（计算机科学与技术专业论文）ad+hoc网络tcp性能优化.pdf

i m p r o v i n g t c p p e r f o r m a n c e i na dh o cn e t w o r k c a n d i d a t e ：l a i j i a n w e n a d v i s o r ：l i s n d a n t o at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ep r o f e s s i o n a ld e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g i nc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s e t e c h n o l o g y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文 学位论文题目 学位论文作者 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 研究背景。1 1 1 1a dh o c 网络的概念1 1 1 2a dh o c 网络特点及应用领域2 1 2 课题的提出及研究意义3 1 2 1a dh o c 网络研究的热点3 1 2 2a dh o c 网络传输层优化研究现状：4 1 2 3a dh o c 网络传输层优化存在的主要问题5 1 3 课题主要工作和贡献6 1 4 论文结构。7 第二章a dh o c 网络传输优化策略研究8 2 1 传统t c p 拥塞控制机制8 2 1 1t c p 拥塞检测机制8 2 1 2 慢启动机制9 2 1 3 拥塞避免机制。9 2 1 4 快速重传机制。1 0 2 1 5 快速恢复机制1o 2 2a dh o c 网络传输优化策略研究现状。1 1 2 2 1 基于网络内部反馈机制的改进策略l l 2 2 2 端到端的改进策略1 3 2 2 3 优化策略比较分析1 5 2 3 本章小节1 6 第三章基于竞争窗口反馈的t c p 优化策略仃 3 1基于竞争窗口反馈的t c p 优化策略的提出依据。1 7 3 1 1 链路层竞争与t c p 窗口1 7 3 1 2 链路层竞争与t c p 吞吐量2 0 3 1 3 传输中分组过多对t c p 的影响2 l 3 2基于竞争窗口反馈的t c p 优化策略：b c w f t c p 2 l 3 2 1b c w f t c p 的思想来源2 2 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 3 3 第四章 4 1 4 2 4 3 第五章 5 1 5 2 5 4 3 2 2m c c i 信道竞争指数的建立。2 3 3 2 - 3b c w f t c p 的实现2 3 3 2 4 常数q 和1 3 的确定2 4 本章小节2 5 基于报头压缩和a c k 分批确认短报文传输增强方案2 6 报头压缩和a c k 分批确认原理2 6 4 1 1 报头压缩算法2 6 4 1 2a c k 分批确认机制2 8 采用报头压缩和a c k 分批确认短报文传输增强算法3 0 4 2 1a dh o e 网络报头压缩算法3 0 4 2 2a dh o e 网络a c k 分批确认机制3 1 本章小结3 3 仿真以及性能分析3 3 n s 2 仿真器3 5 5 1 1n s 2 体系结构3 5 5 1 2n s 2 网络对象3 6 a dh o e 网络的仿真3 7 5 2 1n s 2 无线节点模型3 7 5 2 2a dh o e 网络仿真过程3 7 基于竞争窗口反馈的t c p 优化策略仿真与分析3 9 5 3 1评价指标3 9 5 3 2 简单场景的仿真与分析3 9 5 3 3复杂场景的仿真与分析4 l 基于报头压缩和a c k 分批确认短报文传输增强方案仿真与分析4 3 5 4 1评价指标4 3 5 4 2 简单环境的仿真与分析4 4 5 4 3复杂环境的仿真与分析4 8 5 5本章小结51 第六章结束语5 2 6 1工作总结5 2 6 2 未来展望5 2 致谢5 3 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 参考文献5 4 作者在学期间取得的学术成果5 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表2 1m m j i 判断网络状态的规则。1 5 表2 2 各类传输优化策略性能比较15 表3 1复杂拓扑下各种t c p 分组流的t c p 吞吐量与最佳窗口2 0 表3 2t c p r e n o 和b c w f t c p 线性链路下的吞吐量比较2 5 表5 1 测试参数3 9 表5 2 仿真参数表4 5 表5 3仿真参数表4 8 第1 v 页 3 1 一个7 跳直线拓扑1 8 3 2t c p 吞吐量仿真结果18 3 3 交叉拓扑1 9 3 4 栅格拓扑19 3 5t c p 窗口大小与分组丢失关系曲线一2 1 3 6 接力搬砖行为2 2 3 7m c c i 计算过程图：2 3 3 8w n d 调整示意图2 4 3 9 线性链式拓扑图2 5 4 1t c p 报文格式2 7 4 2 传统a c k 确认分组发送示意图2 8 4 3 修改后a c k 确认分组发送示意图2 9 4 4 压缩后的t c p 报文格式3 0 4 5 报头压缩算法流程图3l 4 6n = 4 时a c k 分组确认发送过程3 2 4 7 发送端拥塞窗口与r 1 盯7 关系曲线3 3 5 1n s 体系结构3 5 5 2n s 结合c + + 和o t c l 3 6 5 3n s 2 无线节点模型3 7 5 4 利用n s 2 进行网络模拟一般过程3 8 5 5 静态链式拓扑结构3 9 5 6 不同跳数下b c w f t c p 与t c p r e n o 、t c p f 吞吐量比较4 0 5 7 不同跳数下b c w f t c p 与t c p r e n o 、t c p f 稳定性比较4 l 5 87 7 栅格拓扑结构4 l 5 9 栅格拓扑中b c w f t c p 和t c p r e n o 、t c p f 吞吐量比较4 2 5 1 0 栅格拓扑中b c w f t c p 和t c p r e n o 、t c p f 稳定性比较4 2 5 1 l随机拓扑中不同移动速度时的t c p 吞吐量4 3 第v 页 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 直线拓扑中m t u = 5 0 0 时总报文数与交付延时比较4 5 直线拓扑中m t u = 5 0 时总报文数与交付延时比较4 5 直线拓扑中m t i j - - 5 0 0 时控制开销比较4 6 直线拓扑中m t u = 5 0 时控制开销比较4 6 直线拓扑中m t u = 5 0 0 时报头开销比较4 6 直线拓扑中m t u = 5 0 时报头开销比较4 7 动态拓扑中m t u = 5 0 0 时总报文数与交付延时比较4 9 动态拓扑中m t u = 5 0 时总报文数与交付延时比较。4 9 动态拓扑中m t u = 5 0 0 时控制开销比较4 9 动态拓扑中m t u = 5 0 时控制开销比较。5 0 动态拓扑中m t u = 5 0 0 时报头开销比较5 0 动态拓扑中m t u = 5 0 时报头开销比较5 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 a dh o e 网络是一种自组织、对等式、多跳无线移动通信系统，是未来无线网 络进行数据传输的主要理想手段之一。传统tcp 是一种针对有线网络而设计的传 输控制机制，它假设丢包全是由网络拥塞引起。但在a dh o c 网络中，其他因素如 信道误码、网络分割及路由变化等也会引起数据包的丢失，此时，传统t c p 协议 的慢启动和快速重传特性将导致网络传输性能下降。因此，必须对其加以改进优 化以适应a dh o c 网络环境。 本文首先简要阐述了当今a dh o c 网络传输优化的研究现状和存在的主要问 题，分析了针对t c p 拥塞控制的传输优化策略。在分析链路层竞争对t c p 性能影 响的基础上，利用t c p 与m a c 层的协作，重点提出了一个基于竞争窗口反馈的 t c p 优化算法一b c w f t c p ( b a s e do nc o n t e n t i o nw i n d o wf e e d b a c kt c p ) ，利用 m a c 层沿途各节点反馈的竞争窗口值，计算出信道竞争指数m c c i ( m a cc h a n n e l c o n t e n t i o ni n d e x ) ，通过信道竞争指数来自适应地调整t c p 发送方的最大发送窗 口，从而有效控制网络中的分组数量，降低信道竞争程度，达到提高t c p 吞吐量 和改善其稳定性的目的。 其次，针对a dh o c 网络中经常有大量短小报文传输这一情况，专门提出了一 种基于报头压缩和减少a c k 确认分组数量的传输增强方案一h c a d t c p ( h e a d e r c o m p r e s s i o na n da c k d e c r e a s et c p ) 。通过压缩报头传输中不改变的选项，增量 传输改变的选项，将报头压缩为原来大小的八分之一；同时修改传统t c p 的a c k 确认分组发送办法，将原来的逐个确认改为分批确认，大大地减少了网络中a c k 确认分组的数量。 最后，利用n s 2 网络仿真软件建立仿真试验环境，分别对b c w f t c p 和 h c a d t c p 的性能进行仿真评估。仿真结果表明，b c w f t c p 能够明显提高t c p 吞吐量，改善其稳定性。h c a d t c p 在短小报文的传输中能显著地节省网络开销， 提高网络传输性能。 主题词：a dh o c 网络，t c p 优化，竞争窗口，报头压缩，a c k 减少 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a b s t r a c t a dh o en e t w o r ki sak i n do fs e l f - o r g a n i z e d ，p e e rt op e e ra n dm u l t i h o pw i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw i l lb et h eo n eo fi d e a lt r a n s f e rm e a n si nw i r e l e s s n e t w o r ki nt h ef u t u r e t r a d i t i o n a lt c pi sam e c h a n i s mo ft r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l d e s i g n e df o rw i r e l e s sn e t w o r k ，w h i c hi tm i s i n t e r p r e t st h ep a c k a g e l o s so v e rt h e w i r e l e s sl i n k sa sc o n g e s t i o ni nn e t w o r k b u ti na dh o en e t w o r k ，o t h e rf a c t o r ss u c ha s c h a n n e le r r o r ，n e t w o r kp a r t i t i o na n dr o u t ec h a n g e sa l s oc a ni n v o k ep a c k a g el o s s ，a tt h e m o m e n ts l o w - s t a r ta n df a s tr e c o v e r yp r o p e r t yo ft r a d i t i o n a lt c pw i l ld e c r e a s et h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e s oi ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z i n gt c pt oa d a p tt h ea dh o e n e t w o r k s t h i st h e s i sg i v e sab r i e fr e v i e wo ft h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dm a i np r o b l e m o fo p t i m i z i n gt r a n s m i s s i o ni nt h ea dh o en e t w o r k sf i r s t a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h e c o n g e s t i o na n dc o n t r o lm e c h a n i s mo ft r a d i t i o n a lt c p ，s e v e r a lm a j o rs o l u t i o n sf o r o p t i m i z i n gt c pw e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d a u t h o rd i s c u s s e di nd e t a i lt h e i n f l u e n c eo fc h a n n e lc o n t e n t i o ni nt h em a c l a y e ru p o nt c pp e r f o r m a n c e u t i l i z i n gt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt c pa n dm a c l a y e r ，am e t h o df o ro p t i m i z i n gt c pb a s e do n c o n t e n t i o nw i n d o wf e e d b a c k ( b c w f t c p ) w a sp r e s e n t e d ，w h i c ha d a p t i v e l ya d ju s t e d t h et c pm a x i m u mw i n d o ws i z ea c c o r d i n gt ot h em a cc h a n n e lc o n t e n t i o ni n d e x ，i tw a s c o m p u t e db a s e do nt h em a c c o n t e n t i o nw i n d o w f e e d b a c k b yw a yo fc o n t r o l i n gt h e n u m b e ro ft c p p a c k e t si nt h en e t w o r ka n dd e c r e a s i n gt h ec h a n n e lc o n t e n t i o n ，t h e i m p r o v i n go ft h r o u g h p u ta n ds t a b i l i t yo ft c p w e r er e a l i z e d s e c o n d l y ，an e wt y p es c h e m eb a s e do nh e a d e rc o m p r e s s i o na n da c kd e c r e a s e ( h c a d t c p ) f o r i m p r o v i n g t h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e w a s p a r t i c u l a r l y p r o p o s e d ，w h i c ha i m e d a tal o t so fs h o r tp a c k a g e st r a n s m i s s i o ni na dh o e n e t w o r k s b y m e a n so fc o m p r e s s i n gt h es a m ec o n t e n t sa n dr e l a t e dt r a n s m i s s i n gt h ed i f f e r e n tc o n t e n t s i nt h eh e a d e r ，t h es i z ew a sc o m p r e s s e dt oo n ee i g h t ho ft h eo r i g i n a l ，m e a n w h i l ew e m o d i f i e dt h eo l dw a yo fs e n d i n ga c k p a c k e t sf r o mc o n f i r m i n go n eb yo n e t ob a t c h e s c o n f i r m i n g ，i tg r e a t l yr e d u c e d t h en u m b e ro fa c k p a c k e t si nt h en e t w o r k f i n a l l y ，w ed os i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nn s - 2s i m u l a t o rt ot e s t i f rt h ep e r f o r m a n c e o fb c w f t c pa n dh c a d t c p ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb c w f t c pc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h et h r o u g h p u ta n ds t a b i l i t yo ft c pa n dt h eh c a d t c pc a nr e m a r k a b l yc u t d o w nt h en e t w o r kc o s ta n dp r o m o t et h en e t w o r kt h r o u g h p u ti ns h o r tp a c k a g e s t r a n s m i s s i o ni na dh o en e t w o r k s 第i i 页 c o 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 无线通信技术的迅速发展已经成为当今不可阻挡的趋势，特别是以 i e e e s 0 2 1 1 为代表的无线局域网技术己经作为一种成熟网络接入方式广泛应用于 现场工作、会展、办公等诸多领域，各种无线接入设备也已经推向了市场。同时， 无线局域网也正向着更高速、更高可靠性、高安全性和支持多媒体服务的方向发 展。a dh o e 网络【lj 作为一种没有固定基础设施的无线自组织网络，己得到学术界 和产业界的广泛关注，研究成果和产品层出不穷，并逐渐在人们的日常生活中得 到应用。从近年来的发展观察，a dh o c 网络代表了未来无线通信领域发展的方向 之一，必将吸引人们更多的关注。当然，a dh o c 网络作为一种新型网络，存在着 很多问题，由于a dh o c 网络中的多跳无线传输和网络拓扑变化，t c p 性能较之有 线网络严重恶化。如何对传统t c p 进行优化改进以适应a dh o c 网络环境已经成 为当前a dh o c 网络研究的一个热点问题。 1 1 1a dh o c 网络的基本概念 a dh o e 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目标、 事件或局势而不为其他的”的意思。a dh o e 技术起源【l 】于2 0 世纪7 0 年代的美国 军事领域，它是在美国国防部高级研究计划署( d 燃) 资助研究的“战场环境 中无线分组数据网( p r n e t ) 项目中产生的一种新型网络构架技术。后来，d a r p a 又分别资助进行了抗毁可适应性网络( s u r a n ：s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 和全 球移动信息系统( g i o m o ：g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 两个项目的研究，以便能够 建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。a dh o e 技术就是吸取了p r n e t , s u r a n 以及g i o m o 等项目的组网思想，而产生的一种新型网络构架技术。无线 a dh o e 网络是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。在这种网 络中，网络的拓扑结构可以根据实际需求进行组织，所以在一部分研究中这种网 络又被称为无线a dh o c 网络( w i r e l e s sm u l t ih o pn e t w o r k ) ；而当网络中的节点都为 移动节点时又可称为移动a dh o c 网络( m o b i l ea dh o en e t w o r k ) 。为了防止混淆，本 文中将使用a dh o c 网络指代这两个名词。a dh o c 网络相对于传统的蜂窝网，他 不需要基站，所有的节点分布式运行，节点同时具有终端和路由器的功能，可接 收或转发分组。典型的a dh o c 网络如图1 1 所示： 第l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图1 1 典型a dh o e 网络结构 1 1 2 t dh o e 网络特点及应用领域 a dh o e 网络是以无线信道为传输介质的交换网络，它具有以下几个方面的特 占【l 】【l 】 ， ( 1 ) 无中心，自组织。 a dh o e 网络没有中心节点，所有节点地位平等，可随时加入和离开网络。各 个节点通过网络协议和分布式算法协调各自行为。 ( 2 ) 多跳路由 由于节点覆盖范围有限，当与覆盖范围以外的节点通信时需要中间节点转发。 ( 3 ) 动态拓扑 由于节点移动速度和模式多种多样，无线发送装置天线类型种类繁多、发送 功率变化、无线信道间相互干扰、地形和天气等各种因素影响，节点间通过无线 信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式与速度难以预测。 ( 4 ) 比特误码率高 受竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间的干扰等因素 的影响，移动终端获得的实际带宽远远小于理论带宽，且比特误码率远远高于有 线网络。 ( 5 ) 终端受限 移动终端存在能源受限、内存较小、c p u 处理能力较低和成本较高等缺点， 给设计开发和应用带来难度。 ( 6 ) 安全性差 由于采用无线信道、有限资源、分布式控制等技术，更加容易受到被动窃听、 主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。 a dh o c 网络潜在的应用很多，主要应用在以下几个方面： 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ( 1 ) 移动会议 在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过a dh o c 方式组成一个临时 网络来协同完成一项大的任务，或协同完成某个计算任务。 ( 2 ) 紧急救援 由于停电或其他灾害出现，网络基础设施遭到破坏时，组建一个a dh o c 网络 帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。 ( 3 ) 传感器网络 通过在传感器上装备位置指示器、a dh o c 收发器等，将传感器所在现场的信 息传送到现场以外。 ( 4 ) 军事无线通信 在现代化战场上，建立一个a dh o c 网络可以确保各种军事车辆之间、士兵之 间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成统一集中的指挥，协调 作战。 ( 5 ) 个人与商业应用 a dh o c 网络技术可以用于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设备的 通信，并可以构建虚拟教室、家庭无线网络、移动医疗监护系统等暂时的移动对 等应用。 1 2 课题的提出及研究意义 1 2 1a dh o c 网络研究的热点 无中心的a dh o c 网络在协议设计和组网方面都与现有的无线通信系统有着明 显的差异，综合而言，a dh o c 网络研究【i 】【l 】的热点有以下几个方面： ( 1 ) 网络体系结构：早期的a dh o c 网络主要是为数据业务设计的，没有对 体系结构做过多考虑，但是当a dh o c 网络需要提供多种业务和支持一定的服务质 量保障时，就应当考虑如何选择最为合适的体系结构，并需要对原有的协议进行 重新设计。 ( 2 ) 信道接入技术：信道接入技术控制着节点如何接入无线信道，对a dh o c 网络的性能起着决定性的作用。a dh o c 网络的无线信道不同于普通网络的共享广 播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道，它是多 跳共享的多点信道。此外，a dh o c 网络还存在独特的隐藏终端、暴露终端和入侵 终端等问题。 ( 3 ) 路由协议：路由协议是a dh o c 网络的重要组成部分。要实现无线多跳 路由，必须要有专用路由协议的支持。i e t f 成立的m a n e t 工作组目前主要负责 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a dh o e 网络i p 层路由的标准化工作。 ( 4 ) 传输层优化：在a dh o e 网络中，无线信道的衰弱、干扰、节点移动等 因素会造成报文的冲突和丢失，这将严重影响t c p 的性能。因此，在a dh o e 网 络中要对传输层服务( 比如t c p ) 进行修改，以满足数据传输的需要。 ( 5 ) 广播和组播：由于a dh o c 网络的特殊性，广播和组播问题也变得非常 复杂，它们需要链路层和网络层的支持。目前这个问题的研究已经取得了阶段性 进展。 ( 6 ) 服务质量保证：a dh o e 网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。随 着应用的不断扩展，需要在a dh o e 网络中传输多媒体信息。多媒体信息对带宽、 时延、时延抖动等都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。a d h o e 网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。服务质 量至今仍是研究的热点。 ( 7 ) 安全问题：a dh o c 网络的特点之一就是安全性较差，易被窃听和攻击。 因此，需要研究适用于a dh o e 网络的安全体系结构和安全技术。 ( 8 ) 网络管理：网络管理的范围较广，包括a dh o e 网络中的移动性管理、 地址管理、服务管理等。要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题。 ( 9 ) 网络互联技术：在很多场合下，a dh o e 网络要与其他网络互联。在有的 情况下，a dh o e 网络还要作为未端子网接入因特网。由于a dh o e 网络采用不同 的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行转换工作。 ( 1 0 ) 能耗节省问题：能耗问题是无线通信系统特别是a dh o e 网络能否大规 模应用的核心问题之一。可以采用自动功率控制机制来调整移动节点的功率，以 便在传输范围和干扰之间进行折衷：还可以通过休眠机制、采用合适的路由算法、 使用功耗小的硬件来减少能量消耗。这一点对军事应用和a dh o e 网络尤为重要。 1 2 2a dh o e 网络传输层优化研究现状 对网络而言，如何确保数据及时快速准确地传输，是一个至关重要的问题， 因为上层功能的实现都建立在可靠传输的基础之上。然而，目前存在很多问题却 无法保障a dh o e 网络传输性能的可靠性。因此，研究如何实现a dh o e 网络的传 输性能优化就显得分外重要。 无中心控制、多跳等特征使得a dh o e 技术面临着许多难题，虽然目前许多难 题己经有解决方案提出，但所有技术尚不成熟。a dh o e 网络设计中的一个关键问 题就是实现节点间的数据可靠传输，这通常由网络t c p 协议来保证。但是传统的 t c p 协议有针对有线网络设计的，它假定所有的丢包都是由网络拥塞引起的，这 在有线网络中是可行的，但在a dh o e 网络中，不仅网络拥塞会引起数据的丢包， 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 其他原凶如无线信道的错误、m a c 层对共享通道的竞争冲突和路由中断等都会造 成丢包现象。如果不加修改地把传统的t c p 协议应用到a dh o c 网络中去，就会 导致t c p 性能下降。因此，必须对传统的t c p 协议加以改进优化以适应a dh o c 网络。针对这一问题，近年来，研究者对此进行了大量的研究，提出许多优化策 略，重点集中在两个方面：基于网络内部反馈机制的改进策略和端到端的改进策 略，这些改进策略大多是针对传统t c p 协议应用在a dh o c 网络中某一方面的缺 陷，而对传输层内部反馈机制或者利用层与层之间的协作来实现相应的优化改进。 1 2 3a dh o c 网络传输层优化存在的主要问题 当前，a dh o c 网络传输层优化而临的主要问题【5 】【6 】有： 1 传输通道的易错性和丢包率。在无线网络环境中，由于空气作为传输介质， 传输有比较高的位错误率( b i te r r o rr a t e ) 。同时，由于信号电磁强度的减弱导致 较低的信噪比，信号的反射和衍射导致的振幅波动，相位改变等都会影响数据的 接收。通常，为了提高传输的成功率，在低层协议中会使用a r q ( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 技术，如i e e e s 0 2 1 1 。但是，突发的在单r 1 盯( r o u n dt r i pt i m e ) 中的 多个连续数据包的丢失和错误将导致发送端在r t o 时间内接收不到a c k 数据包 而最终调整拥塞窗口为l ，重新开始慢启动阶段，这使得t c p 发送率急剧下降。 2 m a c 层的竞争和冲突。基于竞争的媒体介质层访问方式，如i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议已经广泛地在a dh o c 网络的测试环境和模拟软件中使用，节点在发送 之前竞争共享的无线传输通道。i e e e s 0 2 1 l 中采用虚拟载波感知( v i r t u a lc a r r i e r s e n s i n g ) 的方法减轻隐藏终端问题，即通过r t s c t s 双向握手协议协同对介质的 访问。但是，在a dh o c 网络中仍然存在隐藏终端问题，这是因为包干涉所需的能 量比包分发要小得多。同时，m a c 协议中的指数等待机制使得最后成功传输的发 送者较容易得到新的发送机会，而导致了传输层的不公平。这些情况在多跳的情 况下会更加严重。 3 路由变化。节点的移动导致路由失败甚至网络重分。节点的移动导致连接 中断、网络的重新划分和路由失败，使得数据包丢失。有线网络中这种情况很少 发生，但在a dh o c 网络中是经常发生的。移动会导致路由失败，同时，由于链路 层的竞争而重复传送的失败也会导致路由失败。路由重建的时间取决于下层的路 由协议，这将导致r t t 的剧烈扰动，r t o 的计算也因此不准确。由于t c p 不知 道数据包的丢失原因，仍采用拥塞控制机制减少发送率，同时r t o 的错误计算导 致不必要的包重传和拥塞窗口的调整。 4 路径的非对称性。路径的非对称表现在三个方面：带宽的不对称，丢包率 的不对称和路由不对称。带宽不对称是因为节点间采用了不同的传输率。由于带 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 宽的不对称可能导致丢包率的不对称，如反向丢包率大于正向丢包率。路由的不 对称指发送包经过的路径可能与响应包( a c k ) 不同，这可以由不同的无线网卡 的性能或传输能量导致。研究表明，在多点路径中t c p 的吞吐率随着路径点的增 加而急剧下降。 5 网络拥塞。由于传输信道的容量限制和多个移动节点的聚集，m a c 层的 延迟变化，路由的改变等，使得当前的拥塞窗口大小与路径的容量不匹配，导致 拥塞。研究证明竞争节点的增加会导致a dh o c 网络容量减少。 6 算法的能量效率。由于移动节点的能量限制，在设计新的改进方案时需要 考虑到能量的效率。在不能充电的情况下，能量的效率对网络的生命周期至关重 要。能量策略可以在多个层次实现。 7 网络安全。a dh o c 网络中t c p 同样也面临安全的问题，同时，改进算法 的安全性，是设计算法需要考虑的问题。由于这些新问题的存在，t c p 在a dh o e 网络中的吞吐率性能，以及其他性能如稳定性，公平性，以及安全性都受到了影 响，存在一定的问题。 本文主要研究m a c 层的竞争和冲突对传输性能的影响，利用m a c 层与传输 层的协作，提出传输优化算法。 1 3 课题主要工作和贡献 本文对a dh o c 网络的传输层优化技术进行研究，提出两种新的传输优化方案， 主要工作有： 1 阅读了大量的文献，研究国内外现有的a dh o e 网络传输优化策略，对这些 策略进行归类阐述，指出各类策略的优点和缺点。 2 提出新的a dh o c 网络传输优化策略- - b c w f t c p ，该策略通过传输层与 m a c 层之间的协作，利用沿途节点竞争窗口的反馈，计算出链路层信道竞争指数， 通过信道竞争指数自适应地调整t c p 发送端的最大窗口的跨层方法，以控制网络 中分组的数量，减少信道竞争，最终提高网络传输的吞吐量和稳定性。 3 针对a dh o c 网络中大量短小报文传输的实际，提出了一种基于报头压缩和 a c k 分批确认的优化算法一h c a d t c p ，通过压缩传输过程中固定不变的报头选 项，减小报头长度，降低头部开销，同时实行一对多的a c k 分批确认机制，减少 网络中的a c k 数量，最终实现传输效率的提高。 4 研究n s 2 仿真器，在n s 2 上对提出的传输优化技术进行验证，研究结果 表明所验证的技术能明显地改善a dh o c 网络中t c p 性能。 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 4 论文结构 本文内容分为六章： 第一章，绪论，介绍a dh o e 网络的概念和主要特点、论文的研究背景、主要 内容，阐述课题研究的重要意义。 第二章，分析当前a dh o c 网络传输优化研究的现状，对现有的优化策略进行 总结归纳，重点介绍几种典型的传输优化策略，并对它们进行对比分析。 第三章，利用传输层与m a c 层的协作，提出了一种新的传输优化策略一 b c w f t c p 。通过沿途各节点竞争窗口值的反馈，计算出信道竞争指数，发送端根 据信道竞争指数调整发送窗口，控制传输分组的数量，达到降低信道竞争，改善 t c p 性能的目的。 第四章，针对a dh o e 网络中大量短小报文传输的实际，提出一种专门适应于 a dh o c 网络短小报文传输的报头压缩和减少a c k 数量的优化方案。具体方法包 括两个方面：一是压缩报头在传输过程中固定不变的选项，增量方式传输改变的 选项，实现对报头的精简压缩。二是减少t c p 中的a c k 确认分组数量，每收到 四个数据分组，回复一个a c k ，从而降低控制开销，提高网络传输效率。 第五章，对所提出的传输优化策略和报头压缩技术进行实验仿真和性能分析。 分别设置简单的静态直线拓扑结构和复杂的动态拓扑结构，在两种拓扑结构下对 提出的优化方案进行仿真验证，仿真结果证明，所提方案能明显提高网络传输的 性能。 第六章，工作总结与展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章a dh o c 网络传输优化策略研究 2 1 传统t c p 拥塞控制机制 拥塞控制机制是t c p 协测7 j 的核