（计算机应用技术专业论文）多跳无线局域网移动主机为中心的传输控制协议.pdf

摘要 随着无线技术的不断发展，越来越多的用户选择通过无线局域网( w l a n ) 接入互联网；这一趋势使得提高无线宽带接入的质量逐步成为了研究热点。近年 来，在w l a n 的基础上出现了多跳无线局域网( m u l t i h o pw l a n ) ，其传输层 协议性能也引起了大量研究人员的关注。研究传输层协议在m u l t i h o pw l a n 场 景下的表现顺应无线网络发展的趋势，具有重要的意义。 为提高无线网络中传输层协议的性能，我们提出了以移动主机为中心的传输 控制协议( m c p ：m o b i l e h o s t c e n t r i ct r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 。当移动主机为发送端 时，m c p 协议采用以发送端为中心的控制机制；当移动主机为接收端时，m c p 协议采用以接收端为中心的控制机制。课题组前期工作设计并在仿真软件n s 2 和实验床上实现了m c p 协议。本文主要针对m u l t i h o pw l a n 场景，使用跨层 设计，并增加m c p 头部，对m c p 协议进行了改进。 在m u l t i h o pw l a n 场景中，改进的m c p 协议使用跨层机制收集无线节点 m a c 层的丢包信息和接口队列的丢包信息作为反馈信息。为了将无线节点的反 馈信息带回无线端节点进行处理，我在每一个数据包的t c p 头部和i p 头部之间 加入了m c p 头部。无线节点在存储转发数据包或确认包( a c k ) 的过程中，将 提取与该包来自同一条流的丢包反馈信息，并将其填充到该包的m c p 头部中。 最终，所有无线节点的丢包反馈信息都将随着数据包或a c k 包的传递返回到无 线端节点。无线端节点将根据这些反馈信息对数据的发送进行相应地调整。 我在仿真软件n s 2 中实现了m c p 协议跨层改进机制，并在m u l t i h o pw l a n 场景中对其进行了性能评价。仿真结果表明，在基本不影响公平性的前提下，加 入了跨层改进机制的m c p 协议比广泛使用的t c pr e n o 协议，在数据流吞吐率 方面有显著的提高。 关键词：多跳无线局域网t c p 协议m c p 协议跨层吞吐率 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，m o r ea n dm o r eu s e r sc o n n e c tt o i n t e r n e tt h r o u g hw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) ，w h i c hm a k e st h eq u a l i t yo f w e a ns e r v i c et ob e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c s i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i h o p w e a nh a sb e e nc o n f t r m e d 嬲an e wp r o g r e s st r e n do fw l a n h o w e v e r t h e p e r f o r m a n c eo ft r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l si nm u l t i h o pw l a n i ss t i l ld i s s a t i s f a c t o r y t h e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i n ga n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sp e r f o r m a n c ei s n e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n t i no r d e rt oi m p r o v et h et r a n s p o r tp r o t o c o lp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r k s ，w e p r o p o s e dan e wt r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，n a m e dm o b i l e - h o s t - c e n t r i ct r a n s p o r t p r o t o c o l ( m c p ) w h e nt h em o b i l ew i r e l e s sn o d e sp l a ya ss e n d e r , m c pe m p l o y s s e n d e r - c e n t r i cc o n t r o lm e c h a n i s m m e a n w h i l e ，i ft h em o b i l en o d e sa r er e c e i v e r ，m c p w i l le m p l o yr e c e i v e r - c e n t r i cc o n t r o lm e c h a n i s m t h ep r e v i o u sw o r ko fo u rg r o u p d e s i g n e dt h ea r c h i t e c t u r eo fm c pa n di m p l e m e n t e di ti nn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r ma n d t e s t b e de n v i r o n m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ee n h a n c e dm c pb yu s i n gc r o s s - l a y e r d e s i g n ，a n di n t r o d u c e dt h i sp r o t o c o li n t om u l t i h o pw l a n i nm u l t i - h o pw e a n ，e a c hi m p l e m e n t a t i o no fm c pa te a c hn o d ew i l lr e c o r dt h e p a c k e t - d r o pi n f o r m a t i o nf e db a c kf r o mi t sm a cl a y e ra n d i n t e r f a c eq u e u e i no r d e rt o c o l l e c tt h i sp a c k e t d r o pi n f o r m a t i o ni ni n t e r m e d i a t en o d e sa n df e e dt h e mb a c kt ot h e m o b i l en o d e s ，am c ph e a d e ri sa d d e db e t w e e nt c ph e a d e ra n di ph e a d e ri ne a c h p a c k e t w h e nt h ei n t e r m e d i a t e n o d e sf o r w a r dad a t ap a c k e t ，t h ep a c k e t - d r o p i n f o r m a t i o nw i t ht h es a m ef l o wi dw i l lb ee x t r a c t e da n dr e c o r d e di n t ot h em c p h e a d e ro ft h a tp a c k e t a sar e s u l t ，a l lp a c k e t - d r o pf e e d b a c ki n f o r m a t i o nw i l la r r i v ea t t h em o b i l en o d e ，a n dt h es e n d i n gr a t ec a nb ea d j u s t e db yt h i sn o d ea c c o r d i n gt ot h e f e e d b a c ki n f o r m a t i o n w ei m p l e m e n t e dm c pi nn s 2a n de v a l u a t e di t sp e r f o r m a n c ei nm u l t i h o p w l a ns c e n a r i o s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm c pc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h et h r o u g h p u t ；m e a n w h i l ef a i m e s sw i l ln o tb ei m p a c t e dt o om u c h k e yw o r d s ：m u l t i h o pw l a n ，t c pp r o t o c o l ，m c pp r o t o c o l ，c r o s s 1 a y e r , t h r o u g h p u t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含必获得叁兰盘堂或其他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中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：髑 签字日期： 力静3 年 月- 3b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁茎有关保留、馊用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适臻本授权说明) 靴敝储戳：胁 签字日期：冲呓年 舌月 弓e l 翱躲缛撩 签字目期：年月圈 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 通过无线宽带接入互联网的方式已经越来越多的进入了人们的生活，如何改 善无线宽带接入的质量成为了现在的研究热点问题。在实际使用着的无线互联网 络审仍然沿用传统的有线网络中所使用的协议。有线网络中使用的这些协议更多 的是针对有线网络的特点设计的，比如传输层协议。同有线网络相比无线网络有 其特殊性，在很多时候直接移植过来的有线网络中的协议并不能在无线环境下很 好的工作，很多国内外研究者在着手或者已经展开无线网络方面的研究工作。研 究移动无线宽带接入互联霹的基础理论与关键技术具有重大的科学和经济意义。 在实际无线网络中应用的传输层协议仍然是传统的t c p e l 】协议( 传输控制协 议) 。t c p 协议是一个典型的广泛应用于有线网络中的传输层协议，由于有线网 络具有低出错率高拥塞的特点，t c p 协议被设计成一垦发生丢包霹认为网络中发 生拥塞，从面采取调整拥塞窗口，拥塞阈值，快速恢复等策略，使得t c p 协议 能够很好的在有线网络中工作。但是无线网络中不仅存在拥塞丢包，更多的是无 线网络状况导致的随机丢包，t c p 协议无法区分丢包发生的原因，哭采用单一的 拥塞策略进行丢包处理，使得t c p 协议应用于无线网络中性能不尽如人意。 m c p 2 协议正是针对t c p 协议的问题而提出的应用于无线网络的传输层协议， 它将传输控制机制全部放置在了解无线传输信息的无线主机上，这样在一定程度 上改进了无线网络中传输层协议的性能。 已经存在很多的研究方法和手段研究如何改进无线网络性能。m u l t i 。h o p w l a n t 习是w l a n 4 1 网络的一种扩展结构，传输层协议在m u l t i h o pw l a n 下的 性能表现也露时成为了研究热点之一。研究m c p 协议在m u l t i h o pw l a n 场景 下的表现顺应无线网络发展的趋势，具有重要的意义。 1 2 项目背景 本课题是国家自然科学基金支持的研究项目“宽带无线互联网高性能、高可 靠传输模型和控制方法研究”和“高速宽带无线i p 网络性能与服务质量研究 ( 第二期) ”资助下进行的。主要研究无线互联弼跨越多跳无线链路和有线甄 第一章绪论 联网，实现无线宽带接入互联网环境下，高可靠、高性能传输协议模型和相关算 法。 在项目中提出了以移动主机为中心的互联网传输层协议( m o b i l e - c e n t r i c t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，简称m c p 协议。研究m c p 协议的控制模型、研究多种传 输介质混合异构网络业务流动力学问题，移动控制理论，提出相应拥塞控制算法。 研究无线网络底层和传输层相结合的跨层控制问题、无线网络传输层公平性问 题、无线网络传输层安全性问题以及m c p 协议与t c p 协议和u d p 协议友善共 存等问题。综合运用数学模型、计算机仿真和网络实验等手段，对新协议、策略 和算法进行研究和性能评价。 1 3 论文的工作 本项目前期工作已经完成了m c p 协议的设计、仿真和实现。在此基础上本 文主要完成了如下工作： a ) 基于课题组以前的研究工作【孓9 1 ，进一步完善m c p 协议的传输控制原理。 b ) 提出m c p 头结构，用来完成跨层反馈信息的存储和传递。 c ) 提出m u l t i h o pw l a n 环境下，移动主机为发送端，m c p 协议的跨层反 馈机制及传输层控制策略，并在仿真软件n s 2 【l o j 平台下实现。 d ) 提出m u l t i h o pw l a n 环境下，移动主机为接收端，m c p 协议的跨层反 馈机制及传输层控制策略，并在仿真软件n s 2 平台下实现。 e ) 在大量不同场景下，对m c p 协议跨层改进机制进行仿真，并详细分析仿 真数据，对改进的m c p 协议进行性能评价。 1 4 论文的结构 本文的组织结构如下：第一章主要介绍了课题的研究背景和项目背景：第二 章对m u l t i h o pw l a n 环境进行了简单的介绍同时对于当前国内外对无线网络传 输控制协议的研究工作进行了简要说明；在第三章中简述了以移动主机为中心的 传输控制协议( m c p ) 的原理及其特点；第四章给出了m u l t i h o pw l a n 场景 中，m c p 头部结构描述，以及当移动主机为发送端的时候，m c p 协议的跨层改 进机制，传输层调整策略及其在仿真软件n s 2 下的实现；第五章中，给出了 m u l t i h o pw l a n 场景中，当移动主机为接收端的时候，m c p 协议的跨层改进机 制，传输层调整策略及其在仿真软件n s 2 下的实现；第六章在m u l t i h o pw l a n 2 第一章绪论 场景下，对加入跨层改进方案的m c p 协议进行了性能评价；第七章对全文进行 了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 2 1m u l t i h o pw l a n 的特点 现有的无线网络包括两种基本形式，一种是w l a n 形式的无线网络，一种 是纯的a dh o c i l l 】无线网络。w - l a n 网络由一跳无线网络，a p ( 接入点) 和多跳 有线网络组成，当无线节点需要和有线节点进行通信的时候，中间必须要经过 a p 节点进行数据的转发。a dh o c 是一种纯无线网络，仅由无线节点构成，节点 之间的距离如果在彼此通信范围内则可以直接进行通信，如果节点间的距离比较 远，超过了直接通信范围，则可以通过中间的无线节点帮助转发数据，达到节点 间通信的目的。w l a n 网络实现了无线网络与有线网络的连通，但是其一跳无 线网络的约束条件限制了无线网络范围，而且无线节点间通信必须要经过a p 的 转发才能进行，这些问题使得其应用主要在无线节点比较固定的场景中。a dh o c 网络则克服了w l a n 网络移动性差，需要a p 转发的缺点，解决了长距离节点 间进行通信的问题，但是a d h o c 网络也存在其缺点即其网络中只存在无线节点， 无法与有线网络连接进行通信。 w i r e l e s sn o d e s ， 妓w i r e dn o d e s 图2 - 1m u l t i - h o pw l a n 网络结构示意图 4 第二章m u l t i - h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 m u l t i h o pw l a n 是一种涵盖了w l a n 网络和a dh o e 网络的一种复合式网 络结构，其基本组成结构如图2 1 所示。在m u l t i h o pw l a n 网络中有三种节点， 分别是无线节点，有线节点和a p ，它兼具w l a n 网络和a dh o e 网络的特点。 在m u l t i h o pw l a n 网络中无线节点之间可以采用直接通信的方式，也可以采用 通过无线节点进行转发通信的方式。当无线节点需要同有线网络进行通信的时 候，它必需要通过a p 才能访问有线网络。 m u l t i h o pw l a n 场景可以由若干无线节点，有线节点和多个a p 组成，每 一个无线节点需要选取任意一个a p 作为它同有线网络通信的中转站，当无线节 点移动远离它选取的a p 的时候，它可以放弃原有的a p ，在它通信范围内再次 选取代理a p 。本文只研究一个a p 的m u l t i h o pw l a n 网络，研究场景如图2 1 所示，由若干无线节点，有线节点和一个a p 组成，a p 作为图中所有无线节点 同有线节点进行通信的中转。当无线节点距离a p 较远的时候，它可以通过多跳 无线节点的转发，再通过a p 传输到有线网络中去。 2 1 1m u l t i h o pw l a n 的优点 点： m u l t i - h o pw l a n 网络同单一的w l a n 网络和a dh o e 网络相比，有如下优 扩大无线覆盖范围并减少布设成本 在单一的w l a n 网络中，无线节点只有移动到某个a p 的覆盖范围 内，才能够得到无线网络的服务。在m u l t i h o pw l a n 网络中由于a dh o e 机制的使用使得无线服务的覆盖范围被扩大。当某一无线节点移动到没 有a p 覆盖的区域的时候，对于w l a n 网络来说，该节点将无法进行通 信，但是在m u l t i - h o pw l a n 网络中，则可以通过其它的无线节点将数 据包路由到a p 再转发出去。最可靠的方法仍然是在没有a p 覆盖的地方， 设置a p 用来提供服务，但是这样的话就需要更多的花费，以及设备的 架设等工作，这种方式对于临时扩大的网络来讲，经济效益就会很低。 而m u l t i h o pw l a n 网络则提供在这种情况下进行通信的可能性，而且 这种网络不需要布设多个a p ，组网和拆网的过程相对更加简单和方便， 同时不需要更多的花费，无论在经济性还是便捷性方面m u l t i h o pw l a n 网络都要更加优越。 增强数据传输性能 在w l a n 中无线节点无论与有线节点还是同无线节点进行通信都 必须要经过a p ，而在m u l t i h o pw l a n 网络中由于有a dh o c 机制的支 持，无线节点通信的路由选择将会存在多种可能性，无线节点在选择路 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 由的时候可以使用各种不同的策略来选路，可以选择无线节点帮助进行 数据包的转发，也可以选择a p 进行转发。 例如，如果某个无线节点正常情况下可以同a p 直接通信，如果在 能量比较低的时候，它可以选择旁边的邻居节点代为转发数据包，而不 是直接发送给a p ，这样的话由于该无线节点与邻居节点的距离比较近， 就可以使用比较小的发送功率发送，同时接收节点由于距离近的缘故， 可以更加清晰的接收信号。由于i e e e8 0 2 1 1 协议【1 2 】规定m a c 层采用可 变速率进行数据包的发送，如果距离比较远，信号不是很清晰的话，m a c 层发送速率就会降低，相反，如果距离比较近，信号比较好，就会以比 较高的速率进行数据的发送。因此如果选择邻居节点进行转发的话，还 可以使用比较高的m a c 层速率进行数据的发送。这样不仅减少了传输 消耗，还能获得高质量的传输效果。 灵活的在a dh o e 和w l a n 模式间进行切换 m u l t i h o pw l a n 网络兼顾了a dh o e 网络和w l a n 网络，其中的无 线节点可以在a dh o e 和w l a n 中任意选择通信方式，如果无线节点间 需要进行通信，就可以选择a dh o c 模式，这样做可以减少a p 的工作量， 减小a p 发生拥塞的可能性，缩短传输用时，尤其在节点进行移动的时 候，a dh o c 传输模式更加有利于数据传输。当无线节点需要同有线网络 进行连接的时候，则可以改变到w l a n 模式下，通过a p ，连接到有线 网络中去。因此在m u l t i h o pw l a n 网络中，为了便于无线节点数据传 输，无线节点可以在a dh o e 和w l a n 两种方式下任意切换，进行数据 通信。 2 1 2m u l t i - h o pw l a n 的缺点 m u l t i h o pw l a n 网络是一种复合式网络，其复杂性使得它同单一的w l a n 网络或a dh o e 网络相比，有如下缺点： 增加信道竞争压力 在w l a n 网络中，无线节点通信只需要一跳到a p 就可以完成无线 网络部分的传输过程，而在m u l t i h o pw l a n 网络中，由于可能存在不 同的路由协议，或者源节点与a p 的距离过远，导致需要经过多跳才能 到达a p ，而无线信道不能同时使用的特点使得只有跳数大于三跳以上的 节点间才能并行传输数据，否则的话，如果其中某一段正在传输数据， 其它节点只能等待，直到传输结束，才能再次竞争信道发送数据。这样 势必会增加传输节点附近的信道竞争压力。如果原本一跳可以到达a p 6 第二章m u l t i - h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 的数据包，由于选取的路由协议的原因，需要多跳才能到达a p ，数据包 在无线网络中的传输时间则会根据跳数的不同会有几倍甚至更多的差 距。信道竞争压力的增加和传输时间的增加将有可能对源节点的数据吞 吐率造成一定程度上的影响。 增加了无线节点的资源消耗 数据包经过多跳转发会引起中间路由器节点的资源的消耗，比如电 池能量，带宽等等。当一个节点在a p 通信范围内，但是由于本身能量 不足而使用周围节点进行转发的时候，不仅增加了传输的路程，同时还 消耗了转发节点的资源，尤其是无线节点比较珍贵的电力资源，这样就 增加了作为路由器节点的资源的消耗。 而且在进行多跳转发的时候并没有给作为路由器的无线节点任何形 式的奖励，作为路由器的无线节点可以选择是否开通转发其它无线节点 数据包的这项业务。如果不开通的话多跳转发的机制将会退化成类似在 w l a n 网络中的单跳发送机制。这里可以考虑一种m u l t i h o pw l a n 中 的奖励机制，该机制为每一个志愿进行数据转发的无线节点给予一定程 度的奖励，鼓励资源比较充沛的节点充当中间的路由器节点【l 引。 可能存在安全问题 允许中间节点进行数据包的转发将会引入潜在的安全隐患。在单跳 w l a n 网络中，无线节点直接同a p 进行通信，没有中间过程，减少可 能被窥探的风险。在m u l t i h o pw l a n 网络中，由于数据包的传递需要 经过若干跳才能到达a p 或者其它无线节点，数据包中的信息可能会被 不怀好意的中间节点截获，造成信息的丢失和暴露，使得信息的安全传 递成为了一个重要问题【1 4 1 。现在已经有了一些安全机制和加密算法可以 用来加强无线信息的传递安全性，已经很大程度的改善了w l a n 网络和 a dh o c 网络的安全性，在m u l t i h o pw l a n 网络中可以通过类似方法解 决存在的安全问题。 2 2 无线网络传输层协议的研究现状 在无线网络中使用的传输层协议仍然是广泛使用的t c p 协议。t c p 1 5 - 1 6 协 议使用丢包作为网络拥塞的判断依据，当发生拥塞的时候，启动拥塞控制算法， 通过减小拥塞窗口和慢启动阈值降低发送速度。但是在无线网络环境中，信道误 码率高，带宽低，再加上移动性及能量有限等特性，丢包不完全由网络拥塞造成。 此时，t c p 协议盲目的因丢包而降低发送速度会造成性能的大幅度下降。 7 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 在无线网络中引入了t c p 协议以后，其缺陷随即暴露出来，对于无线网络 中t c p 协议的改进研究也随之开始。思路之一是在底层进行改动，这样的话就 对传输层屏蔽了与拥塞无关的丢包，而不需要对已有的传输层协议的实现做任何 改动。这种方法的特点是哪里出现的问题就在那里解决，解决问题采用的措施对 于传输层是屏蔽的。采取这种改进方法的协议都试图弥补无线链路的缺点，使得 从传输层协议角度看起来，其拥有有线链路的特性，是高质量的，但是缺点是减 小了有效的传输带宽。思路之二是让传输层知道无线链路的存在，在无线链路上 出现的问题，传输层直接参与解决的过程。这样传输层协议就可以在整体上掌控 传输过程，无论底层采用的是何种链路。还有将上述两种方法有效结合起来的综 合方法，力图获得更好的改进效果。 文献【l 卜坶j 中对无线网络中t c p 协议改进方法进行了分类，下面将从分裂连 接的解决方案、传输层端到端的解决方案、使用跨层方法的解决方案等几个方面， 简要介绍目前国内外对无线网络中t c p 协议改进方法的研究。 2 2 1 分裂连接的解决方案 分裂连接的解决方案是将一个t c p 连接在a p 节点处分成两个连接，一个连 接是有线节点到a p 之间的连接，另一个是a p 与无线节点之间的连接。通常情 况下，在有线节点到a p 的连接中使用标准的t c p 协议进行传输控制，而在a p 与无线节点之间的连接则使用特殊的传输控制协议。 比较著名的分裂连接解决方案之一为i _ t c p 2 0 1 协议，它的主要机制在a p 上 实现，该方案只适用于从有线节点向无线节点进行数据传输。a p 负责在收到有 线发送端发送的数据包之后，立即反馈a c k 给发送节点，并将该数据包缓存起 来，同时将数据包发送给无线接收端。在发送到接收端的过程中，如果发送不成 功，由a p 负责数据包的重发，直到接收端正确接收为止。该协议在a p 和无线 节点之间使用的是特殊的传输层协议。这种方法的缺点是违反了t c p 协议的端 到端语义，在w l a n 场景中a p 是整个路径上的瓶颈，该方法更增加了a p 的 复杂性，而且很难在真实的网络中实现。 m t c p 2 l 】协议是另一个使用了分裂连接方法的协议。该协议的特点是保持 了t c p 协议的端到端语义，主要针对无线链路发生断路这一问题而提出的。在 从有线节点到a p 的连接中使用标准的t c p 协议，在从a p 到无线节点这段连接 中，采用m t c p 协议。当链路发生传输中断的时候，无线节点的m - t c p 模块首 先获得消息，将所有的定时器都冻结。当链路恢复之后，再恢复所有的定时器， 从断开时的状态开始继续数据传输。而当a p 发现无线链路中断的时候，它会冻 结有线节点的发送状态。当a p 检测到无线链路恢复之后，再通知有线节点继续 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输豢协议的研究现状 进行传输。m - t c p 协议的缺点是其算法并不完整，需要底层丢包恢复策略进行 支持。 2 2 。2 传输层端到端解决方案 传输层端到端的解决方案通常只需要修改发送端和接收端的实现即可完成， 焉不需要中闻节点或者网络底层褥支持。传输层端到端的解决方案有很多秘，其 中比较有特色的是t c ps a c k ，t c pw e s t w o o d ，t c pv e g a s ，r c p 这几个协议。 t c ps a c k 瞄堋协议使用了n a c k ( n e g a t i v ea c k ) 机制，当接收端接收数据 包的时候发现有数据包乱序到达，则接收端将会查找弓| 起乱序的数据包号，一量 找到，则接收端认为该数据包在传输过程中发生丢失，接收端会根据该丢包的信 息产生一个请求a c k 包，发送到发送端，发送端在收到该请求a c k 包以后， 会根据请求信息重薪发送丢失的数据包。这个协议的优点是明确的告知发送端丢 失的数据包，丽不是让发送端通过重复的a c k 进行判断，可以避免在单个窗口 中出现多个丢包而t c p 协议无法完全恢复的情况，这种情况通常会严重影响t c p 协议的性能，而s a c k 协议则很好的解决了这一问题。 t c pw e s t w o o d 2 5 】协议是一个对t c p 进行改进的端到端的传输层解决方案。 它在t c p 的发送端，通过监测返回的a c k 的速度来估计可用带宽。然后用估计 带宽计算拥塞阶段的拥塞窗口和慢启动的阈值，当发生三个重复a c k 的时候， t c pw e s t w o o d 会将慢启动阙值设为估计的当前可用带宽，如果拥塞窗口大于该 估计带宽值，那么也同时将拥塞窗口设为估计带宽；当发生超时的时候，将慢启 动阈值设为估计的当前可用带宽。 t c pv e g a s l 2 6 协议同样也是个对t c p 协议进行改进的端到端的传输层解决 方案。它的主要思想是根据数据包传输r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 的变化，判断网 络的发展趋势，主要有三个创新点。首先v e g a s 根据当前时间与收到的重复a c k 包中时间戳之间的间隔与超时时间进行对比，如采魄超时时闻长，则认为网络中 发生丢包，这种方法将丢包恢复需要的3 个重复a c k 包缩短到2 个或者1 个。 其次，v e g a s 使用数据包的r t t 变化来判断当前网络的状况，如果观察到的i 唧 变大，则认为网络开始拥塞，需要减小发送窗口，相反如果观察到的r 1 陌变小， 则认为网络有剩余带宽可以使用，增加发送窗口大小。原始t c p 协议只是根据 丢包来判断网络状况，v e g a s 则在拥塞发生前就完成了发送窗口的调整，避免拥 塞丢包的发生。再次v e g a s 扩展了慢启动机制，在慢肩动阶段v e g a s 发送窗口增 长速度为t c pr e n o 蔚半，这样就可以充分利用上述机制判断溺络状况。因此 t c pv e g a s 协议非常依赖网络r t t 的变化，丽r t t 在无线网络中是非常不稳定 的，所以在第六章给出的结果中可以看到，在无线网络中v e g a s 协议的性能就会 9 第二章m u l t i h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 变得比较差。 r c p 2 7 】协议是由美国乔治亚理工大学的h u n g y u nh s i e h 等人在2 0 0 3 年提出 的。该协议的特色是以接收端为中心进行控制，而传统的传输层控制协议，如 t c p 协议则是以发送端为中心进行控制。除了将控制中心由发送端转移到接收端 外，r c p 协议在控制方法和策略方面完全模仿t c p 协议。同时作者只是集中讨 论了，移动节点作为接收端从有线网络下载数据的场景。虽然文中指出移动节点 与无线链路直接相临，以接收端为中心进行控制的r c p 协议可以提供更好的丢 包恢复，拥塞控制和能量管理，作者却没有给出具体应用移动节点处的信息改进 传输控制的方法。 2 2 3 使用跨层方法的解决方案 使用跨层的方法对传输层性能进行改进，是现在无线网络研究的一个热点之 一。使用跨层的方法进行改进具有实现简便等特点，因此应用跨层的方法对无线 网络传输层进行改进得到越来越多的研究者的青睐。 x c p 2 8 - 3 0 协议已经成为了一个标准r f c 协议，该协议设计了一套基于路由 层反馈信息的拥塞控制系统，采用直接的，明确的路由层反馈信息反映网络中的 拥塞状况。该协议的特点是区分了有效性控制( e c ) 和公平性控制( f c ) 。e c 算法的主要功能是计算中间节点剩余的带宽，f c 算法则采用a i m d 的方法把e c 算法计算出的结果为每一条经过该节点的数据流公平的分配剩余带宽。 v c p 3 l 】协议是在x c p 协议的基础上，提出的一种可变结构拥塞控制策略。 每个路由器每隔一段时间将计算一个“负载因子”以此反映网络的拥塞程度，该 拥塞程度被量化为三个阶段，分别是低负载、高负载和过载，每一个阶段使用两 个比特来表示，这两比特的拥塞反馈信息被放置在i p 头的e c n 位上。发送端则 提取出e c n 位的反馈信息，根据所对应的负载因子，执行不同的拥塞控制算法。 与其他的显式拥塞控制协议相比，v c p 仅使用两个比特位，但是仍获得了较好的 性能。 m c p 提出了一种适用于无线网络的传输层协议，该协议将以接收端为中心 的传输层协议和以发送端为中心的传输层协议有机集成。由于移动主机可以更直 接的获得自身的状态信息，m c p 协议相对于传统的t c p 协议在丢包恢复，拥塞 控制，功率控制和切换等方面有着比较明显的优势。为了使m c p 协议更好的适 用于无线网络，添加了跨层机制增强m c p 协议的性能。 2 2 4 各种传输层解决方案的比较 采用分裂方式的解决方法虽然在一定程度上解决了无线网络问题带给传输 1 0 第二章m u l t i - h o pw l a n 的特点及无线网络传输层协议的研究现状 层的影响，但是它的局限性很大，比如它的传输方向只能由有线节点向无线节点 进行发送，而且它只适用于w l a n 网络环境，只能对于一跳的无线传输进行改 进。端到端的方式则不同，由于其只修改了发送端和接收端的传输层协议，中间 节点和网络底层都没有改变，因此端到端的传输层改进方案适用于包括有线网 络，w l a n 和m u l t i h o pw l a n 等网络。但是它的缺点也很明显，由于不涉及底 层的信息，它无法知道网络丢包发生的确切原因，也无法知道当前网络传输的具 体状况，它只能靠传输层的若干参数对于网络的状态进行估计，这样，就没有办 法准确的对于传输进行控制，所获得的效果就不会很明显。 与上述方法进行比较而言，采用了跨层方法的改进效果要更加的明显，因为 跨层信息明确的告知了传输层当前网络传输的状况，无论丢包信息，信道当前状 况，传输层都可以明确的获得。因此通过这种方法在纯无线网络或者无线网络和 有线网络共存的场景中可以获得比较好的改进。但是这种方法通常需要中间节点 的配合，这就在一定程度上增加了中间节点的负担。 2 3 小结 这一章主要介绍了m u l t i h o pw l a n 网络，及其优缺点。m u l t i h o pw l a n 场景扩大了通信范围减少了架设硬件所带来的经济上的花销，同时也增强了数据 的传输性能，能够灵活的在w l a n 和a dh o c 两种传输模式之间进行切换。所以 m u l t i h o pw l a n 网络的研究已经成为了当前网络研究的热点之一。在这一章中 还介绍了当前无线网络传输层改进的若干方案，包括分裂连接的改进方案，传输 层端到端的改进方案和使用跨层方法进行改进的方案等。这些方案针对无线网络 的改进各有优缺点，使用分裂连接方法进行改进能够对传输层屏蔽无线网络的传 输状况，它的主要实现在a p 上，增加了a p 的负担，而且实现比较困难。传输 层端到端的方案保持了传输层协议的完整性，但是由于其信息来源只有传输层能 够获得的少数参数，所以其算法主要是对网络传输进行预测。而跨层的方法刚好 弥补了传输层端到端的方法的缺点，它可以明确的获得底层的传输信息，用来辅 助传输层对传输过程进行控制。总的来说，在m u l t i h o pw l a n 网络中应用跨层 的方法进行改进的机制较其它方案可以获得更好的效果。在下文中将介绍应用跨 层机制的m c p 协议在m u l t i h o pw l a n 中的改进方案。 第三章移动主机为中心的传输控制协议及其特点 第三章移动主机为中心的传输控制协议及其特点 3 1 移动主机为中心的传输控制协议 移动主机为中心的传输控制协议包括连接管理、流量控制和拥塞控制三个方 面。m c p 协议是针对包含有线网络和无线网络的混合网络而设计的传输层协议。 协议的基本思想是移动主机的传输层对于数据传输过程中的连接管理，流量控制 和拥塞控制起主导作用，并保证可靠的数据传输过程，有线节点的传输层则起辅 助传输的作用。当移动主机为发送端的时候，m c p 协议采用以发送端为中心的 控制机制，由发送端负责整个传输过程中的主要控制过程；当移动主机为接收端 的时候，m c p 协议则采用以接收端为中心的控制机制，与传统的传输层协议不 同，这里将传输层的控制机制移植到了接收端。因此，数据传输控制基本都是在 无线移动节点实现的，有线节点只是配合移动节点的控制，当有线节点为发送端 的时候，它简单的根据移动节点的控制信息发送数据；当有线节点为接收端的时 候，它负责将接收到的数据情况以确认包( a c k )的形式反馈给移动节点。 m c p 协议的功能模块如图3 1 【7 j 和图3 2 f 7 j 所示： 移动端固定端 图3 - 1 移动主机作为发送端的m c p 传输控制机制 1 2 第三章移动主杌为中心的传输控制协议及其特点 移动端 3 1 1 连接管理 数据 请求号 固定端 发送数据 图3 2 移动主机作为接收端的m c p 传输控制机制 m c p 协议的连接管理机制包括连接的建立和拆除两部分。在进行数据传输 之前，发送端和接收端之间需要建立m c p 连接。数据传输结束的时候，需要拆 除发送端和接收端之间的m c p 连接。 m c p 的连接过程与一般传输层协议一样也采用三次握手机制。修改连接建 立过程中发送的s y n 包，在其中添加mf l a g 位，用来区分当前使用的是移动节 点为发送端的机制还是移动节点为接收端的机制。如果移动节点是发送端的话， 采用和t c p 协议基本相同的握手机制，只是所有的mf l a g 位都为0 ，表示连接 采用以发送端为中心的控制。如果移动节点是接收端的话，它需要通知发送端采 用以接收端为中心的控制机制。 具体过程是如果移动节点首先发起连接建立过程，那么它会将s y n 包中的 mf l a g 置为1 同时s y n 位置位，表示采用以接收端为中心的控制机制。当发送 端接收到该s y n 包的时候，就知道此次连接采用以接收端为中心的控制，并返 回一个s y n 和m都置的确认包。接收端接收到确认包后再发送为flag 1s y n o , mf l a g 为1 的包完成三次握手。如果是有线节点先发起连接建立请求，首先发 送s y n 置1 的包给移动节点，移动节点会发送s y n 和mf l a g 都置l 的包进行 确认，最后有线节点发送s y n 为0 ，mf l a g 为1 的包完成三次握手。至此，有 线节点和无线节点间的连接建立过程完毕，开始传输数据。 数据传输完毕需要拆除一个m c p 连接的时候，发送端和接收端中的任意一 个都可以发送一个f i n 位置位的包来通知对方结束传输，接收到该包的另一方， 发送对此包的确认。当收到对方对该f i n 包的确认，此方向的数据连接成功拆除。 拆除连接可以单方向进行，如果另外一方仍然有数据需要传输的话，那么它可以 继续传输，直到没有其他数据需要传输的时候，使用上述f i n 位置位的包结束传 输过程。当f i n 包的确认被成功接收的时候，整个连接被完全拆除。因此，连接 第三章移动主机为中心的传输控制协议及其特点 拆除的过程两个方向可以单独进行也可以一次完成，一般需要发送四个包，双方 各需要发送一个f i n 位置位的包和相应的确认包。 3 1 2 流量控制 m c p 协议根据移动节点作为发送端和接收端的不同，使用两种数据传输机 制：当移动节点失发送端的时候，使餍d a t a - a c k 方式传输数据，这种方式中， 无线节点发送数据包d a t a ，接收端在收到数据包以后发送累计形式的a c k 包 进行确认：当移动节点为接收端的时候，采用r e q d a t a 方式传输数据。在 r e q 。d a t a 数据传输模式中，接收端先发送请求r e q 包，然后发送端再根据收 到的请求包发送数据包d a t a ，当接收端正确接收到相应的数据包的时候，一次 成功的数据包传送过程结束。 为了实现不褥的请求功能，请求r e q 包分为两种：一种是累积式的请求r e q 包，种是强制式的请求r e q 包。累积式盼请求r e q 包类似t c p 协议