（計算機應用技術(shù)專業(yè)論文）無線ipv6互連網(wǎng)中tcp信頭壓縮技術(shù)及性能研究.pdf

南京郵電大學碩士研究生學位論文 摘要 摘要 3 g 系統(tǒng)將提供真正的話音 數(shù)據(jù)和圖像的綜合移動服務 3 g 系統(tǒng)最方便在完全基于 i p 協(xié)議的網(wǎng)絡平臺上實現(xiàn) 其中無線信道的帶寬是整個無線通信系統(tǒng)中最寶貴的資源 然 而 由于層次性傳輸協(xié)議框架中各層協(xié)議的封裝 浪費了大量的帶寬 為了能在無線鏈路 上獲得較好的性能 i e t f 工作組提出了r o h c r o b u s th e a d e rc o m p r e s s i o n 信頭壓縮協(xié) 議 本論文首先簡要介紹了r o h c 協(xié)議的原理 著重對r o h c 的三種壓縮狀態(tài) 三種工作 模式及其w l s b w i n d o w s l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s 算法等進行了闡述 然后給出了t c p 信頭字段的分類方式 按照r o h c 簡檔規(guī)范 編寫了t c p i p 壓縮的簡檔 提出了滑動窗 口寬度的動態(tài)調(diào)整方法以適應無線鏈路的變化特性 并且對提出的方法進行了性能仿真和 分析 最后 為了方便r o h c 的t c p i p 壓縮簡檔的編寫和測試 設計了r o h c 的測試信 源 在不需要建立連接和確認分組反饋的情況下 測試分組可以持續(xù)發(fā)送 關(guān)鍵詞 r o h c w l s b s w w 簡檔 南京郵電大學碩士研究生學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o n 3 g m o b i l es y s t e mi sat r u em o b i l es e r v i c ec o n v e r g e n c eo fv o i c e d a t a a n di m a g e a c t u a l l y t h eo n l yw a yt om a k et h e3 gm o b i l es y s t e mc o n v e n i e n ts e e m st ob ea n e t w o r kp l a t f o r mt o t a l l yb a s e do ni pp r o t o c o lw h i c hi n c l u d e sw i r e l e s sl i n k s w h o s eb a n d w i d t hi s t h em o s tp r e c i o u sr e s o u r c eo ft h ew h o l ew i r e l e s ss y s t e m h o w e v e r t h ee n c a p s u l a t i o np r o c e s so f t h eh i e r a r c h i c a lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l sw a s t e sas u b s t a n t i a lp a r to ft h ew i r e l e s sb a n d w i d t h r o b u s th e a d e rc o m p r e s s i o n r o h c s c h e m eh a sb e e np r o p o s e db yt h ei e t fw o r k i n gg r o u p w h i c ha i m sa tp r o v i d i n gac o m p r e s s i o ns c h e m et h a th a sh i 曲c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c ya n dh i 出 r o b u s t n e s sw h e nu s e do v e rw i r e l e s sl i n k s t h eb a s i cp r i n c i p l eo fr o h cp r o t o c o li si n t r o d u c e d a n di t st h r e et y p e so ft h es t a t e s t h r e e t y p e so fo p e r a t i o nm o d e sa n dw l s ba l g o r i t h ma r ee x p o u n d e de s p e c i a l l y t h ec l a s s i f i c a t i o no f t c ph e a d e rf i e l d si sp r o p o s e d i nc o m p l i a n c ew i t hr o h cc l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i a t c p i ph e a d e r c o m p r e s s i o np r o f i l ei sg i v e n t h er u l e sp e r f e c t l yf o l l o wt h eg u i d e l i n e so fr f c 3 0 9 5 m a k i n gt h e i n t e g r a t i o no ft h ep r o p o s a ls u i t a b l ef o rt h eg e n e r a lr o h cf r a m e w o r k t h es c h e m eo fa d j u s t i n g s l i d ew i n d o ww i d t hi ss u i tf o rw i r e l e s sl i n k s t h ep e r f o r m a n c eo fa d j i u s t i n gs l i d ew i n d o ww i d t h a r es i m u l a t e da n da n a l y z e db a s e do nt c p i pa p p l i c a t i o n f i n a l l y r o h ct e s t i n gs o u r c ei s d e s g i n e df o rc h e c k i n gt c p i pc o m p r e s s i o np r o f i l e t h em e t h o di sf l e x i b l et h a ti tc a nc a r r yo n g e n e r a t i n gt e s tp a c k e t sw i t h o u tc o n n e c t i o n o rr e c e i v i n ga c k p a c k e t s k e y w o r d s r o h c w l s b s w w p r o f i l e i i 南京郵電大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及所 取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得南京郵電大 學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻均已 在論文中做了明確的說明并表示了謝意 研究生簽名 燃日期 壘盥魚 南京郵電學院學位論文使用授權(quán)聲明 南京郵電大學 中國科學技術(shù)信息研究所 國家圖書館有權(quán)保留本人所 送交學位論文的復印件和電子文檔 可以采用影印 縮印或其它復制手段保 存論文 本人電子文檔的內(nèi)容和紙制論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的保 密論文外 允許論文被查閱和借閱 可以公布 包括刊登 論文的全部或部 分內(nèi)容 論文的公布 包括刊登 授權(quán)南京郵電大學研究生部辦理 研究生簽名 燃翩簽名 巹翌遍嘲 旌壘一 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 第一章引言 1 1t c p 信頭壓縮的發(fā)展 過去十年中 通信技術(shù) 互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的綜合完全改變了通信領(lǐng)域 在此期間 通信 業(yè)的重點在于建立新的網(wǎng)絡 用于提供更廣泛的音頻 數(shù)據(jù)和視頻傳輸 提供獨立于用戶位置的 各種服務 第三代無線通信系統(tǒng) 珊限2 0 0 0 將提供更重要的應用 聚合了音頻 數(shù)據(jù)和視頻的 真實移動服判1 1 通信系統(tǒng)使用的無線頻帶是有限而且是十分寶貴的 容易受到帶寬 時延和誤碼率的影響 對于運營商是最具有價值的資源 應該優(yōu)化使用這些頻帶 因此無線系統(tǒng)設計中最重要的方面是 如何選擇網(wǎng)絡平臺 獲得預期的q o s 保證 以便和固網(wǎng)鏈路競爭 已經(jīng)可以預見 未來的集成系 統(tǒng)將采用全p 的網(wǎng)絡平臺 需要全部和有效地支持t c p i p 協(xié)議圓 這不僅用于有線鏈路 而且用 于無線鏈路 低帶寬p 協(xié)議的有關(guān)性能問題從1 9 8 4 年開始在細線 t h i n w i r e 協(xié)議e 進行研字妒l 1 9 9 0 年2 月 v a nj a c o b s o n 提出了以信頭冗余信息為基礎(chǔ)的低速串行鏈路上壓縮t c w i p 信頭 c t c p c o m p r e s s i n gt c p i ph e a d e rf o rl o w s p e e ds e r i a ll i n k s 的機制f 4 可以將4 0 個字節(jié)的t c p i p 信頭 壓縮到3 個字節(jié) c t c p 機制采用的是計時超時的差錯恢復機制 不適用于往返時間較長的無線 鏈路 瑞典l u l e a 大學的d r s t e p h e n 和d r m i k a e l 等人在1 9 9 9 年2 月開發(fā)了p 信頭壓縮協(xié)議 i p h c i ph e a d e rc o m p r e s s i o n 網(wǎng) i p h c 壓縮方案對c t c p 提供了一些擴充 最重要的是提供了對l p i p v 6 和額外t c p 特性的支持 這個協(xié)議在點到點的鏈路上可以壓縮每跳上的多個m 信頭 t c p 信頭和u d p 信頭 可以用于無線鏈路的分組傳輸環(huán)境 但是 對于高誤碼率 b e r 高丟失率 長往返時延 r t r 的無線鏈路上 并不具有強的魯棒性 影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量 s c a s n e r 和 v j a c o b s o n 共同開發(fā)了低速鏈路上壓縮i p u d p r t p 信頭的協(xié)議 c r t p c o m p r e s s i n gi p u d p r t p h e a d e rf o rl o w s p e e ds e r i a ll i n k s 1 6 它能解決在低速串行鏈路上傳輸語音和視頻報文時遇到的一 些問題 c r t p 主要對r t p u d p i p 信頭進行壓縮 適用于往返時間短的本地鏈路 但在往返時間 長的無線鏈路 如蜂窩鏈路 e 壓縮i 生能并不好 因此也不適用于無線鏈路 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第一章引言 通過研究表明 這些協(xié)議在無線鏈路上的性能比較差 信頭壓縮的下一步目標是在高誤碼率 低帶寬的無線鏈路e 增加魯棒性和壓縮效率 文獻 4 提議的算法用來提高t c p p 流的性能和魯棒 性 它提供了一種可以從丟失壓縮同步中進行恢復的策略 這種算法進一步降低了同步丟失的概 率 文獻陰作了進一步的改進 它提議了兩種傳輸策略 含有靜態(tài)壓縮啟動的自適應提議 a b p s c s a d a p t i v eb a s ep r o p o s a lw i t hs t a t i cc o m p r e s s i o ns t a r t 和含有動態(tài)壓縮啟動的自適應提 議 a b p d c s a d a p t i v eb a s ep r o p o s a lw i t hd y n a m i cc o m p r e s s i o ns t a r t 可以降低u m t s 鏈路上 t c p i p 同步信頭的丟失率 文獻 8 中提議的t c p 檢測魯棒性信頭壓縮 t a r o c t c p a w a r er o b u s t h e a i d e rc c l m p r l 美 s i i d n 方法 以及文獻 9 w 提議的高效金字塔編碼算法 e p i c e f f i c i e n tp y r a m i di m a g e c o d e r 方法對t c p i p 信頭的壓縮有了進一步的貢獻 t a r o c 的目標是使用t c p 擁塞窗口機制 限制錯誤的擴散 e p i c 使用變化的哈夫曼編碼來提供一系列的壓縮信頭方案 為了能在無線鏈路匕獲得較高的壓縮率和較好的抗差錯魯棒性 需要開發(fā)一種可行的魯棒性 信頭壓縮方案 i e t f 工作組于2 0 0 1 年提出的魯棒性信頭壓縮 r o h c r o b u s th e a d e rc o m p r e s s i o n 1 0 1 能在無線鏈路上獲得較好的性能 在2 0 0 7 年2 月又進行了修正和補充 l i r o h c 適用于誤碼 率高 往返時間較長的無線鏈路 可對r t p u d p i p u d p i p t c p i p 等多種信頭進行壓縮 作 為魯棒性和可擴展的方案 r o h c 代表了當前信頭壓縮的技術(shù)水平 文獻 1 2 針對i p 無線網(wǎng)絡內(nèi)t c p 信息流提出了一種新的信頭壓縮方案 實現(xiàn)了無線全i p 網(wǎng)絡 中t c p i p v 4 數(shù)據(jù)流的信頭壓縮 并對其性能進行了分析 為以后針對i p v 6 的信頭壓縮方案及性 能分析提供了參考 但是r o h c 無法高效壓縮t c p 流的信頭 r o h c 1 3 1 在r o h c 的基礎(chǔ)上提出了一種能有效壓 縮t c p 流信頭的簡檔和算法 為了減少差錯傳播 r o i 嗍乏用w l s b 編碼 并結(jié)合使用三種不 同的修復機制處理受損的壓縮分組 r o h a 還針對r o h c t c p 壓縮 提出了文景復制機席儼1 4 1 r f c 4 9 9 5 1 習在r f c 3 0 9 5 的基礎(chǔ)上進一步定義了r o h c 框架的相關(guān)內(nèi)容 包括符 r f c 4 1 6 3 1 6 1 需求的t c p 簡檔 r f c 4 9 9 6 t 1 7 1 提出了 個t c p 信頭壓縮方案 增強了魯棒眭和兼容性 尤其是針 對含有t c p 選項信頭域的壓縮 其中使用了r f c 4 9 9 5 中提出的r o h c 協(xié)議框架 支持r f c a l 6 4 t 1 8 中定義的上下文復制策略 對于r f c 4 4 1 3 1 明中的短暫t c p 數(shù)據(jù)流 上下文復制是非常有用的 2 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 2 0 0 8 年4 月 i e t f 工作組正式推出了r o h c 壓縮的改進版本r o h c v 2 z o l 在同樣的操作條 件下 r f c 5 2 2 5 和r f c 3 0 9 5 可以獲得相同的壓縮率和魯棒性 它們最小壓縮信頭的大小和比特布 局是一致的 但r o h c v 2 簡化了規(guī)則和算法 增強了分組丟失或重排的魯棒l 生機制 而且可以處 理任意數(shù)量的m 信頭 1 2 信頭壓縮的基本原理 在無線鏈路上運行i p 協(xié)議非常困難 最主要的原因是這些協(xié)議在封裝和分割過程中產(chǎn)生較大 信頭開銷 眾所周知 每層的t c p i p 架構(gòu)在每個分組中都引入控制信息 信頭 應用程序的帶 寬被數(shù)據(jù)和控制信息所分享 例如1 p v 6 信頭本身為6 0 個字節(jié) 對于移動i p v 6 可能達到1 0 0 個字 節(jié) 分組中負載越小 信頭所占的比例越大 產(chǎn)生的影響也就越明顯 個別情況下 某些應用程 序產(chǎn)生的負載大小接近或小于信頭大小 因此 對于負載比較小的典型應用 無線環(huán)境中引入的 信頭帶來明顯的延遲 使t c p i p 平臺上的服務難以實現(xiàn) 另外 某些t c p i p 協(xié)議棧在無線環(huán)境 中產(chǎn)生特別的問題 如t c p 的擁塞控制和重傳機制 這些特別的問題限制了t c p 協(xié)議的性能 降 低了高速數(shù)據(jù)吞吐量 為了避免浪費無線信道帶寬來傳輸控制信息 要引入信頭壓縮機制 在同一個分組內(nèi) 特別 是在同 個流的連續(xù)分組中 信頭中存在明顯的冗余 如t c p i p v 6 信頭中 1 1 6 的版本是已知的 源倡的地址 源 目的端口和下一信頭等字段都是固定不變的 i p v 6 信頭中的有效載荷長度字段 u d p 信頭中的數(shù)據(jù)報長度字段是可以推斷出來的 信頭壓縮的基本原理在于 在數(shù)據(jù)流持續(xù)期間 僅傳輸有限次數(shù)的全部信頭信息 后續(xù)的分組中只傳輸發(fā)生變化的信頭字段及同一分組流的關(guān)聯(lián) 標識符 未傳送字段可以根據(jù)依賴性和可推斷性 重新計算產(chǎn)生 就可以達到信頭壓縮的目的 1 3 目黼問題 雖然r o h c 的應用已經(jīng)比較成熟 但r o h c 還有很多不完善的地方 r o h c 的運行參數(shù)都是 靜態(tài)設置的 針對具體業(yè)務和使用的信道類型采用不同的參數(shù)優(yōu)化配置口1 1 這些參數(shù)值 般都是 固定設置的 當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時 不能隨時進行調(diào)整 文獻 2 2 具體研究了這些參數(shù)的性能配 置 推薦了一些優(yōu)化可行的配置參數(shù) 而實際應用中 無線鏈路容易受到外界的影響 傳輸質(zhì)量 可能隨時發(fā)生變化 r o h c 信頭壓縮方案在設計時沒有將無線信道的變化狀態(tài)考慮在內(nèi) 當無線 3 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 信道進入不同狀態(tài)時 采用的壓縮方法一成不變 2 3 1 由于壓縮方案無法根據(jù)不同的信道狀態(tài)而采 取靈活的措施 因此無法捕捉不斷變化的無線信道鏈路特性并隨之進行優(yōu)化 導致了較低的工作 效率 現(xiàn)存的t c p i p 壓縮方案沒有壓縮信頭的握手信息 s y n 和f 蹦 因為許多短期t c p 連接占 用了信道 對這些握手分組的壓縮可以有效提高整個信頭的壓縮效犁1 7 1 然而在以太網(wǎng)的鏈路上 對于較小的分組進行壓縮填充時會出現(xiàn)問題 2 4 1 類似的是 在處理t c p 選項字段上也存在局限性 閱 選項字段的任何改變 例如時間戳和s a c k 都會使整個字段不能壓縮陰 從而大大降低了 t c p 的壓縮效率 基于r o h c 的工作原理 根據(jù)上下文的文景進行解壓 這就要求分組必須按順序到達 不適 合兩個端點間存在多條到達鏈路的情況 另外 在分組壓縮和解壓處理上 由于r o h c 的工作機 制比較復雜 在實現(xiàn)和控制l 匕都需要消耗較多的系統(tǒng)資源 1 4 主要研究工作 在本文中 研究了r o h c 信頭壓縮的算法和工作機制 分析了t c p i p 信頭壓縮的局限性 針對無線i p v 6 網(wǎng)絡中t c p i p 信頭壓縮的技術(shù)和性能 改進了r o h c 和t c p 壓縮方案不完善的地 方 在原型系統(tǒng)匕進行了實現(xiàn) 通過仿真測試驗證了結(jié)果 本文的主要工作如下所述 參照r o h c 分類標準 給出了t c p i p 信頭字段的分類方式 按 照r o h c 簡檔規(guī)范 采用w l s b 編碼方法 編寫了t c p i p 分組的壓縮簡檔 在無線鏈路中 信 道質(zhì)量可能快速變化 很難找到適合各種情況的優(yōu)化的滑動窗口寬度值 需要采用靈活的可調(diào)節(jié) 滑動窗口寬度機制 提出了滑動窗口寬度的動態(tài)調(diào)整建議 該方法沒有改變壓縮和解壓狀態(tài)變遷 邏輯 也沒有引入附加的控制信息 兼顧了強魯棒性和低系統(tǒng)開銷 為了方便r o h c 簡檔的編寫 和調(diào)試 在r o h c 壓縮器端增加處理函數(shù) 可以產(chǎn)生適用于任何類型的測試分組 隨時險驗簡檔 的壓縮和解壓縮功能 特別適用于面向連接的t c p i p 流 1 5 論文結(jié)構(gòu) 本文共分六章 各章內(nèi)容如下 第一章回顧了t c p 信頭壓縮發(fā)展的歷程 介紹了冗余信頭壓縮的基本原理 分析了目前r o h c 4 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 不完善的地方及t c p i p 壓縮方面的缺陷 第二章概述了r o h c 協(xié)議的基本原理 工作狀態(tài)和運行模式 詳細描述了協(xié)議中的主要壓縮 算法w l s b 介紹了r o h c 壓縮和解壓縮的實現(xiàn)流程 在此基礎(chǔ)上給出了r o h c 在l i n u x 中的 接口實現(xiàn) 第三章編寫了t c p i p 壓縮簡檔 按照r o h c 簡檔規(guī)范和t c p 信頭字段的變化方式 引入 m s n 關(guān)鍵字段 設計了t c p i p 分組的壓縮簡檔格式 并得到實現(xiàn) 第四章分析了滑動窗口寬度動態(tài)調(diào)整的需求和對性能的影響 提出了滑動窗口寬度動態(tài)調(diào)整 的方法 兼顧了強魯棒陛和低系統(tǒng)開銷 并通過仿真進行了測試和驗證 第五章為了方便編寫和調(diào)試t c p i p 壓縮簡檔 給出了r o h c 系統(tǒng)測試信源的實現(xiàn)方式 介 紹了測試信源的使用 展示了測試信源不同于其它業(yè)務信源的優(yōu)點 描述了用戶接口和統(tǒng)計功能 的實現(xiàn) 第六章對全文總結(jié) 描述整個論文的研究歷程和取得成果 并對下一階段的研究和發(fā)展進行 了展望 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 2 1r o h c 的基本原理 為了實現(xiàn)信頭壓縮 需要在t c p i p 架構(gòu)中加入兩個新的功能單元 信頭壓縮器和信 頭解壓器 如圖2 1 所示 t c p i p v 6 上f lc 曼篆 解壓器 d e c o m p r e s s o r 上f 接口驅(qū)動 f l 一一一一 無線鏈路 t c p i p v 6 上f 壓縮器解壓器 c o m p r e s s o r d e c o m p r c s s o r 1 lf 接口驅(qū)動 j i 圖2 1t c p 壓縮基本框架 r o h c 系統(tǒng)包含壓縮和解壓兩個部分 壓縮部分功能是對m 分組進行壓縮處理 形 成r o h c 壓縮分組 解壓部分功能是對壓縮后的r o h c 分組進行解壓處理 還原成原來 的i p 分組 壓縮方在剛開始發(fā)送i p 分組時 r o h c 協(xié)議首先創(chuàng)建一個對應于此數(shù)據(jù)流的壓縮器 并將這些分組信息 也稱為文景 c o n t e x t 和關(guān)聯(lián)標識符保存下來 然后將包含完整信息 的r o h c 分組通過無線鏈路發(fā)送到解壓方 解壓方根據(jù)此r o h c 分組創(chuàng)建一個對應于此 數(shù)據(jù)流的解壓器 解壓器接收到r o h c 分組時 也首先將這些信息保存下來 解壓后將還 原的i p 分組交給i p 協(xié)議處理 對于同一數(shù)據(jù)流中的后續(xù)i p 分組 壓縮器參照保存的信頭 信息 將分組中不變的冗余信息去掉 僅包含變化的信頭域和關(guān)聯(lián)標識 形成r o h c 壓縮 分組 傳遞到解壓方 解壓器根據(jù)先前保存的完整信息和關(guān)聯(lián)標識符對r o h c 壓縮分組解 壓 形成口分組并交付給上層i p 協(xié)議處理 2 2r o h c 的工作狀態(tài) r o h c 壓縮器有三種壓縮狀態(tài) 每一種都是不同程度的壓縮 分別為 i r 狀態(tài) i n i t i a l i z a t i o na n dr e f r e s h f o 狀態(tài) f i r s to r d e r 和s o 狀態(tài) s e c o n do r d e r 這三種壓 縮狀態(tài)級別依次升高 壓縮器總是從最低壓縮狀態(tài)瓜狀態(tài)開始工作 然后依次向高級壓 縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移 每個工作模式下每種壓縮狀態(tài)都使用不同的信頭類型 i r 狀態(tài)發(fā)送所有信頭信息 剛開始工作時 無壓縮文景可用 i r 狀態(tài)的作用是初始化 6 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 解壓器端的靜態(tài)文景 正常工作以后 i r 狀態(tài)用于解壓失敗后修復文景 在i r 狀態(tài)下 壓縮器發(fā)送全部信頭信息 包括靜態(tài)字段和動態(tài)字段以及附加信息 全部以非壓縮方式傳 送 當解壓器已經(jīng)收到足夠的信息并完成對文景的初始化后 壓縮器才向高級壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn) 移 f o 狀態(tài)用于有效地交流信頭中的動態(tài)部分 當壓縮器確認解壓器已經(jīng)獲得文景的靜態(tài) 部分 就進入f o 狀態(tài) 只對動態(tài)字段的可變部分 和上一個分組相比 信頭中改變的部 分 進行編碼傳送 在此狀態(tài)下 信頭被部分壓縮 靜態(tài)部分僅有少量被更新 s o 狀態(tài)下壓縮率最高 當數(shù)據(jù)流 規(guī)范 指在已知關(guān)鍵字段的情況下 所有動態(tài)字段 的改變可以預期 時 在s o 狀態(tài)下僅傳送關(guān)鍵字段的編碼部分 信頭大小可以非常小 t c p i p 壓縮可以到3 5 個字節(jié) r t p u d p i p 可以到1 3 個字節(jié) 此時壓縮器僅向解 壓器發(fā)送經(jīng)過壓縮的s n 和文景標識符 c i d c o n t e x ti d 等一些必要的信息 解壓器主 要是對被壓縮的s n 進行解壓 其它所有字段的值都可從文景中獲得 壓縮器大部分時間 處于s o 狀態(tài) 當信頭不再符合規(guī)范的格式時 也就不能利用當前的文景信息進行壓縮 此時壓縮器就會離開這個狀態(tài) 向下轉(zhuǎn)移到f o 或i r 狀態(tài) 對于t c p 數(shù)據(jù)流 由于采用了文景復制機制 壓縮狀態(tài)變化略有不同 壓縮器工作在 i r 含i r 和i r c r 和c o 兩種工作狀態(tài) 瓜是初始化狀態(tài) i r c r 是初始化和文景復制 狀態(tài) c o 是最高壓縮狀態(tài) 其壓縮狀態(tài)機如圖2 2 所示 樂觀方法樂觀方法 正反饋正反饋 i r t i m e o u t f ot i m e o u t 圖2 2t c p 流的壓縮狀態(tài)機 對于工作在o 模式下的t c p 流 有兩種轉(zhuǎn)移方式 一是沒有反饋信道時使用樂觀方法 二是在反饋信道存在時使用反饋方法 對于o 模式下沒有反饋信道的t c p 流 壓縮器在 發(fā)送足夠分組 確認解壓器接收到了正確的靜態(tài)信息后 從i r 狀態(tài)向i r c r 狀態(tài)轉(zhuǎn)移 同樣在i rc r 狀態(tài)發(fā)送了足夠的分組后向c o 狀態(tài)轉(zhuǎn)移 向下轉(zhuǎn)移采用周期性原則 當超 時機制f ot i m e o u t 或i rt i m e o u t 達到時 壓縮器向下轉(zhuǎn)移到低級壓縮狀態(tài) 參見圖 2 2 左邊部分 對于使用反饋信道的o r 工作模式 初始狀態(tài)處于i r 狀態(tài) 當接收到正 反饋 a c k 分組 時轉(zhuǎn)移到i r c r 狀態(tài) 在i r c r 狀態(tài)收到正反饋后轉(zhuǎn)移到c o 狀態(tài) 當壓縮器在高級壓縮狀態(tài)接收到負反饋 n a c k 或s t a t i c n a c k 時向下轉(zhuǎn)移到低級壓 7 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 縮狀態(tài) 參見圖2 2 右邊部分 c o 狀態(tài)目的是有效傳輸分組流中變化的信息 保持最高壓縮效率 壓縮器在c o 狀態(tài) 接收到s t a t i c n a c k 反饋分組時 轉(zhuǎn)移到i r 狀態(tài) 這時壓縮器應該重新選擇基本文景 如果選中基本文景 則壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移到i r c r 狀態(tài) 向解壓方發(fā)送i r c r 分組 解壓器對 解壓文景進行初始化和刷新操作 如果沒有合適的基本文景 則壓縮器停留在i r 狀態(tài) 一直向解壓方發(fā)送i r 分組 r o h c 解壓器也有三種狀態(tài) 無文景狀態(tài) n oc o n t e x t n c 靜態(tài)文景狀態(tài) s t a t i c c o n t e x t s c 全文景狀態(tài) f u l lc o n t e x t f c 其解壓狀態(tài)機如圖2 3 所示 無靜態(tài)文景成功解壓分組成功解壓 k 2 個分組解壓失敗k 1 個分組解壓失敗 圖2 3t c p 流的解壓狀態(tài)機 初始時解壓器還沒有成功解壓一個分組 只能工作在最低解壓狀態(tài) n c 狀態(tài) n c 狀 態(tài)主要是一個新數(shù)據(jù)流剛開始解壓處理時解壓器所處的狀態(tài) n c 狀態(tài)時 既沒有i p 信頭 的靜態(tài)信息也沒有動態(tài)信息 需要壓縮器工作在取狀態(tài)發(fā)送包含完整信頭的分組 解壓 器在n c 狀態(tài)只能解壓i r 分組 在接收到i r 分組后 解壓器使用c r c 校驗分組的正確性 校驗正確后可以更新文景 當存在反饋信道時 解壓器解壓分組成功后將發(fā)送a c k 反饋 分組 如果校驗失敗 解壓器發(fā)送n a c k 分組 在接收到i r 分組并成功解壓以前 解壓 器將丟棄所有接收到的r o h c 壓縮分組 s c 解壓狀態(tài)指解壓器獲得了足夠的靜態(tài)文景信息時所處的狀態(tài) 希望接收到包含完整 動態(tài)信頭的r o h c 壓縮分組 解壓器只要成功解壓了一個m 分組 就可以轉(zhuǎn)移到f c 狀態(tài) f c 狀態(tài)指解壓器獲得了 足夠的靜態(tài)文景和動態(tài)文景的變化規(guī)律信息時所處的狀態(tài) 同壓縮器的s o 狀態(tài)相對應 能夠接收壓縮器在s o 狀態(tài)所發(fā)送的r o h c 壓縮分組 在f c 狀態(tài)下 當最近收到n 1 個連續(xù)的分組中有k 1 個解壓失敗時 解壓器就會轉(zhuǎn)移 到s c 狀態(tài) 在s c 狀態(tài)下 當成功解壓一個含有足夠更新信息的分組時 解壓器就會返回 f c 狀態(tài) 如果在s c 狀態(tài)下 當最近接收到n 2 個連續(xù)的分組中有k 2 個解壓失敗時 解 壓器就轉(zhuǎn)移到n c 狀態(tài) 8 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 2 3r o h c 的工作模式 r o h c 定義了三種工作模式 單向模式 u n i d i r e c t i o n a l u m o d e 雙向樂觀模式 b i d i r e c t i o n a lo p t i m i s t i c o m o d e 雙向可靠模式 b i d i r e c t i o n a lr e l i a b l e r m o d e 每 種模式下都有不同的壓縮狀態(tài)和解壓狀態(tài) 不同的工作模式對應的壓縮 解壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移方 式也不同 1 u 模式 u m o d e 當不存在或不能使用反饋信道時 r o h c 工作在u 模式下 此時分組只能向一個方向發(fā)送 即從壓縮方向解壓方發(fā)送 壓縮器和解壓器工作在u 模式 時 向高級狀態(tài)轉(zhuǎn)移采用樂觀逼近原則 樂觀逼近原則是指壓縮器在取狀態(tài)連續(xù)發(fā)送n 1 個分組或者f o 狀態(tài)連續(xù)發(fā)送n 2 個分組后 會認為解壓器已經(jīng)收到了成功解壓所需的相關(guān) 信息 就會由當前狀態(tài)向更高狀態(tài)轉(zhuǎn)移 由于無線鏈路的誤碼率較高 往返時延較長 隨 著壓縮的進行 可能會出現(xiàn)壓縮文景和解壓文景不同步的情況 由于u 模式?jīng)]有反饋 壓 縮器無法得知文景是否同步 為防止這種情況的發(fā)生 壓縮器在高壓縮狀態(tài)工作一段時間 后 按照周期性原則轉(zhuǎn)移到較低壓縮狀態(tài) 周期性原則是指當壓縮器工作在高級壓縮狀態(tài) 達到一定的時間t i m e o u t 時 壓縮器要向低級壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移 這樣解壓文景會被及時地 更新 保證了兩端文景的同步 u 模式下的壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2 4 所示 圖2 4u 模式下壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 2 o 模式 o m o d e o 模式和u 模式較為類似 向上轉(zhuǎn)移采用樂觀逼近原則 周期性發(fā)送足夠的分組 確信接收端已經(jīng)建立了正確的解壓文景 然后向高級壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn) 移 但o 模式下的反饋信道是可選的 向下轉(zhuǎn)移不采用周期性原則 而是根據(jù)收到解壓方 的負反饋 n a c k s t a t i cn a c k 分組 向下轉(zhuǎn)移 o 模式的目的在于最大壓縮率和使 用空閑反饋信道 0 模式下的壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2 5 所示 圖2 5o 模式下壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 9 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 3 r 模式 r m o d e r 模式與前兩種模式不同 可靠鏈路中r 模式使用反饋信 道比較頻繁 采用嚴格的狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯控制 以防壓縮文景和解壓文景失去同步 壓縮狀 態(tài)的轉(zhuǎn)移依賴于解壓方的反饋 解壓縮成功后解壓方發(fā)送正反饋 壓縮器向高級壓縮狀態(tài) 轉(zhuǎn)移 解壓失敗后解壓方發(fā)送負反饋 壓縮器向低級壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移 如圖2 6 所示 圖2 6r 模式下壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 三種模式相比 由于u 模式?jīng)]有反饋機制 在較差的信道中 u 模式性能不如o 和r 模式 r 模式的魯棒性最好 但是由于r 模式比前兩種模式使用的反饋都多 導致反饋占 用一部分帶寬 相比u 模式和r 模式 0 模式帶來的開銷比較大 u 模式適用于對實時業(yè) 務產(chǎn)生的信頭進行壓縮 為保證壓縮的魯棒性 當壓縮器工作在u 模式下時 所有發(fā)送到 解壓端的壓縮信頭必須攜帶一個c r c 校驗和 三種模式之間可相互轉(zhuǎn)移 模式轉(zhuǎn)移通常由解壓器發(fā)起 解壓器根據(jù)解壓情況 無線 信道的狀況 例如反饋能力 錯誤概率和干擾 等因素決定是否要發(fā)起模式轉(zhuǎn)移 當無線 信道質(zhì)量比較好時 r o h c 可以工作在r 模式或o 模式 如果無線信道質(zhì)量很差且解壓器 不能向壓縮方發(fā)送反饋的時候 r o h c 一般要工作在u 模式 2 4r o h c 的壓縮算法 最低有效位 l s b l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 和基于窗口的最低有效位 w l s b w i n d o w s l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s 編碼算法是r o h c 協(xié)議中非常重要的壓縮編碼算法 貫穿 于r o h c 的整個壓縮和解壓過程 一般用于對連續(xù)分組中數(shù)值變化不大的字段進行壓縮編 碼 要壓縮的字段與已正確傳遞并作為參考的字段相比較 只傳遞二者不同的最低位比特 起到壓縮的效果 解壓器根據(jù)解壓文景中保存的對應字段的參考值 對接收到的l s b 編碼 或w l s b 編碼的字段進行解壓 將這些字段恢復到編碼前的原始值 2 4 1l s b 算法 l s b 為最低有效位編碼算法 利用l s b 編碼方法 對連續(xù)分組中變化不大的字段值 進行編碼 壓縮器只傳輸字段值的最低k 個有效位 而不是原始字段值 k 是一個正整數(shù) l o 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其買現(xiàn) 是要壓縮的值v 與已正確傳遞而作為參考值的v r e f 二進制編碼相異的最低有效位個數(shù) 解壓器接收到k 個比特之后 使用先前正確接收到的值作為參考進行解壓 獲得原始值 現(xiàn)在舉一個簡單的例子來對此進行說明 假設要傳送數(shù)1 5 原來有一個成功的傳遞 數(shù)1 0 作為參考 按字節(jié)大小 1 0 的二進制值為0 0 0 0 1 0 1 0 1 5 為0 0 0 0 1 1 1 1 我們可以看到 只有最低的三位不同 前邊的都一樣 于是k 可以取3 在傳遞時只傳遞最低的三位比特 就是1 l l 解壓器接收到i i i 后 用i i i 來取代解壓器參考值1 0 的最低三位 這樣便能夠 得出解壓值為1 5 l s b 方法求k 值的公式為 k g v r e f v l e n g t h v r e fav 其中八為異或運算符 l e n g t h 為取二進制編碼長度值的函數(shù) 函數(shù)g 是在l s b 算法中求解兩個數(shù)二進制編碼不同 的最低有效位數(shù) l s b 方法雖然簡單 但每個信頭的解壓需要上一個信頭的正確接收 這種方法不適合 于無線鏈路 因為單個分組丟失時 用于下個分組解壓的文景無效 導致丟失壓縮 解壓縮 文景同步 于是下一個分組不能正確解壓而被丟棄 依此類推 所有后續(xù)的解壓文景都無 效 引起分組丟棄的雪崩現(xiàn)象 直到高層 例如t c p 觸發(fā)重傳機制 這種現(xiàn)象稱為損害 擴散 d a m a g ep r o p a g a t i o n 2 4 2w l s b 算法 文獻 7 i x 提出了w l s b 編碼算法 它具有更好的魯棒性 w l s b 編碼算法使用含有 多個參考值的滑動窗口 傳輸過程中即使某個參考值丟失 解壓器只要接收到其它參考值 中的任意一個 就可以正確解壓l s b 編碼的值 圖2 7 舉例展示了w l s b 壓縮算法 圖2 7w l s b 壓縮算法舉例 w l s b 壓縮算法 1 壓縮端每發(fā)送 個經(jīng)過c r c 驗證的字段值v 成功或未成功壓縮 后 壓縮器 就把v 添加到發(fā)送端的滑動窗口內(nèi) 南京刪j 電大學頌士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 2 最低有效位l s b 求解公式 l s b v 1 k 一l 其中 是按位與運算符 k k d e v n a m e 指定 網(wǎng)絡接口核心層通過d e v q u e u e這個系統(tǒng)函數(shù)向上層i p 層 提供統(tǒng)一的發(fā)送數(shù)據(jù)接口 無論是i p 協(xié)議還是協(xié)議 x m都it0arp要經(jīng)過這個函數(shù)把要發(fā)送的 數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡接口核心層 函數(shù)d e v從 指針所指的活動網(wǎng)卡設備 q u e u ex r n i t 0 d e vb a s e 鏈表中查找s k b d e v n a m e 注冊的相應網(wǎng)絡設備 然后調(diào)用網(wǎng)絡設備的發(fā)送指針 d e v n a m e h a r d s m r t x m i t o 來最終完成數(shù)據(jù)分組的發(fā)送工作 d e v n a m e h a r d s t a r t x m i t 會 調(diào)用實際的網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序來完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務 數(shù)據(jù)分組的接收過程 網(wǎng)卡正確接收完一個數(shù)據(jù)分組 會觸發(fā)一項中斷 中斷處理例 程假設為n e t 不同網(wǎng)卡驅(qū)動中這個函數(shù)的名字不一樣 一旦該中斷被識別為一 interrupt 個輸入數(shù)據(jù)分組 n e t r x o 就會承擔進一步的處理 它調(diào)用d e v a l l o e s k b 0 為這個數(shù)據(jù)分組 分配一個套接字緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體 用這個結(jié)構(gòu)體對收到的數(shù)據(jù)分組進行封裝 調(diào)用 1 6 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) e t h t y p e t r a n s j 嬲0 出2 層數(shù)據(jù)幀中的類型 最后調(diào)用n e t i f r x o 將數(shù)據(jù)分組放入輸入隊列 中 調(diào)度器會檢查當前系統(tǒng)中是否有激活的軟件中斷沒有得到處理 有的話就通過 d o s o f l i r q 調(diào)度執(zhí)行 這里最終會調(diào)用n e tr x a c t i o n o 函數(shù)把收到的數(shù)據(jù)分組交給相應的協(xié) 議處理函數(shù)來處理 如i p 數(shù)據(jù)分組就交給i p r e v j 函數(shù)處理 l i n u x 內(nèi)核中數(shù)據(jù)鏈路層上數(shù)據(jù)分組的路徑參見圖2 1 1 圖2 1 1l i n u x 內(nèi)核中數(shù)據(jù)分組收發(fā)流程 2 7 2 壓縮數(shù)據(jù)時與l i n u x 內(nèi)核接口 對于發(fā)送 上層協(xié)議實體都會調(diào)用函數(shù)d e vq u e u e x m i t o 來實現(xiàn)發(fā)送 最終的發(fā)送過 程由d e v n a m e 一 h a r d s t a r t x m i t o 完成 l i n u x 將所有的外部設備看成文件 并用統(tǒng)一的邏輯 設備和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理外部設備及其驅(qū)動程序 在l i n u x 內(nèi)核中有一個全局指針d e v b a s e d e v b a s e 鏈表維持的是每個活動網(wǎng)絡設備的邏輯結(jié)構(gòu) 它指向節(jié)點類型為n e t d e v i c e 的指 針鏈 n e t d e v i c e 結(jié)構(gòu)具有的功能如下 s t r u c tn e t d e v i c e o p e n s t o p o h a r d s t a r t x m i to 1 7 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 它是對網(wǎng)絡設備的一個抽象 所有的設備都有一個n e td e v i c e 結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)中的指針 h a r d s t a r t指向具體物理網(wǎng)卡驅(qū)動的發(fā)送函數(shù) 新設備要加入這一指針鏈可以通過 xmitoregistern e t d e v n e t來完成 上層協(xié)議實體想發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時候 就可以順著 找到該設備 d e v i c e d e vb a s e d e v n a m e 然后調(diào)用d e v n a m e h a r ds t a r tx m i t 0 實行發(fā)送 從上面的分析可知 由于最終的發(fā)送是通過函數(shù)d e v n a m e h a r ds t a r tx m i t 0 完成的 因此要嵌入r o h c 壓縮功能 可以采用鉤子技術(shù) 把這個函數(shù)進行替換 使它指向r o h c 協(xié)議的壓縮處理函數(shù) 具體的替換步驟如下 通過函數(shù)d e vg e tb y找到網(wǎng)絡設 n a m e e t h o 備 e t h 0 代表設備名稱 該函數(shù)返回這個設備的n e td e v i c e 結(jié)構(gòu) 將h a r ds t a r t 函 數(shù)備份為 然后把結(jié)構(gòu)中的替換為的壓 xm縮it函0back s t a r tx m i t 0h a r ds t a r t 數(shù) xmito r o h c r o h c c o m p r e s s 0 這樣所有通過這一網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)分組都會調(diào)用函數(shù)r o h c c o m p r e s s 0 對 感興趣的分組進行壓縮處理 形成r o h c 分組 然后再調(diào)用b a c k s t a r t x m i t 0 進行發(fā)送 實 際上是調(diào)用了原來的h a r ds t a r tx m i t o 發(fā)送函數(shù) r o h c 協(xié)議對i p 分組壓縮成功并生成 r o h c 分組后 要將r o h c 壓縮分組中m a c 信頭協(xié)議類型的信頭域定義為e t h p r o h c 原型中數(shù)值定義為0 x 8 0 8 8 對于不需要壓縮的分組 直接調(diào)用b a c k s t a r t x m i t 發(fā)送 這樣就成功地實現(xiàn)了r o h c 協(xié)議與l i n u x 內(nèi)核網(wǎng)絡協(xié)議棧的壓縮接口 參見圖2 1 2 l 口p r o t o c o l i p r c v 0 r o h c d e c o m p r e s s l f f f n e tc a r dd r i v e r x 吧e c e i v i n gf u n c t i o 多 圖2 1 2r o h c 與l i n u x 網(wǎng)絡協(xié)議棧接口示意 2 7 3 解壓縮數(shù)據(jù)時與l i n u x 內(nèi)核接口 當網(wǎng)絡設備接收到數(shù)據(jù)時 也是通過網(wǎng)絡接口核心層與i p 層的交互接口把分組傳遞 到i p 層的 內(nèi)核中有一個全局數(shù)組p a c k e t p t y p e b a s e 這個數(shù)組分組含了可接收數(shù)據(jù)分 1 8 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章r o h c 協(xié)議及其實現(xiàn) 組的協(xié)議以及它們的處理函數(shù) 如接收i p v 6分組時 調(diào)用 p a c k e t p t y p e b a s e e t h p i p v 6 f f u n c 0 i 甬數(shù) 即i p v 6 r c v 0 接收函數(shù) 這樣就把分組交給 i p v 6 協(xié)議進行處理了 如果想加入新的協(xié)議 可以先聲明一個結(jié)構(gòu)體 t y p e d e fs t r u c tp a c k e t t y p e t y p e 協(xié)議名 如e t hpi p f u n c 接收函數(shù) 如i p r e v 然后調(diào)用d e v a d d p a c k 0 在n e t c o r e d e v e 中 就可以把該協(xié)議加入到數(shù)組 p a c k e t p t y p e b a s e 中完成注冊 從而n e tr xa c t i o n 0 就可以根據(jù)數(shù)據(jù)分組的類型到 p a c k e