摘 要：首先對(duì)Internet中常用的數(shù)據(jù)報(bào)文頭壓縮算法所存在的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并詳細(xì)討論了接收端分組重排和CRC校驗(yàn)所產(chǎn)生的錯(cuò)誤對(duì)VJ算法和Twice算法的影響。在此基礎(chǔ)上指出了可通過(guò)在VJ，Twice算法中加入新的控制過(guò)程使解壓縮端在處于良好狀態(tài)時(shí)能夠多發(fā)送分組，從而提高分組的傳輸效率和信道的利用率。

關(guān)鍵詞：報(bào)文頭壓縮算法；分組重排；CRC校驗(yàn);VJ算法；Twice算法

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1917302

Research on Compression Algorithm for Packet Header of Mobile IPv6 Data Network

GU Jing

(Xi′an Institute of Post Telecommunications，Xi′an，710061，China)

Abstract：Some problems existing in the general header compression algorithm used in Internet are simply described.And the effects of packet reordering algorithm at the receiver and the error that can′t be checked out by CRC check on VJ and Twice algorithm are discussed.Some new controls are introduced in VJ and Twice algorithm to realize that more packets can be sent when the decompression end is in good state and to make the time in which it is in bad state is short as possible as it is.

Keywords：adaptive header compression;packet reordering;CRC check;VJ algorithm;Twice algorithm

1 引 言

隨著Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，IPv6將取代傳統(tǒng)IPv4網(wǎng)絡(luò)而成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。由于IPv6協(xié)議分組較長(zhǎng)，加之無(wú)線信道的資源有限，所以為了提高無(wú)線鏈路中分組的傳輸效率和信道的利用率，就必須對(duì)分組報(bào)文頭進(jìn)行壓縮處理。

1990年，Van Jacobson針對(duì)IPv4協(xié)議設(shè)計(jì)了適用于低速鏈路的TCP/IP報(bào)文頭壓縮算法。在VJ算法中，Jacobson分析了同一條鏈路中每個(gè)分組報(bào)文頭的變化情況，并利用變化模式將40個(gè)字節(jié)的報(bào)文頭壓縮到4~17^［1］個(gè)字節(jié)。1996年，Degermark提出了適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)的UDP、TCP報(bào)文頭壓縮算法。在該算法中，Degermark設(shè)計(jì)了很多用來(lái)恢復(fù)對(duì)解壓縮端進(jìn)行同步的機(jī)制，如“Twice”算法，當(dāng)分組不能被正確地解壓縮時(shí)，解壓縮端假設(shè)其原因是一個(gè)或者多個(gè)以前的分組丟失，并假設(shè)所有分組帶有相同的增量值，同時(shí)用增量值對(duì)分組進(jìn)行兩次或多次解壓縮^［2，3］。Twice算法在某種情況下改善了報(bào)文頭的壓縮性能。近年來(lái)，IETF成立了ROHC^［4，5］(Robust Header Compression)工作組，以致力于改善無(wú)線環(huán)境中報(bào)文頭的壓縮性能，用以提高帶寬利用率和減小丟包率。

2 傳統(tǒng)壓縮算法中存在的問(wèn)題

眾所周知，IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包是分段進(jìn)行傳輸?shù)?，由于網(wǎng)絡(luò)狀況的差異，UDP的傳輸很容易造成報(bào)文丟失、重復(fù)，而且分組傳輸沒(méi)有固定路徑。路由器根據(jù)分組的目的地址和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，不保證分組到達(dá)的有序性，但是這就需要對(duì)分組進(jìn)行重新排序。然而現(xiàn)有的報(bào)頭壓縮方案沒(méi)有考慮無(wú)線信道狀態(tài)，無(wú)法很好地適應(yīng)無(wú)線鏈路的時(shí)變特性^［6，7］。當(dāng)傳輸延時(shí)較大時(shí)，TCP分組的滑動(dòng)窗口也隨著增大。如果在發(fā)送端出現(xiàn)突發(fā)業(yè)務(wù)，則分組重排的任務(wù)就會(huì)變得很繁重。然而許多報(bào)文頭壓縮算法都以分組有序到達(dá)或者少量的分組重排為前提，所以在分組重排很頻繁時(shí)就需要對(duì)壓縮算法做進(jìn)一步的改進(jìn)。

循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check/Code) 是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種采用多項(xiàng)式編碼的檢錯(cuò)算法，它是在鏈路層對(duì)一個(gè)傳送數(shù)據(jù)塊進(jìn)行校驗(yàn)^［8］，是一種較高效的差錯(cuò)控制方法。當(dāng)TCP/IP數(shù)據(jù)包通過(guò)以太網(wǎng)傳輸時(shí)，鏈路層將對(duì)其進(jìn)行CRC校驗(yàn)。然而，由于各種原因目前在Internet中有多種類型的錯(cuò)誤是可以通過(guò)鏈路層的CRC校驗(yàn)而不被檢出。例如，由于軟硬件的缺陷、收發(fā)端系統(tǒng)和路由器等問(wèn)題而導(dǎo)致的錯(cuò)誤可以通過(guò)鏈路層的CRC檢錯(cuò)。還有，在IP協(xié)議層引入的錯(cuò)誤也不會(huì)被鏈路層CRC校驗(yàn)檢出。因此，我們必須采取有效方法來(lái)消除這些錯(cuò)誤源。

3 分組重排與通過(guò)CRC校驗(yàn)的錯(cuò)誤對(duì)壓縮算法的影響

首先作如下假設(shè)：未經(jīng)報(bào)文頭壓縮的TCP分組長(zhǎng)度為612個(gè)字節(jié)，報(bào)文頭壓縮后TCP分組長(zhǎng)度為517個(gè)字節(jié)；每個(gè)比特位被破壞的概率一樣；每個(gè)錯(cuò)誤的比特都會(huì)被鏈路層或者傳輸層的檢錯(cuò)機(jī)制檢測(cè)到；所有帶有原始報(bào)文頭的分組就具有相同的出錯(cuò)概率qo；所有經(jīng)過(guò)報(bào)文頭壓縮的分組也具有相同的出錯(cuò)概率qc，顯然由于壓縮過(guò)的報(bào)文頭比原始的報(bào)文頭短，所以qc

3.1 對(duì)VJ算法的影響

VJ算法的缺陷主要來(lái)自錯(cuò)誤傳遞引起的分組出錯(cuò)和分組丟失。眾所周知，TCP協(xié)議使用接收端的ACKs作為擁塞控制的指示，所以分組出錯(cuò)或者丟失對(duì)TCP性能的影響很大。

通過(guò)對(duì)不同壓縮算法的實(shí)驗(yàn)分析表明，在誤碼率BER=10-5時(shí)，經(jīng)VJ算法壓縮的分組的性能最差。由于報(bào)文頭被破壞了的TCP壓縮分組將被丟棄，所以如果前一個(gè)分組被丟棄那么即使這個(gè)TCP壓縮報(bào)文頭無(wú)誤傳輸，也將被丟棄。因此可以看出分組的錯(cuò)誤率幾乎線性增漲，直到收到一個(gè)未壓縮的TCP分組為止。此后分組的錯(cuò)誤率將下降并再次變大。另外，壓縮率還受分組重排的影響。在VJ算法中，恒定字段因?yàn)镃ID發(fā)生變化和解壓縮端失去同步時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的CID，并發(fā)送未壓縮的參考分組。若一個(gè)分組不能被解壓縮，則TCP分組可以由超時(shí)或者重復(fù)的ACK發(fā)現(xiàn)，并重傳分組。如果壓縮端發(fā)現(xiàn)了重傳分組的序號(hào)比前一個(gè)分組的序號(hào)小，則產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的增量值，在這種情況下，壓縮算法會(huì)丟棄這個(gè)負(fù)值，并傳送完整的報(bào)文頭。這種機(jī)制保證了CID的信息可以在解壓縮端得到更新，但是，有時(shí)即使沒(méi)有分組丟失也會(huì)發(fā)生上述情況。由于分組到達(dá)的順序和發(fā)送的順序不一致，需要進(jìn)行重新排序，這樣有些分組就需要完整的報(bào)文頭而不是壓縮的報(bào)文頭。這對(duì)估計(jì)壓縮率造成了困難。

設(shè)B為壓縮前的報(bào)文頭大小，A為壓縮后報(bào)文頭的平均大小，并假設(shè)只考慮了重排因素。如果重排的概率很小則壓縮率可近似為Restimated=A/B。但是如果重排比較多則需要考慮重排對(duì)壓縮率的影響。設(shè)x為傳輸分組中遲到分組的百分比，則壓縮率應(yīng)該是：

Ractual=A·(1－x)+B·xB

分析估計(jì)誤差Pe=Ractual－RestimatedRactual，則Pe為：

Pe=Ractual－RestimatedRactual=(B－A)·xA+(B－A)·x

當(dāng)壓縮率不同時(shí)，估計(jì)誤差Pe與遲到分組的百分比x之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 分組的壓縮率和估計(jì)誤差之間的關(guān)系

在使用VJ算法中，沒(méi)有選項(xiàng)字段的原始報(bào)文頭經(jīng)壓縮后其典型大小為4~17個(gè)字節(jié)。圖1中的3條曲線代表了在不同壓縮率的情況下，分組重排和估計(jì)誤差之間的關(guān)系。顯然，分組報(bào)文頭壓縮得越厲害其估計(jì)誤差就越大。

3.2 對(duì)Twice算法的影響

Twice算法假定壓縮后的分組應(yīng)該具有相同的增量值，如果增量值不同就會(huì)造成錯(cuò)誤傳遞。而分組重排使得Twice算法發(fā)送未經(jīng)報(bào)文頭壓縮的TCP分組，從而降低分組壓縮率。在Twice算法中，如果一個(gè)分組丟失，則后續(xù)分組將不斷地利用它們的增量值對(duì)該報(bào)文頭進(jìn)行多次的解壓縮操作。如果在壓縮前分組的大小相同，而且沒(méi)有分組重排與丟失，則Twice算法可以恢復(fù)傳輸鏈路中的報(bào)文頭壓縮分組。反之，如果壓縮前鏈路中出現(xiàn)分組重排，就會(huì)嚴(yán)重地影響分組的解壓縮性能。

通過(guò)鏈路層CRC校驗(yàn)的錯(cuò)誤也會(huì)影響Twice算法的性能。我們將TCP校驗(yàn)和未能檢出而傳到上層的差錯(cuò)概率定義為漏檢錯(cuò)誤率。顯然，Twice算法的漏檢錯(cuò)誤概率要比VJ算法的漏檢錯(cuò)誤概率大。

4 結(jié) 語(yǔ)

仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)比VJ算法與Twice算法的分組傳輸錯(cuò)誤率，在分組長(zhǎng)度相同且沒(méi)有分組重排的情況下Twice算法的分組壓縮效果較好。如果一旦出現(xiàn)分組重排，Twice壓縮算法的分組出錯(cuò)率就會(huì)和VJ壓縮一樣幾乎線性增長(zhǎng)。只有在解壓縮端接收到一個(gè)帶有完整報(bào)文頭的分組之后才能使出錯(cuò)率下降。我們可以根據(jù)分組的發(fā)送端對(duì)無(wú)線信道狀態(tài)的敏感性，使發(fā)送端能夠根據(jù)信道特性的變化狀況而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)自適應(yīng)壓縮算法來(lái)提高分組的傳輸效率和信道的利用率。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 谷 靜 女，1975年出生，山東巨野人，講師，碩士。研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用、移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文