移动IP环境下无线网络的TCP性能改进方案 柳州铁道职业技术学院.doc

移动IP环境下无线网络的TCP性能改进方案 刘幸辉 等 [摘 要] 传统有线网络TCP拥塞控制机制建立在拥塞是网络丢包原因的基础上，所以该机制不能适应无线网络中高误码率造成的无线链路丢包的情况。我们提出一种基于移动算法的DS-TCP解决方案，此机制和算法能有效地降低无线网络中的丢包数，提高信道的利用率和性能。 [关键词] 无线网络 拥塞控制 数据链路层 网络层 一、 前言 近年来，无线网络得到快速发展，越来越多的终端通过无线的方式接人互联网，传输控制协议(TCP)在无线通信网络中也得到了越来越广泛的应用。但是，在有线网络中表现尚佳的TCP在无线链路中并不能取得很好的运行性能，这主要是由于在有线网络中认为链路是相当可靠的，而这一假定的前提在无线网络中并不成立，即无线网络中报文的丢失或时延在很大程度上是由于无线链路本身传输的特性所造成，如噪声的突发性、干扰、频谱有限、高误码率等。因此，当传统的基于有线的TCP协议应用于无线链路时，可能会导致通信性能严重降低，研究移动IP环境下无线网络的TCP性能具有十分重要的意义。 表 1 改善TCP性能技术的比较 技术种类 优点 缺点 链路层技术（自动请求重发ARQ、向前差错纠正FEC） 不需要检查IP和TCP头、可以传输加密或封装后的分组、精确设置超时间隔，更快地进行重传 在信道好的情况下浪费带宽，需要额外的处理时间、存储空间占用 分段连接技术 分段可以使每段TCP的性能参数得到优化，整体上提高TCP的性能。 不能保证TCP端到端的语义规定、固定节点在收到确认包后，不能确保MN收到相应的数据包、应用程序需要重新编译、网络开销较大。 端到端技术 实现原理简单可行，保持TCP连接的端到端语义、TCP发送方可以根据确认快速重传丢失的分组、避免不必要的TCP拥塞控制机制，有效地恢复丢失的报文。 端到端时延远比一条链路的时延长，当端到端时延较大时，在传输层对丢失的数据做出响应前，会导致更加冗长的往返时间估计，使得通信性能明显下降。 混合技术 通过本地重传，抑制发往TCP发送方的重复确认，避免了TCP发送方快速重传和触发不必要的拥塞控制机制，不仅保持了TCP端到端的语义，而且基站并不要求TCP协议的实现，仅需要链路层能够识别TCP数据包即可、基站的失效仅仅影响网络性能，不会引起带来灾难性的后果。 由于探听TCP要求中间节点(基站)对移动主机和远端有线网络上的固定主机间的分组进行检测及操作，当网络层的IP业务流加密，并要求保持端到端的IP安全机制时，基站代码需要较大修改，而且不能提供严格的端到端的安全性、在发送窗口较小、丢失率较高的情况下，探听TCP方案的性能会恶化 二、 改善TCP性能的技术 一般地，有几种途径可以改善集成移动IP的无线网络环境下TCP的性能:一方面，考虑到无线链路自身的特点，采用一些技术，尽量提高其差错传输率；第二，改进移动IP协议，减少移动节点切换时延；三、改进目前的TCP协议；四、把TCP连接的无线部分和有线部分分开，采用不同的技术分开解决。在改善TCP性能的研究中，不同学者提出了不同的技术分类方案，本文根据所采用的改进技术在OSI参考模型中作用的层次和需要修改系统代码的位置把它们分为链路层技术、分段连接技术、端到端技术和混合技术。这几种技术的性能各有所长，适应不同的环境。表1分别对比了这四种技术的优缺点。 三、 基于DS-TCP的解决方案的提出 通过对上面各种改善TCP性能方案的比较和研究，本文解决方案的指导思想如下： （1） FEC 技术在网络时延较大的时候是提高TCP性能的好方法，由于移动大区切换的时延比较大，所以可以考虑在链路层采取FEC技术； （2）链路层的ARQ和网络层ARQ有些冲突，本文的方案将不采用； （3）集成移动IP的无线移动网同样会存在拥塞的问题，因为在目前的移动网络环境和下一代的移动无线互联网中，骨干网将仍然是全IP的有线网络。显然，这个骨干网中的路由器由于缓存的大小或多或少会产生拥塞；另外，在无线蜂窝网中的基站，同样也面临这样的问题。所以在考虑无线网络的TCP性能的时候，不能仅仅考虑无线链路、切换时延大的问题，还要继续考虑固定有线网络的拥塞问题； （4）区分丢失类型，分别对待和处理。无线网络下TCP性能下降的原因，归根到底，就是现有的TCP将无线网络中的丢包简单看作拥塞丢包。针对这个关键点，我们区分无线网络中的丢包类型，分别采取不同的控制机制就能从根本上提高TCP的性能。具体的改进方案如下： 根据显式拥塞通知技术 (ExplicitCongestion Notification，ECN)的基本思想，当路由器发生早期拥塞时，不是丢弃分组，而是尽量对分组进行标记。本文参考该技术的思想，提出TCP性能改进方案，即基于区分服务类型的TCP改进机制