TCP仿真(OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn))

高級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告高級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第五次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：TCP仿真（OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)）姓 名：學(xué) 號(hào)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：目錄685一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆抡鎀CP協(xié)議中用于擁塞控制的四種算法——慢開(kāi)始，擁塞避免，快速重傳和快速恢復(fù)，比較快速重傳和快速恢復(fù)（改進(jìn)后的TCP）對(duì)于慢開(kāi)始和擁塞避免（傳統(tǒng)的TCP）的改進(jìn)效果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參考文件“Lab_Exercices_Modeler.pdf”的“實(shí)驗(yàn)四TCP仿真”，完成以下實(shí)驗(yàn)：在沒(méi)有丟包的情況下，只使用慢開(kāi)始和擁塞避免，觀察擁塞窗口大小的變化；在有丟包的情況下，同時(shí)使用四種算法，觀察擁塞窗口大小的變化；增大丟包率，比較改進(jìn)前和改進(jìn)后的TCP吞吐量。實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件：PC機(jī)一臺(tái)軟件：網(wǎng)絡(luò)模擬軟件OPNET注意事項(xiàng)opnet是款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真商業(yè)軟件，但其提供用于教育的免費(fèi)版本。請(qǐng)各位同學(xué)們到opnet官方網(wǎng)站：，注冊(cè)、下載并安裝仿真軟件。我所安裝的是ITG_Academic_Edition_v2000，即opnet的9.1.A版本的教育版。實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果Lab1:慢開(kāi)始與擁塞避免算法仿真實(shí)驗(yàn)步驟啟動(dòng)OPNET建立新的工程和場(chǎng)景新建名為CHAI_TCP的工程和名為NoDrop的場(chǎng)景，并均在InitialTopology中選擇CreateEmptyScenario，在ChooseNetworkScale中選擇ChooseFromMaps，在ChooseMap中選擇europe，然后一直Next到成功建立scenario。如下列截圖所示：配置Applicationdefination 選中應(yīng)用定義(Applicationdefination)，按下圖定義：配置Profiledefination選中業(yè)務(wù)規(guī)格定義(Profiledefination)，，按下圖：建立巴黎子網(wǎng)并配置在巴黎地區(qū)添加subnet，并在子網(wǎng)中添加1個(gè)ethernet_server和1個(gè)ethernet4_slip8_gtwy，二者用100BaseT相連，如下圖：配置ethernet_server：配置ethernet4_slip8_gtwy：建立斯德哥爾摩子網(wǎng)并配置在斯德哥爾摩地區(qū)添加subnet，并在子網(wǎng)中添加1個(gè)ethernet_wkstn和1個(gè)ethernet4_slip8_gtwy，二者用100BaseT相連，如下圖：配置ethernet_wkstn：配置ethernet4_slip8_gtwy：創(chuàng)建IP云并配置，如圖：總拓?fù)鋱D用PPP_DS3連接Parissubnet和Europa_InternetIPCloud：用PPP_DS3連接Stockholmsubnet和Europa_InternetIPCloud：設(shè)置所要收集的統(tǒng)計(jì)量在面板上選擇Simulation，在下拉菜單中選擇ChooseIndividualStatistics，在彈出的窗口中，可以看出共有三類(lèi)Statistics，在NodeStatistics選擇如圖所示的選項(xiàng)：仿真 點(diǎn)擊，按下圖配置：點(diǎn)擊Run,運(yùn)行成功。在中可以查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CongestionWindowSize：（三）數(shù)據(jù)分析 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，TCP協(xié)議在執(zhí)行慢開(kāi)始和擁塞避免算法時(shí)，其窗口大小初值很小，但呈指數(shù)增長(zhǎng)，但當(dāng)超過(guò)所設(shè)定的最大窗口門(mén)限值（ssthresh）時(shí)，其窗口大小增長(zhǎng)將呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，即執(zhí)行擁塞避免算法。 在我的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在大約1m54s左右窗口值從將近1460bytes達(dá)到將近65535bytes呈指數(shù)型增長(zhǎng)，即慢開(kāi)始。當(dāng)達(dá)到門(mén)限值大約65535bytes之后，開(kāi)始“加法增大”，即擁塞避免算法。Lab2:同時(shí)使用慢開(kāi)始，擁塞避免和快速重傳算法仿真實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)制Lab1中場(chǎng)景在Scenario菜單中選擇DuplicateScenario并命名新場(chǎng)景為T(mén)ahoe，即出現(xiàn)與剛才網(wǎng)絡(luò)模型一模一樣的場(chǎng)景。變更IPCloud的設(shè)置 右鍵點(diǎn)擊IPCloud,EuropaInternet,再選擇EditAttributes，設(shè)定丟包率PacketDiscardRatio為0.5%.如圖：變更Paris子網(wǎng)的設(shè)置雙擊進(jìn)入Paris子網(wǎng)，右鍵點(diǎn)擊Server_Paris,再選擇EditAttributes。在TCPParameters的選項(xiàng)中，設(shè)置FastRetransmit為Enabled，如圖：仿真如Lab1:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CongestionWindowSize：數(shù)據(jù)分析 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與Lab1類(lèi)似，TCP協(xié)議在執(zhí)行慢開(kāi)始和擁塞避免算法時(shí)，其窗口大小初值很小，但呈指數(shù)增長(zhǎng)，但當(dāng)超過(guò)所設(shè)定的最大窗口門(mén)限值（ssthresh）時(shí)，其窗口大小增長(zhǎng)將呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。 在我的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在大約1m54s左右窗口值從將近1460bytes達(dá)到將近65535bytes呈指數(shù)型增長(zhǎng)，即慢開(kāi)始。當(dāng)達(dá)到門(mén)限值大約65535bytes之后，開(kāi)始“加法增大”，即擁塞避免算法。在窗口大小到達(dá)大約72725bytes后，應(yīng)該是收到3個(gè)連續(xù)ACK，根據(jù)3個(gè)重復(fù)的應(yīng)答報(bào)文判斷丟包，并立即重傳丟失的分組，此時(shí)置ssthresh為當(dāng)前擁塞窗口72725bytes的一半，這就是快重傳（Tahoe），然后再轉(zhuǎn)入慢開(kāi)始。Lab3:同時(shí)使用慢開(kāi)始，擁塞避免，快速重傳和快速恢復(fù)算法仿真實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)制Lab2中場(chǎng)景在Scenario菜單中選擇DuplicateScenario并命名新場(chǎng)景為Reno，即出現(xiàn)與剛才網(wǎng)絡(luò)模型一模一樣的場(chǎng)景。變更Paris子網(wǎng)的設(shè)置雙擊進(jìn)入Paris子網(wǎng)，右鍵點(diǎn)擊Server_Paris,再選擇EditAttributes。在TCPParameters的選項(xiàng)中，設(shè)置FastRecovery為Reno，如圖：仿真如Lab2:（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CongestionWindowSize：（三）數(shù)據(jù)分析 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與Lab2類(lèi)似，TCP協(xié)議在執(zhí)行慢開(kāi)始和擁塞避免算法時(shí)，其窗口大小初值很小，但呈指數(shù)增長(zhǎng)，但當(dāng)超過(guò)所設(shè)定的最大窗口門(mén)限值（ssthresh）時(shí)，其窗口大小增長(zhǎng)將呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。 在我的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在大約1m54s左右窗口值從將近1460bytes達(dá)到將近65535bytes呈指數(shù)型增長(zhǎng)，即慢開(kāi)始。當(dāng)達(dá)到門(mén)限值大約65535bytes之后，開(kāi)始“加法增大”，即擁塞避免算法。在窗口大小到達(dá)大約72638bytes后，應(yīng)該是收到3個(gè)連續(xù)ACK，若根據(jù)3個(gè)重復(fù)的應(yīng)答報(bào)文判斷丟包，并立即重傳丟失的分組，時(shí)ssthresh設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半。重傳丟失的數(shù)據(jù)包，并置cwnd＝cwnd＋ndup(ndup為收到的重復(fù)ACK數(shù))，進(jìn)入擁塞避免階段。若收到非重復(fù)的ACK時(shí)，cwnd＝ssthresh。進(jìn)入擁塞避免階段。這就是快速重傳/快速恢復(fù)（Reno）?？傮w比較慢開(kāi)始，擁塞避免，快速重傳和快速恢復(fù)算法仿真選擇Results菜單中的CompareResults。如下圖，藍(lán)線為NoDrop，紅線為T(mén)ahoe，綠線為Reno?？梢钥闯鼍G線Reno，數(shù)據(jù)傳輸最為穩(wěn)定。詳細(xì)分析見(jiàn)實(shí)驗(yàn)總結(jié)。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出結(jié)論。答：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出當(dāng)新建TCP連接時(shí)，按cwnd大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每收到一個(gè)ACK確認(rèn)，就增加一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送量，這樣慢啟動(dòng)階段cwnd隨時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。慢啟動(dòng)采用逐漸增大cwnd的方法。為了防止cwnd的無(wú)限制增長(zhǎng)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，cwnd>ssthresh時(shí)，使用擁塞避免算法，減緩cwnd的增長(zhǎng)速度，其增長(zhǎng)速度呈線性增長(zhǎng)。在快重傳（Tahoe）算法中：如果收到3個(gè)連續(xù)ACK，則Tahoe進(jìn)入快速重傳階段。根據(jù)3個(gè)重復(fù)的應(yīng)答報(bào)文來(lái)判斷丟包，并立即重傳丟失的分組，此時(shí)置ssthresh為當(dāng)前擁塞窗口的一半，轉(zhuǎn)入慢啟動(dòng)?？焖僦貍?快速恢復(fù)階段（Reno）算法中：若收到三個(gè)重復(fù)的ACK，進(jìn)入快速重傳/快速恢復(fù)，此時(shí)ssthresh設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半，重傳丟失的數(shù)據(jù)包，并置cwnd＝cwnd＋ndup(ndup為收到的重復(fù)ACK數(shù))，并發(fā)新的數(shù)據(jù)包。若收到非重復(fù)的ACK時(shí)，cwnd＝ssthresh，進(jìn)入擁塞避免階段。解釋為什么在無(wú)線鏈路上運(yùn)行TCP協(xié)議時(shí)最好采用改進(jìn)后的TCP。（提示：無(wú)線鏈路的誤碼率一般較高。）答：TCP假定所有的包丟失都是由擁塞引起的，但在無(wú)線鏈路中這個(gè)假設(shè)不再可靠。無(wú)線鏈路上誤碼率較高，帶寬又比較低，同時(shí)無(wú)線環(huán)境中由于存在較強(qiáng)的突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾，信道質(zhì)量也在不斷變化，數(shù)據(jù)包的丟失往往比有線鏈路嚴(yán)重的多。改進(jìn)后的TCP可以針對(duì)丟包，進(jìn)行快速重傳和快速恢復(fù)，是數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定，保持鏈路通暢。相對(duì)于原始慢啟動(dòng)、擁塞控制、快速重傳、快速恢復(fù)，后人做了哪些改進(jìn)？答：最初由V.Jacobson在1988年的論文中提出的TCP的擁塞控制由“慢啟動(dòng)(Slowstart)”和“擁塞避免(Congestionavoidance)”組成，后來(lái)TCPReno版本中又針對(duì)性的加入了“快速重傳(Fastretransmit)”、“快速恢復(fù)(FastRecovery)”算法，再后來(lái)在TCPNewReno中又對(duì)“快速恢復(fù)”算法進(jìn)行了改進(jìn)，近些年又出現(xiàn)了選擇性應(yīng)答(selectiveacknowledgement,SACK)算法。初期慢啟動(dòng)，擁塞避免，快速重傳和快速恢復(fù)算法見(jiàn)（1）。但從快速恢復(fù)的主要步驟看出Reno的快速重傳算法是針對(duì)一個(gè)包的重傳情況的，然而在實(shí)際中，一個(gè)重傳超時(shí)可能導(dǎo)致許多的數(shù)據(jù)包的重傳，因此當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)包從一個(gè)數(shù)據(jù)窗口中丟失時(shí)并且觸發(fā)快速重傳和快速恢復(fù)算法時(shí)，問(wèn)題就產(chǎn)生了。因此，人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以恢復(fù)一個(gè)窗口內(nèi)多個(gè)包丟失的情況。具體來(lái)講就是：Reno在收到一個(gè)新的數(shù)據(jù)的ACK時(shí)就退出了快速恢復(fù)狀態(tài)了，而改進(jìn)后的需要收到該窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)包的確認(rèn)后才會(huì)退出快速恢復(fù)狀態(tài)，從而更一步提高吞吐量。

SACK算法就是改變TCP的確認(rèn)機(jī)制，最初的TCP只確認(rèn)當(dāng)前已連續(xù)收到的數(shù)據(jù)，SACK則把亂序等信息會(huì)全部告訴對(duì)方，從而減少數(shù)據(jù)發(fā)送方重傳的盲目性。比如說(shuō)序號(hào)1，2，3，5，7的數(shù)據(jù)收到了，那么普通的ACK只會(huì)確認(rèn)序列號(hào)4，而SACK會(huì)把當(dāng)前的5，7已經(jīng)收到的信息在SACK選項(xiàng)里面告知對(duì)端，從而提高性能，當(dāng)使用SACK的時(shí)候，NewReno算法可以不使用，因?yàn)镾ACK本身攜帶的信息就可以使得發(fā)送方有足夠的信息來(lái)知道需要重傳哪些包，而不需要重傳哪些包。本試驗(yàn)中你們使用的快速重傳、快速恢復(fù)、慢啟動(dòng)、擁塞控制的算法和書(shū)上講的是一樣的嗎？有什么算法上的不同？本實(shí)驗(yàn)采用的是早期本的傳統(tǒng)的TCP擁塞控制算法。其核心思想如下：Tahoe算法核心：包括3個(gè)基本的擁塞控制算法：根據(jù)3個(gè)重復(fù)的應(yīng)答報(bào)文來(lái)判斷丟包，減少了超時(shí)重傳的發(fā)