無線網(wǎng)絡(luò)中TCP性能分析及改進(jìn)方案研究

劉士賢

（遼寧職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系,遼寧鐵嶺112000）

無線網(wǎng)絡(luò)中TCP性能分析及改進(jìn)方案研究

劉士賢

（遼寧職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系,遼寧鐵嶺112000）

本文對TCP在無線移動網(wǎng)絡(luò)中的性能進(jìn)行了分析，指出其在無線網(wǎng)絡(luò)中的不足，并介紹了當(dāng)前幾種常用的TCP性能改進(jìn)方法，最后詳細(xì)介紹了ADTCP方案的思想，提出一種新的基于端到端TCP改進(jìn)方案，有效地提高了TCP在無線網(wǎng)絡(luò)中的性能。

無線網(wǎng)絡(luò)；ADTCP；端到端；TCP性能改進(jìn)

傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是為有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，因此TCP假定網(wǎng)絡(luò)擁塞是引起報文丟失的唯一原因，并相應(yīng)地采取擁塞控制機(jī)制。然而在無線網(wǎng)絡(luò)中，無線鏈路的高誤碼率和主機(jī)的移動切換也經(jīng)常引起報文丟失，而TCP仍然將這些報文丟失歸咎于網(wǎng)絡(luò)擁塞，這種錯誤的推論最終導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)中TCP性能的嚴(yán)重下降。鑒于TCP協(xié)議應(yīng)用的廣泛性，如何提高TCP在無線網(wǎng)絡(luò)中的性能成為大家普遍關(guān)注的問題。

一、TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)中的性能分析

TCP協(xié)議雖然是一個可靠的傳輸層協(xié)議，但只適用于有線鏈路和固定主機(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。而由無線鏈路和移動主機(jī)組成的無線網(wǎng)絡(luò)打破了TCP的許多假設(shè)，導(dǎo)致了TCP性能的下降，它主要有以下幾個缺點(diǎn)：

1.錯誤檢測機(jī)制

這個機(jī)制不能區(qū)別不同類型的錯誤。TCP有一個基本假設(shè)，即一旦發(fā)生連續(xù)的丟包行為，TCP就判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞。但是這套機(jī)制搬到無線環(huán)境中會使TCP的性能大大降低，因?yàn)閬G包現(xiàn)象不一定是擁塞導(dǎo)致的，而可能是移動導(dǎo)致的。

2.錯誤恢復(fù)機(jī)制

這個機(jī)制不能針對無線環(huán)境的具體特點(diǎn)（如移動節(jié)點(diǎn)的頻繁變動和信道的衰弱）做出相應(yīng)的行為。

3.協(xié)議的策略

這個策略并不考慮到各種性能參數(shù)（比如有效的吞吐量和網(wǎng)路開銷）之間的折衷，而是經(jīng)常把時間浪費(fèi)在重傳和其他鏈接上。

二、TCP協(xié)議的改進(jìn)方案

現(xiàn)階段為了改善TCP在無線網(wǎng)絡(luò)中的性能，主要有以下幾種解決方案：端到端的解決方案，分段連接的解決方案，鏈路層解決方案和基于ADTCP的改進(jìn)方案。

1.端到端的解決方案

（1）TCP SACK（Selective Acknowledge）協(xié)議。SACK算法是在Reno算法基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展得來的，它在確認(rèn)包的包頭中增加了附加域，可以標(biāo)識沒有被正確接收的一個發(fā)送窗口內(nèi)的多個數(shù)據(jù)包，從而對數(shù)據(jù)包進(jìn)行有選擇地確認(rèn)和重傳。

（2）TCP-New Reno。New Reno對Reno中的“快速恢復(fù)”算法進(jìn)行了補(bǔ)充。當(dāng)多個報文在一個窗口中丟失后，TCP可以保持一個快速恢復(fù)模式。

（3）聰明代理機(jī)制（SMART）。SMART機(jī)制與上文提到的SACK基于相同的原理，它使用的SACK中包含了積累的確認(rèn)和已經(jīng)成功接收的報文段的序號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)序號不連續(xù)時，立刻重發(fā)。

（4）顯式丟失通告機(jī)制（Explicit Loss Notificaiton，簡稱ELN）。ELN協(xié)議在ACK中增加了顯式丟失通告選項(xiàng)，它能夠通告發(fā)送方數(shù)據(jù)丟失的真正原因，以區(qū)別對待與網(wǎng)絡(luò)擁塞有關(guān)及其他與網(wǎng)絡(luò)擁塞無關(guān)的數(shù)據(jù)丟失。

（5）Freeze-TCP協(xié)議。這種改進(jìn)方案主要用于解決TCP在移動終端進(jìn)行越區(qū)切換時遇到的問題。其原理是由接收方對收到信號的強(qiáng)弱進(jìn)行判別，預(yù)測將要發(fā)生的越區(qū)切換。

2．分段連接的解決方案

（1）非直接TCP（I-TCP）。這種方法在無線鏈路連接中使用常規(guī)的TCP，基站只簡單地在兩個連接間雙向復(fù)制報文。

（2）M-TCP（TCP formobile cellular networks）協(xié)議。M-TCP主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是處理無線網(wǎng)絡(luò)移動終端頻繁地進(jìn)行越區(qū)切換時碰到的問題，防止發(fā)送方進(jìn)入不必要的慢啟動階段。

（3）無線TCP（W-TCP）。基站使用兩種協(xié)議TCP和W-TCP，TCP用于處理有線鏈路數(shù)據(jù)的傳送，W-TCP則應(yīng)用于無線鏈路。

3．鏈路層解決方案

鏈路層解決方案是一種試圖從底層（數(shù)據(jù)鏈路層）來解決TCP性能的方法。對于TCP這樣的可靠傳輸協(xié)議，問題產(chǎn)生的主要原因是由于無線媒介的自然屬性不同，所以在產(chǎn)生問題的根部解決問題是比較有效的方法。位于物理層上的鏈路層能夠馬上得到幀丟失的信息，因此能夠比高層協(xié)議做出更快的反應(yīng)。同時，鏈路層協(xié)議能夠?qū)ξ锢韺舆M(jìn)行更有效的控制。還有一個主要優(yōu)點(diǎn)是它本身非常適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)。鏈路層協(xié)議的操作獨(dú)立于高層協(xié)議，這使得它能廣泛適應(yīng)各種情況，因此它不必維持每一種連接的狀態(tài)。

4．基于ADTCP的改進(jìn)方案

ADTCP作為一個典型的端到端協(xié)議，具有端到端技術(shù)的普遍優(yōu)勢，但是在ADTCP樣本值的判別上，由于其樣本空間中各個樣本權(quán)重隨著其歷史的久遠(yuǎn)而變小，使得當(dāng)前時間附近的樣本對于檢測結(jié)果影響很大，導(dǎo)致檢測靈敏度的下降，所以針對其不足，做如下改進(jìn)：

（1）在判別手段上進(jìn)一步提高，同時盡量減少計(jì)算復(fù)雜度。CON的判別建立在ADTCP關(guān)于IDD檢測的成果上，以提高判別的準(zhǔn)確性，能夠反映通路中隊(duì)列大小的RTT度量的檢測來推斷CON狀態(tài)。因?yàn)镽TT可以直接從TCP中獲取，CON判別相對于ADTCP中利用IDD和STT的聯(lián)合檢測，其計(jì)算復(fù)雜度稍有減少。

（2）在不同狀態(tài)的判別上，需要有所區(qū)別，如最主要狀態(tài)CON的判別，需要進(jìn)一步完善，因?yàn)榕袆e失誤產(chǎn)生的影響很大；而對于其他的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)如RTCHG、DISC、CHERR之間的判別應(yīng)力求簡單，因?yàn)檫@些狀態(tài)所對應(yīng)的措施操作差別不大，誤判帶來的影響較小，也可考慮合并某些狀態(tài)，提高CON的判別準(zhǔn)確性。

（3）從RTCHG的響應(yīng)措施來看，可以結(jié)合事后的恢復(fù)措施，降低檢測手段的時效性要求。對于除了CON以外的其他狀態(tài)的判別，對路由更新（RTCHG）和鏈路差錯（CHERR）進(jìn)行具體區(qū)分，而不像ADTCP那樣還要區(qū)分連接中斷（DISC）、路由更新（RTCHG）和鏈路差錯（CHERR）三種狀態(tài)，因?yàn)镈ISC在這里完全可以看成是中斷事件較長的RTCHG事件。因此，完全可以合并這兩個狀態(tài)，有效降低復(fù)雜度。

（4）對傳統(tǒng)TCP保持向后兼容，并且盡量做到TCP友好。根據(jù)檢測到丟包所用的手段來決定到底采用事前凍結(jié)措施還是事后恢復(fù)措施。如果丟包是由重復(fù)ACK檢測到，說明后續(xù)數(shù)據(jù)包可以到達(dá)目的端，通路已經(jīng)恢復(fù)，則執(zhí)行恢復(fù)措施，否則采取事前凍結(jié)措施。☉

[1][美]W.R ichard Stevens著.范建華等譯.TCP/IP詳解卷一：協(xié)議[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:258-289.

[2]David B Hohnson,and Charles Perkins,Mobility Support in IPv6,IETF draft,Nov 2000:98-99.

[3]Brian Van Lceuwen,Juan Espinoza Jr,Peter Scholander: Effective Protocols for Mobile Communications and networking, Jan 1999.

[4]徐雷鳴,龐博,趙耀.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M],北京:人民郵電出版社,2003.

（編輯：隗爽）

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1673-8454（2010）13-0013-02