（计算机应用技术专业论文）无线网中tcp协议改进算法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 t c ? 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h 珲。因此如何提高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 要研究改进蜂窝无线网和自组织无线网中t c p 协议的问题。 为了对t c p 进行有效地改进，本文分别分析了蜂窝无线网和自组织无线网中 t c p 协议的性能。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；针对自组织 无线网，分析了三种典型拓扑结构中t c p 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。 在性能分析的基础上，本文提出了一种基于带宽估汁的端到端t c p 拥塞控制 算法。该算法通过确认报文携带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 、t c p s a c k 等协议比较， 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。 针对自组织无线网络中导致t c p 性能下降的原因，本文还提出了一种端到端 的改进算法t c p p r o b e 。t c p p r o b e 通过采用选择确认机制降低网络负载，从而减 少链路冲突的概率，由此提高网络带宽的利用率。实验结果表明，t c p p r o b e 在不 需要改变路由的条件下能提高t c p 在自组织无线网络上的性能。 最后，本文实现了一个基于n s 一2 的可视化网络模拟器。该模拟器具有自动生 成模拟脚本、自动分析模拟结果、自动生成统计图表和模拟进度显示等功能。利 用此模拟器可以方便地进行网络协议评价和分析。 关键词：t o p 协议；蜂窝无线网络；自组织无线网络；带宽估计；路由探测；选择 确认 无线网中t c p 协议改进算法研究 a b s t r a c t t h et r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o lf t c p ) p e r f o r m sv e r yw e l li nt h ei n t e r n e t h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft c ps u f f e r sf r o ms i g n i f i c a n tt h r o u g h p u td e g r a d a t i o n w h e ni t a p p l i e st o w i r e l e s sn e t w o r k h o wt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft c p o v e r w i r e l e s sn e t w o r k sh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t s t h i st h e s i s m a i n l y s t u d i e st c pi m p r o v e m e n t a l g o r i t h m s o v e rc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k sa n d m o b i l ea dh o cn e t w o r k s t h i st h e s i sf i r s ta n a l y z e st c p p e r f o r m a n c eb o t ho v e rc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k a n da dh o cn e t w o r k f o rc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k ，t h et r a n s m i s s i o nf e a t u r eo fw i r e l e s s l i n ki sa n a l y z e d ，a n dp e r f o r m a n c eo fv a r i a n tt c po v e rw i r e l e s sl i n ki sc o m p a r e dw i t h e a c ho t h e r a l s o ，t c pp e r f o r m a n c eo v e rt h r e ek i n d so ft o p o l o g i e si s a n a l y z e df o ra d h o cw i r e l e s sn e t w o r k b yt h e o r ya n de x p e r i m e n ta n a l y s i s ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e ss o m e f a c t o r st h a ta f f e c tt c p p e r f o r m a n c eo v e rw i r e l e s sn e t w o r k t h e nan e wt c p c 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 nb a n d w i d t he s t i m a t i o ni s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h me s t i m a t e s t h eb a n d w i d t ht h r o u g ht h e p a c k e t a r r i v a lt i m e c a r r i e d b ya c k n o w l e d g e m e n tp a c k e t a n du s e st h ee s t i m a t e db a n d w i d t ht o u p d a t e c o n g e s t i o nw i n d o w t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mh a sh i g h e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lt c p p r o t o c o l ss u c ha st c p n e w r e n oa n dt c p s a c ki ft h el i n k sh a v eh i g hb i te r r o rr a t e s oi ti sm o r es u i t a b l ef o rw i r e l e s sn e t w o r k s i na d d i t i o n ，t h i st h e s i s p r o p o s e s an e we n d - t o e n dp r o t o c o ln a m e dt c p p r o b e t c p - p r o b eu 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 mt od e c r e a s en e t w o r kl o a da n d p r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n ，s ot h eu t i l i z a t i o no fb a n d w i d t hi si m p r o v e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt c p p r o b ec 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 rm o b i l ea dh o c n e t w o r k f i n a l l y ，t h i st h e s i si m p l e m e n t sag r a p h i c su s e ri n t e r f a c en e t w o r ks i m u l a t o r t h e s i m u l a t o rc a ng e n e r a t es i m u l a t i o ns c r i p t ，a n a l y z es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d g e n e r a t et a b l e s a n d f i g u r e sa u t o m a t i c a l l y b yu s i n g t h es i m u l a t o r , r e s e a r c h e r sc a ne v a l u a t ea n da n a l y z e n e t w o r kp r o t o c o l sc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：t c pp r o t o c o l ；c e l l u l a r w i r e l e s s n e t w o r k ；a dh o cw i r e l e s sn e t w o r k ； b a n d w i d t he s t i m a t i o n ；r o u t ep r o b e ；s e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t 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 他个人或集体已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：日期：2 。弘年笋啁亏日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以匕相应方框内打“”) 作者签名：鹰起 刷磁辄懦 燕瑟 日期：2 一( f 年午月2 ，f 日 日期：2 砷年年q 月砖日 硕士学位论文 第1 章绪论 t c p 协议是目前i n t e r n e t 上使用最广泛的一种传输协议卜3 1 ，它为用户提供了 可靠、健壮的端到端数据通信服务。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【5 】。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9 1 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 6 。1 0 】。t c p 协议的拥塞控制机制是导致 t c p 协议在无线网上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 协议拥塞控制机制以及无线 网络中t c p 改进的研究概况，并简单介绍了n s 网络模拟器，在此基础上引入本 文所做的工作。 1 1 无线网中t g p 协议研究概况 1 1 1 研究背景 1 1 1 1 无线网络的发展 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【l l i ，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 2 】。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；局域网的用户需要更大范围进行移动计算的地方。因 无线网中t c p 协议改进算法研究 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 包括城市建筑群问通信、学校校园网络、野外勘测试验、军事流动网、公安流动 网等。 依其组网方式，无线网络主要可以分为有蜂窝无线网络和自组织无线网络( a d h o c ) 两种。 蜂窝无线网络是目前使用最为普遍的无线网络。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 13 1 ，移动i p 协议【1 4 1 就是针对这一问题所制定的标准。 自组织无线网络与蜂窝网相比最大的区别是自组织网络不需要有线骨干网的 支撑，网络中的每个主机既是数据传输的终端，同时又是将数据转发到其他主机 的路由器。相邻的节点( 相互在对方的传输范围内) 竞争公用信道，信道接入控 制( m a c ) 协议一般采用载波检测多址接入技术。这种拓扑的优点是网络的抗毁 性好、建网简便、费用较低，特别适合在战场、抗灾等特殊环境中使用。缺点是 如果网络规模过大，或者在较小区域内集结较多的主机，对信道的竞争将使整个 网络的信能大幅降低。具有广泛应用前景的传感器网络也属于自组织无线网络的 一种 1 1 1 2 t 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 p t a h o e 、t c p r e n o ( 3 1 、t c p n e w r e n o l l s l 和t c ps a c k t t e 】。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。 眷 鐾 l ： ： ! 一一一：7 ： i j 。j 一 网躇贽赣叼哺鱼霰 图1 1 网络拥塞示意图 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 2 一 硕士学位论文 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 l 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；后者是种“恢复”措施，使网络 从拥塞中恢复过来，进入证常的运行状态。 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m 】。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 m 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 个数据报文所需时间为 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 1 广r 内，c w n d 将增加1 ， 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 p r e n o 在t c p t 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1 。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。 t c 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 无线网中t c p 协议改进算法研究 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。 1 1 1 3 t o 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 1 协议只能提供1 2 m 的带宽 17 1 。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 - 1 0 ，对于1 5 0 0 b y 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 一，有时甚至高达1 0 ，相对应的报文差错率为1 2 t 1 * 。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1 1 9 1 。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1 2 l 】。 1 1 2 研究进展 本文主要研究无线网络中t c p 协议得改进。无线网络主要有蜂窝无线网和自 组织无线网络两种，在这两种无线网络中，影响t c p 性能的主要因素各有不同。 在蜂窝无线网中，主要是较高的链路差错率；而在t l 组织无线网中，除了链路差 错之外，主要是网络拓扑动态改变导致路由频繁失效。下面简要介绍这两种网络 一4 一 硕士学位论文 中t c p 改进的研究进展。 1 1 2 1 蜂窝无线网络中t o p 协议改进研究进展 1 9 9 5 年，h b a l a k r i s 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l ，】。其原因是因为无线信道具有低带宽、 高差错的特点，而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 o o 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【7 1 ；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 仨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 2 2 1 。文献 2 3 1 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 ) i z 4 】和m t c p 【2 5 呗0 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f 2 6 1 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【2 7 】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【2 8 】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【2 9 】使用了隐马尔科夫模型( h i d d e n m a r k o v m 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 tl 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 0 】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 y t r i p t i m e ) 这两个参数来判断报文丢失是否因为拥塞。 1 1 2 2 自组织无线网络t c p 改进研究进展 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 5 无线网中t c p 协议改进算法研究 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m 3 6 。 1 9 9 9 年，g h o l l 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 g h 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 e l 。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 ) 3 1 1 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 类似的反馈机制来显式的通告t c p 源端路由失效和重 建的情况1 3 2 。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1 3 3 1 。这个子层通 过e c n ( e x p l i c i tc 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，而由自 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3 4 1 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1 3 5 。文献【3 6 】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t c p 协议在蜂窝无线网络和自组织无线网络中的改进算法， 主要工作总结如下： 1 对t c p 协议在蜂窝无线网络和自组织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，提出了一种 基于带宽估计的t c p 拥塞控制算法，通过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。模拟实验表明，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。 一6 硕士学位论文 3 针对导致t c p 协议在自组织无线网络中性能下降的两个主要原因，提出了一 种新的改进算法，该算法采用选择确认机制，在路由失效时不是简单地降低 发送速度，而是首先发送探测包进行路由探测，减少了不必要的性能损失。 模拟实验表明，新算法在自组织无线网络上具有更好的性能。 4 比较深入地分析和研究了n s 网络模拟器的体系结构、数据结构和算法流程 等，在此基础上设计并实现了基于n s 网络模拟器的图形界面网络模拟器。该 模拟器运行于l i n u x 平台，具有自动生成模拟脚本、自动分析实验结果和自 动生成图表的功能。利用此模拟器可以方便地进行网络协议评价和分析。 全文分为六个章节，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自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 三章基于带宽估计的无线网t c p 拥塞控制机制，提出改进算法，通过模拟实验比 较分析了算法的性能；第四章自组织无线网络中t c p 改进算法，提出一种新的 t c p 改进算法，并进行了性能分析；第五章设计并实现了一个基于n s 网络模拟 器的图形化网络模拟器v n s 。第六章结束语总结全文。 本文各章的联系与全文的结构如图1 2 所示。 第1 章 绪论 第2 章 t c p 在无线网络上的 性能分析 第3 章 摹于带宽估计的无线网 t c p 拥塞控制机制 第4 章 自组织无线网络中t c p 改进 算法 第5 章 v n s 图形化网络模拟器 的设计与实现 第6 章结论 图1 2 全文的结构图 无线网中t c p 协议改进算法研究 2 1 引言 第2 章t c p 协议在无线网上的性能分析 对t c p 协议进行性能比较和分析是改进的理论基础。本章对蜂窝无线网络和 自组织无线网络中的t c p 协议进行了性能模拟分析。首先比较分析了有线链路与 无线链路中数据传输的不同特点；然后比较三种t c p 版本( t c pt a h o e 、t c pn e w r e n o 、 t c ps a c k ) 在无线网中的性能；最后，对自组织无线网络中三种典型网络网络拓 扑中t c p 的性能进行了分析。在模拟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 e r k e l e yn a t i 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 。卡耐基梅隆大学m o n a r c h 项目组为n s 一2 开发了无线扩展模块，可以对包括 自组织网络在内的无线网络进行模拟1 3 7 。 2 2 n s 一2 网络模拟器 近年来，随着计算机网络技术的发速发展，特别是因特网的广泛应用，研究 人员对于网络协议的研究越来越深入。在网络协议的研究过程中，对协议或算法 进行正确性验证和性能评价是非常重要的，而构建真实的网络测试平台成本高、 灵活性差、周期长，因而开发出灵活、稳定、支持多协议的网络模拟器成为首选 的替代方案。1 9 9 6 年，由u s c i s i ，x e r o x ，p a r c ，l b n l 和u cb e r k e l e y 联合成 立v i n t ( v i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d ) 项目组。该项目组得到d a r p a 资助，其 目的是实现一个可扩展的支持多协议的网络模拟器 3 9 l 。v i n t 包括网络模拟器的核 心n s 以及相关的辅助软件1 3 9 】。目前n s 已经在计算机网络研究中得到广泛的应用， 最新版本为2 2 7 ，并且仍然在不断的扩展和完善。 2 2 1 n s 一2 网络模拟器的特性 一个优秀的网络模拟器应该既能在多种网络拓扑条件下进行网络协议的模拟 和评价，又能对多种协议的相互影响进行模拟和分析。n s 网络模拟器具备一个优 秀模拟器的特性，它有如下一些特点： 1 模块化框架结构。n s 的这种特性模拟了因特网的体系结构，使得用户可以快 速、独立的开发新协议或新应用，然后以模块的方式添加到n s 中。 2 抽象性。n s 提供多个层次的抽象，通过调整模拟器的抽象层次，可以在模拟 性能和精度中间进行折中。增加抽象级别可以实现更大规模的模拟，而降低 抽象级别可以提高模拟的精度。n s 的抽象机制允许研究者不用改变模拟器本 8 硕士学位论文 身就能在各种不同的模拟粒度上进行模拟和比较。 3 可视化。可视化工具可以将模拟过程动态表现出来，方便研究者粗粒度的观 测协议的交互，同时研究者也可以利用可视化工具在概略级别上对协议进行 调试。 4 仿真。n s 的仿真功能可以将真实网络中的数据报文引入到模拟实验中来，使 模拟与实际情况更符合，同时使得开发者能进行更完善的调试。 5 模拟环境自动生成。n s 提供了一个能自动生成网络拓扑和业务流量的组件库， 该组件库是可扩展的。 2 2 2n s 一2 网络模拟器的体系结构 网络模拟器对于不同级别的模拟往往要求不同的编程模型，对于协议细节、 路由算法等网络核心部件，运行的速度和效率是最重要的，而因为这些细节对用 户是不可见的，因此，易用性或者方便性处于相对次要的地位。但是对于参数配 置，网络拓扑定义等直接面向用户的功能，易用性、方便性是第一位的，而速度 相对来说变得不那么重要了。 在上述设计思想的指导下，n s 网络模拟器采用了一种分离的体系结构：对数 据报文操作和算法具体实现等涉及到协议细节、对运行速度要求较高、数据处理 量比较大的部分，用编译语言c + + 实现；而对模拟实验的参数配置等对运算速度 要求不高当对灵活性、易用性要求较高的部分则用t c l 脚本语言实现。这种体系 结构将模拟器的设计、维护、扩展以及调试等与普通用户使用的模拟实验功能分 离开来，既提高了开发效率，促进了模块化的编程风格，提高了代码的重用性， 又为用户提供了一个简单易用、可重新配置以及可编程的模拟环境。 2 3m a r k o v 错误模型 与有线链路相比，无线链路的差错率要高2 3 个数量级，如此高的差错率主 要是无线链路的开放性造成的。在有线网络中，信号在电缆中传输，电缆能够很 好的屏蔽干扰信号；而无线网络中，信号在开放的空间中传播，各种电磁干扰， 比如雷电、强发射源等，都可能造成误码甚至将信号屏蔽。因为无线链路的差错 主要由外界干扰引起，其链路状态呈现出时好时坏的特点。发生干扰的时候，链 路可能连续出现多个误码，而干扰消失时，链路恢复正常状态，误码率相对大幅 降低。 不妨将链路状态分为“好”与“坏”两种，“坏”状态时，链路出现误码，“好” 状态时链路没有差错。因此，可以将链路状态的变化用一个两态的m a r k o v 模型来 描述，该m a r k o v 模型的转移矩阵如下： 无线网中t e p 协议改进算法研究 隹p b s b l ) 2 二) 仁， 其中，p g g 表示“好”一“好”的状态转移概率；p g a 表示“好”一“坏” 的转移概率；p b g 表示“坏”一“好”的转移概率；p b b 表示“坏”一“坏”的 转移概率。如图2 1 所示： 由状态转移矩阵可知，链路处于“好”状态和处于“坏”状态的概率如公式 2 2 ，2 3 所示 q 工卫 图2 1 两态m a r k o v 错误模型 岛2 老 ( 2 _ 2 ) b 小圪一南 ( 2 3 ) 其中p 。为链路无差错的概率，p b 为链路误码的概率。 为了使模拟更接近实际情况，本文采用平均分布的错误模型来模拟无线链路 中的随机差错，而用m a r k o v 错误模型来模拟无线链路中因干扰引起的突发性差错 l 】一 2 4t o p 协议在蜂窝无线网络上的性能分析 本章对三种t c p 版本( t c pt a h o e 、t c pn e w r e n o 、t c ps a c k ) 在蜂窝无线网 络中的性能进行了比较和分析。实验的网络拓扑图如图2 2 所示： t c ps e n d e rr o u t e 南b a s e l 跫2 m 1 0 m s ， - 出。：畦詈暑旨 圉22 蜂窝无线网模拟实验拓扑图 其中，有线链路的带宽为1 0 m ，延时为2 m s ；无线链路的带宽为2 m ，延时为1 0 m s t c p 数据流从固定主机通过基站发往移动主机。模拟的总时问为1 0 0 秒，t c p 源 硕士学位论文 发送的起始时间为第1 0 秒。其他基本实验参数见表2 1 表2 1 模拟基本参数 参数名参数值 r a d i o p r o p a g a t i o nm o d e l ( s h o r t ) r a d i op r o p a g a t i o nm o d e l ( f a r ) a n t e n n a m a c r o u t e f r e es p a c ep r o p a g a t i o nm o d e l t w o r a yg r o u n dr e f l e c t i o np r o p a g a t i o nm o d e l o m n i d i r e c t i o na n t e n n a i e e e 8 0 2 1 1d c f d s d v 2 4 1 无线链路与有线链路 本节通过模拟实验观察了t c p 数据从第1 0 秒开始发送到第1 0 5 秒时的情况， 直观的展现了有线链路和无线链路传输数据的不同特点，实验所使用的网络拓扑 如图2 2 ，t c p 协议使用的t c pt a h o e 。一条t c p 流从t c ps e n d e r 到r o u t e r ，用 于观察t c p 数据在有线链路中的传输情况；另一条t c p 流从t c ps e n d e r 到t c p r e c e i v e r ，用于观察t c p 数据在无线链路中的传输情况，报文大小为1 0 0 0 b y t e 。 实验结果如下图。 p a e k - e t 图23 有线链路数据传输 无线网中t c p 协议改进算法研究 图2 4 无线链路数据传输 图中，纵坐标为报文序列号，横坐标为时间。从图中可以看出，t c p 在有线链 路上的数据传输过程非常平稳，发送窗口持续增长，确认报文的返回时延比较小， 因此t c p 源端在半秒左右的时间内成功发送了约5 0 0 个数据报文。与之相对应的 无线链路的传输起伏变化很大，发送窗口增长非常缓慢，确认报文的返回时延比 较大，因此只成功发送约4 0 个数据报文。结果直观表现了无线链路异于有线链路 的一些特点，如延时大，差错高等，同时也揭示了这些因素对t c p 数据传输的影 响：因为大的延时使得确认报文的返回时间较长，t c p 发送窗口的增长速度较缓： 链路差错的存在造成报文丢失，进而使得t c p 多次将拥塞窗口置为l ，重新开始慢 启动的过程。以上的两个因素都使t c p 对带宽的利用不充分，降低了t c p 的吞吐 率。 2 4 2 t o p 协议在无线链路上的数据传输比较 经过多年的发展，t c p 协议的拥塞控制机制引入了很多新的技术，本文第一 章已经对此进行了介绍。但是，这些改进主要针对有线网络，在无线网络中仍然 存在许多问题，因此本节比较了t c p t a h o e ，t c p r e n o 和t c ps a c k 在无线链路中 的传输特点。实验拓扑图如图2 2 ，t c p 数据从t c ps e n d e r 发往t c pr e c e i v e r ， t c p 报文大小为1 0 0 0 b y t e 。实验结果如图： y 硕士学位论文 y l n o 嘲1 3 0 0 1 4 , ( 1 0 0 0 1 5 o ( x o 图2 5t c pt a h o e 在无线链路上的传输 1 2 l 0 01 3 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 图2 6t c pr e n o 在无线链路上的传输 1 3 一 x x 无线网中t c p 协议改进算法研究 x 图2 7t c ps a c k 在无线链路上的传输 本节取前5 秒的数据进行比较。t c pt a h o e 在1 2 秒时，出现了较长时间的停 顿，因为t c pt a h o e 在等待接收端发送的确认报文。但是因为数据报文丢失了， 发送端并没有发送确认，双方互相等待直到超时，t c p 源端才重发数据。这样对 t c p 的性能造成极大的损失。 t c p r e n o 在t c p t