传输层通信的SACK选项功能分析及性能仿真

龚猷龙

【摘要】 传输层通信时，如果发送序列中间某个数据包丢失，一般的TCP 协议会等到超时后再重送遗失的数据包，在等待超时的这段时间中，TCP不能重送发新的数据，这使得链路的使用率很低，急剧降低了TCP性能。为改善这种情况，选择性确认（SACK）技术提供了相应机制使发送方能区分数据丢失及重发情况。本文将分析SACK选项功能，同时采用NS-2模拟器进行仿真，分析SACK丢包情况、队列长度及拥塞窗口性能。

【关键词】 TCP 选择性确认 NS-2 重新发送

一、引言

TCP协议是面向连接、保证高可靠性（数据无丢失、数据无失序、数据无错误、数据无重复到达）传输层协议。TCP协议中经常要关注到网络性能，比如网络拥塞，产生了多种TCP拥塞控制算法，Tahoe、Reno、NewReno与SACK算法。拥塞控制就是防止过多的数据注入网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制是一个全局性的过程，和流量控制不同，流量控制指点对点通信量的控制。

二、TCP SACK的原理

发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口，另外考虑到接受方的接收能力，发送窗口可能小于拥塞窗口。慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。这里用报文段的个数的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。当然收到单个确认但此确认多个数据报的时候就加相应的数值。所以一次传输轮次之后拥塞窗口就加倍。为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。

在传送过程中，若同时有多个数据包在网络中丢失，大多数情况下一般的TCP都必须等到超时（Timeout）后才能重新发送丢失的数据包。而SACK是TCP Reno的另一个衍生版本。在这个版本中，加入了一个SACK选项（TCP option field），允许接收端在返回Duplicate ACK时，将已经收到的数据区段（连续收到的数据范围）返回给传送端，数据区段与数据区段之间的间隔就是接收端没有收到的数据。传送端就知道哪些数据包是已经收到的，哪些是该重送的，因此SACK的传送端可以在一个RTT时间内重送多个的数据包。SACK通常都是由TCP接收方产生的，在TCP握手时，如果接收到对方的SACK允许选项同时自己也支持SACK的话，在接收异常时就可以发送SACK包通知发送方。在SACK中描述的是收到的数据段，这些数据段可以是正常的，也可能是重复发送的，SACK字段具有描述重复发送的数据段的能力，在第一块SACK数据中描述重复接收的不连续数据块的序列号参数，其他SACK数据则描述其他正常接收到的不连续数据，因此第一块SACK描述的序列号会比后面的SACK描述的序列号大；而在接收到不完整的数据段的情况下，SACK范围甚至可能小于当前的ACK值。通过这种方法，发送方可以更仔细判断出当前网络的传输情况，可以发现数据段被网络复制、错误重传、ACK丢失引起的重传、重传超时等异常的网络状况。

三、TCP SACK的性能仿真

针对性能指标：丢包情况、队列长度及拥塞窗口性能。下面将通过NS-2仿真工具进行仿真。

（1）仿真实验图：

（2）按照圖1，使用NSG2工具自动生成TCL代码进行仿真。实验仿真结果：a.吞吐量：1918.4 Kbps；b.拥塞窗口cwnd变化情况如图2：c.队列变化情况如图3：

总结：TCP SACK的吞吐量比较大，拥塞窗口不会重设为1，而且保持平稳的波动。且队列变化情况也是很有规律的。可见，TCP SACK的发送机制还是比较优化的。

参 考 文 献

[1] 王辉. NS-2网络模拟器的原理和应用.西北工业大学出版社，2008.

[2] 谢希仁. 计算机网络（第5版）. 电子工业出版社，2009.

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