無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的TCP協(xié)議研究.pdf

1、分布式無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由于無需基礎(chǔ)設(shè)施支撐,易于部署,適用于戰(zhàn)爭、搶險等不具備通信基礎(chǔ)設(shè)施的惡劣環(huán)境。并且無它能夠延伸計算機網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,構(gòu)建無所不在的網(wǎng)絡(luò)連接,因而得到人們的廣泛關(guān)注。近年相繼出現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)、車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(VANET)、無線體域網(wǎng)(WBAN)都是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用。
　　 TCP與IP協(xié)議是構(gòu)成現(xiàn)代因特網(wǎng)的基石。TCP協(xié)議主要實現(xiàn)端到端的擁塞避免、擁塞控制和可靠連接,適用于

2、存在多業(yè)務(wù)、多節(jié)點的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)同樣屬于多業(yè)務(wù)、多節(jié)點的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),所以TCP仍然是實現(xiàn)速率控制和可靠傳輸?shù)闹饕x擇。
　　 但是將傳統(tǒng)的TCP協(xié)議直接移植到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)存在很多問題,吞吐量、公平性等性能都比較差。因此,本文主要針對TCP在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,集中于分析建模無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中TCP的吞吐量性能,并提出了三種改進算法用于提高TCP在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量。
　　 本文主要

3、創(chuàng)新點有:
　　 一、聯(lián)合分析TCP和IEEE802.11的工作機制,建立無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中TCP的分析模型。我們將TCP窗口變化建模為連通的Markov鏈,其狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率由不同窗口上的丟包概率決定。通過分析IEEE802.11 MAC協(xié)議的工作機制,推導(dǎo)某一發(fā)送窗口上每跳的穩(wěn)態(tài)丟包概率和往返時間,確定所有擁塞窗口上的端到端平均吞吐量?？偼掏铝勘硎緸椴煌瑩砣翱谏贤掏铝康钠谕?。數(shù)值結(jié)果表明該模型可以很好地擬合TCP在鏈?zhǔn)酵負(fù)?/p>

4、上隨跳數(shù)變化時的吞吐量。
　　 二、提出自適應(yīng)分?jǐn)?shù)窗口增長機制。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中固定分?jǐn)?shù)窗口增加步長(FeW)[1]存在不足:當(dāng)擁塞窗口小于帶寬時延乘積時,固定步長會浪費帶寬；而當(dāng)擁塞窗口大于帶寬時延乘積時,固定步長容易導(dǎo)致超時事件。針對此問題,我們提出了自適應(yīng)分?jǐn)?shù)窗口步長增加機制(AFW)。AFW針對不同窗口長度使用不同步長。當(dāng)窗口小于帶寬時延乘積時,AFW的窗口增加步長大于FeW；而當(dāng)窗口大于帶寬時延乘積時,AFW的窗

5、口增加步長小于FeW。AFW實現(xiàn)了大步長導(dǎo)致大量丟包和小步長導(dǎo)致帶寬浪費之間的平衡,仿真結(jié)果表明,AFW獲得比FeW高5％的吞吐量增益。
　　 三、提出了適用于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的Vegas改進協(xié)議Vegas-W。由于多數(shù)研究只考慮TCP-Newreno,而同樣廣泛使用的TCP-Vegas卻沒有得到必要的關(guān)注,并且有研究表明,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中TCP-Vegas的性能優(yōu)于TCP-Newreno。由于兩種TCP協(xié)議的工作方式不盡

6、相同,在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需要考慮其不同特性。因此,我們在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)框架下,使用TCP源窗口模型,分析了TCP-Vegas的發(fā)送窗口變化機制對于TCP吞吐量的影響,并在此基礎(chǔ)上提出了針對TCP-Vegas的改進協(xié)議Vegas-W,以提高其在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量。Vegas-W的改進主要包括分?jǐn)?shù)窗口延拓、超慢啟動、慢擁塞控制和慢啟動門限更新四個部分。仿真結(jié)果表明,Vegas-W在各種場景下的吞吐量都優(yōu)于TCP-Ve

7、gas和針對TCP-Newreno的分?jǐn)?shù)窗口步長改進協(xié)議FeW。
　　 四、提出了MAC層實現(xiàn)TCP層確認(rèn)的IACK算法。關(guān)于TCP的研究多集中于控制TCP的發(fā)送過程來提高TCP在多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的性能,而不太關(guān)注傳輸層的ACK包對TCP性能的影響。然而,在基于IEEE802.11的網(wǎng)絡(luò)中,ACK包的發(fā)送時間嚴(yán)重影響了TCP性能。在DATA包長度為1024字節(jié),數(shù)據(jù)發(fā)送速率為2 Mbps的典型場景下,發(fā)送一個ACK包的時間

8、長度為發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時間長度的33.8％。雖然ACK包內(nèi)可能含有時間戳信息,但ACK包里所攜帶的主要信息僅僅是目的節(jié)點最新收到的ACK包的序列號,而為了成功發(fā)送所消耗的額外負(fù)載大量占用了網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此,我們提出了一種MAC層實現(xiàn)TCP層確認(rèn)的IACK算法,把傳輸層的ACK信息包含在MAC層的CTS包內(nèi),從而降低ACK傳輸對帶寬資源的占用。為此,MAC層、傳輸層和路由層都必須做必要的改進。我們在ns-2中應(yīng)用了IACK算法,并評估了其性能