下一代無線互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架下的傳輸協(xié)議研究.pdf

1、移動和無線通信技術(shù)及設(shè)備的飛速發(fā)展正在推動信息社會的變革。隨著無線通信理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，移動計算設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開辟了新的市場，基于有線介質(zhì)的計算機網(wǎng)絡(luò)正在向有線一無線混合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。各種無線網(wǎng)絡(luò)形式和應用成為研究和開發(fā)的熱點，如WLAN，藍牙，UMTS，衛(wèi)星通信網(wǎng)，第三代蜂窩系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)(WSN)等等。移動裝置體積越來越小，價格越來越便宜，使用越來越方便，功能越來越強大，同時，可以運行的應用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)越來越多，這些來自制造商

2、和運營商的有利因素進一步推動無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。由于無線通信技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)正在逐漸向無線方向發(fā)展，最終的目標是將各種獨立的無線網(wǎng)絡(luò)整個有線Internet相互聯(lián)，形成覆蓋范圍更廣，應用更豐富，服務(wù)更完善的下一代無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 傳輸協(xié)議(Transport Protocol)作用于計算機網(wǎng)絡(luò)OSI七層模型的中間，是OSI七層模型中最重要，最關(guān)鍵的一類協(xié)議，是唯一負責總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的一層協(xié)議。傳輸協(xié)議的主要功能

3、是對一個進行的會話或連接提供端到端的傳輸服務(wù)，服務(wù)類型包括面向連接和無連接的服務(wù)，同時，傳輸協(xié)議還負責實現(xiàn)連接復用，流量控制，差錯控制及恢復等多種服務(wù)。傳輸層協(xié)議的理論研究，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)標準制定一直是計算機網(wǎng)絡(luò)尤其是Internet發(fā)展中的熱點和重點。在當前網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中普遍使用并已經(jīng)成為工業(yè)標準的傳輸協(xié)議主要有可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP，非可靠傳輸協(xié)議LIDP，實時傳輸協(xié)議RTP/RTCP，此外，還有很多的傳輸協(xié)議正在被研究完善，逐步在實際

4、中使用，如流媒體控制傳輸協(xié)議SCTP，數(shù)據(jù)報擁塞控制協(xié)議DCCP，TCP友好速率控制機制TFRC等等。隨著新的網(wǎng)絡(luò)形式和業(yè)務(wù)類型的不斷出現(xiàn)，傳輸協(xié)議必須要不斷改進，以保證整個網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸服務(wù)質(zhì)量。 無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及協(xié)議帶來了新的挑戰(zhàn)，由于傳統(tǒng)的Internet協(xié)議是基于有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)計的，而現(xiàn)在在與各種無線網(wǎng)絡(luò)形式融合的過程中，這些現(xiàn)有的協(xié)議和技術(shù)通常被直接移植到無線互聯(lián)網(wǎng)中，這便帶了一系列的問題，包括網(wǎng)絡(luò)

5、協(xié)議的性能，效率，穩(wěn)定性，以及安全，管理等多個方面。其中無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議研究就是一個熱點問題。 無線鏈路具有不穩(wěn)定性和移動性的特點，通信過程中容易出現(xiàn)多徑，干擾，衰減，切換等多種破壞傳輸?shù)默F(xiàn)象，從而造成較高的誤碼率。這對于傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議帶來新的挑戰(zhàn)。無論是可靠數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議還是實時多媒體業(yè)務(wù)的傳輸協(xié)議，其共同的基本思想是將丟包作為網(wǎng)絡(luò)擁塞的唯一標志，從而采取相應的窗口調(diào)節(jié)或速率調(diào)節(jié)。因此對丟包檢測和反應是互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)擁塞控制的

6、最主要的行為，直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。在有線鏈路中，鏈路的誤碼率很低可忽略不計，導致丟包最主要的原因是中間路由器出現(xiàn)擁塞情況，傳輸協(xié)議中加性遞增，乘性遞減(AIMD)的方式在有線鏈路中是成功的：但是在無線移動網(wǎng)絡(luò)中，大量的由于無線鏈路造成的隨機丟包并不意味著網(wǎng)絡(luò)中的資源不足，而傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議不能分辨丟包的原因，只是簡單的按照擁塞丟包進行處理，發(fā)送端需要降低發(fā)送速率，很長時間才能恢復，這嚴重降低了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送速率，影響了連接的性能。

7、 本文首先在第二章概括總結(jié)了當前無線和移動通信網(wǎng)絡(luò)，分別介紹了構(gòu)成下一代無線互聯(lián)網(wǎng)的幾種重要的無線網(wǎng)絡(luò)形式：無線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信網(wǎng)，無線個域網(wǎng)和3G蜂窩通信網(wǎng)，研究了其各自的結(jié)構(gòu)，協(xié)議和應用領(lǐng)域；同時，研究了對于模擬無線網(wǎng)絡(luò)行為和協(xié)議設(shè)計有著重要意義的無線互聯(lián)網(wǎng)中端到端路徑的鏈路狀態(tài)模型…四狀態(tài)馬爾可夫狀態(tài)模型。 本文的第三章和第四章分別對當前互聯(lián)網(wǎng)中基于有線網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計的可靠業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議和實時多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議進行了研究。其

8、中，第二章概括了可靠傳輸協(xié)議的基本思想和功能，研究了互聯(lián)網(wǎng)中主流的可靠傳輸協(xié)議TCP系列，包括傳統(tǒng)的TCP Tahoe和Reno版本和其他TCP的改進版本如SACK，NewReno，Vegas等等。其中，重點研究了TCP協(xié)議中的核心機制…擁塞控制機制的思想和實現(xiàn)算法，包括慢啟動、擁塞避免、快速恢復和快速重傳。然后總結(jié)了模擬和刻畫TCP流行為的兩種TCP吞吐量模型：簡單模型和復雜模型。其中前者只考慮了快速重傳的情況，因此不適合于丟失率高的

9、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：而后者完整地考慮數(shù)據(jù)包丟失既可能導致快速重傳，同時還可能導致超時進入慢啟動階段，因此其估算精度更高。研究吞吐率模型的意義在于為其他評估和設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)其他傳輸協(xié)議提供參考。第四章討論了基于有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和使用的實時多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議系列，其中RTP/RTCP協(xié)議棧為傳輸音頻、視頻、模擬數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)供了一個框架，與傳統(tǒng)注重高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攲訁f(xié)議相比，它更加側(cè)重數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，提供的服務(wù)包括時間載量標識、數(shù)據(jù)序列、時戳、傳輸控制

10、等。由于RTP為了簡化運輸層處理，提高該層的效率而沒有運輸層協(xié)議的完整功能，不提供任何機制來保證實時地傳輸數(shù)據(jù)，不支持資源預留，也不保證服務(wù)質(zhì)量，其部分運輸層協(xié)議功能需要其他層次輔助實現(xiàn)。由于TCP的速率波動性和LJDP的缺乏公平性，它們對于承載RTP/RTCP包都不是很理想，因此，流控傳輸協(xié)議SCTP和數(shù)據(jù)報擁塞控制協(xié)議DCCP分別被提出作為TCP和UDP的替代協(xié)議，用來與RTP/RTCP配合使用。此外，研究討論了實時傳輸協(xié)議中的一種

11、重要機制--TCP友好速率控制協(xié)議TFRC，分析了其吞吐率模型，包結(jié)構(gòu)，速率控制及其與TCP流競爭是的性能。無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸協(xié)議性能和改進是本文的重點，第五章和第六章分別對無線TCP和無線速率控制機制進行研究。 第五章分析了無線網(wǎng)絡(luò)自身的特點對于可靠傳輸協(xié)議的影響，以及傳統(tǒng)基于有線的TCP協(xié)議所存在的問題，研究了各種無線TCP的設(shè)計思想和比較，重點研究了一種基于可用帶寬預測(ABE)和擁塞警告(CW)機制的無線TCP協(xié)議---TC

12、P-Jersey。針對TCP-Jersey中，反向ACK擁塞和數(shù)據(jù)突發(fā)的問題，對其中的可用帶寬公式以及慢啟動和擁塞避免過程進行改進，通過在無線局域網(wǎng)和有線.無線混合網(wǎng)兩種仿真環(huán)境中的實驗，驗證了改進協(xié)議良好的性能。 在第六章，研究了無線網(wǎng)絡(luò)實時多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議的核心---無線速率控制機制，首先研究了一種基于模型的分析速率控制機制ARC，并推導出無線鏈路中的TCP吞吐率模型。ARC機制利用無線鏈路TCP吞吐模型作為速率調(diào)節(jié)的參考

13、，在丟包時對發(fā)送速率做出控制，吞吐率公式中的變量：總丟包率，回環(huán)時間在接收端測得并反饋，而無線鏈路丟包率可由MAC層根據(jù)統(tǒng)計的誤碼率近似求得。其次，研究了基于低優(yōu)先級Dummy包的速率控制機制RCS，分析其工作原理，提出一種將改進后的RCS與DCCP相結(jié)合的新的無線實時傳輸協(xié)議，仿真實驗驗證了其比較傳統(tǒng)的CCID2和CCID3性能有明顯的提高。最后，研究了無線TFRC機制，提出一種新的基于延遲抖動的TFRC改進方法TFRC-Jr，仿真實

14、驗證明了該方法具有良好的吞吐率性能和對TCP的友好性。 下一代無線互聯(lián)網(wǎng)的范圍更廣闊，網(wǎng)絡(luò)形式更復雜，應用業(yè)務(wù)更豐富，這都對傳輸協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。本文在深入研究無線網(wǎng)絡(luò)特點和傳統(tǒng)傳輸協(xié)議原理的基礎(chǔ)上，全面總結(jié)和分析了下一代無線互聯(lián)網(wǎng)中的可靠數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議，創(chuàng)新性的提出并驗證了幾種無線傳輸協(xié)議方案，如：TCP-Jersey-M，DCCP+RCS和TFRC-Jr等新的傳輸協(xié)議方案，同時，提出今后該領(lǐng)域的研