（计算机应用技术专业论文）无线局域网以移动主机为中心的传输控制协议.pdf

摘要 随着无线局域网得到越来越广泛的应用，研究无线宽带接入互联网的基础理 论与关键技术具有重大的科学和经济意义，提供高性能的无线互联网传输协议是 实现无线宽带接入互联网要解决的关键问题。目前互联网使用的传输控制协议 t c p 是为固定主机及有线网络设计的，不能很好地适应无线环境，会造成在无线 链路上传输性能的下降。 本文提出一种新的以移动主机为中心的传输控制协议( m c p ) ，该协议将传 统的以发送端为中心的传输控制协议和新近提出的以接收端为中心的传输控制 协议有机集成。当数据从固定主机向移动主机传输时，采用以接收端为中心的控 制机制，而当数据从移动主机向固定主机传输时，采用以发送端为中心的控制机 制。该协议将传输控制协议中的主要控制工作都集中在移动主机一端进行，这样 移动主机可以根据自身所处的无线链路的情况灵活调整控制策略，使协议能够更 好地适应无线环境。 我们在仿真软件n s 2 上，参考其中t a h o e 版的t c p 协议实现了m c p 协议 的基本功能模块，包括以移动主机为中心的数据传输机制、连接建立和终止、流 量控制机制、拥塞控制机制、差错控制机制以及定时器的设置和维护等，同时对 移动主机在a p 间切换的情况进行了改进。 最后我们在n s 2 中的w l a n 场景中，采用不同参数进行多组仿真实验。仿 真实验的结果表明，m c p 协议和t c p 协议在无线局域网中的性能十分接近，具 有良好的兼容性。同时m c p 协议能够提高移动主机切换时的性能，从而验证了 m c p 协议能够很好地适用于无线局域网。 关键词：无线局域网传输控制协议以移动主机为中心的传输控制协议 w i mt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sl a n s h o wt 0c o n n e c tt h ew i r e l e s s n e t w o r k st 0i n t e m e tw i t haw i d eb a n d w i d t hh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a n tn o to n l yi ns c i e n c eb u ta l s oi ne c o n o m i c s ah i 曲p e r f o r m a n c ew i r e l e s s i n t e m e tt r a n s p o r tp r o t o c o li st h ek e yt os o l v et h i sp r o b l e m h o w e v e r , t h ei n t e m e t t r a n s p o r tp r o t o c o lw a sd e s i g n e df o rf i x e dh o s ta n dw i r e dn e t w o r k s i tc a n n o ta d a p tt o w i r e l e s se n v i r o n m e n tc o m m e n d a b l ya n di n d u c et h ed e c l i n eo ft r a n s p o r tp e r f o r m a n c e i nw i r e l e s sl i n k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s t l yp r o p o s e dan e wm 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 、t h ep r o t o c o li n t e g r a t e st h et r a d i t i o n a ls e n d e rc e n t f i ct r a n s p o r t p r o t o c o li n t o t h er e c e i v e rc e n t f i ct r a n s p o r tp r o t o c 0 1 n er e c e i v e rc e n t r i cc o n t r o l m e c h a n i s mm a n a g e st h ed a t aw h i c hi ss e n tf r o mf i x e dh o s t st om o b i l eh o s t s ，a n dt h e s e n d e rc e n t d cc o n t r o lm e c h a n i s md e a l sw i t ht h ed a t aw h i c hc o m e sf r o mm o b i l eh o s t s t of i x e dh o s t s i no u rm c p , m o s to ft h ec o n t r o lm e c h a n i s m sa r ei m p l e m e n t e di n m o b i l eh o s t s i nt h i sw a y , t h em o b i l eh o s t sa r ea b l et oa d j u s tt h ec o n t r o ls c h e m e a c c o r d i n gt ot h es t a t eo fw i r e l e s sl i n k s , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o lc a l lb e i m p r o v e de f f i c i e n t l y s e c o n d l y , w es i m u l a t e dt h eh a n d o f fp r o c e s s e so fm o b i l eh o s t sa n ds o m eb a s i c f u n c t i o nm o d u l e so fm c pi nv a r i o u sw l a ns c e n a r i o sb yt h en e t w o r ks i m u l a t o r v e r f i o n2f n s 2 ) 1 1 1 ef u n c t i o nm o d u l e sm a i n l yi n c l u d et h em o b i l e h o s t - c e n t r i cd a t a t r a n s p o r t a t i o nm e c h a n i s m ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n dc l o s eo fc o n n e c t i o n s ，f l o wc o n t r o l m e c h a n i s ma n dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，e t c a n dt h e n ，w er e c o r d e da n d a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t 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 ph a s t h es a m e p e r f o r m a n c ew i t ht c pa n da l s oc a nb ec o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dt c e f i n a l l y , a f t e rt h o r o u g hs t u d i e sa n dp r e c i s ee x p e r i m e n t s ，w ed r a wac o n c l u s i o n t h a tt h em c p p r o t o c o li sf e a s i b l ei nw l a n k e yw o r d s ：w l a n ；t 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 o l ( m c p ) 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘茎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： 搦 签字日期：乒一年石月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼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用本授权说明) 导师签名 签字日期烬 镑 撵 ：年 嚣 文期位字学签 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随时随地通过无线宽带接入互联网一直是人们的梦想，也是下一代互联网的 一个重要发展方向。现在越来越多的用户正通过无线局域网接入互联网，获得无 线移动宽带的服务。研究移动无线宽带接入互联网的基础理论与关键技术具有重 大的科学和经济意义。美国自然科学基金会已投巨资，在2 0 0 3 年立项，由许多 大学合作建立大规模的无线网络实验床w h y n e t 。无线局域网( w i r e l e s sl a n ， w l a n ) 是其中研究的重点之一，但目前仍处于研究试验阶段。我们应抓住这个 历史机遇，在无线互联网研究领域积极开展研究工作，使之成为中国研究新一代 互联网的重点与取得原创性成果的突破口。 提供高性能的无线互联网传输层协议是实现无线宽带接入互联网要解决的 一个关键问题。目前互联网所使用的传输层协议t c p 是在有线网络与网络拓扑 变化不大的环境下发展起来的，t c p 协议假设丢包都是由于网络发生拥塞引起 的。当拥塞发生时，发送端应该减小发送窗口，如果继续丢包，发送窗口将继续 减小。这种拥塞控制模式在有线网络环境下，较好地解决了网络拥塞问题，但是 在引入无线链路后，网络环境有了较大的变化。在进行端到端传输时，网络发生 丢包，就不一定是网络拥塞引起的，而很可能是由于无线链路本身的高误码率等 引起的。然而传统的t c p 协议仍然按照网络发生拥塞的假设减小发送窗口，这 样可能使得网络吞吐率下降。无线网络的链路错误往往连续发生，发送窗口将不 断下降，则可能使网络的传输性能很差。 因此我们需要更全面深入地研究无线互联网传输层协议的性能、可靠性、安 全性及其它相关问题。不仅要研究最后一跳为无线链路的情况，还要研究无线互 联网跨越有线链路和多跳无线链路( m u l t i h o pw i r e l e s sp a t h ) 情况下传输层协议 的性能表现。 1 2 课题项目背景 本课题是在国家自然科学基金项目“宽带无线互联网性能、高可靠传输模型 和控制方法研究”资助下进行的。该项目研究无线互联网跨越多跳无线链路和有 第一章绪论 线互联网，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。将以接收端为中心的传输层协议( r e c e i v e rc o n t r o lp r o t o c o l ，r c p ) 和 以发送端为中心的传输层协议t c p 有机集成，提出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 et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，称之为m c p ( m o b i l e h o s t c e n t r i c t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 。研究m c p 协议的控制模型，移动控制理论，提出相应拥塞 控制算法。研究无线网络链路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 协议很好共存等问题。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 论文主要工作 1 ) 详细分析了传统t c p 协议及其改进版本在无线链路中存在的问题。 2 ) 在分析的基础上提出了一种新的以移动主机为中心的传输控制协 议m c p 协议，并且对m c p 协议的具体细节进行了规定。 3 ) 参考t a h o e 版的t c p 协议，在仿真软件n s 2 上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进行有机集成，实现了m c p 协议的基本 功能模块。 4 ) 在仿真软件n s 2 中的w l a n 场景下，采用不同参数进行多组仿真实验。 分别研究仿真实验中t c p 协议和m c p 协议发送窗口的变化情况、多个节点间的 公平性和吞吐率、两种协议共存时的吞吐率、节点在不同无线链路丢包率下的吞 吐率以及移动节点切换时的吞吐率等性能指标。仿真实验结果表明，m c p 协议 和t c p 协议在无线局域网中的性能十分接近，并具有很好的兼容性，同时m c p 协议能够提高移动主机切换时的性能，从而验证了m c p 协议在无线局域网中的 可行性。 1 4 论文结构 论文的第二章详细介绍了当前无线局域网中传输控制协议的研究现状，其中 包括无线局域网的相关知识，传输控制协议t c p ，以及近年来无线网络传输控制 协议的研究状况。 第三章主要对我们提出的以移动主机为中心的传输控制协议m c p 进行了全 面介绍，包括协议中的数据传输机制、连接建立和终止、流量控制、拥塞控制、 差错控制以及定时器的设置和维护，并且介绍了针对无线局域网的改进措施。 第一章绪论 第四章介绍了m c p 协议在仿真软件n s 2 上的初步实现，包括仿真软件n s 2 的介绍，以及协议中各种功能模块的具体实现过程。 第五章在仿真软件上对m c p 协议和t c p 协议进行仿真实验，通过分析实验 结果，对m c p 协议进行性能评价。 最后在第六章中，对全文进行了总结，并指出了现阶段实现的m c p 协议的 不足和需要改进的地方，并对下一阶段的工作进行了展望。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 第二章无线局域网中传输控制协议的研究现状 2 1 无线局域网介绍 2 1 1 无线局域网概述 无线局域网w l a n i 于1 9 7 1 年诞生于美国的夏威夷大学，最初应用在建筑 物之间的连接。随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒 体终端得到广泛应用，为了使用户在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目 标，要求传统的计算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体 发展，进一步推动了无线局域网的发展。 w l a n 是一种利用无线方式，提供无线对等和点到点连接性的数据通信系 统。w l a n 代替了常规局域网( l n ) 中使用的双绞线、同轴电缆和光纤，通 过无线电波传送和接收数据。w l a n 执行文件传输、外设共享、w c b 浏览、电 子邮件和数据库访问等传统网络通信功能。 w l a n 包括进行通信的网络接口卡( n l c ) ( 或称无线网卡) 和接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 。n i c 提供了最终用户设备( 如笔记本电脑、p d a 等) 与经过接入点 上天线的无线电波之间的接口。 2 1 2 无线局域网的优点 无线局域网利用无线电波代替传统的电缆进行信息传输，可以作为传统有线 网络的延伸、补充或替代。相比较而言，无线局域网具有以下优点： 1 ) 移动性 无线局域网最明显的优点是提供了移动性。连接到无线局域网的用户可以移 动且能同时与网络保持连接。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的 限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络，能 够为用户提供实时的无处不在的网络接入功能，使用户能够很方便地获取信息。 2 ) 灵活性 无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连接的地方，并可方便地增减移动设 备。无线局域网的组网方式灵活多样，可以通过基础设施接入骨干网，也可以形 成自组网( a dh o e ) 。 3 ) 经济性 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 对于有线网络来说，网络拓扑的改变通常意味着网络重建。重新布线是一个 费时费力的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生，它可用于物理布 线困难或不适合进行物理布线的地方，如危险区和古建筑等，节省了人力和物力， 从而提高了经济效益。 4 ) 故障易定位 有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路接触不良而造成的网络中断， 往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障， 只需更换故障设备即可恢复网络连接。 2 1 3 无线局域网的局限性 无线局域网并非完美无缺，也面i 瞄很多需要解决的问题，这些局限性实际上 也是无线局域网必须克服的技术难点。 1 ) 可靠性 有线局域网的信道误码率可低于l o 一，这样就保证了通信系统的可靠性和 稳定性。无线局域网采用无线信道进行通信，而无线信道是一个不可靠的信道， 存在着各种各样的干扰和噪声，引起信号的衰减和误码，从而导致网络性能的下 降和不稳定。 2 ) 带宽与系统容量 由于频率资源有限，无线局域网的信道带宽远小于有线网。由于无线信道数 有限，即使可以复用，无线局域网的系统容量通常也要比有线网小。因此，无线 局域网的一个重要发展方向就是提高系统的传输带宽和系统容量。 3 ) 兼容性与共存性 兼容性包括多个方面：无线局域网要兼容现有的有线局域网；兼容现有的网 络操作系统和网络软件；多种无线局域网标准的兼容，如i e e e8 0 2 1 l b 对i e e e 8 0 2 1 l a 的兼容，i e e e8 0 2 1 l g 对i e e e8 0 2 1 1 b 的兼容；不同厂家无线局域网产 品间的兼容。 共存性也包括多个方面：同一频段的不同制式或标准的无线网的共存，如 2 4 g h z 频段上的w l a n 和蓝牙系统的共存；不同频段、不同制式或标准的无线 网的共存，如2 4 g h z 频段w l a n 和5 8 g h z 频段w l a n 的共存，无线局域网 与g p r s 系统的共存等。 4 ) 信息安全性 即要保证信息传输的可靠性、保密性、合法性和不可窜改性。由于信道的封 闭性，有线网络存在着固有的安全保障。在w l a n 中，鉴于无线电波不能局限 于网络设计的范围，因此有被偷听和被恶意干扰的可能性。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 5 ) 节能管理 由于无线局域网的终端设备是便携设备，如笔记本电脑、p d a 等，为了节 省电池的消耗，延长设备的使用时间，网络应具有节能管理功能，当某个设备不 处于数据收发状态时，应将其设置成休眠状态，当要收发数据时再激活。 6 ) 移动性 无线局域网虽然可以支持主机的移动，但是对大范围移动的支持机制还不够 完善，也还不能支持高速移动，即使在小范围的低速移动过程中，性能也会受到 影响。 2 1 4 无线局域网的应用 要探讨无线局域网的应用，应先分析无线局域网的技术特点。通过将无线局 域网与蜂窝移动通信网络( 如2 5 代的g p r s 和3 g ) 进行一下比较，就可找出 无线局域网的应用定位。 从工作频段来看，蜂窝移动通信网络的频率均需许可、需支付费用、政府管 理严格。而无线局域网的工作频段则是另一种情况，8 0 2 1 l b 工作的2 4 g h zi s m 频段为国际上通用的免许可证频段。在我国，2 0 0 1 年信息产业部同样规定了在 2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5 m h z 这8 3 5 m h z 频段内，室内w l a n 可以无需审批地使用。 从覆盖范围来看，无线局域网通常最多只能覆盖两百多米的范围。因此无线 局域网比较适合于做小范围的覆盖，如机场、咖啡店、写字楼等所谓的“热点” 地区。 从传输速率来看，无线局域网可提供1 1 m b p s - - 5 4 m b p s 的速率，这远高于 g p r s 所能提供的传输速率，也将高于3 g 移动网络支持的传输速率。从这一点 来看，无线局域网具有高速率的优势，适合于对传输速率要求高的应用。 w l a n 目前主要是提供数据接入应用( 如互联网接入、企业网接入等) 。与 之功能相似的有有线网络( 如有线局域网) 和蜂窝数据网络。 与有线网络相比，w l a n 在接入带宽和网络可靠性上并没有什么优势；但 w l a n 的便携性、安装简易性使其非常适合于由于种种原因不易安装有线网络 的地方，如受保护的建筑物、机场等，或者经常需要变动布线结构的地方，如展 览馆等；同样w l a n 支持的便携性使它非常适于在宾馆、写字楼、机场等移动 办公者密集的地区，向携带笔记本电脑或p d a 等便携设备的用户提供方便快速 的数据业务。 与蜂窝数据网络相比，w l a n 便携性要弱，但其接入带宽要高得多；w l a n 适于向带宽要求高的移动商务办公者这类数据用户提供服务，而蜂窝数据网络则 只能向接入带宽要求很低的数据用户提供服务。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 2 2 传输控制协议t c p 介绍 t c p 协议 2 】是目前互联网上应用最广泛的传输层协议，它提供面向连接的、 可靠的、全双工的、端到端的通信服务，它可以保证数据按照顺序、没有重复、 可靠地到达，其主要特征有： 1 ) 确保各流享用带宽的公平性； 2 ) 动态发现当前可利用的带宽； 3 ) 采用拥塞避免及控制机制以避免拥塞崩溃( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 的发生。 t c p 协议采用了包括流量控制、差错控制以及拥塞控制等多种控制机制来确 保实现上述目的。 2 2 1t c p 的流量控制机制 流量控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 指在两个主机问管理数据传送。t c p 的流量控制 【3 】主要是通过发送窗口控制一个t c p 流中的数据包的数量。发送窗口的大小是 由拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w ，c w n d ) 和接收窗e 1 ( r e c e i v ew i n d o w ) 共同 决定的。 接收窗口是接收端根据自身缓存区的大小以及接收数据包的情况动态维护 的，接收端在a c k 包头部添加该窗口字段，用来通知发送端它能接收多少数据 包，窗口大小会随着接收端缓冲空间的增加而增加，窗口为零时发送端停止传送。 接收端通过这种方式控制发送速率，以保证稳定性及公平性，同时防止接收端的 数据缓存区溢出。 流量控制是一种局部控制机制，其参与者仅仅是发送端和接收端，它只考虑 了接收端的接收能力，而没有考虑到网络的传输能力。正因为流量控制的这种局 限性，导致了拥塞崩溃现象的发生，而拥塞控制则注重于整体，考虑了整个网络 的传输能力，是一种全局控制机制。因此，传输层协议必须将流量控制和拥塞控 制相结合，才能确保协议的稳定性。 2 2 2t c p 的拥塞控制机制 拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 是t c p 协议的核心部分。由于互联网采用 的是无连接端到端的数据包交换，提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 服务模型的设 计机制。这种机制的最大优势是设计简单，可扩展性强。互联网在过去的十几年 中经历了爆炸式的增长，这已经充分证明了这种设计机制的成功，然而这种优势 并不是没有代价的，随着互联网用户数量的膨胀，网络的拥塞问题也越来越严重。 早期的t c p 协议只有基于窗口的流量控制机制而没有拥塞控制机制，因而 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 容易导致网络拥塞。1 9 8 8 年j a c o b s o n 针对t c p 在网络拥塞控制方面的不足，提 出了t a h o e 版的t c p 协议。其中包括了“慢启动”( s l o ws t a r t ) 、“拥塞避免” ( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 以及“快速重传”( f a s tr e t r a n s m i t ) 过程 4 1 1 5 。1 9 9 0 年出现的t c pr e n o 版本增加了“快速恢复”( f a s tr e c o v e r y ) 过程【5 】，避免了网 络拥塞不严重时采用“慢启动”过程而造成过度减小发送窗口尺寸的现象，这样 t c p 的拥塞控制就主要由这4 个核心过程组成。 t c p 拥塞控制的四个主要过程( 如图2 1 和图2 2 ) 简要介绍如下： 拥塞窗口 图2 1t c p 慢启动与拥塞避免 时间 图2 - 2t c p 的快速重传和快速恢复 时间 1 ) 慢启动：早期开发的t c p 在启动一个连接时会向网络中发送大量的数据 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 包，这样很容易导致路由器缓存空间耗尽，网络发生拥塞，使得t c p 连接的吞 吐率急剧下降。由于t c p 发送端无法知道当前网络资源的利用状况，因此新建 立的t c p 连接不能一开始就发送大量数据，而只能逐步增加每次发送的数据量， 以避免上述现象的发生。具体地说，当建立新的t c p 连接时，拥塞窗口e w n d 初 始化为一个数据包大小。发送端每收到一个a c k 确认，e w n d 就增加一个数据包 发送量，这样c w n d 就将随着链路往返时间( r o u n dt r i pt i m e ，r y r ) 呈指数增 长，发送端向网络发送的数据量将急剧增加。由于在拥塞发生时，拥塞窗口会减 半或降到1 ，因此慢启动确保了发送端的发送速率最多是链路带宽的两倍。 2 ) 拥塞避免：如果t c p 发送端发现重传定时器超时或收到三个相同a c k 时，即认为网络发生了拥塞，此时就进入拥塞避免阶段。慢启动门限值s s t h r e s h 被设置为当前拥塞窗口大小的一半；如果重传定时器超时，拥塞窗口被置l 。如 果e w n d 大于s s t h r e s h ，t c p 就执行拥塞避免算法，此时，c w n d 在每次收到一个 a c k 时只增加1 c w n d 个数据包，这样，在一个r 1 盯内，e w n d 将增加1 ，所以 在拥塞避免阶段，e w n d 不是呈指数增长，丽是线性增长。 3 ) 快速重传：快速重传是当t c p 发送端连续收到三个相同的a c k 时，即 认为有数据包丢失，发送端重传丢失的数据包，而不必等待重传定时器 ( r e t r a n s m i t t i m e o u t ，r t o ) 超时。同时将s s t h r e s h 设置为当前c w n d 值的一半， 并且将c w n d 减为一半。 4 ) 快速恢复：根据“数据包守恒”原则( c o n s e r v a t i o no f p a c k e t sp r i n c i p l e ) 【6 】6 ，同一时刻在网络中传输的数据包数量是恒定的，只有“旧”数据包离开网 络后，才能允许“新”数据包进入网络。如果发送端收到一个重复的a c k ，则 认为已经有一个数据包离开了网络，于是将拥塞窗口加l ，同时发送一个数据包。 2 2 3t c p 的差错控制机制 差错控制( e r r o rc o n t r 0 1 ) 是可靠传输协议的关键部分之一。它对传输控制 协议的性能有很大的影响，包括吞吐率、能量消耗及可靠性。差错控制通常包括 错误检测和错误恢复两部分。 为了保证数据传输的可靠性，t c p 要求接收端在正确接收到数据包后向发送 端发送一个确认包( a c k ) ，a c k 包中包含了期望接收到的下一个数据包的序号。 t c p 发送端通过监测确认包的序号来检测是否发生了错误。如果发生超时或者发 送端收到一定数量( 通常是3 个) 重复的确认包，则认为传输过程中发生了错误， 相应的数据包被丢弃。因为有线网络的误码率很低，所以t c p 假设丢包是由于 网络拥塞引起的。接收端如果很长时间没有收到数据包的确认信息，造成重传定 时器超时，同样认为网络发生拥塞，有数据包发生丢失。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 在错误恢复处理过程中，t c p 重传丢弃的数据包、减小发送端窗口大小并且 在超时情况下重置超时定时器。 2 3t c p 协议在无线链路中存在的问题 无线链路存在着高误码率、低带宽、移动性及能量有限等特点，使得原本为 固定主机、有线网络设计的t c p 协议在无线链路中出现了很多不适应的地方， 主要表现在以下几个方面 7 8 1 1 9 1 ： 1 ) 传统t c p 协议在包含有线网络和无线网络的环境中缺乏有效的错误检测 机制。传统t c p 只能检测到发生了错误即有数据包被丢弃，而无法检测出错误 的原因。对传输过程中出现的错误，传统t c p 假设丢包都是由网络拥塞造成的。 由于有线网络的误码率很低，这种假设基本上是成立的。但是无线网络环境下存 在许多与拥塞无关并可以导致丢包的原因。如无线信道突发性位错误、移动主机 处在不同a p 间切换过程中、衰减信道( f a d i n gc h a n n e l ) 等。传统t c p 则将丢 包都归结于网络拥塞的发生，而无法检测出错误的原因。 2 ) 传统的t c p 协议缺乏有效的错误恢复机制。一旦检测出丢包，t c p 便触 发拥塞控制处理过程，首先重传未被确认的包，减小拥塞窗口从而降低发送速率； 然后激活拥塞控制机制，包括超时定时器指数退避、减小慢启动门限值。如果丢 包是由无线网络的误码率高或者移动主机在不同a p 间切换产生的，那么t c p 的这种错误恢复机制会导致协议性能下降，包括吞吐率的下降和延迟的增加 【1 0 。 3 ) 在无线环境下，移动主机可用带宽较低，使得t c p 发送端的发送速率受 到限制，从而只能用较小的拥塞窗口发送数据。在这种情况下，一旦有数据包丢 失，发送端就不能收到足够多的重复确认包，从而不能触发快速重传，而只能通 过超时机制恢复，这样就降低了可用带宽的使用效率并且增加了延迟。 4 ) 由于缺乏有效的错误检测和恢复机制，传统的t c p 在无线环境下的能量 使用效率也不高。例如，当无线链路上发生了不频繁的随机短暂突发性错误时， t c p 发送端便降低其拥塞窗口，然后保守地逐步增加拥塞窗口的大小。在拥塞窗 口缓慢增加的过程中，无错的传输机会便被浪费了，并且增加了通信时间。而当 错误持续时间较长( 例如衰减信道、链路频繁的突发性错误、网络拥塞) 时，t c p 发送端尽管降低了拥塞窗口大小，但仍然会尝试着发送数据，从而造成更多数据 包的丢失。尽管吞吐率会有所增加，但是却消耗了更多的能量，降低了能量使用 的效率。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 2 4 无线环境下t c p 协议的改进策略 为了解决传统t c p 协议在无线环境下存在的问题，近年来研究人员提出了 很多改进的方案，根据实施控制位置的不同，这些方案可以分为两大类：一是以 发送端为中心增强t c p 在无线环境中的性能；= 是以接收端为中心进行控制。 2 4 1 基于发送端的改进策略 基于发送端的改进策略主要是实现各种无线丢包检测机制，并采取与拥塞恢 复不同的方法对无线丢包进行处理，以提高t c p 协议在无线链路中的性能。根 据其基本作用原理，这些方案大致分为三种。 2 4 4 1 端到端方案 端到端方案需要对t c p 协议进行修改，由t c p 发送端对传输过程中发生的 不同错误进行处理，使得发送端能有效处理各种移动环境下造成的数据包丢失状 况。 ( a ) 错误检测机制 s a m a r a w e e r a 等提出了一种称为“非拥塞数据包丢失检测”的方法( n o n - c o n g e s t i o np a c k e tl o s sd e t e c t i o n ，n c p l d ) 【1 1 1 。n c p l d 利用了网络中k n e e 点 【4 】的概念，将该点测量到的r t t 称为延迟门限值( d e l a yt h r e s h o l d ) 。如果当前 测量到的r 1 广r 比延迟门限值小，则认为丢包不是由于网络拥塞引起的；否则就 认为丢包是由于拥塞引起的。 t s a o u s s i d i s 和b a d r e 提出了一种称为t c p - p r o b i n g 的方法 1 2 1 ，该方法是在 传统t c p 协议中增加探测机制。发送端检测到丢包( 超时或者收到3 个重复a c k ) 后，不是立即重传丢失的包，而是暂停数据的发送并进入探测循环( p r o b ec y c l e ) 状态，发送探测包。如果探测包丢失，将启动一个新的探测循环。当探测循环结 束以后，发送端通过比较测量到的探测包的r t t 来决定拥塞程度。如果是拥塞 导致的丢包，发送端则进入拥塞控制处理阶段；如果是由于短暂的链路错误引起 的，则以原来的速率发送数据。从而对拥塞丢包和其他丢包采用不同的方法进行 处理。 在t c ps a n t ac r u z 1 3 l e e ，p a r s a 和a c e v e s 提出通过计算数据包在发送路径 上的延时来估计拥塞是否发生。具体方法是通过计算一个包和另一个包在发送路 径上的相对延时来估算驻留在网络瓶颈设备队列中数据包的数量。由于拥塞导致 的丢包通常伴随着瓶颈设备队列的增加，因此，当丢包发生时，接收端通过估算 瓶颈队列变化状况来判断是否发生拥塞。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 r a m a k r i s h n a n 等提出的显式拥塞指示( e x p l i c i tc o g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ，e c n ) 机锖l j 1 4 是种和主动式队列管理( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，a q m ) 机制结合 的方法。在执行a q m 机制的路由器中，当拥塞发生且队列没有溢出时，对数据 包进行拥塞标记而不是丢弃。接收端收到拥塞标记包后将此拥塞信息通过确认包 传送到发送端。于是发送端激发拥塞控制机制。 b a l a k r i s h n a n 等提出了称为显式丢失通知( e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ，e l n ) 的方法f 1 5 】。当接收端或基站估计出丢包是与拥塞无关时，便设置t c p 包头部的 e l n 位，并传回发送端。发送端收到e l n 通知时，只需重传丢失的包而无需进 行拥塞控制。 ( b ) 错误恢复机制 对不同的丢包原因需要采取不同的恢复办法。r c a e e r e s 等提出的快速重传 ( f a s tr e t r a n s m i t ) 方法【1 6 】中，移动设备在切换完成后，立即向发送端发送3 个 重复a c k ，从而使得发送端无需等待重传定时器超时便发送数据，从而提高信 道利用率和吞吐率。在f r e e z e t c p 1 7 1 中，g o f f 等也提出了类似方法，并且当接 收端检测到切换信号时，立即用零窗口通知发送端，阻止其进入拥塞控制阶段。 当移动设备长时间处于深度衰减( d e e pf a d e ) 状态时，f r e e z e - t c p 1 7 采用 零窗口建议来通知发送端，阻止其进入拥塞控制阶段。当收到零窗口以后发送端 进入僵持状态，冻结所有和连接有关的定时器，并且周期性地发送零窗口探测包 ( z e r ow i n d o wp r o b e s ，z w p ) ，直到接收端的窗口打开。接收端对最后一个成功 接收的z w p 发出3 个a c k ，从而打开发送端窗口，使发送端进入快速传输阶段。 m a s c o l o 提出的t c p - w e s t w o o d 1 8 1 是解决链路不对称性等问题，其主要特点 是，当发送端收到3 个重复的a c k 或出现超时时，并不是将拥塞窗口减半，而 是选择一个和出现拥塞时有效带宽相称的慢启动门限值及拥塞窗口。发送端通过 测量返回a c k 的平均速率来估计t c p 连接的可用带宽，从而避免了过分保守地 减少拥塞窗口和慢启动门限，有效地利用了带宽。 2 4 4 2 分段连接方案 这种方案通过在基站将发送端和接收端的t c p 连接分为两个独立的部分来 实现，也就是一个t c p 连接是在有线网络和基站之间，另一个t c p 连接是在基 站和移动设备之间。第一个连接使用的是传统的t c p 协议；第二个t c p 连接也 就是无线链路上的连接可以使用经过修改的t c p 协议，从而增强处理无线链路 上各种错误的能力。 最早建议采用分段连接的是b a k r e 和b a d r i n a t h 提出的l n d i r e c t - t c p ( i 1 p ) 【1 9 】。i - t c p 两段均使用标准的t c p 连接。进行数据传输时，发往移动主机的数 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 据首先被基站接收，基站向固定主机发送a c k ，然后将数据转发到移动主机。 i - t c p 有助于对有线网络屏蔽无线链路的不确定性，并且固定主机上的t c p 不需 要改变。 另一种采用分段连接方法的协议是m t c p 2 0 。其体系结构可以分为三层： 在最低层，移动主机和每个蜂窝的基站通信；中间层多个基站由一个监视主机 ( s u p e r v i s o r h o s t ，s h ) 控制；最上层是监视主机和固定主机通讯。m t c p 中固 定主机仍然使用标准的t c p 。与i - t c p 中基站一旦收到固定主机的数据即发送确 认不同，m t c p 中只有当收到来自移动主机的确认时才发送确认到固定主机， 从而维持了t c p 端到端的特性。 r a t o a m 和m a t t a 也提出了一个版本w t c p 【2 l 】，该协议通过修改t c p 包 头时间戳中的时间来对发送端屏蔽在基站缓冲区中花费的时间。这样发送端对 r 1 t 和超时时间的估算就不会受到无线丢包的影响。 2 4 4 3 链路屡方案 链路层方案的基本思想是将局部重传机制和前向错误纠正( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，f e c ) 机制结合起来，对t c p 发送端隐藏各种和无线链路相关的数 据包丢失。 b a l a k r i s h n a n 介绍了一种运行于基站的s n o o p 代理【2 2 】。s n o o p 代理监视t c p 连接中的每一个数据包，包括a c k 包。s n o o p 代理维持了一个t c p 包的缓冲， 这些包由固定主机发送而来，但还没有被移动主机确认。同时它跟踪每个从移动 主机来的a c k 包，通过到达的重复a c k 包或局部超时来检测包的丢失。当丢 包发生时，如果s n o o p 代理已经缓存此包，则进行局部重传，并且重复的a c k 包被丢弃以避免导致发送端进入快速重传。使用局部重传，可以使基站通过不传 送重复的a c k ，对固定主机屏蔽包在无线链路上的丢失。 p a r s a 提出的t u l i p ( t r a n s p o r tu n a w a r el i n ki m p r o v e m e n tp r o t o c 0 1 ) r 2 3 是 和s n o o p 协议相似的增强t c p 处理无线丢包性能的协议。不同于s n o o p 的是， t u l i p 不需要基站参与其中来提高t c p 性能，不需要知道传输协议的任何细节。 接收端缓存数据包并把它们按序传给下一层，因此避免了t c p 由于在预期包序 列中某个包的丢失而产生重复的a c k 。 另一种和s n o o p 协议相似的协议是a t c p 2 4 1 ，不同的是当基站和移动主机 之间出现连接中断时，a - t c p 采用的方法和m t c p 一样，由基站向固定主机发 送零窗口通知。当发送端收到零窗口通知后冻结其定时器，并暂停数据包的发送。 当连接重建后，基站发送重复的a c k 并带有更新的窗口尺寸，此时发送端从冻 结状态中恢复，因此a t c p 能有效处理深度衰减带来的影响。 第二章无线局域网中的传输控制协议研究现状 2 4 。2 基于接收端的改进策略 在2 0 0 3 年，h u n g y u nh s i e h 等人首先提出了一种以接收端为控制中心的传 输层协议r c p 2 5 。它的表现相当于传统t c p 协议的一个克隆，只是将控制中 心转移到接收端。和以发送端为中心的传统t c p 相比，它由接收端控制发送速 率，可以提供更好的拥塞控制、丢包恢复以及功率控制等。 r a j a r s h ig u p t a 等人提出了一种w e b t p 协议【2 6 】，该协议也是以接收端为中 心的传输控制协议，它是专门为w e b 服务提出并且不是针对无线链路问题的， 在接收端同样克隆了传统t c p 协议的控制方法。 2 4 3t c p 协议改进策略的不足 上述这些方案都企图解决无线链路最后一跳带来的问题，如：无线链路高随 机误码率，移动主机在a p 间切换，r t t 变化大等。但是，这些改进策略或者是 通过a c k 包携带的反馈信息，得到无