基于跨层设计的无线自组织网络TCP协议优化的研究

摘要

无线自组织网络是由一组同时具有收发功能的移动或者固定终端组成的多跳网络系统，其无需固定基础设施的支持，易于部署，且契合了用户对无线通信灵活和可移动的需求，因而得到了广泛的研究和发展。
　　传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)作为提供可靠服务的经典传输层协议而应用于无线自组网，然而，严重的竞争冲突、无线随机错误和频繁的路由失败都严重地影响着TCP的性能以及基于TCP的应用。因此，关注无线自组网上TCP的性能优化有着很强的现实意义。尽管已有不少针对这方面的研究，但无线自组网上的TCP仍面临很多挑战，值得更加深入的研究和思考。
　　TCP主要通过控制发送窗口和超时重传时间(Retransmission Time-Out，RTO)来适应实际网络状态的变化，本文将分别从这两个角度出发，利用跨层设计的思想，研究出相应的性能优化策略:
　　第一，设计一种基于跨层反馈的容量使用情况指示的窗口调节机制。在基于IEEE802.11的无线自组织网络中，竞争与干扰引起的丢包总是会早于队列溢出，削减了缓存对容量的贡献，因而传统的TCP会轻易注入过量的数据，从而导致较低的吞吐率。本文首先关注网络注入流量与所获吞吐量之间关系，从中分析出竞争对最优性能获得的影响以及信道占用与容量消耗的同步关系。其次揭示隐藏终端问题是竞争的主要表现形式，隐藏终端的出现实际上是网络过载的早期征兆，然而链路层机制的规避，使得TCP继续增加窗口而超过实际的网络容量。基于上述分析，本文提出了两个有效的度量来表征连接容量的使用情况，并进一步提出了基于此的新的窗口调节机制，在充分利用网络资源的同时，也防止窗口过调所带来的性能下降问题。
　　第二，设计一种基于跨层反馈的竞争侦测的TCP重传定时机制。在无线自组织网络中，网络环境的动态变化，使得往返时延（Round-Trip Time，RTT）波动得十分剧烈，RTT值可能已经无法代表实际的网络情况，造成传统只基于RTT样本且每个样本被赋予相同权重的RTO估计的不准确。本文首先通过仿真说明RTT波动现象及其对RTO估计的影响，接着分析RTT波动的主要因素，从而得出RTT波动与网络竞争程度的正相关关系。基于上述分析，本文提出一种基于竞争侦测的TCP定时机制，通过对比网络竞争程度和RTT波动，为RTT样本赋予不同的权重，从而更加合理地更新RTO及TCP发送状态。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的背景和意义

1．2 TCP应用到无线ad hoc网络中的主要挑战及其影响

1．2．1 无线ad hoc网络中的主要挑战

1．2．2 TCP性能受到的影响

1．3 本文研究内容

1．4 本文组织结构

第2章 无线ad hoc网络TCP性能优化的相关研究

2．1 TCP窗口调节机制的相关研究

2．1．1 控制不必要的窗口减少

2．1．2 控制贪婪的窗口增加

2．1．3 基于容量估计和速率匹配

2．2 TCP重传定时机制的相关研究

2．2．1 识别虚假重传

2．2．2 超时重传时间(RTO)估计

第3章 基于容量使用情况指示的TCP窗口调制机制

3．1 问题介绍和分析

3．2 TCP性能的刻画

3．2．1 所获吞吐量与信道占用率

3．2．2 底层丢包行为分析及其对TCP性能的影响

3．3 基于容量使用情况指示的窗口调节机制

3．3．1 MAC层度量及其测量

3．3．2 TCP-CUI的具体设计

3．4 仿真实验

3．4．1 静态网络场景

3．4．2 动态网络场景

3．5 本章小结

第4章 基于竞争侦测的TCP定时机制

4．1 问题介绍和分析

4．2 RTT波动及其对RT0的影响

4．2．1 RTT样本值波动的现象

4．2．2 RTT样本值波动的原因

4．3 基于竞争侦测的TOP重传定时机制

4．3．1 竞争时延方差的测量

4．3．2 基于竞争侦测的策略

4．4 仿真实验

4．4．1 静态网络场景

4．4．2 动态网络场景

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果