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

中文摘要 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。 针对传统t c p 协议在无线网络中存在的问题，我们提出了以移动主机为中 心的传输控制协议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 ) 。当移动主机为 发送端时，m c p 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 采用以接收端为中心的控制机制。课题组的前期工作已经证明了m c p 协议的可 行性，当不加入其他改进策略的时候，m c p 协议的性能和t c p 协议基本相当。 本文在此基础上，完善了m c p 协议的基本原理，并在仿真软件n s 2 中实现了 r e n o 版本m c p 协议的基本功能模块。 当移动节点为接收端的时候，接收端为中心的m c p 协议，比传统的以发送 端为中心的t c p 的协议，在改进传输控制协议的性能方面更有优势。本文利用 上述优势，提出了两种基于端到端的改进方法：选择请求( s r e q ) 和减少请求 ( s k i p p i n gr e q ) 方法。 为了有效利用无线节点处获得的无线链路传输状况信息，进一步提高m c p 协议在无线局域网下的性能，我们采用跨层设计的方法：将从m a c 搜集到的有 用信息反馈给传输层，m c p 再利用上述反馈信息来区分不同的丢包，并尽可能 将网络拥塞引起的丢包和无线原因引起的丢包进行不同的处理。 最后，我们分别对加入s k i p p i n gr e q 机制的m c p 协议，以及同时加入选择 请求和跨层信息反馈机制的m c p 协议进行了性能评价。大量仿真结果表明，相 对传统t c p 协议，加入本文中提出的改进机制后的m c p 协议，在不对公平性产 生过大影响的基础上，显著提高了端到端的有效吞吐率。 关键词：传输控制协议；无线局域网；以移动主机为中心的传输控制协议；跨层 a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fw i r e l e s sl a n s ，h o wt oc o n n e c tt h ew i r e l e s s n e t w o r k st oi n t e r a c tw i t haw i d eb a n d w i d t hb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tn o t o 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 si n t e r a c tt r a n s p o r t p 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 i f io r d e rt os o l v et h ep r o m b l e m so ft r a d i t i o n a lt c pi nw i r e l e s sn e t w o r k s ，w e p r o p o s et h em 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 ) m c pa d o p t s t h e 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 mw h e nt h em o b i l eh o s ti st h es e n d e r , h o w e v e r , w h e n t h em o b i l eh o s ti st h er e c e i v e r , m c pc h a n g e st ot h er e c e i v e r - c e n t r i cc o n t r o l m e c h a n i s m p r e v i o u sw o r ki no u rl a bh a sa l r e a d yd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fm c e w i t h o u ta d d i n ga n ys p e c i a li m p r o v e m e n ts t r a t e g y , m c ph a ss i m i l a rp e r f o r m a n c et o t c ei nt h i st h e s i s ，b a s e do no u rp r e v i o u sw o r k ，w ef i r s t l yc o m p l e t ea n ds t r e n g t h e n t h eb a s i cp r i n c i p l e so fm c p , a n di m p l e m e n tt h ef u n d a m e n t a lf u n c t i o nm o d u l e so f m c pi nr e n ov e r s i o nu n d e rt h 6s i m u l a t i o ns o f t w a r en s 2 s e c o n d l y , w h e nm c p u s e sr e c e i v e r - c e n t r i cc o n t r o l ，c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l s e n d e r - c e n t r i ec o n t r o lo ft c ei th a sc e r t a i na d v a n t a g e so ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h et r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 b yu t i l i z i n gt h o s ea d v a n t a g e s ，w ep r o p o s et w o e n d - t o - e n dm e t h o d s ，s e l e c t i v er e q u e s t ( s r e q ) a n ds k i p p i n gr e q u e s t ( s k i p p i n gr e q ) 1 1 1 i r d l y , t of u r t h e re n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fm c pi nm ，a n sa n de f f e c t i v e l y m a k eu s eo fa v a i l a b l ei n f o r m a t i o na tt h ew i r e l e s sn o d e s ，w ei n t r o d u c eac r o s s - l a y e r d e s i g n t h em a cl a y e ro ft h ew i r e l e s sn o d e sc o l l e c t su s e f u li n f o r m a t i o na n d t r a n s m i t si tt ot h et r a n s p o r tl a y e r , w h e r em c pu t i l i z e s t h i sf e e d b a c ki n f o r m a t i o nt o o p t i m i z et h ec u r r e n tc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m f i n a l l y , w eh a v e d o n ean u m b e ro fd i f f e r e n ts i m u l a t i o n st o e v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fm c pw i t hs k i p p i n gr e q u e s tm e c h a n i s ma n dm c pt o g e t h e rw i t h s e l e c t i v er e q u e s ta n dc r o s s 1 a y e rm e c h a n i s m s 。s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t m c p , w i t ht h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sw eh a v ep r o p o s e di nt h i st h e s i s ，o u t p e r f o r m st h e t r a d i t i o n a lt c pb yi m p r o v i n gt h ee n d - - t o e n dt h r o u g h p u ts i g n i f i c a n t l yw i t hl i r l e a f f e c t i o nt o w a r d st h ef a i r n e s s 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 c n t r i ct r a n s p o r tp r o t o c o l ( m c p ) ；c r o s s 。l a y e r 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，也不包含为获得墨鲞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：善卒甬 签字日期： 加d 7 年6 月d - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎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) 学位论文作者签名： 姜辛甬 签字日期：为d 7 年6 月l r 日 翩虢玛炙糸 签字日期：矽户月日 f 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 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。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。当发生拥塞时，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 原因引起的。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，这样就会使得网络吞吐率下降。而且由于无线网络的链路错误往往连续发生， 将会导致发送窗口不断下降，严重影响网络的传输性能。 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 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 ct r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，简称为m c p 。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 在本课题的研究中，我们在课题组原有的研究基础上，主要完成了如下工作： a ) 基于课题组以前的研究工作【l 弓】，进一步完善m c p 协议的传输控制原理。 b ) 完成r e n o 版本的m c p 协议在n s 2 仿真平台下的实现。 c ) 提出无线局域网( w l a n 环境下，移动端为接收端时，原始m c p 协 议的端到端改进方案：选择请求( s r e q ) 和减少请求( s k i p p i n gp , e q ) 机制，并在仿真软件n s 2 平台下予以实现。 d ) 提出无线局域网( w l a n ) 环境下，跨层m c p 协议的设计与实现方法， 并在仿真软件n s 2 平台下予以实现。 e ) 在大量不同场景下，对加入选择请求，减少请求和跨层机制进行仿真， 并详细分析仿真数据，对改进后的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 章我们对当前国内外对无线网络的传输控制协议的研究工作进行了简要介绍；在 第三章中，我们描述了以移动主机为中心的传输控制协议( m c p ) 的原理及其在 n s 2 仿真平台下的实现；第四章我们给出了w l a n 中，当移动端为接收端的时 候，m c p 协议的两种端到端的改进策略：选择请求( s r e q )和减少请求 ( s k i p p i n gr e q ) ，并分别给出了它们在仿真软件n s 2 下的实现方法。第五章中， 我们重点讨论了跨层m c p 协议的设计与实现方法：第六章对加入各种改进方案 的m c p 协议进行了性能评价：第七章，我们对全文进行了总结，并对今后的研 究工作进行了展望。 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 t c p 协议是目前互联网上应用最广泛的提供可靠服务的传输层控制协议。从 9 0 年代初开始，t c p 很大程度上占据了互联网网络业务，而且在可以预见的将 来也将继续在互联网上占据主导地位m 】。本章简要介绍t c p 协议的原理，指出 其在无线网络中存在的不足，以及已经提出的各种改进研究。 2 1 传输控制协议t c p 简介 t c p 协议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，它可以保证数据按顺无误的到达接收端。 为了确保上述目的的实现，t c p 协议采用了包括可靠性控制、流量控制以及拥塞 控制等多种控制机制。 t c p l 7 。9 】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。在传统有线网络 中，引起丢包的原因通常有两种：一种是网络拥塞，另一种是链路噪声。然而随 着通信技术的迅速发展，诸如光纤等传输介质可以提供高质量的信号传输，使得 链路噪声引起的丢包变得相对很少【1 0 】。因此，t c p 协议将所有丢包都当成网络 拥塞处理，可以很好的适应有线网络环境。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 盲目的因丢包而降低发送速度会造成性能的大幅度下降。 2 2 无线网络中t c p 协议的改进研究 自从t c p 在无线网络中存在的不足之处被指出以后，人们提出了很多相关 的解决方法。一种想法是对t c p 屏蔽与拥塞无关的丢包，因此不需要对已有的 t c p 的实现做任何改动。这种方法的主要思想是：既然问题产生在局部，就应该 在发生之处解决，而且传输层没有必要了解不同链路的特性。采取这种改进方法 的协议都试图让无线链路从传输层协议角度看起来，是高质量的，但是减小了有 效的传输带宽。于是，t c p 所见的丢包大部分都是由拥塞引起。另种方法是试 图让t c p 知道无线链路的存在，并且意识到有些丢包不是由于网络拥塞而引起。 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 这样t c p 就可以避免在发生非拥塞引起的丢包的时候，进行不必要的拥塞控制 算法。最后上述两种方法可以有效的结合起来，来共同获得更好的性能。 参照文献【1 1 1 3 1 中对无线网络中t c p 改进方法的分类，我们将从链路层方案、 分段连接方案、代理方案和端到端方案几个方面，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，并比较各种改进方法。 2 2 1 链路层方案 链路层方案主要采用的两种技术，一种为错误纠正( e r r o rc o r r e c t i o n ) 技术， 如前向错误纠正技术( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) ；另一种为响应自动重传请 求技术( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) ，对丢包进行重传。 在美国的数字蜂窝系统的链路层协议c d m a 1 4 】和t d m a 1 5 1 中，主要使用了 a r q 技术。t d m a 协议保证提供可靠，按序的链路层数据帧传输。而c d m a 协 议只尝试有限次重传，将错误恢复并最终提供可靠服务的任务交给了可靠的传输 层协议来完成。 a i r m a i l 1 6 垛合利用了f e c 和a r q 两种技术进行丢包恢复，在链路层为 上层提供可靠的传输。为了有效利用带宽和能量，基站在移动接收端返回a c k 之前会发送一整个窗口的数据。这种做法只能在整个窗口的末尾进行错误恢复； 如果链路错误率较大将导致t c p 的超时，或者根据丢包在窗口中所处的位置， 有可能导致很大的延迟抖动。 t u l i p r 7 】是一种不需要t c p 参与的链路层改进协议。它能够在链路层局部 恢复所有丢失的数据包，而且只有那些已经在无线链路上丢失的数据包会在需要 的时候被重传。从传输层的角度来看，通向目的端的不可靠无线链路，在t u l i p 协议的作用下，就好像是可靠的低速链路一样，因此t c p 协议可以只是简单的 调整数据传输，而不需要考虑无线丢包的问题。 2 2 2 分段连接方案 分段连接方案将一个t c p 连接在基站节点处分成两个连接，一个连接是从 有线的发送端到基站，另一个连接是从基站到无线节点。通常情况下，在从有线 节点到基站的连接中使用标准的t c p 协议进行传输控制，而在从基站到无线节 点的连接中使用特殊的传输控制协议。 比较著名的分段连接方案之一为i - t c p 1 8 】，它运行在基站处，负责将源端发 送的数据包缓存起来，并立即反馈a c k 给源端，然后再试图将数据包发送给无 线目的端。而且在基站和无线节点之间的连接不一定要使用标准的t c p 协议， 而可以使用其他在无线环境下性能更好的传输控制协议。这种方法的缺点是违反 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 了t c p 的端到端语义，而且不易在互联网上广泛实施。 m t c p t l 9 】协议与i - t c p 协议类似，也是将一个t c p 连接在基站处分成两部 分。从基站到无线节点的连接经过一个会话层协议m h p 。文章提出了两种m h p 协议的实现方法：一种是使用t c p 协议，另一种是使用s r p 协议( s e l e c t i v er e p e a t p r o t o c 0 1 ) 。 与i - t c p 相比，m t c p 2 0 】保持了t c p 的端到端语义，主要针对无线链路发 生间断对t c p 性能的影响。在从有线端到基站的连接中使用标准的t c p 协议， 在从基站到无线节点这段连接中，采用m t c p 协议。当发生链路传输中断的时 候，会通知无线节点的m t c p 协议，从而将所有的定时器都冻结。当链路恢复 之后，再解冻所有的定时器，并继续数据传输。而当基站发现无线链路中断的时 候，它会将有线端的t c p 置于持续模式( p e r s i s tm o d e ) 。当基站检测到无线链路 恢复之后，再通知有线端的标准t c p 协议继续进行传输。m t c p 不是一个完整 的解决方案，并且作者也表示该算法仍然需要一个比较好的链路层协议来进行丢 包恢复。 2 2 3 代理方案 在代理方法中，在t c p 的发送端和接收端主机之问插入代理( p r o x y ) 来帮 助提高t c p 的性能。比较有名的代理方法之一是运行在基站处的s n o o p 协议【2 。 s n o o p 通过在数据包被传送到i p 层之前，对所有进入接口的数据包进行检测， 从而重传丢失的数据包，并阻止t c p 的重复a c k 的返回。当它检测到任何数据 包的两个重复a c k 的时候，都会将之前缓存的相应的数据包进行重传。s n o o p 协议必须维护通过它的所有t c p 会话的状态。而且在进行切换的过程中，s n o o p 协议也存在较难解决的问题。当无线节点由一个基站切换到另一个基站的时候， 新的基站为该无线节点创建新的s n o o p 模块。该模块初始的时候是空的，然后慢 慢积累缓存的数据包。于是，在新的s n o o p 模块积累缓存的时候，它将不能很有 效的重传因无线链路原因而丢失的数据包，从而导致端到端t c p 性能的下降。 针对上述切换问题，人们又提出了软切换( s o f th a n d o f f s ) 方法，即在新的s n o o p 缓存建立好之前，仍然使用原有基站进行数据传输。但是软切换方法却会带来很 大的额外缓存负担。 2 2 4 端到端方案 端到端的方案主要在连接的两端发送端和接收端做工作，而不需要中间路由 节点的参与。 a t c p 2 2 是针对移动a dh o c 网络提出的，它利用网络层的反馈将t c p 的发 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 送端置成持续状态( p e r s i s ts t a t e ) ，拥塞控制状态或者是重传状态。当网络发生 断路的时候，将t c p 的发送端置成持续状态以防止不停的进行重传。另一方面， 当数据包因为无线错误丢失的时候，只重传丢失的数据包而不启动拥塞控制。最 后，当网络发生拥塞的时候，t c p 正常启动拥塞控制。a t c p 的实现没有改变原 t c p 的实现，而是在i p 和t c p 层之间加入一层a t c p 层。a t c p 层负责监听由 e c n 消息和i c m p 消息提供的网络状态信息，并将t c p 置成相应的状态。因此 在不支持e c n 的网络环境中，a t c p 不能很好的工作。 t c pw e s t w o o d 2 3 】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，即在发生三个重复a c k 的时候， 将慢启动阈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，也将慢启动阈值设为估计 的带宽值。 r e c e p t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( r c p ) 1 2 4 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，相对于传统传输层控制协议，如t c p 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 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 5 各种改进的比较 使用链路层协议进行丢包恢复的主要优点是能很好的适应网络的分层结构。 链路层协议独立于上层协议进行操作，并且不必按连接维护发送状态。而链路层 方案最主要的缺点是链路层协议会对传输层协议( 如t c p ) 产生负面影响。 d e s i m o n e 等人在文献【2 5 】中指出，在链路层提供可靠传输会因传输层和链路层之 间重传机制的竞争造成不必要的冗余重传。分段连接方案的缺点是需要基站的参 与，很容易给基站造成过重的负担。虽然端到端的方案不需要中间节点的参与， 但其性能通常没有上述两种方案高。 2 3 小结 本章首先指出了传统t c p 协议在无线网络环境下的不足：t c p 协议将所有 第二章无线网络中传输控制协议研究现状 丢包都当成网络拥塞处理，但是无线网络的信道误码率高，带宽低，再加上移动 性及能量有限等特性，造成丢包不完全由网络拥塞造成。因此t c p 盲目的因丢 包而降低发送速度会造成性能的大幅度下降。然后我们介绍了现有的改进t c p 协议在无线网络中性能的各种研究方案，并对不同的改进策略进行了简要的比 较。 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 针对传统t c p 协议在无线网络中存在的问题，我们提出了以移动主机为中心 的传输控制协议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 ) 。m c p 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，用以移动主机为中心的传输控制机制替代传统t c p 以发送端为 中心的控制机制：当移动主机作为数据的发送端时，采用以发送端为中心的传输 控制机制；当移动主机作为数据的接收端时，采用以接收端为中心的传输控制机 制。m c p 协议的主要思想是：因为无线节点直接与无线链路相邻，能更多更直 接的获得无线信道的有用信息，m c p 协议让移动节点负责控制整个数据传输的 过程，以利用上述获取的无线信道本身的信息来更好的控制数据传输。实验室课 题组的前期工作【1 0 】已经证明了m c p 协议的可行性，当不加入其他改进策略的时 候，m c p 协议的性能和t c p 协议基本相当。本章将介绍m c p 协议的基本原理 及其在n s 2 下的具体实现方法，然后在接下来的两章中将着重介绍如何应用基 于端到端的和跨层的方法改进m c p 协议在w l a n 下的性能。与文献【2 4 】中提出 的r e c e p t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( r c p ) 协议相比，m c p 协议同时考虑了移动节点作 为接收端从有线网络下载数据的场景，和移动节点作为发送端向有线网络上传数 据的场景，而且我们将给出如何直接利用移动节点处的可用信息改进传输控制算 法。 3 1 以移动主机为中心的传输控制协议m c p 本节将详细介绍基本的m c p 协议，包括数据的传输机制，连接管理以及传 输控制等方面。m c p 协议的基本思想是让移动主机来完成数据传输过程中的流 量控制和拥塞控制，并保证数据传输的可靠性。当移动主机为发送端的时候，与 t c p 类似，m c p 采用以发送端为中心的控制机制；当移动主机为接收端的时候， 与r e c e p t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( r c p ) 1 类似，m c p 采用以接收端为中心的控制机 制。因此，主要的数据传输控制都是在移动端实现的，而有线固定端只是配合移 动端的控制，当有线端为发送端的时候，它简单的根据移动端的控制信息发送数 据；当有线端为接收端的时候，它负责将接收到的数据情况以确认包( a c k ) 的 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 形式反馈给移动端。m c p 协议的功能模块如图3 1 和图3 2 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 移动端固定端 数据 请求号 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 3 1 1 数据传输机制 m c p 有两种数据传输机制：当移动节点为发送端的时候，与传统的t c p 类 似，m c p 采用以发送端为中心的控制，并采用d a t a - a c k 方式传输数据；当移 动节点为接收端的时候，采用以接收端为中心的控制，和相应的r e q d a t a 方 式传输数据。 在d a t a a c k 数据传输模式中，发送端先发送数据包d a t a ，然后接收端接 收到该数据包之后，发送确认包a c k 以确认该数据包的正确接收，最后发送端 接收到相应的a c k ，一次成功的数据包传送过程结束。确认包是以累积 ( c u m u l a t i v e ) 方式发送的，当发送端接收到序号为x 的确认包的时候，表示所有 序号小于x 的数据包都已经正确接收。 在r e q d a t a 数据传输模式中，接收端先发送请求包r e q ，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 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 候，一次成功的数据包传送过程结束。为了实现不同的请求功能，请求包r e q 分为两种：一种是累积式的请求包，一种是强制式的请求包。累积式的请求包与 累积式的确认包相似，当发送端接收到序号为x 的累积式的请求包的时候，它 会从上一次发送的序号为y 的数据包的下一个数据包开始发送y + i ，y + 2 ， 直至x 号数据包为止。而强制式的请求包是在接收端发现有数据包丢失的时候， 用来请求发送端重传丢失的那个数据包的。如果发送端收到序号为x 的强制式 请求包，那么它只发送序号为x 的数据包。 3 1 2 连接管理 连接管理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 收端之问需要建立m c p 连接。而当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 的连接建立过程与t c p 的连接建立过程类似，是一次三次握手的过程。 不同的是，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。我们在m c p 的s y n 包中加入mf l a g 位，用来达到上述目的。当 移动节点是接收端的时候，如果它首先通过发送s y n 置1 的包发起连接建立过 程，那么它会将此s y n 包中的mf l a g 置为1 ，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mf l a g 都置l 的确认包。接收端接收到确认包后再 发送s y n 为o , mf l a g 为1 的包完成三次握手。如果是有线固定端先发起连接建 立请求，发送s y n 包给移动节点，移动节点会发送s y n 和mf l a g 都置l 的确 认包应答，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。当移 动节点是发送端的时候，连接建立的过程和其做接收端的时候类似，只是所有的 m 位都为，表示连接采用以发送端为中心的控制。当连接建立好之后，移flag 0 动节点首先发起行动，如果它是发送端，则它主动向网络中发送数据包并等待确 认；如果它是接收端，则主动发送请求包，然后等待接收相应的数据包。 当数据传输完成之后，需要拆除一个m c p 连接。连接双方中的任意一方都 可以发送一个f i n 置位的包来通知对方自己已经没有更多的数据需要传输，需要 拆除从自己到对方的数据连接。当收到对方对该f i n 包的确认的时候，此方向的 数据连接成功拆除。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，再通过发送一个f i n 置位的包拆除另一 个方向的连接。最后，当第二个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，通常拆除一个m c p 连接需要发送四个包，每个方向一个f i n 包 和相应的确认包。 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 3 1 3 可靠性控制 m c p 为上层提供可靠的数据传输服务，确保传递给上层的数据是按序的， 无错误的，连续的，并且没有重复。可靠性控制负责将收到的数据包重新按照正 确的顺序排序，重传丢失的数据包和通过设置重传定时器，防止m c p 连接的数 据传输发生无定期的问断。与传统的t c p 不同，m c p 根据所采取控制策略的不 同，判断数据包丢失的方法也不同。当移动节点为发送端的时候，与t c p 类似， m c p 通过接收到重复确认包( 一般为三个) 来判断有数据包丢失。当移动节点 为接收端的时候，m c p 通过接收到规定次数的乱序数据包来检测数据包丢失， 仿照t c p ，我们将该次数也设置为三次。具体来说，接收端记录当前已经连续收 到的最大数据包的序号x ，那么下一个期望收到的数据包的序号就是x + 1 。如果 接下来收到的数据包的序号不是x + i ，那么就称这个数据包为乱序到达的数据 包。按照接收端发送请求的顺序，如果在请求x + i 号数据包之后所请求数据包 中( 即序号大于x + i 的数据包) ，有三个正确到达接收端，那么则认为数据包 x + i 丢失。有了具体判断数据包丢失的方法，m c p 就能够及时的请求重传丢失 的数据包，从而保证数据传输的可靠性。 当移动节点为发送端的时候，像t c p 一样，上述的主要功能都是在发送端 实现的。当发送端发送一个数据包时，同时启动m c p 的重传定时器。如果在该 定时器超时之前，发送端接收到相应的a c k ，那么停止重传定时器的计时。否 则，重传定时器发生超时，发送端重传引起超时的那个数据包。此外，在定时器 计时的这段时间里，如果发送端收到3 个重复的a c k ，表明相应的数据包丢失， 发送端也会重传该数据包。当数据包成功到达接收端后，接收端将它们按序号重 新排列，并去掉发生错误和重复的数据包，最后按序传递给上层。 当移动节点为接收端的时候，m c p 使用以接收端为中心的控制机制，可靠 性控制也主要在接收端进行实现。当接收端发送请求包r e q 请求序号为x 的数 据包的时候，它同时启动重传定时器。如果序号为x 的数据包在该定时器超时 之前正确到达接收端，则停止该计时器的计时。否则，重传定时器超时，接收端 发送强制式的请求包请求重传序号为x 的数据包。如果在重传定时器计时的这 段时间里，接收端连续收到3 个乱序数据包，则接收端也要发送强制式的请求包 请求重传序号为x 的数据包。 以上是可靠性控制的简要介绍，其中用到的重传定时器是按照t c p 中普遍 采用的定时器操作方法【2 6 】进行维护的。 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 3 1 4 流量控制 m c p 的流量控制要完成两个任务：一个任务是防止发送端发送速度过快导 致接收端缓冲区溢出( 移动节点为发送端的时候) ；另一个任务是防止接收端请 求的速度太快导致发送端的缓冲区溢出( 移动节点为接收端的时候) 。 当移动节点为发送端，采取以发送端为中心的控制机制的时候，像t c p 一 样，m c p 的接收端将收到的正确有序的数据放入接收缓存，并在合适的时候传 递给相关的应用程序。如果发送端发送数据包的速度超过接收端的处理能力，那 么接收端将无法缓存接收到的数据包，从而导致不必要的数据包丢失。故发送端 在发送数据的时候需要考虑接收端的处理能力( 缓冲区大小) 。 当移动节点为接收端的时候，它可以从自己的本地信息获知接收缓冲区的大 小，从而避免请求速度超过自己的处理能力。同时，接收端在进行请求的时候同 样要考虑发送端缓冲区的大小。当发送端按照接收端的请求发送完序号为x 的 数据包的时候，它并不能马上将该数据包从缓冲区中清除掉，直到接收端确认该 数据包的正确接收之前，接收端仍然可能请求重传序号为x 的数据包。如果接 收端请求的速度过快，发送端将无法缓存已经发送出去但是还没有被接收端确认 的那些数据包。因此，接收端同样需要将发送端缓冲区的大小考虑到其流量控制 之内。 仿照t c p 流量控制的实现方法，m c p 同样采用通知窗口( a d v e r t i s e d w i n d o w ) 的方式来实现流量控制。当移动节点为发送端的时候，发送端维护固定有线接收 端通知的接收窗口，并始终保持数据发送窗口不超过接收窗口。当移动节点为接 收端的时候，它首先要维护本地可用缓冲区的大小接收窗口，还要维护发送 端通知的发送窗口，并保证数据窗口不超过上述两个窗口的最小值。同时当一个 数据包被正确接收的时候，移动节点将以累积式的方式确认数据包的正确接收， 即将当前已经连续收到的数据包的最大序号携带在r e q 中反馈给发送端。当发 送端收到该r e q 中携带的确认信息之后，再将数据从发送缓冲中清除。综上所 述，m c p 通过在移动节点端维护通知窗口的方法，实现了流量控制，将发送( 以 发送端为中心的控制) 或请求( 以接收端为中心的控制) 数据的速度限制在连接 双方的处理能力之内。 3 1 5 拥塞控制 当主机发送到网络上的业务负载超过网络承受能力的时候，就会出现网络拥 塞。m c p 协议的拥塞控制模块负责处理网络拥塞。从理论上，可以通过应用数 据包守恒原理来处理网络拥塞。数据包守恒的主要思想为：只有当一个已经发送 第三章以移动主机为中心的传输控制协议m c p 及其在n s 下的实现 到网络中的包离开网络的时候，主机才能向网络中再发送一个新的数据包，以保 证网络中的包守恒。即主机只能在确定自己已经发送到网络中的数据包，有一个 已经离开了该网络的时候才能继续发送新的数据包【1 0 1 。仿照传统t c p 实现拥塞 控制的方法，m c p 同样采用维护并动态调整拥塞窗口的方法实现拥塞控制，而 且拥塞窗口的调整也遵照t c p 的拥塞控制算法：慢启动，拥塞避免，快速重传， 快速恢复以及响应超时事件。但是与t c p 不同的是，不论移动节点是发送端还 是接收端，m c p 始终在移动节点端维护拥塞窗口并完成拥塞控制当移动节点是 发送端的时候，m c p 利用确认包a c k 来触发拥塞窗口的增长，而当移动节点是 接收端的时候，m c p 利用数据包d a t a 的到达来触发拥塞窗口的增长。因此与 t c p 一样，m c p 同样是自时钟的( s e l f - c l o c k i n g ) 。下面简要介绍一下m c p 的拥 塞控制算法及其动态调整的控制参数： 拥塞窗口( c o n g e s t i o nw i n d o w ) ：c w n d 用于限制m c p 向网络中发送数据或请 求的速度。 慢启动阈值( s l o ws t a r tt h r e s h o l d ) ：s s t h r e s h 用于判断是否采用慢启动算法对 拥塞窗口进行动态调整。 慢启动( s l o ws t a r t ) ：当拥塞窗口c w n d 小于慢启动阈值s s t h r e s h 的时候，通 常在数据传输的初始阶段和发生超时之后，m c p 采用慢启动算法调整拥塞窗口。 每当成功发送一个数据包的时候( 接收到新的确认包或者新的数据包) ，拥塞窗 口c w n d 值增加1 。下面以移动节点为接收端的时候为例，具体说明慢启动阶段 m c p 是如何调整拥塞窗口的。首先，初始情况下m c p 的拥塞窗口为l ，接收端 向网络中发送一个请求包r e q 之后，就等待该r e q 请求的数据包的到来。如果 在此期间没有丢包发生，则当数据包正确到达接收端的时候，接收端将拥塞窗口 的值增