據的過程中,我們將RF連接中斷了片刻,人為地制造TCP重傳超時的情況。
圖中,洋紅色曲線顯示,在其中一點處,TCP數據傳輸幾乎停止,然后數據流量又逐漸恢復,最終接收機窗口重新控制了數據流。青線顯示,RLP數據傳輸速度下降不如TCP那么大,而且也更快恢復正常。
通過觀察基站和無線終端之間傳送的協議消息,我們還可以分析重傳延時。軟件在出現TCP消息的時刻標有記號,利用這些記號,我們就能看出重傳的次數,并測量重傳延時(見圖4)。
在圖4的第5行處,上傳信道中發送了一個以字節2099f33開始的包含1,500字節的數據段。第21行之后,在重發兩秒鐘前第5行曾發過的那個數據段之前,TCP數據傳輸幾乎中斷了一整個數據段的時間。然后,在第24行處,接收機才確認它收到了重發的數據段。
用一個基站仿真器就可以模仿造成RLP層數據丟失,并迫使TCP擁塞控制算法降低數據傳輸速度的RF條件。監測RLP重發次數的計數器尤其有用。圖5所示就是一臺測試設備的顯示,該設備在監測RLP的同時,還模仿了一個真實的基站向無線設備路由數據的情況。
數據丟失對網絡第7層的影響
間歇性數據丟失對不同的應用影響不同。最容易預測的就是它對大文件下載時間的影響,例如在第7層運行FTP時。
對終端用戶而言,還有一些影響可能更難以接受,比如以無中斷視頻流的最小傳輸速率為指標的視頻流會議,或者游戲等包含大量圖象的軟件應用,數據中斷對后者的影響可能更嚴重。
本文小結
如果能夠通過測量數據流量下降的程度來測試應用層性能,就能讓軟件設計工程師認識到其軟件在一個真實的系統中將具備怎樣的性能。要達到這一目的,測試設備應該具備一定的靈活性,能夠仿真退化的RF傳輸條件,并監測相應條件下流入和流出無線設備的IP流量,以及記錄協議棧的各層上的消息。
作者:Paul Dohrman
安捷倫技術公司
Email: paul_dohrman@
