（计算机应用技术专业论文）无线网tcp拥塞控制算法研究.pdf

摘要 t c p 协议在i n t e r n e t 网上表现出良好的性能，但应用于无线网络时，其性能 显著下降，如何提高t c p 在无线网上的性能成为目前重要的研究课题。本文主要 研究t c p 友好的拥塞控制算法，改进蜂窝无线网以及自组织无线网的拥寨控制问 题。 本文首先分析了t c p 协议在无线网中的性能，以及在无线网中，t c p 流和u d p 流在竞争带宽时的友好性：针对蜂窝无线网，分析了t c p 数据分别在有线链路和 无线链路上传输的不同特性，比较了不同t c p 版本在无线链路上传输的性能。在 理论和实验分析的基础上总结了无线网中影响t c p 性能的主要因素，并分析自组 织无线网的特点。 在性能分析的基础上，本文提出了一种面向t c p 友好的拥塞控制算法。该算 法是在l d a + ( t h ee n h a n c el o s s d e l a yb a s e da d a p t a t i o na l g o r i t h m ) 算法基础 上，利用丢包错误区分模式来估计造成丢包的主要原因，并使用不同的策略来管 理不同原因丢包造成的网络拥塞。分析和实验结果表明，与l d a + 算法比较，新算 法在无线网端到端的拥塞控制中表现出了较好的性能。 针对蜂窝无线网中导致t c p 性能下降的原因，本文还提出了种基于接收端 反馈的拥塞控制算法。该算法通过接收端反馈的信息来估计目前带宽，并使用相 应的估计参数更新拥塞窗口。实验结果表明，与传统的t c p n e w r e n o 协议比较， 新算法在链路差错率较高时具有较好的性能，因此适合无线网络的应用。 最后，本文自组织无线网的拥塞控制算法进行分析和研究，提出一种自组织 无线网的拥塞控制改进算法( 即t c pi m p r o 算法) ，t c pi m p r o 通过分析自组织无 线网络中数据传输特点，以及t c p 拥塞控制机制所存在的问题，采用选择探钡4 机 制降低了网络负载，从而降低链路冲突的几率，提高了网络带宽的利用率。实验 结果表明，t c pi m p r o 算法在吞吐率、发送速率和包成功到达率方面表现出较好的 陛能。 关键词：无线网拥塞控制；蜂窝无线网；t c p 友好性；错误区分模式；拥塞窗口： 吞吐率 a b s t r a c t t c pp r o t o c 0 1r u n sw e l li ni n t e r n e t h o w e v e r ， t c pp e r f o r m a n c ed e c l i n e s r e m a r k a b l yi nw i r e l c s sn e t w o r k s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c ei n w i r e l e s sn e t w o r k sb e c o m e sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hi s s u e t h i s p a p e r r e s e a r c h e s t c p f r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r 0 1m e c h a n i s mo v e rc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k sa 1 1 d a d h o cn e t w o r k s f i r s t l y ，t h ep e r f b r m a n c eo ft c pp r o t o c o la n df r i e n d l i n e s sb e t w e e nt c pn o w a n d u d pn o wa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a n dt h e nd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft c pd a t a n o wa f er e s e a r c h e do v e rc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k s f u r t h e r m o r et h et r a n s m i s s i o n f u n c t i o nb e t w e e nd i f 诧r e n tt c pv e r s i o n si sc o n t r a s t e da n dm a j o rf a c t o r sa f k c t i n gt c p f h n c t i o na r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i sa b o v e ，ak i n do fc o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mf a c e dt c p f r i e n d l yi sp r o p o s e d t h e nt h i sp a p e rm a k e su s e o ft w oe r r o r d i v i s i o nm o d e st oe s t i m a t ek e yr e a s o n sl e a d i n gt o l o s i n gp a c k s a n dd i f f b r e n t s t r a t e g i e sa r eu s e dt om a n a g el o s tp a c k so fd i f 诧r e mr e a s o n s c o m p a r i n gw i t hl d a 十 m e c h a n i s m ，t h ee x p e “m e n t ss h o wt h 砒n e wa l g o r i t h mp e r f o r m a n c e sb e t t e ri n t h e c o n g e s t i o nc o n t r o lo fw i r e l e s sn e t w o r k s s u b s e q u e n t l y ， ac o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nr e c e i v e r s f 色e d b a c ki s p r o p o s e di n t h i sp a p e r t h en e wa l g o r i t h me s t i m a t e st h ec u r r e n tb a n d w i d t hb y i n f o f m a t i o ns e n d i n gb yr e c e i v e r st or e n e wc o n g e s t i o nw i n d o w a l s oe x p e r i m e n t ss h o w p e r f o r m a i l c eo ft h en e wa l g o “t h mi s b e t t e rt h a nt h ep e r f o r m a n c eo ft c p - n e w r e n o p r o t o c 0 1 t h a t st os a yt h en e wa l g o r i t h mi sm o r ef i tf o rw i r e l e s sn e t w o r k s a t1 a s t ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi na dh o c n e t w o r k sn a m e dt c p - i m p r o t c p i m p r ou s e ss e l e c t i n ga c k n o w l e d g e m e n tm e c h a n i s m i no r d e rt od e c r e a s et h el o a do fn e t w o r k sa n dp r o b a b i l i t yo fc 0 1 1 i s i o n c o n s e q u e n t l y ， t h eu t i h z a t i o no fb a n d w i d t hi si m p r o v e d f i n a l l y ，e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt c p i m p r o c a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft c po v e ra dh o cn e t w o r k k e yw o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o li nw i r e l e s sn e t w o r k s ；c e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k s ；t c p f n e n d l i n e s s ；l o s se r r o rd i v i s i o nm o d e l ；c o n g e s t i o nw i n d o w ；t h r o u g h p u t r a t e 1 1 插图索引 图1 1 网络拥塞示意图3 图1 2 全文的结构图9 图2 1 仿真拓扑结构和配置1 2 图2 ，2 有线无线环境中吞吐量的比较1 2 图2 3 有线环境拥塞窗口1 3 图2 4 无线环境拥塞窗口1 3 图2 5 有线环境往返时间14 图2 6 无线环境往返时间1 4 图2 7 蜂窝无线网模拟实验拓扑图1 5 图2 8 有线链路数据传输1 6 图2 9 无线链路数据传输1 6 图2 1 0t c pt a h o e 在无线链路上的传输1 7 图2 1 1t c pr e n o 在无线链路上的传输1 7 图2 1 2t c ps a c k 在无线链路上的传输1 8 图2 13t c p 吞吐率比较1 9 图2 1 4t c p 流平均吞吐率2 0 图3 1 仿真结构图2 5 图3 2 三种模式发送速率的对比2 6 图3 3 脓。一l d a + 区分两种不同类型的丢包2 7 图3 4 聊。一l d a + 区分两种不同类型的丢包2 7 图3 5 尸= 0 5 时三种模式发送速率的对比2 7 图3 6 发送者为1 0 0 时三种模式发送速率的对比2 8 图4 1 实验网络拓扑图3 2 图4 + 2t c pr e c e i v e r f b 和t c pn e w r e n o 吞吐率的比较3 3 图4 3 拥塞窗口变化情况3 3 图5 ，1 节点状态图3 6 图5 2t c pn e w r e n o 和t c pi m p r o 平均吞吐率的比较3 8 图5 3t c pn e w r e n o 和t c pi m p r o 包成功到达率的比较3 8 附表索弓 表2 1 模拟基本参数1 5 表3 1 r 。一l d a + 和阡，。一l d a + 的准确性2 6 表3 2 错误区分模式的统计量2 8 表4 1 丢包时拥塞窗口更新策略3 1 表4 2 超时时拥塞窗口更新策略3 l 表5 1 网络拓扑基本参数3 7 l v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：劲争磊等 日期：初。 年j z 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 张法埠 弗职 日期：劢p 譬年1 1 月fj 日 日期：伊产胡【( 日 第1 章绪论 互联网最初源于美国国防部的a r p a n e t 计划。在上个世纪6 0 年代中期，正是 冷战的高峰，美国国防部希望有一个命令和控制网络能够在核战争的条件下幸免 于难，而传统的电路交换的电话网络则显得太脆弱。国防部指定其下属的高级研 究计划局( a r p a ) 解决这个问题，此后诞生的一个新型网络便称为a r p a n e t ，其最 大特点是采用无连接的端到端包交换服务。随后a r p a n e t 开始与美国国家科学基 金会( n s f ) 建成的n s f n e t 及加拿大、欧洲和太平洋地区的网络互联。8 0 年代中 期，人们开始把互联的网络称为互联网。 早在7 0 年代中期，a r p a 为了实现异种网络之间的互联与互通，推出了t c p i p 体系结构和协议规范。至今，t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议，并由单 纯的t c p i p 协议发展成为一系列以i p 为基础的t c p i p 协议簇。t c p i p 协议簇 为互联网提供了基本的通信机制。 互联网采用的是无连接的端到端数据包交换，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。例如由于队列溢出，互联网路由器会丢弃约1 0 的数据包。据统计，互 联网上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议，因此，互联网上主要的互连协议t c p i p 的拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 机制对控制网络拥塞具有特别重要的意义。 拥塞控制是确保互联网鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的关键因素，也是各种管理控制机 制和应用( 如多媒体通信中q o s 控制、区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ) 的基础，因此关于互联网的拥塞控制问题一直是网络研究的一个热点。 在互联网中，t c p 协议是目前使用最广泛的一种传输协议“一“，它为i n t e r n e t 用户提供了可靠、健壮的端到端数据通信服务“1 。根据m c i 的统计，i n t e r n e t 上 总字节数的9 5 及总数据报文数的9 0 使用t c p 协议传输”1 。但是t c p 协议是为固 定主机和有线网络设计的一种滑动窗口协议，适用于差错率低、报文丢失主要由 拥塞造成的有线链路。无线网络具有差错率高和移动性等异于有线网络的特点。 链路差错与主机移动都可能引起t c p 报文丢失，而t c p 协议将报文丢失作为拥塞 的标志，一旦发现报文丢失，t c p 源端立即减小拥塞窗口，降低发送速率。因此， 当t c p 协议应用于无线网络时，其性能出现显著下降“。1 。t c p 协议的拥塞控制机 制是导致t c p 协议在无线网中性能下降的主要原因，因此，目前对于t c p 协议的 改进主要集中在对拥塞控制机制的改进上。本章主要介绍t c p 协议拥塞控制机制， 无线网络中t c p 改进的研究概况，以及t c p 拥塞控制机制在蜂窝无线网和自组织 无线网中的性能分析，在此基础上引入本文所做的工作。 1 1 无线网中t c p 协议拥塞控制研究概况 1 1 1 研究背景 无线通信的历史非常悠久，但是无线计算机通信的历史却并不长。1 9 7 0 年， 由夏威夷大学研究开发的a l o h a 分组交换无线网络投入运行“，该网主要完成远 程终端与主机间的数据交换，a l o h a 所采用的信道竞争协议为后来出现的载波检测 多址接入协议( c s m a ) 奠定了基础“。1 9 7 2 年美国国防部高级研究规划署( d a p r a ) 启动了s u r a n 项目，主要研究无线分组网络的相关技术问题，如接入、链路协议 和路由等。虽然有像a l o h a 这样的实际应用系统，但是这一阶段的无线网络还主 要停留在实验室阶段。直到上世纪九十年代，这种状况才发生显著的改变。硬件 技术的发展使移动设备的成本降低，因特网的普及也促进了无线网络技术的商业 应用。人们对移动计算需求的增长和通信、电子以及计算机网络技术的飞速进步 使得无线计算机网络得到迅猛发展。 与有线网络相比无线网络在以下这些地方有应用优势：在不能使用传统走线 方式的地方、传统布线方式困难、布线破坏性很大或因历史等原因不能布线的地 方：有水域或阻隔的地方；重复地临时建立设置和安排通讯的地方；无权铺设线 路或线路铺设环境可能导致线路损坏；时间紧急，需要迅速建立通讯，而使用有 线不便、成本高或耗时长；局域网的用户需要有更大范围进行移动计算的地方。 因为这些不可替代的优势，无线网络的到了广泛的应用，如果将其应用划分为室 内和室外的话，室内应用包括大型办公室、车间、会议室、证券市场等；室外应 用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、野外勘测试验、军事流动网、公安流 动网等。 蜂窝无线网络是目前使用最为普遍的无线网络中的一种。它由有线分组交换 骨干网和一个或多个限定在一定地理范围内( 蜂窝) 的无线网络组成，每个蜂窝 有一个中心控制节点，称为基站。基站同时与有线骨干网相连，它负责在无线网 络与有线骨干网之间进行数据转发。当移动主机在不同蜂窝之间移动时，骨干网 需要更新该主机的路由信息，以便数据通过移动主机目前所在蜂窝的基站转发， 这一过程称为切换1 ，移动i p 协议就是针对这一问题所制定的标准“。 自组织无线网是最近发展起来的一种无线网。其特点就是没有固定的基站， 其中所以的节点都能任意地移动，并且可以采用任意地方式进行动态地连接，除 了无线网络天生地广播特性外最显著的特点就是网络拓扑结构变化频繁和不可预 测。此外，有限的电源储备、较低的带宽、高出错率也是自组织无线网中重要的 限制条件，因此有线网络那一套拥塞协议体系不能够只做细枝末节的修改就能适 应自组织无线网的要求，从而在自组织无线网的拥塞控制研究成为目前无线网拥 塞控制机制研究的热点之一。 1t c p 协议的拥塞控制机制 目前t c p 协议主要包含有四个版本：t c pt a h o e 、t c pr e n o ”。、t c pn e w r e n o “ 和t c ps a c k “。以下将分别介绍它们的拥塞控制机制。 当网络中存在过多的数据报文时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。 在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”现象。一般 来说，拥塞崩溃发生在网络负载增加导致网络效率降低的时候。 援褥氩藏 图1 1 网络拥星示惹图 如图1 1 所示。网络负载较小时，吞吐量基本上与负载成正比，增长较快， 而响应时间缓慢增长：负载接近网络容量时，吞吐量缓慢增长，而响应时间急剧 增加，这一点称为k n e e 。如果负载继续增加，路由器开始丢包，当负载超过一定 量时，吞吐量开始急剧下降，这一点称为c l i f f 。拥塞控制机制实际上包含拥塞避 免和拥塞控制两种策略。前者的目的是使网络运行在k n e e 附近，避免拥塞的发生； 而后者则是使得网络运行在c 1 i f f 的左侧区域。前者是一种“预防”措施，维持 网络的高吞吐量、低延迟状态，避免进入拥塞；后者是一种“恢复”措施，使网 络从拥塞中恢复过来，进入正常的运行状态。 t c pt a h o e 是早期的t c p 版本，它包括了3 个最基本的拥塞控制算法一“慢启 动”、“拥塞避免”和“快速重传”。 慢启动是指在t c p 连接建立时，拥塞窗口( c w n d ) 的初始值为一个数据报文 大小；每收到一个确认报文，拥塞窗口就增加一个数据报文发送量的拥塞控制机 制“。这样c w n d 就将随着回路响应时间r t t ( r o u n dt r i pt i e ) 呈指数增长。所 以，实际上慢启动一点也不慢，要达到每r t t 发送n 个数据报文所需时问为 r t t l o g n 。 拥塞避免是指当t c p 源端发现超时或收到3 个相同确认报文时，即认为网络 发生了拥塞。此时就进入拥塞避免阶段。t c p 源端进入拥塞避免阶段的同时将慢启 动闽值( s s t h r e s h ) 设置为当前拥塞窗口大小的一半；如果超时，则将拥塞窗口 置1 。如果c w n d 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 个确认报文时只增加1 c w n d 个数据报文，这样，在一个r t t 内，c w n d 将增加l ， 在拥塞避免阶段，拥塞窗口是线性增长。 快速重传是当t c p 源端收到三个相同的确认报文时，即认为有数据报文丢失， 不必等待重传计时器超时即重传丢失的数据报文，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 减为原先的一半。 t c pr e n o 在t c pt a h o e 基础上增加了“快速恢复”算法。快速恢复是基于“管 道”模型的“数据报文守恒”的原则，即同一时刻在网络中传输的数据报文数量 是恒定的，只有当“旧”数据报文离开网络后，才能发送“新”数据报文进入网 络。如果发送方收到一个重复的a c k ，则认为已经有一个数据报文离开了网络，于 是将拥塞窗口加l 。如果“数据报文守恒”原则能够得到严格遵守，那么网络中将 很少会发生拥塞；本质上，拥塞控制的目的就是找到违反该原则的地方并进行修 正。 t c pn e w r e n o 对t c pr e n o 中的“快速恢复”算法进行了修正。它考虑了一个 发送窗口内多个数据报文丢失的情况。在r e n o 中，发送端收到一个新的确认报文 后就退出“快速恢复”阶段，而在n e w r e n o 中，只有当所有的数据报文都被确认 后才退出“快速恢复”阶段。 代ps a c k 关注的也是一个窗口内多个数据报文丢失的情况。它避免了之前版 本的t c p 重传一个窗口内所有数据报文的情况，包括那些已经被接收端正确接收 的数据报文，而只是重传那些被丢弃的数据报文。 2t c p 协议在无线网中面临的挑战 t c p 在因特网上取得了巨大的成功，但是当它应用于无线网络时，所面临的是 与有线网络截然不同的网络环境，原有的算法和策略已不适应新的网络环境，表 现就是性能的显著下降。无线网络与有线网络的不同特性，也就是t c p 在无线网 中所面临的挑战主要有以下几个方面： ( 1 ) 带宽小。与有线网络相比，无线网络的带宽资源是十分有限的。最初的 i e e e 8 0 2 1 l 协议只能提供1 2 m 的带宽“”。新的8 0 2 1 l b 提供了最高1 1 m 的带 宽。能够基本满足办公环境的需要。 ( 2 ) 时延大。通常，无线链路的时延远大于有线链路的时延。较大的时延会影响 t c p 的吞吐率，因为t c p 发送窗口的增长会相对比较缓慢；同时时延大也影响 了服务端与用户之间的交互。 ( 3 ) 差错高。无线链路与有线链路相比具有更大的开放性，这也就意味着无线链 路更容易受到干扰。有线链路上的位差错率通常只有1 0 。6 1 0 ，对于1 5 0 0 b v t e 的报文，与此相对应的报文差错率为1 2 0 0 1 2 。而在无线链路上，位差错 率为1 0 ，有时甚至高达l o ，相对应的报文差错率为1 2 “。如此高的报文 丢失使得t c p 无法充分利用带宽，导致性能下降。 ( 4 ) 移动性。无线网络为用户提供了随时随地接入网络的功能，也使用户可以在 移动的状态( 如汽车上) 中使用网络。但是这种方便的特性也给t c p 协议带 来了新的课题“。在蜂窝无线网络中，主机的移动需要在不同基站间进行切 换。切换会使得链路短暂断开，造成报文丢失，从而触发t c p 源端启动拥塞 控制，降低t c p 的性能；在自组织无线网络中，主机移动使得网络拓扑动态 改变，也使得已建立的路由失效，由此带来的报文丢失同样会降低t c p 的性 能。 ( 5 ) 能量有限。对于使用电池的移动设备，如电池、p d a 和移动电话等，电池的能 量是十分宝贵的。一般来说，使用无线网络进行通信所消耗的能量甚至比c p u 所消耗的能量还多”。但是目前对t c p 的研究还很少涉及到能量节省“。 ( 6 ) t c p 友好性。因特网上的许多实时多媒体服务，例如i p 电话和群通信等，都 是基于u d p 协议。大量无拥塞控制的u d p 流在和有拥塞控制的t c p 流竞争带 宽时，将导致对t c p 流的的不公平性。特别是在误码率高、带宽低的无线网 的应用场合，这种不公平性更为突出。 1 1 2 研究进展 本文主要研究t c p 友好拥塞控制算法的改进，蜂窝无线网中t c p 协议的改进， 以及自组织无线网中拥塞控制算法的改进。 1t c p 友好性的研究进展 目前，在t c p 通信中，拥塞仍然是限制网络流量的主要原因之一，最近提出 的实时多媒体服务，例如i p 电话和群通信等，都是基于u d p 协议的，而u d p 协议 不具有可靠性和拥塞控制机制。它可以像t c p 协议一样对数据进行重发而无须另 外计算传输时延，但是，如果在i n t e r n e t 上大量传输无拥塞控制的u d p 流将导致 对t c p 通信的不公平性，因为t c p 发送者需要通过减少它们的带宽来对拥塞控制 作出反应，而u d p 不要对拥塞控制作出反应。因此u d p 流必须加强拥塞控制机制， 不仅仅是避免网络拥塞，也是为了能够与t c p 公平的竞争带宽，即t c p 友好性。 t c p 友好性表现在一个t c p 通信和一个具有类似传输特性的自适应流如果具有相 同的时延和丢包率就应该享受相同的带宽。当不稳定的服务质量( q o s ) 影响到用 户的时候，多媒体流需要有稳定的带宽，不能像t c p 流一样要根据网络的拥塞情 况而改变带宽。在每一个几秒钟的时间间隔或者在整个数据流的过程中，面向t c p 友好的数据流将获得和t c p 通信相同的带宽“。文献 2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 中描述了用于 实时通信的面向t c p 友好性的拥塞控制模式。但是那些模式实用于有线网络，而 难以应用到无线网中。因为在有线网中，包丢失就意味着超载或者拥塞，而在无 线网中，包丢失可能是由于信道差或有障碍物等其他原因。如果是因为这些原因 丢失包，如果拥塞控制机制将其处理为拥塞丢包，会导致流量不必要的减少，这 样就会降低对信道的利用率。 最近有一些关于t c p 友好性改进模式的报道，有些用到了类似t c p 的控制机 制，也有是对t c p 分析模型进行改进。 r e j a i ee t a 1 在文献 2 5 中提出了一种叫做比率改进协议( r a p ) 的改进算 法，和t c p 类似，接收者通过接收到的数据包的序号或者时延来判断发出的数据 包是否丢失，发送者通过确认包来估计数据发送的时延。如果没有检测到丢失包， 那么发送者将根据一个已估测好的时延函数来增加发送速率，直到检测到丢失包， 发送速率将减半，这类似t c p 方式。按照类似t c p 的方式设计的拥塞模式，例如 r a p 或者t e a r ，这里都不考虑。文献 8 和 2 6 所作的工作就是指出了t c p 在无线 网中的低性能，在这样的环境下面，丢包的频繁发生导致从单个的t c p 发送者窗 口丢失多个数据包，如果这样的事情发生了，t c p 的性能将会很低，不必要的重发 数据包也降低了网络的吞吐量。 p a d h y ee ta 1 给出了t c p 连接( ，) 中平均分享带宽的一个分析模型“”。 是包的大小，是丢包比率，f 。是重传时间间隔，f 。是来回时延，d 是每一个确 认通知包确认的数据包的数量。 利用这个模型，p a d h y ee t a l 在文献 2 8 中提出了一种这样的方案，发送 者根据接收者的确认通知来估计来回的时延和丢失的包。如果有丢失包，发送者 将其发送速率限制于和公式( 1 1 ) 中计算出的t c p 发送速率相等，否则发送速率 增倍。f l o y de t a 1 利用这个等式提出了t c p 友好发送速率控制( t f r c ) 的拥塞 控制机制”“。 2 蜂窝无线网络中t c p 协议改进研究进展 1 9 9 5 年，h b a l a k r is h n a n 等人的研究表明，如果不进行适当的修改，t c p 协议在无线网上无法取得令人满意的性能”3 。其原因是因为无线信道具有低带宽、 高差错的特点，丽链路差错产生的报文丢失将使t c p 协议不恰当地启动拥塞控制 机制，降低发送速率，由此降低了吞吐率。 随着无线网络应用发展，t c p 协议在无线网上的改进这一课题也变得同益重 要。目前已提出多种改进方案，主要可分为基于基站和端到端的两类方案。在基 于基站的方案中：s n 0 0 p 在基站建立缓冲区，报文丢失时由基站重发数据报文，以 此避免t c p 降低发送速率”：d d a ( d e l a y e dd u p l i c a t ea c k n o w l e d g e m e n t s ) 在基站 检查t c p 报头，在发生报文丢失时，先利用链路层的重发机制重发数据，如不成 功，再将重复确认发给t c p 发送端处理”“。文献 2 9 提出的方案不需要检查t c p 报头，直接在链路层检测错误并重发。i n d i r e c t t c p ( i t c p ) ”和m t c 眇1 1 则是将 一个t c p 连接分成发送端到基站和基站到接收端两个连接。不同之处在于i t c p 在基站收到数据后即发送确认，而m t c p 只有接收端真正收到数据报文后才发送 6 确认。 上述方案都需要基站的支持，不易实现。因此端到端的改进方案成为目前研 究的重点。文献 3 2 提出了基于误码的发送速率调节机制，该算法通过报文丢失 情况获取通信链路的误码率，在误码率上升时降低发送速率，反之则提高发送速 率。在提高可靠性的基础上提高了t c p 的吞吐率。文献 3 3 提出的算法根据报文 到达间隔时间( i n t e r _ a r r i v a lt i m e ) 的变化在接收端区分报文丢失原因。当报文 丢失的间隔时间与迄今为止最小的间隔大致相等时，则认为是链路错误导致；否 则认为是拥塞导致。文献 3 4 采取了压缩t c p 报头和减小m a c 层数据帧的大小的 措施来提高t c p 在无线网上的性能文献。文献 3 5 使用了隐马尔科夫模型( h i d d e n m a r k o vm o d e l i n g ) 作为核心算法，同时提出了丢失对( p a c k e ti o s sp a i r s ) 的概念， 每一个丢失对表示的是两个连续发送的数据报文，其中第一个因为某种原因丢失 了，而第二个成功发送。然后用大量的丢失对隐马尔科夫模型进行训练，得到合 适得参数，在此基础上对报文原因进行区分。文献 3 6 提出的算法根据报文丢失 的数量和单向传播时间o t t ( o n e w a yt r i pt i m e ) 这两个参数来判断报文丢失是否 因为拥塞。 3自组织无线网中拥塞控制的研究进展 自组织网络是一种新型的无线网络，除了具有与蜂窝无线网络相同的低带宽、 高链路差错率的特点外，它还具有网络中无固定通信设施，网络拓扑动态改变的 特点。自组织网络中每个通信节点都是自由移动的，既是终端又是路由器。自组 织网络较高的链路误码和频繁的路由失效导致传统t c p 协议性能下降。因此，如 何提高t c p 协议在自组织无线网络上的性能成为了当前的一个研究热点o ”。 1 9 9 9 年，g h 0 1 1 a n d 和n h v a i d y a 通过模拟实验对t c p 在自组织无线网 络上的性能进行了分析，提出了期望吞吐率( e x p e c tt h r o u 曲p u t ) 来说明因为t c p 不能区分路由失效与拥塞而导致的性能下降”3 。实验同时表明采用显示链路失效 通告对提高t c p 的性能有较好的效果。t c p f ( t c p f e e d b a c k ) 是一种基于反馈的 改进方案”“，当负责转发数据报文的中间节点检测到路由失效时，就向t c p 源端 发送路由失效通告r f n 。t c p 源端收到此通告后，暂停数据发送，冻结发送窗口和 定时器；路由重新建立后，中间节点向t c p 源端发送路由重建通告r r n ，使t c p 重新启动定时器并继续发送数据。从而减少路由失效造成的性能下降。t c p b u s 采用的是和t c p f 类似的反馈机铡来显式的通告t c p 源端路由失效和重建的情况 。“。但是，在原路由路径中的各个节点收到路由失效通告之后，中间节点将停止 发送数据，并缓冲所有尚未收到确认的数据报文。t c p 源端收到路由失效通告后则 将未收到确认的数据报文的超时值加倍。a t c p ( a dh o ct c p ) 没有对t c p 本身进行 修改，而是在i p 层和t c p 层之间加入了一个瘦子层”。这个子层通过e c n ( e x d l i c i t c o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) 和i c m p 来了解网络的情况，并控制t c p 发送端的状 态。在超时或发生三次重复确认的时候，a t c p 将t c p 冻结，而出自己负责重发数 据，完成后再将t c p 转入正常状态，避免t c p 启动拥塞控制机制。文献 4 0 分析 了在自组织网络中t c p 流存在的不稳定性，对导致这一结果的m a c 协议和路由协 议作了相应的改进，降低了同一个节点成功发送数据后再次获得信道的几率。而 对路由协议的改进则是在中间节点发现链路中断时，通过发送h e l l o 给邻节点以 避免出现假中断的情况。e n i c 综合利用了链路层、网络层和传输层的信息来判断 链路状态“。文献 4 2 通过实验发现存在一个与跳数相关的最优拥塞窗口值，结 果同时表明网络过载主要是无线链路上的竞争所导致。 1 2 本文所做的主要工作 本文重点研究了无线网中面向t c p 友好的拥塞控制算法，蜂窝无线网中t c p 协议的改进算法，以及自组织无线网中拥塞控制改进算法，主要工作总结如下： ( 1 ) 对t c p 协议在无线网络中的性能进行研究，分析了t c p 数据在无线信道上传 输的特性，比较了t c p 协议不同版本在无线网上的性能，在此基础上总结了 导致t c p 协议性能下降的主要原因。 ( 2 ) 针对u d p 流和t c p 流的公平性问题，提出了一种无线网中t c p 友好的拥塞控 制算法( w l d a + ) ，利用错误区分模式来判别无线网中丢包的原因，实验表明， 在无线网的环境下，新算法比传统的l d a + 算法具有更好的性能。 ( 3 ) 针对无线链路差错率较高而导致t c p 协议拥塞控制机制的问题，提出了种 基于接收端反馈的t c p 拥塞控制算法，通过接收端反馈的信息来估计带宽并 将其应用于窗口更新，使t c p 更有效地利用带宽。实验表明，在链路差错较 高的环境下，新算法比传统的t c p 协议具有更好的性能。 ( 4 ) 通过分析自组织无线环境的特点，提出了一种自组织无线网络t c p 拥塞控制 改进算法，t c pi m p r o 通过分析自组织无线网络中数据传输特点，以及t c p 拥塞控制机制所存在的问题，采用选择探测机制降低了网络负载，同时，针 对自组织网络拓扑动态改变的特点，在发生路由失效时，保持第二次重传计 时器不变，把任何连接中断都看作是瞬时的，这样出现路由故障可以迅速恢 复，从而降低链路冲突的几率，提高了网络带宽的利用率。 全文分为五个章节，内容如下： 第一章绪论包括无线网络的发展历史、t c p 协议以及本文所做的主要工作； 第二章t c p 协议在无线网络上的性能分析，为提高t c p 在无线网络上性能的研究 提供理论基础，包括t c p 协议在蜂窝无线网络和白组织无线网络中的性能分析， 通过总结分析实验结果，归纳了导致t c p 在无线网络中性能下降的主要因素。第 三章无线网中面向t c p 友好的拥塞控制机制，提出改进算法，通过实验比较分析 了算法的性能；第四章无线网中基于接收端反馈的拥塞控制算法，提出一种新的 8 t c p 改进算法，并进行了性能分析；第五章自组织无线网中t c p 拥塞控制改进算 法。 本文各章的联系与全文的结构如图1 2 所示。 第1 章 绪论 l 第2 章 t c p 在无线网络上的 性能分折 第3 章 无线网中t c p 友好的拥 塞控制算法 第4 章 无线网中基于接收端反馈的 拥塞控制算法 图1 2 全文的结构图 9 帮5 章 自组织无线网中t c p 拥 寒控制改进算法 第2 章t c p 拥塞机制在无线网上的性能分析 2 1 引言 对t c p 协议进行性能的比较和分析是改进t c p 协议的理论基础。本章首先分析了在 t c p 数据流和u d p 数据流竞争带宽时所表现出的t c p 友好性，介绍了经典的t c p 拥塞控 制机制的基本原理，然后比较分析了有线链路与无线链路中数据传输的不同特点，根据 无线网所固有的特征，分析了经典。r c p 拥塞控制机制应用于无线环境时存在的问题，并 以t c pr e n o 版本为基础，通过仿真分析，对比了经典t c p 捐l 塞控制机制在有线、无线 中的性能表现，总结了一个完善的无线t c p 拥塞控制机制解决方寒应考虑到的因素。虽 后，比较三种t c p 版本( 1 pt a h o e 、t ( ：pn e e n o 、亿ps a c k ) 在无线网中的性能。在 实验的基础上总结了影响t c p 性能的因素，为改进研究奠定基础。 本章采用l b n l ( l a w r e n c eb o i k e l e yh a t l o n a ll a b o r a t o r y ) 开发的网络仿真器n s 一2 进行仿真实验。卡耐基梅隆大学m o n a r c h 项u 组为n s 一2 开发了无线扩展模块，可以对 无线嘲络进行模拟“。 2 2t c p 友好性及其在无线环境中的分析 2 2 1t c p 友好性 拥寒控制机制的问题主要集中在效率和公平性( f a l r n e s s ) 上。网络资源的使用效 率是指源端要求的总资源与网络所能提供的资源之间的关系。如果二者刚好相等或者很 接近，那么这种算法的效率就是高的，否则都是效率不高的表现。 友好性是指在网络发生拥塞时各连接能公平地共享网络资源。产生公平性问题的根 本原因在于拥塞发生必然导致数据包丢失，而数据包丢失则会导致各数据流之间为争抢 有限的网络资源发生竞争，竞争能力强的数据流将到更多网络资源，从而损害了其他数 据流的利益。所以说没有拥塞，也就没有公平性问题。公平性问题表现在两方雨：一是 椭塞响应的t c p 流和非拥塞响应的u d p 流之间资源享用不公平性；二是t c p 流之问资源 享用的不公平性。前者主要是在发生拥塞时t c p 流和i 】d p 流对拥塞指示作m 的不问反应 所造成的。出于t c p 流具有拥塞控制机制，在收到拥塞指示后，源端会主动降低发送速 率；而u d p 流由于没有端到端的拥塞控制机制，囚此在收到拥塞指示后，u d p 不会降低 数据发送速率。结果在网络拥塞时，拥塞适应的