این تحقیق توسط آقای محسن عسکری اشکذری به آدرس Askari.mohsen@gmail.com به عنوان بخشی از تحقیق درس شبکه پیشرفته انجام شده است

۱-    مقدمه :
‫‪ TCP‬در چند سال اخیر یک پروتکل نسبتا سیال  شده است، علی الخصوص در مکانیزم کنتـرل ازدحـام.‬ ‫در واقع ، ‪ TCP‬هیچگاه به صورت یک مشخصه دقیق فنی  تعریف نشده است، بلکه توسط پیاده سـازیهای خـود‬ ‫شناخته می شود. امروزه در اینترنت بسیاری از نسخه های مختلف ‪ TCP‬در کنار هم وجود دارند و با یکدیگر‬ ‫ارتباط برقرار می کنند.‬  ‫در این بخش ، ما قصد داریم تا بر پیاده سازیها و توسعه های مختلف ‪ TCP‬مروری داشته باشیم. هدف از‬  ‫این مرور این است که بتوانیم روند توسعه و پیشرفت پروتکل ‪ TCP‬را دنبال کنیم و همچنین با نسخه هـایی‬ ‫از ‪ TCP‬که ارتقا و بهبودی های جدید ‪ TCP‬باید روی آنها انجام شود، آشنا شویم.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
۲- ‫‪TCP Tahoe‬‬:‬‬

‫‪ TCP Tahoe‬که به نسخه ۱ شبکه ‪ ( BNR1) BSD‬نیز مشهور است، بـه پیـاده سـازی اصـلی الگـوریتم‬ ‫کنترل ازدحام   Jacobson‬روی سیستم عامل ‪ BSD‬در سال ۱۹۸۸ مربوط می شـود. ایـن روش مـشتمل بـر‬ ‫شروع آهسته ، پرهیز از ازدحام ، یک تخمین بهبود یافته از ‪  RTT‬و انتقال مجدد سریع است .‫ [۱]‬‬‬‬‬‬‬‬
مشکلات ترافیکی که از ۱۹۸۶ روی اینترنت بروز کرد و باعث کاهش توان عملیاتی – در بعضی موارد– بـا‬ ‫ضریبی از هزار شد، موجب شد تا مکانیزم های جدیدی برای مقابله با آن ارائه شود. ‪ TCP Tahoe‬شاید اولین‬ ‫نسخه ای از ‪  TCP‬باشد که اکثر مکانیزم های کنترل ازدحام پیشرفته ‪ TCP‬را در برمی گیـرد. هـدف از ایـن‬ ‫مکانیزم ها تضمین این است که اتصال ‪  TCP‬قادر باشد به موازنه برسد و پس از اینکه به موازنه رسید، اتصال‬ ‫باید از اصل (حفظ بسته ها)  پیروی کند. این اصل می گوید که وقتی اتصالی به موازنه یا تعادل رسید، فقط‬  ‫زمانی می تواند یک بسته را روی شبکه منتقل کند که فیدبک بازگشتی که نشان دهنده خروج یک بسته دیگر‬  ‫از شبکه است را دریافت کرده باشد. اتصال با وارسی  شبکه در مورد پهنای باند موجـود و همچنـین تنظـیم‬  ‫یک پنجره ازدحام فرستنده که به تازگی انجام شده باشد، به توازن می رسد. در ‪ ،TCP Tahoe‬پنجره ای که‬ ‫فرستنده بکار می برد، حد پایین پنجره گیرنده و همین پنجره ازدحام جدید است.‬ ‫عمده ترین بهبود در کارایی ‪ TCP‬از مکانیزم انتقال مجدد سریع ناشی می شود. پس از دریافت سومین‬ ‫اعلام وصول تکراری انتقال مجدد آغاز می شود، بنابراین ‪ TCP Tahoe‬مجبـور نیـست زمـانی طـولانی بـرای‬ ‫منقضی شدن تایمر انتقال مجدد صبر کند.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫تنها نقطه ضعف اصلی ‪ TCP Tahoe‬در این است که به دنبال گم شدن هر بسته, شروع آهسته مکرراً ا راه‬ ‫اندازی می شود. فرایند شروع آهسته زمان زیادی لازم دارد تا نـرخ انتقـال ‪ TCP‬را دوبـاره بـه حـال عـادی‬ ‫برگرداند، از اینرو ‪ TCP Tahoe‬در اتصالهایی که حاصل ضرب پهنای باند در تـاخیر  بـالایی داشـته باشـند،‬ ‫خوب اجرا نمی شود.‬‬‬‬‬‬‬

۳-    ‫‪‫‪TCP Reno‬‬ :‬‬‬‬

‫‪ ‫‪ TCP Reno‬در سال ۱۹۹۰ روی سیستم عامل ‪ BSD‬پیاده سازی شد، بنابراین به نـسخه ۲ شـبکه ‪ ‫ BSD‬‬شناخته می شود ۲)‪ .(BNR‬امروزه پر کاربردترین نسخه ‪ TCP‬همین ‪ Reno‬می باشد. ‪ TCP Reno‬به Tahoe  ‪ ‫مکانیزم بازیابی سریع را اضافه می کند. بازیابی سریع اتصال را قادر می سازد تا به سرعت بخش گـم شـده را‬ ‬ بازیابی کند‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫تفاوت اصلی میان ‪ Reno‬و ‪ Tahoe‬در مرحله ای است که پس از هر انتقال مجدد سریع وارد آن می شوند.‬ ‫هم در ‪ Tahoe‬و هم ‪ ،Reno‬انتقال مجدد سریع پس از دریافت سه تا ‪ dupack‬آغاز می شود. ولی وقتی یـک‬‫‬ ‫‪ ACK‬جدید یا جزئی  می رسد، ‪ Tahoe‬پنجره ازدحام خود را به یک بخش کاهش می دهد. در نتیجه ‪TCP‬‬ ‫‪ Tahoe‬وارد فاز شروع آهسته می شود تا اینکه دوباره مقدار ‪ cwnd‬به ‪ ssthresh‬برسد. اما در ‪ Reno‬زمانیکـه‬‫یک ‪ ACK‬جزئی یا جدید دریافت میشود، ‪ cwnd‬به مقدار ‪  ssthresh‬ست می شود، و موجـب مـی شـود تـا‬ ‫سیستم بلافاصله وارد فاز پرهیز از ازدحام شود.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫‪ TCP Reno‬در کنار بازیابی سریع، از گزینه های (پیشگویی سرآیند)  و (اعـلام وصـول بـا تـاخیر) نیـز‬ ‫پشتیبانی می کند. پیشگویی سرآیند یک بهینه سازی برای موارد عادی است که بخش ها بصورت مرتب وارد‬ می شوند، و گزینه اعلام وصول با تاخیر بجای اینکه هر بخش را جداگانه ‪ ACK‬نماید، صبر می کند تا آنها را‬ ‫در کنار بخش های دیگر اعلام وصول کند.‬ ‫مزیت اصلی ‪ TCP Reno‬بر ‪ Tahoe‬در این است که زمان ورود داده جدید با ‪ dupack‬ها را نگهـداری مـی‬ ‫کند و در هنگام کاهش نرخ انتقال ‪ TCP‬از ورود به فاز شروع آهسته اجتناب می کند. این بهبودی بخصوص‬‫در اتصال هایی که حاصل ضرب پهنای باند در تاخیر بالایی دارند، بسیار قابل توجه است زیرا در ایـن حالـت‬ ‫فاز شروع آهسته بسیار طولانی می شود.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
۴-    ‫‪TCP New Reno‬‬ :‬‬

‫مکانیزم های بازیابی و انتقال مجدد سریع در ‪ TCP Reno‬در مواردی که فقط یک بسته در هر ‪ RTT‬گم‬ ‫می شود بسیار کارا و مؤثر است. ولی مشاهده شد که وقتی چند بسته در یـک رفـت و برگـشت حـذف مـی‬ ‫شوند، ‪ Reno‬خوب عمل نمی کند [۵]. در پیوندهای پر سرعت، هر ازدحام عادی نیز می تواند سبب شود تا‬ ‫چندین بخش حذف شوند. در این موارد انتقال مجدد و بازیابی سریع دیگر قادر نیستند بخشهای گم شده را‬ ‫بازیابی کنند و لذا مکانیزم شروع آهسته مکرر ًا فراخوانی می شود. شکل۴-۱ نشان می دهـد کـه وقتـی سـه‬ ‫بسته متوالی از یک پنجره گم می شود، فرستنده ‪ TCP‬دوبار دچار انتقال مجدد سریع می شود و سپس تایم‬ ‫اوت می دهد. در این لحظه، ‪ ssthresh‬به یک هشتم پنجره ازدحام اصلی سـت مـی شـود. در نتیجـه، رشـد‬ ‫نمایی   پس از زمان بسیار کوتاهی قطع شده و افزایش خطی  با یک پنجره خیلـی کوچـک آغـاز مـی شـود.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬

شکل ۴-۱ بار شبکه وتاثیر آن روی توان عملیاتب و تاخیر ها

‫بنابراین ‪ TCP‬در یک نرخ بسیار پایین داده ها را انتقال می دهد و فاقد توان عملیاتی بالا می باشد.‬ ‬‬
‫‪ [۶] TCP New Reno‬یک فاز بازیابی سریع جدید معرفی می کند, بدین ترتیب که وقتی انتقال مجدد‬ ‫سریع برای اولین بار آغاز می شود، فرستنده آخرین شماره ترتیب ارسالی (RECOVER)‬را نگاه می دارد. ‬‬‬
بعد از این که اولین بسته اعلام وصول نشده پس از دریافت سه تا ‪ dupack‬مجدد اً  منتقل شد، فرسـتنده الگـوریتم‬‬ ‫بازیابی سریع معمولی را دنبال کرده و بازاء هـر ‪ dupack‬دریـافتی یکـی بـه ‪ cwnd‬اضـافه مـی کنـد. وقتـی‬‫فرستنده یک ‪  ACK‬ برای بسته دوباره منتقل شده دریافت می کند، ابتدا بررسی می کند که آیا همـه بـسته‬‫های قبل از ‪ RECOVER‬اعلام وصول شده اند یا خیر. اگر اینطور بود، پس ‪ ACK‬یک ‪ ACK‬جدیـد اسـت.‬‫فرستنده از فاز انتقال مجدد سریع و بازیابی سریع خارج شده و ‪ cwnd‬خود را به ‪ ssthresh‬ست کرده و یـک ‬‫افزایش خطی را شروع می کند (مرحله پرهیز از ازدحام).‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫از طرف دیگر ، اگر ‪ ACK‬یک ‪ ACK‬جزئی باشد، یعنی بخشی که رسیدن آن اعـلام وصـول شـده فقـط‬‫قسمتی از بخشهای قبل از ‪ RECOVER‬باشد، فرستنده بلافاصله بخش مورد نظر بعدی ‐کـه توسـط ACK‬‬ ‪  ‫مشخص شده– را انتقال مجدد مید هد  این روال تا زمانیکه همه بخشهای قبل از  ‪اعلام وصول شوند ، ادامه می یابد. RECOVER ‬‬‬‬‬‬‬‬
‫این تغییرات به ‪ New Reno‬اجازه می دهد تا گم شدن چند بسته را در تنها یک فاز بازیابی سریع هندل ‬‫کند، در حالیکه ‪ Reno‬مجبور است تا چندین بار بازیابی سریع را فراخوانی کند. جلوگیری از فراخوانی چنـد‬ ‫باره بازیابی سریع دو اثر زیانبار را کاهش و تخفیف می دهد. اول اینکه ، فرستنده را از کوچک شدن بـسیار‬‫زیاد پنجره ازدحام محافظت می کند. دوم ، از وقفه هایی که ‪ TCP New Reno‬پس از مفقود شدن دو بسته‬ ‫در یک پنجره دچار آن می شود، می کاهد.‬ ‫در عین حال که ‪   New Reno‬ قادر به هندل کردن چند بسته گم شده در یک پنجره می باشد، ولی در هر‬ ‫‪ RTT‬حداکثر یک بسته را می تواند شناسایی و دوباره ارسال کند. ایـن ناکارآمـدی در جاهـایی کـه حاصـل‬‫ضرب پهنای باند در تاخیر بالاست، بیشتر به چشم می خورد.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬

۵-    ‫‪TCP SACK‬‬ :‬‬
‫در حال حاضر هر گیرنده ‪ TCP‬فقط آخرین بخشی را که با موفقیت و به صورت مرتب دریافت می شود،‬ ‫اعلام وصول می کند. در صورت رخ دادن هر خطایی ، فرستنده تنها می تواند اولین بخش مفقـود شـده را از‬ ‫روی اعلام وصولهای دریافتی تشخیص دهد. وضعیت تحویل بخشهای بعدی تا هنگامیکه اعلام وصول اولـین‬‫بسته دوباره ارسال شده دریافت نشود، برای فرستنده نامشخص است. بنابراین اگر در هر زمان رفت و برگشت‬ ‫چند خطا اتفاق بیفتد ، معمولا سبب انقضا زمان(timeout)  در مبدا می شود.‬‬‬‬‬‬‬
‫گزینه ‪ TCP SACK‬که در [۲] معرفی شده است, در واقع تامین راهی برای تهیـه اطلاعـات بیـشتر در‬‫مورد بسته های دریافت شده است. گزینه ‪ SACK‬یک فیلد اختیاری در سرآیند ‪ TCP‬اسـت. هرگـاه داده ای‬ ‫خارج از ترتیب دریافت شود، ‪ SACK‬فرستاده مـی شـود. همـه ‪ACK‬هـای تکـراری دارای گزینـه  ‫هستند. گزینه شامل لیستی از بلاک های داده همجوار است که هم اکنون توسط گیرنده دریافت شـده انـد.‬ ‫هر بلاک داده نیز بوسیله شماره ترتیب اولین بایت در بلاک (لبه سمت چپ بلاک) و شماره ترتیب بایتی که ‬‫بلافاصله بعد از آخرین بایت بلاک است، شناسایی می شود. به علت محدودیتی که در حداکثر اندازه سـرآیند‬ ‫‪ TCP‬داریم، در هر بسته ‪ SACK‬حداکثر سه بلاک ‪ SACK‬می توان تعریف کرد.‬ ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫گیرنده ردپای همه بلاک های داده نامرتب دریافت شده را نگاه می دارد. وقتی ‪ SACK‬تولید مـی شـود،‬ ‫اولین بلاک ‪ ,SACK‬بلاک داده ای که جدیدترین بخش داده دریافت شـده را مـشخص مـی کنـد. ایـن امـر‬ ‫بخاطر آن است که گیرنده آخرین اطلاعات ممکن را برای فرستنده فراهم کند. پس از اولین بـلاک، SACK‬‬  ‪‫بقیه بلاکها به هر ترتیبی می توانند قرار گیرند، ولـی گیرنـده بایـد سـعی کنـد تـا حـد ممکـن بـلاک هـای‬ ‫متمایزتری را ضمیمه ‪ SACK‬نماید.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫ ‫فرستنده جدولی دارد که همه بخش های ارسال شده اما ‪ ACK‬نشده را در آن نگاه می دارد. هـر بخـشی‬ ‫که فرستاده می شود به جدول اضافه می شود. زمانیکه فرستنده یک ‪ ACK‬بـا گزینـه ‪ SACK‬دریافـت مـی‬ ‫کند، همه بخشهایی که در بلاک های ‪ SACK‬مشخص شده اند به عنوان ‪ Sacked‬مارک می شـوند. و سـطر‬ ‫مربوط به هر بخش تا وقتی که آن بخش ‪ ACK‬شود، در جدول باقی می ماند. وقتی فرستنده سه تا dupack‬‬ ‪ ‫دریافت می کند ، اولین بسته اعلام وصول نشده را مجدد ًا انتقال می دهد . در طول مدت انتقال مجدد سریع ، هنگامیکه فرستنده بازاء هر dupack های موجود در بلاک های SACK ‫‪ ‬را قبل از فرستادن هر بـسته جدیـد انتقـال مجـدد دهـد. هـر وقـت کـه فرستنده یک بخش را دوباره انتقال می دهد ، دریافتی یک بخش را ارسال می کند ،  اول تـا آن بخش در جدول به عنوان انتقال مجدد شده مارک می شود .‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫اگر یک بخش انتقال مجدد شده گم شود، فرستنده تایم اوت داده و شروع آهسته را اجرا می کنـد. زمانیکـه‬ ‫تایم اوت رخ می دهد، فرستنده جدول ‪ SACK‬را بازنشانی  می کند.‬ ‫فرستنده برای ردگیری تعداد بسته هایی که در حال حاضر در حال انتقـال هـستند ، از مکـانیزم لولـهای‬ ‫جدیدی استفاده می کند. ‪ Sack‬مکانیزم انتقال مجدد سریع را درست مشابه با ‪ New Reno‬اجرا می کند. بـا‬ ‫شناسایی هر بسته گم شده به فاز انتقال مجدد سریع وارد می شود، و زمانیکه همه داده های معـوق مانـده از‬ ‫شروع فاز انتقال مجدد سریع با موفقیت اعلام وصول شدند از این مرحله خارج می شود.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫‪ SACK‬موقعیکه چندین بسته در یک پنجـره مفقـود مـی شـوند بهتـر از ‪ New Reno‬عمـل مـی کنـد.‬ ‫اطلاعات تفصیلی که بوسیله ‪ SACK‬فراهم می شود ، به فرستنده این اجازه را میدهد تا چند بسته گم شده‬ ‫را در یک ‪ RTT‬مجدداً  انتقال دهد، در حالیکه ‪ New Reno‬باید در انتظار ‪ ACK‬اولین بـسته انتقـال مجـدد‬ ‫شده بماند تا مشخص شود که چه بسته های دیگری مفقود شده اند.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
۶-    ‫‪TCP Vegas‬‬ :‬‬

‫‪ [۳] TCP Vegas‬یک دگرگونی اساسی در پیاده سـازیهای قـدیمی تـر ‪ TCP‬داده اسـت و در ویـرایش‬ ‫۳٫۴ ‪ BSD Unix‬تعمیم داده شده است. این روش از سه تکنیـک بـه منظـور بهبـود تـوان عملیـاتی ‪ TCP‬و‬ ‫کاهش بسته های گم شده استفاده می کند.‬ ‫اول ‪ TCP Vegas‬برای تخمین ‪ RTT‬بجای دانه هـای درشـت  تـایمر ‪ TCP‬از سـاعت سیـستم اسـتفاده‬ ‫می کند. تخمین دقیقتر ‪ RTT‬موجب می شود تا ازدحام زودتر تشخیص داده شود، بنابراین ‪ TCP‬می تواند هر‬ ‫بسته را حتی قبل از دریافت سه تا ‪ dupack‬انتقال مجدد دهد.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬
‫دوم ، ‪ Vegas‬با مقایسه توان عملیاتی اندازه گیری شده و توان عملیاتی مورد انتظـار کـه بوسـیله انـدازه‬ ‫پنجره محاسبه می شود, تغییرات توان عملیاتی را زیـر نظـر مـی گیـرد. الگـوریتم پرهیـز از ازدحـام از ایـن‬ ‫اطلاعات برای حفظ مقدار بهینه داده در شبکه استفاده می کند. بنابراین، از توان عملیاتی به عنوان شاخصی‬ ‫برای تخمین حالت پایدار  استفاده می شود.‬ ‫و در آخراینکه ‪ Vegas‬الگوریتم شروع آهسته را با معرفی یک فـاز پنجـره ازدحـام ثابـت در هـر رفـت و‬ ‫برگشت تغییر داده است. پنجره ازدحام در فاصله بین هر دو رفت و برگشت به طور نمایی افزایش می یابـد و‬‫در مدت زمان رفت و برگشت بسته ثابت می ماند. در مدت فاز ثابـت، الگـوریتم, تـوان عملیـاتی تخمینـی و‬‫بدست آمده را با هم مقایسه می کند. از اختلاف ایندو توان عملیاتی استفاده می شود تا ‪ TCP‬مشخص کنـد‬‫که باید وارد مُد افزایشی یا مُد کاهشی  شود. ‪ TCP Vegas‬زمان بیشتری لازم دارد تا وارد حالت پایدار شود‬ ‫، ولی برآورد حالت پایدار دقیق تر و درست تر است.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬

7-    ‫بهروز شاهرخ زاده، "بررسی و ارزیابی کارایی روشهای انتها-به-انتهای ‪ TCP‬در‬‫شبکه های سیار‬" ‬ ، ‫۱۳۸۲‬‬‬‬