Semi-TCP 與ARQ 聯(lián)合的端到端可靠傳輸方法*

易昌華，周 亮，張紹鳳

（1.上海海洋大學 現(xiàn)代信息與教育技術(shù)中心，上海 201306；2.上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院，上海 201306；3.上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

0 引言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Wireless Ad-hoc Network)是一個由幾個到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動性對等網(wǎng)絡(luò)。在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸所受干擾較多，信道不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol,TCP）在無線自組網(wǎng)中性能較差。TCP 擁塞控制主要作用在傳輸層，而自動重傳請求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）協(xié)議的可靠性控制作用在鏈路層，因此傳統(tǒng)TCP 與ARQ 結(jié)合的可靠控制方法的缺陷在于鏈路層與傳輸層之間存在著競爭，ARQ 與TCP 有可能會同時進行重傳，TCP 會誤認為數(shù)據(jù)包丟失是由于擁塞導致的，啟動可靠性控制機制造成大量的TCP 重傳，在信道狀態(tài)很差時，鏈路層在節(jié)點間的ARQ 重傳也會急劇增加，導致節(jié)點的緩存占用率很高，網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。

為了解決上述問題，本文采用Semi-TCP 協(xié)議[1]與ARQ 協(xié)議相結(jié)合，相比于傳統(tǒng)TCP，Semi-TCP 在不改變原有TCP 架構(gòu)的基礎(chǔ)上將擁塞控制下放到鏈路層，與鏈路層ARQ 協(xié)議相結(jié)合，改變鏈路層ARQ 的糾錯能力，使部分節(jié)點的數(shù)據(jù)錯誤直接通過傳輸層Semi-TCP 進行重傳，這樣就能有效緩解當前節(jié)點緩存占用率大的問題，提高吞吐量。

1 相關(guān)技術(shù)概述

在無線多跳網(wǎng)絡(luò)復雜的應(yīng)用環(huán)境中，鏈路質(zhì)量較差，傳統(tǒng)的TCP 技術(shù)是基于有線環(huán)境的，在無線多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中性能表現(xiàn)不佳。而在無線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)丟失的原因不僅僅是網(wǎng)絡(luò)擁塞，還有可能是鏈路錯誤導致的，而傳統(tǒng)TCP 卻不能區(qū)分上述兩種情況，這時TCP 就會產(chǎn)生誤判，啟動擁塞控制，這樣會導致信道的利用率下降，網(wǎng)絡(luò)性能下降，也造成了資源的浪費。上述問題使得TCP 協(xié)議在無線自組網(wǎng)環(huán)境下性能非常差，因此，不能單純在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中采用傳統(tǒng)TCP 協(xié)議，需對其進行端到端的改進。

目前有學者對TCP 協(xié)議進行優(yōu)化，主要在擁塞控制方面改進，避開傳統(tǒng)TCP 在擁塞控制方面的缺陷，對擁塞控制的判斷會更加準確，進而提高TCP 的高效性和可靠性[2]。無線網(wǎng)絡(luò)的很多傳輸問題都可以通過該方案進行改善[3]。該方案也存在一定的缺陷，目前比較有代表性的如文獻[4]的TCP RENO 算法，需要考慮共同過渡的方案，其協(xié)議棧的改變難以實現(xiàn)。另一個解決方案就是將TCP 與ARQ 協(xié)議聯(lián)合分析的鏈路層解決方案，由于無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有復雜的傳輸環(huán)境，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性差，因此，一般為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃远紩跀?shù)據(jù)鏈路層采用ARQ 協(xié)議傳輸。ARQ 協(xié)議有獨特的優(yōu)勢：首先方便進行傳輸加密報文，因為不需要檢查IP 和TCP的頭部[5]；而且ARQ 協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層就會有確認重發(fā)，與傳輸層TCP 的確認沒關(guān)系，由于確認在鏈路層，這樣的重傳觸發(fā)會更快更準確[6]；ARQ 不需要為每條連接都維護報文段隊列，在鏈路層的緩存會為高層的協(xié)議共享，這樣發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的傳輸層協(xié)議都不需要修改[7]。但是數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ 也不能完全保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，還是要依靠傳輸層的協(xié)議來最后把關(guān)傳輸?shù)目煽啃?，但是鏈路層和傳輸層超時重傳的相互作用有可能會對整體性能優(yōu)化起到相反的作用。

而鏈路層協(xié)議對于TCP 性能具有多方面的影響，主要表現(xiàn)在重傳次數(shù)和設(shè)置超時重傳定時器方面、報文的失序方面以及兩層之間超時重傳導致的重傳競爭方面。有研究報告表明，TCP 的性能在TCP 觀察到報文差錯率達到1%～2%時，就會產(chǎn)生一個明顯的下降。為了防止這種情況的產(chǎn)生，鏈路層必須在傳輸層上層協(xié)議就得為其提供一個保障，盡可能糾正更多的報文錯誤，使TCP能夠感知到的差錯率低于1%[8]。在數(shù)據(jù)鏈路層ARQ 會有重傳報文，但是這樣會導致報文出現(xiàn)一個失序的情況，而TCP 是要保證報文的順序的，這樣就又會觸發(fā)不必要的擁塞控制[9]。因此，為了將TCP 報文段進行排序，鏈路層應(yīng)該存在一定的緩存，將報文段按一定的順序提交給上層TCP 處理。而關(guān)于兩層之間的競爭，鏈路層與TCP 層可能在同時恢復同一個丟失的報文段，這會嚴重影響系統(tǒng)的性能。ARQ 協(xié)議的差錯控制可以減小無線衰落信道的差錯率[10]，這種改進方法雖然很大程度上降低了誤幀率，但是ARQ 重傳次數(shù)過多，傳輸層的TCP 端到端的時延也會有所延長，在錯誤復雜時可能會導致TCP 超時，影響性能。

2 Semi-TCP 與ARQ 聯(lián)合的端到端可靠傳輸方法

由于傳統(tǒng)TCP 技術(shù)會將丟包誤認為是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制導致的，但是實際上在接收端數(shù)據(jù)丟失也有可能是節(jié)點對共享信道的競爭或者頻繁的路由失效等中間節(jié)點的問題，傳統(tǒng)TCP 用同樣的機制來解決上述問題，就會導致帶寬利用率不高、吞吐量下降以及擁塞誤判、反應(yīng)遲鈍等一系列問題。傳統(tǒng)TCP 與數(shù)據(jù)鏈路層ARQ 差錯控制相結(jié)合之后，也會出現(xiàn)將中間節(jié)點的問題誤判的情況。而Semi-TCP 并不同于之前對TCP 的研究，Semi-TCP 并沒有改變傳統(tǒng)TCP 的協(xié)議結(jié)構(gòu)，只是將原傳輸層中的擁塞控制的功能下放到數(shù)據(jù)鏈路層，這樣在數(shù)據(jù)鏈路層的中間節(jié)點中就能準確知道網(wǎng)絡(luò)中的擁塞狀態(tài)，能更準確地判斷擁塞和更快地采取措施。

將Semi-TCP 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TCP 技術(shù)與數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ 相結(jié)合，便能用ARQ 來保證鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少傳輸層進行端到端的重傳時導致的時延大的問題，然后通過Semi-TCP 來將擁塞控制功能通過數(shù)據(jù)鏈路層來完成，該方案使網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況能被更準確地掌握，這樣就能避免傳統(tǒng)TCP 由于誤判導致的性能差的情況，特別是在信道情況比較復雜的背景下，更能提高信道帶寬的利用率，解決接收端吞吐量下降以及擁塞誤判、反應(yīng)遲鈍等一系列問題，最后還能在傳輸層保證信道端到端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

當ARQ 與Semi-TCP 聯(lián)合之后，為了降低緩存占用率將ARQ 糾錯率降低到80%，于是余下的錯誤數(shù)據(jù)會通過Semi-TCP 進行重傳，這樣在一定程度上完成了緩存占用率的降低，具體實現(xiàn)原理如圖1 所示。

圖1 Semi-TCP 與ARQ 協(xié)議聯(lián)合實現(xiàn)原理

ARQ 的差錯控制主要是通過ACK 等確認幀的重傳機制實現(xiàn)的，一般情況下主要有stop-and-wait ARQ、goback-N ARQ 和selective-repeat ARQ 3 種實現(xiàn)方法。這3種方法基于相同的理論，因為窗口數(shù)目的不同有著不同的機制細節(jié)。stop-and-wait ARQ 就是發(fā)送節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，就會有一段等待的時間，然后再決定重發(fā)或者發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，這樣的方式會存在很大的劣勢，時間會等待比較長，浪費信道資源，所以在實際中采用很少單獨使用。go-back-N ARQ 就是以窗口的形式發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，一下發(fā)送N個數(shù)據(jù)包之后等待反饋確認幀，若發(fā)生錯誤會直接重新發(fā)送錯誤之后的所有數(shù)據(jù)包。而在接收端，發(fā)生錯誤后錯誤的數(shù)據(jù)包以及一起收到的N個數(shù)據(jù)包都不會被保留。與之前的對比，該方案有很大的效率提升，但還是有很明顯的不足之處，就是信道的利用率太低，特別是在無線多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中更加不符合需求。selective-repeat ARQ 與前兩種方法不同，它只會重傳錯誤數(shù)據(jù)包，因此該方案的效率有明顯的提升，但也存在缺陷，即在數(shù)據(jù)重傳時只重傳發(fā)生錯誤的那個數(shù)據(jù)包這樣會導致原先的數(shù)據(jù)包的順序發(fā)生了調(diào)動。為了防止這種問題，就需要一個緩存區(qū)來緩存已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)直至錯誤的數(shù)據(jù)也被接收到。上述缺陷限制了selective-repeat ARQ 對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)范圍。

通過分析不同ARQ 協(xié)議的優(yōu)勢與缺陷，最終選擇selective-repeat ARQ 來完成此次與Semi-TCP 聯(lián)合的方案。它的優(yōu)點就是不需要重傳其他的幀，信道利用率高，如圖2 所示，發(fā)送方按照順序發(fā)送幀序列，對于沒有錯的幀，接收端反饋ACKi。那么對于有錯誤的幀，假設(shè)第j幀出錯，那么收端反饋NAKj表示第j幀出錯，那么發(fā)送端就只重發(fā)第j幀。接收方照常接收其他幀，當收到其他幀之后可能又收到第j幀，這時它意識到該幀是重傳的，接收這個幀并且按照正確的順序排好。該方法的缺點就是占用緩存較高，實現(xiàn)復雜，近年來，硬件的性能越來越高，有效地彌補了selective-repeat ARQ 的缺點。

圖2 selective-repeat ARQ 協(xié)議

3 仿真與分析

在EXata 平臺[11-12]上進行了仿真，對傳統(tǒng)TCP 與ARP 結(jié)合算法（簡稱TCP-ARQ）、Semi-TCP 與ARQ 結(jié)合算法（簡稱Semi-TCP-ARQ）進行對比分析[13]。具體參數(shù)見表1。

表1 仿真場景參數(shù)

圖3 所示是兩種不同的方案在不同誤碼率的情況下其平均時延的情況，其中橫軸坐標向右延伸代表誤碼率的不斷增加，而縱軸坐標表示的是平均時延值。整體來看，兩種方案都是隨著誤碼率的增加時延增加，Semi-TCP-ARQ 的時延低于TCP-ARQ。

圖3 時延對比圖

從圖4 中可以看出，在信道誤碼率不同的情況下，信道的平均吞吐量隨著誤碼率的增加而顯著降低，而且采用 Semi-TCP 和 ARQ 相結(jié)合的可靠性控制方案相比傳統(tǒng)的 TCP 與 ARQ 相結(jié)合的方案平均吞吐量要高。由仿真結(jié)果可知，相比于傳統(tǒng)的 TCP 方案，采用 Semi-TCP與ARQ 進行聯(lián)合的可靠性控制方案能表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

圖4 吞吐量對比圖

4 結(jié)論

本文對傳統(tǒng) TCP 在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中性能不佳的問題進行了分析，對TCP 和ARQ 協(xié)議進行了詳細的介紹，提出了一種基于 Semi-TCP 與ARQ 結(jié)合的可靠傳輸方法，通過仿真實驗與普通TCP 與ARQ 結(jié)合的方法進行了對比，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)Semi-TCP 與ARQ 結(jié)合有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，降低了時延，同時緩解了節(jié)點緩存占用率過高的問題。