（计算机应用技术专业论文）无线自组织网络tcp性能分析及其改进.pdf

s o u t h w e s tj j a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e - 1 - 摘要 无线a d h o c 网络，又名无线自组织网络，是一种特殊的对等式网络。它 没有固定的控制中心，各节点通过无线链路连接并在网络中作为路由器。传 统的t c p 协议在有线网络中能够良好地工作，但用于a dh o e 网络时则性能 有很大下降。其原因在于，传统的t c p 协议无法分辨网络丢包原因，如网络 拥塞、链路断开、信道错误或者链路改变等。由于t c p 协议应用的广泛性， 如何提高t c p 在a d h o c 网络中的性能成为目前研究的热点问题。本论文围 绕a d h o c 网络中t c p 的性能展开了分析讨论，深入研究了t c p 性能下降的 原因并提出改进方案。 论文首先对a dh o c 网络的特性以及t c p 协议作了简要介绍。然后，深 入研究了t c p 在a d h o c 网络中的性能问题，并提出了一种新的t c p 改进方 案，即t c p f r e e z e + p r o b i n g ，以有效地提高t c p 在a d h o c 网络中的吞吐量。 从已有的t c pr e n o 协议吞吐量模型出发，本文还提出了一种基于t c p f r e e z e p r o b i n g 的吞吐量模型，并通过仿真方法验证了其有效性。 论文使用n e t w o r ks i m u l a t o r ( n s 2 ) 作为仿真工具，并以吞吐量作为主要 性能参数，验证了t c pf r e e z e p r o b i n g 协议的正确性和有效性。通过对不同 的移动拓扑环境下的仿真结果进行分析，确认了t c pf r e e z e p r o b i n g 在移动 a dh o c 网络环境下与传统t c p 协议相比有很大的性能提高。而与其它改进 方案相比较，由于t c pf r e e z e 。p r o b i n g 在端节点使用简单而有效的算法，不 需要中间节点的配合，使得其更易于实现。 t c p 在a dh o c 网络中的稳定性也是一个值得关注的问题。论文深入分 析了t c p 在静态a dh o e 网络中性能不稳定的原因，并根据已有的m a c 层 和路由层改进算法提出了改进方案。仿真结果表明，改进方案是正确而有效 的。 最后，论文给出了研究工作总结，并提出了进一步工作的研究思路。 关键词：无线自组织网络；t c p 协议；性能分析 s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e - i t - a b s t r a c t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sa s p e c i a lp e e r t o - d e e r n e t w o r kw i t h o u tf i x e d i n f r a s t r u c t u r es u c ha sb a s es t a t i o n s m o b i l en o d e sa r ec o n n e c t e db yw i r e l e s s1 i n k sa n d e a c hn o d ea c t sa sar o u t e ri nt h en e t w o r k t h d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1p r o t o c 0 1 ( t c p lw o r k sw e l li nw i r e dn e t w o r kb u ts l i f f e r sf r o mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni nw i r e l e s s a dh o en e t w o r k sd u et ot h ef a c tt h a ti tc a n n o td i s t i n g u i s hp a c k e t1 0 s s e sd u et oc o n g e s t i o n f r o mp a c k e tl o s s e sd u et o1 i n kb r e a k a g e c h a n n e le r r o ra n dr o u t ec h a n g e s d u et ot h e p r e v a l e n c eo ft c pa p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ho nt c pp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sb e c o m e sah o ti s s u e t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep o s s i b l em a s o n s o f t c p sp o o rp e r f o r m a n c ei na d h o cn e t w o r k sa n d p r o p o s e se n h a n c e m e n t s a tf i r s tt h e 血e s i si n t r o d u c e sb r i e f l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s a n dt h et c p p r o t o c 0 1 a f t e r w a r d s ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h et c pp e r f o r m a n c ep r o b l e m i nm o b i l ea dh o cn e t w o r k sa n d p r o p o s e s a ne n h a n c e m e n to ft c pn a m e dt c p f r e e z e - p r o b i n g t oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h et c p t h r o u g h p u t b a s e do nt c pr e n ot h r o u g h p u tm o d e l ，t h et h e s i si n t r o d u c e san e wt h r o u g h p u t m o d e lf o rt c p f r e e z e - p r o b i n gt h e m o d e li sv a l i d a t e dt h e nt h r o u g hs i m u l a t i o n a n a l y s i s a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nn e t w o r ks i m u l a t o r2h a v e p r o v e d t h e c o r r e c t n e s sa n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h et c pf r e e z e - p r o b i n gp r o t o c o lb yu s i n g t h r o u g h p u ta sam a i np e r f o r m a n c em e t r i c b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nv a r i o u s m o b i l et o p o l o g ye n v i r o n m e n t s ，t c pf r e e z e p r o b i n gh a sb e e np r o v e dt oo u t p e r f o r m t r a d i t i o n a lt c p p r o t o c 0 1 c o m p a r e dw i t ho t h e ri m p r o v e ds c h e m e s ，t c pf r e e z e p r o b i n g i sm u c he a s i e rt o i m p l e m e n t i nr e a l s y s t e m s b e c a u s ei tu s e s s i m p l ey e te f f e c t i v e a l g o r i t h m si ne n d n o d e sa n dd o e sn o t r e q u i r et h ec o o p e r a t i o no f i n t e r m e d i a t en o d e s t c p i n s t a b i l i t yi nw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k i sa l s oaw e l l - k n o w n p r o b l e m t h e t h e s i s i n v e s t i g a t e s t h er e a s o n so ft c pi n s t a b i l i t yi ns t a t i cw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sa n d p r o p o s e s s c h e m e sc o m b i n gm a cl a y e ra n dr o u t el a y e re n h a n c e m e n t st os o l v et h i s p r o b l e ms i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m e sa r ec o r r e c ta n de m c i e n t f i n a l l y , t h et h e s i sc o n c l u d e sb ys u m m a r i z i n g t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h er e s e a r c h a n dp r e s e n t i n gd i r e c t i o n sf o rf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：w i r e l e s sa dh o en e t w o r k s ；t c p ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s s o u t h w e s tj i e o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e - i - c h a p t e r 1 ：i n t r o d u c t i o n o v e rt h ep a s tf e wy e a r s ，w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s h a v ee m e r g e da sap r o m i s i n g a p p r o a c hf o rm o b i l ei pa p p l i c a t i o n so f t h ef u t u r e t h i ss c h e m ec a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y f r o me x i s t i n gu n d e r l y i n gi n f r a s t r u c t u r ea n da l l o w ss i m p l ea n df a s t i m p l e m e n t a t i o n s u c h f e a t u r e sm e e t p r i m a r i l yr e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n sf o rr e s c u eo p e r a t i o n s ，l a we n f o r c e m e n t ， b a t t l e f i e l d ，e t c h o w e v e r , t h em o r et h i st e c h n o l o g ye v o l v e st h eh i g h e ri st h ep r o b a b i l i t yt h a ti t w i l lm a k e p a r to f t h eg l o b a li n t e m e t t h e r e f o r e ，c o n s i d e r a b l er e s e a r c he f f o r t sh a v eb e e np u t o nt h i sn e w c h a l l e n g i n gp a r a d i g m t c pw a sd e s i g n e dt ow o r ki nw i r e dn e t w o r k sa n db e c a u s eo ft h a ti t sp e r f o r m a n c ei s q u i t ep o o rw h e n i ti sr e q u i r e dt ow o r ki nt h et y p i c a l l yl o s s yw i r e l e s se n v i r o n m e n t i nr e c e n t y e a r s s e v e r a l s c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e df o rs a t e l l i t ea sw e l la sf o rc e l l u l a rw i r e l e s s n e t w o r k s b u tm u c hh a ss t i l lt ob ed o n eo nw i r e l e s sa dh o cf r a m e w o r k i nt h i ss e n s e ，i ti s q u i t ei m p o r t a n tt oh a v et h ek n o w l e d g e o f m a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt c p p e r f o r m a n c ei ns u c h a l l e n v i r o n m e n ta n dt h ea c t u a lp o t e n t i a l i t yo f t h ee x i s t i n gp m p o s e ds o l u t i o n s t h i sc h a p t e rf i r s ti n t r o d u c e st h em a i nf e a t u r e so f w i r e l e s sa dh c en e t w o r k s ，a n dt h e n p r e s e n t sa no v e r v i e wo f t c p p r o t o c o la n di t si n t e r a c t i o n sw i t hw i r e l e s sa d h o en e t w o r k s ， a n da tl a s ts t a t e st h em o t i v a t i o n s ，o b j e c t i v e sa n do u t l i n eo f t h i st h e s i s 1 1i n t r o d u c t i o nt ow i r e l e s sa dh o en e t w o r k s aw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k 1 1 1 i sac o l l e c t i o no fa u t o n o m o u sn o d e so rt e r m i n a l st h a t c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb yf o r m i n gam u l t i h o pr a d i on e t w o r ka n dm a i n t a i n i n g c o n n e c t i v i t yi nad e c e n t r a l i z e dm a n n e r s i n c e t h en o d e sc o m m u n i c a t eo v e rw i t e l e s s1 i n k s ， n l e yh a v et oc o n t e n d 埘m t h ee f f e c t so f r a d i oc o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sn o i s e ，f a d i n g ，a n d i n t e r f e r e n c e i na d d i t i o n t h el i n k st y p i c a l l yh a v e1 e s sb a n d w i d t ht h a ni naw i r e dn e t w o r k e a c hn o d ei naw i m l e s sa dh o cn e t w o r kf u n e t i o n sa sb o t hah o s ta n dar o u t e r , a n dt h e c o n t r o lo ft h en e t w o r ki sd i s t r i b u t e da m o n gt h er i o d e s n l en e t w o r kt o p o l o g yi s i n g e n e r a ld y n a m i c ，b e c a u s et h ec o n n e c t i v i t ya m o n g t h en o d e sm a y v a r yw i t ht i m ed u et o n o d ed e p a r t u r e s ，n e wn o d ea r r i v a l s ，a n dt h ep o s s i b i t i t yo fh a v i n gm o b i l en o d e s h e n c e ， t h e r e1 san e e df o re f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l st oa l l o wt h en o d e st 0c o m m u n i c a t eo v e r m u l t i h o pp a t h sc o n s i s t i n go fp o s s i b l ys e v e r a ll i n k si naw a y t h a td o e sn o tu s ea n ym o r e o ft h en e t w o r k ”r e s o u r c e s ”t h a nn e c e s s a r y s o m eo ft h e s ef e a t u r e sa r ec h a r a c t e r i s t i co f t h et y p eo f p a c k e tr a d i on e t w o r k st h a tw e r es t u d i e de x t e n s i v e l yi nt h e1 9 7 0 sa n d1 9 8 0 s y t r e s e a r c hi nt h ea r e ao f a dh o cn e t w o r k i n gi sr e c e i v i n gm u c ha r e n t i o nf r o ma c a d e m i a ， i n d u s t r y , a n dg o v e m m e n t s i n c e 血e s en e t w o r k sp o s em a n yc o m p l e xi s s u e s ，t h e r e a r e m a n yo p e np r o b l e m s f o rr e s e a r c ha n do p p o r t u n i t i e sf o rm a k i n gs i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n s t h e r ea r et w om a j o rt y p e so fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k sa n d s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e 2 s m a r ts e n s o rn e t w o r k s i nt h i s t h e s i s ，w ef o c u sm a i n l yo nm o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) m a n e t sh a ss e v e r a ls a l i e n tc h a r a c t e r i s t i c s 【2 】= 1 d y n a m i ct o p o l o g i e s ：n o d e sa r ef r e et om o v ea r b i t r a r i l y ；t h u s ，t h en e t w o r k t o p o l o g y ，w h i c hi st y p i c a l l ym u l t i - h o p ，m a yc h a n g er a n d o m l ya n dr a p i d l ya t u n p r e d i c t a b l et i m e s 2 b a n d w i d t h c o n s t r a i n e d ，v a r i a b l ec a p a c i t yl i n k s ：w i r e l e s sl i n k sh a v es i g n i f i c a n t l y l o w e r c a p a c i t yt h a n w i r e dl i n k s ，w h i c hi n t e n s i f i e sc o n g e s t i o n p r o b l e m s e s p e c i a l l y ， w h e nm u l t i m e d i a c o m p u t i n g a n dc o l l a b o r a t i v e n e t w o r k i n ga p p l i c a t i o n s r i s e i n c r e a s i n g l y ，t h ea g g r e g a t ea p p l i c a t i o nd e m a n dw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s ea n dw i l l l i k e l ya p p r o a c ho re x c e e dn e t w o r kc a p a c i t yf r e q u e n t l y i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t i v e t h r o u g h p u to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si so f t e nm u c hl e s st h a nar a d i o s m a x i m u mt r a n s m i s s i o nr a t ed u et ot h ee f f e c t so f m u l t i p l ea c c e s s ，f a d i n g ，n o i s e ，a n d i n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n se t c 3 e n e r g y - c o n s t r a i n e do p e r a t i o n ：s o m eo ra l lo f t h en o d e si nam a n e t m a yr e l yo n b a t t e r i e so ro t h e re x h a u s t i b l em e a n sf o rt h e i re n e r g y f o rt h e s en o d e s ，t h em o s t i m p o r t a n ts y s t e md e s i g n c r i t e r i af o r o p t i m i z a t i o nm a y b ee n e r g yc o n s e r v a t i o n 4l i m i t e dp h 3 ，s i c a ls e c u r i t y ：m o b i l ew i r e l e s sn e t w o r k sa r eg e n e r a l l ym o r ep r o n et o p h y s i c a ls e c u r i t y t h r e a t st h a na r e f i x e d , h a r d w i r e dn e t w o r k s t h ei n c r e a s e d p o s s i b i l i t yo fe a v e s d r o p p i n g ，s p o o f i n g ，a n dd e n i a l - o f - s e r v i c e a t t a c k ss h o u l db e c a r e f u l l yc o n s i d e r e d h o w e v e r ，t h ed e c e n t r a l i z e dn a t u r e o fn e t w o r kc o n t r o li n m a n e t p r o v i d e sa d d i t i o n a lr o b u s t n e s sa g a i n s t t h es i n g l ep o i n t so f f a i l u r eo f m o r e c e n l r a l i z e da p p r o a c h e s t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sc r e a t eas e to fu n d e r l y i n ga s s u m p t i o n sa n dp e r f o r m a n c e c o n c e r n sf o r p r o t o c o ld e s i g n i na d d i t i o n ，s o m e e n v i s i o n e dn e t w o r k s ( e g m o b i l e m i l i t a r yn e t w o r k so rh i g h w a yn e t w o r k s ) m a yb er e l a t i v e l yl a r g ef e g t e n so rh u n d r e d so f n o d e s p e rr o u t i n ga r e a ) t h en e e d f o rs c a l a b i l i t ym u s tb en k e ni n t oa c c o u n t 1 2t c p ：1 1 r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t c p 1 3 1 i sac o n n e c t i o no r i e n t e d r e l i a b l eb y t es t r e a mp r o t o c 0 1 b e i n gc o n n e c t i o n o r i e n t e d ，t c pi su s u a l l yc o n f i g u r e dt os e tu pac o n n e c t i o nb e f o r ea n yd a t ac a nb es e n t t h e s e t u pp h a s ec o n s i s t so fr u n n i n g t h ec o n n e c t i o ne s t a b l i s h m e n ta l g o r i t h m w h i c hi sa n i m p l e m e n t a t i o no f at h r e e w a yh a n d s h a k e t c pd i v i d e st h e1 n c o m i n gb y t es t r e a mi n t os e g m e n t s t h eo p e r a t i o no f t h et r a n s f e r i sb a s e do nt h e s es e g m e n t s i no r d e rf o rt h es o u r c et oc o n c l u d et h a ta p a r t i c u l a rs e g m e n t h a sb e e nr e c e i v e d ，i tm u s tg e ta na c k n o w l e d g e m e n tf r o mt h es i n k i no r d e rt op r e v e n t t c pf r o mw a i t i n gf o ra c k n o w l e d g e m e n ti n d e f i n i t e l y , at i m e ri ss t a r t e dw h e nap a c k e ti s s e n t i ft h et i m e re x p i r e st h es e g m e n ti sr e t r a n s m i t t e d f u r t h e r m o r e ，t ob ea b l et od e t e c t c o r r u p t e ds e g m e n t s ，ac h e c k - s u i t i i sc a l c u l a t e da n de n c l o s e di ne a c hs e g m e n tb e f o r ei ti s s e n tu p o n r e c e p t i o n i f t h ec h e c k s u m 1 si n v a l i d t h es e g m e n ti sd i s c a r d e d s o u t h w e s tj l a o t o n g u n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e et h e s i s p a g e 3 i nt c pb o t he n d so ft h ec o n n e c t i o nc a l lc l o s ei t i n d e p e n d e n t l yo f e a c ho t h e r t h e c l o s i n go f ac o n n e c t i o ni sh a n d l e d b y m e c o n n e c t i o nt e r m i n a t i o na l g o r i t h m t h e r ea r es e v e r a lm e c h a n i s m sa n do p t i o n st h a ta r eu s e dw h e nat c p t r a n s f e ri s p e r f o r m e d i no r d e rt oc o n t r o lt h ef l o wo fd a t a n l em a n d a t o r ym e c h a n i s m sa r es l o ws t a r t a n dc o n g e s t i o na v o i d a n c e p o p u l a ro p t i o n sa r ef a s t r e c o v e r y , f a s tr e t r a n s m i t 4 1a n d s e l e c t i v e a c k n o w l e d g e m e n t 吵d u et o h i s t o r i c a lr e a s o n sw h e ns l o w s t a r t ，c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ，f a s tr e c o v e r ya n df a s tr e t r a n s m i s s i o na l eu s e di nc o , u n c t i o n ，t h et c p v e r s i o ni sc a i l e dt c pr e n o 【3 】【4 ” i f t c pi st o o a g g r e s s i v ea n d s e n d st o om u c hd a t ai n t ot h en e t w o r k ，t h er o u t e rq u e u e s s o o nb u i l du pa n ds t a r tl o o s i n gp a c k e t s t h i sp h e n o m e n o ni sc a l l e dc o n g e s t i o ni no r d e r t ol i m i tt h ei n i t i a ls e n dr a t e ，t c pm u s tu s es l o ws t a r t t op r e v e n tc o n g e s t i o n ，t c pb s e sa n a l g o r i t h mc a l l e dc o n g e s t i o na v o i d a n c e t h e s et w oa l g o r i t h m sl i m i tt h ea m o u n to fd a t a t h et c ps o u r c ec a ns e n db e f o r eg e r i n ga n da c k n o w l e d g e m e n t s l o ws t a r tb e g i n sw 1 血aw i n d o ws i z eo fo n es e g m e n t f o re a c ha c k n o w l e d g e m e n t s l o ws t a r ti n c r e m e n t st h es i z eo ft h ew i n d o wb yo n es e g m e n t t h i sh a st h ee f f e c to f i n c r e a s i n gt h ea m o u n to u t s t a n d i n gd a t ae x p o n e n t i a l l yo v e rt i m e s l o ws t a r ti su s e du n t i l e i t h e rt h ea m o u n to fo u t s t a n d i n gd a t ae x c e e d sat h r e s h o l dv a l u e ，c o n g e s t i o no c c u r so rt h e m a x i m u ms i z eo ft h ew i n d o wi sr e a c h e d a tt h i sp o i n t 1 ft h e r ei sn oc o n g e s t i o na n dt h e m a x i m u mw i n d o wi sn o tr e a c h e d ，t h ec o n g e s t i o na v o i d a n c ei n c r e a s e st h ea m o u n to f o u t s t a n d i n gd a t ab yo n es e g m e n t f o re a c h r o u n d - t r i p t h i sh a s t h ee f f e c tt h a tt h ea m o u n t o fo u t s t a n d i n gd a t ai si n c r e a s e d1 i n e a r l yo v e rt i m e w h e l lt h em a x i m u mw i n d o ws i z ei s r e a c h e dt h ea m o u n to f o u t s t a n d i n gd a t ai sn o ti n c r e a s e df u r t h e r w h e n e v e r c o n g e s t i o no c c u r s ，a si n d i c a t e db yat i m e - o u t ，t h et h r e s h o l dv a l u ei ss e tt 0 r o u g h l yh a l ft h ew i n d o ws i z e t h ea m o u n to fo u t s t a n d i n gd a t ai ss e tt oo n es e g m e n t a n d t h e ns l o ws t a r ti sr u nu n t i lt h ew i n d o wr e a c h e st h en e wv a l u eo ft h et h r e s h o l d a tt h i s p o i n tc o n g e s t i o na v o i d a n c et a k e so v e r s l o ws t a r ta n dc o n g e s t i o na v o i d a n c ea r ef l o wc o n t r o l l i n gm e c h a n i s m sp e r f o r m e db y t h es e n d e r t h ea m o u n to fo u t s t a n d i n gd a t am a ya l s ob el i m i t e db yt h er e c e i v e r i ft h e r e c e i v e ri sr u n n i n go u to f b u f f e rs p a c e ，i tm a ya d v e r t i s ear e d u c t i o ni nt h ea m o u n to fd a t a s e n tb yt h es e n d e r w h e l lt c pr e c e i v e st h r e ed u p l i c a t ea c k n o w l e d g e m e n tp a c k e t s ，i tr e t r a n s m i t sw h a t s e e m st ob et h em i s s i n gs e g m e n tw i t h o u tw a i t i n gf o rt h er e t r a n s m i s s i o nt i m e rt oe x p i r e t h i si sc a l l e df a s tr e t r a n s m i t a f t e rt h em i s s i n gs e