无线网络中TCP拥塞控制机制的研究与实现

摘要

TCP协议是因特网上使用最为广泛的协议，它为用户提供了可靠的、健壮的端到端数据通信服务，其中TCP拥塞控制机制一直是保证因特网正常运行的关键技术之一。但是传统的TCP拥塞控制机制已经无法适应链路质量较差的无线网络环境，因为TCP最初是按照有线网络来设计的，在有线网络中网络拥塞基本上是分组丢失的唯一原因，因此TCP假设所有丢包是由网络拥塞引起，相比之下，无线网络具有较高的传输误码率，容易因传输出错而引起分组丢失，因此网络拥塞不再是数据丢失的唯一原因，如果继续沿用传统的TCP拥塞控制机制，就会造成传输速率的不必要降低，结果导致网络性能严重下降。因此在无线网络下如何有效改进TCP性能自然成了一项非常重要的网络研究课题。 本文提出了一种基于自适应带宽估计的拥塞控制算法(Adaptive Bandwidth EstimationCongestion control，ABEC)。该算法根据TCP确认报文返回信息来估计当前网络的实际可用带宽，在丢包时不盲目降低拥塞窗口，而是根据当前可用带宽来设置拥塞窗口，从而提高TCP吞吐量和网络利用率，改进TCP在无线网络下的性能。 该算法相比以前算法有三个方面的重要改进：通过判断报文丢失的原因来选择合适的采样间隔时间，在丢失原因可能为网络拥塞时，增加取样间隔时间，以避免Westwood带宽估计偏高的问题，提高新算法和传统TCP算法之间的公平性，在丢失原因可能为传输出错时，缩短间隔时间，以尽量提高网络的利用率；根据网络状态自适应选择TCP的带宽估计响应程度，如网络抖动较剧烈，则尽量降低响应速度，保持TCP的稳定，如网络可用带宽发生永久变化，则提高TCP的响应速度，迅速适应这种新的变化，保证带宽估计的准确性；通过观察往返时延的变化来探测网络中路由的变化，带宽估计类算法需要准确获知端到端的最小往返时延，而路由的改变会使计算到的最小往返时延失效，导致带宽估计值偏低，因此本文通过观察往返时延的变化来判断路由是否发生变化，如发生变化，则更新最小往返时延，提高带宽估计的准确性。 本文通过NS2仿真软件对ABEC算法进行了大量的实验，在各种不同网络环境中观察它的性能，并和其他的拥塞控制算法进行比较。仿真实验结果表明，ABEC算法不但能有效提高TCP在无线网络中的吞吐量和链路利用率，同时也能保证它在有线网络中和传统TCP的公平性，解决了Westwood带宽估计偏高、RE算法在无线网络中吞吐量偏低等问题，并且能够避免确认报文压缩、路由改变等特殊网络环境带来的影响。 最后我们在Linux系统上将ABEC算法实现为一个内核模块，通过内核模块我们能够实时的切换Linux系统上的拥塞控制机制。实现后我们又在实际网络中对其进行了测试：无线网络中的传输性能和有线网络中与传统TCP之间的公平性。结果表明，ABEC算法能够在保证有线网络中和传统TCP保持公平的前提下充分利用无线网络中的链路资源，这个结果也是ABEC算法设计的出发点。 本文的工作对于TCP拥塞控制机制的研究有着重要的意义，ABEC算法除了性能优越，公平性好之外，只需修改TCP的发送端，可部署性强，因此有应用到现实网络中的实际意义和进一步研究的借鉴价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文插图索引、论文表格索引

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第一章引言

1.1研究背景和目标

1.2论文的主要贡献

1.3论文的主要内容和组织结构

第二章研究基础

2.1 TCP协议和网络拥塞控制

2.1.1 TCP 协议

2.1.2拥塞控制概述

2.1.3 网络层拥塞控制策略

2.1.4 TCP拥塞控制机制

2.1.5 TCP与网络层IP拥塞控制机制比较

2.2无线网络及其发展

2.2.1 无线网络介绍

2.2.2 IEEE 802.11无线局域网标准介绍及组成

2.2.3 无线网络的特点

2.3 TCP协议在无线网络中面临的挑战

第三章相关研究

3.1“端到端”解决方案

3.1.1 通过计算判断分组的丢失类型

3.1.2 利用带宽估计算法直接估算网络可用带宽

3.1.3 存在的问题

3.2“中间结点”解决方案

3.3“链路层“解决方案

3.3.1 TCP无关链路层算法

3.3.2 TCP相关链路层算法

3.3.3存在的问题

3.4“分离连接”方案

3.5本章总结

第四章 基于带宽估计的拥塞控制算法

4.1带宽估计算法的理论依据

4.2带宽估计算法与无线网络

4.3带宽估计算法面临的问题

4.4 TCP Westwood算法分析

4.4.1 TCPW对拥塞窗口和慢启动阈值的设置

4.4.2 TCPW的带宽估计算法

4.4.3 TCPW确认报文数据处理

4.5基于速率的带宽估计

4.6 TCPW算法和RE算法的比较

4.6.1 无随机错误网络中两种算法的比较

4.6.2 有随机错误网络中两种算法的比较

4.6.3 非响应流环境中两种算法的比较

4.6.4 确认报文压缩对TCPW算法的影响

4.6.5 仿真实验总结

4.7本章小结

第五章 基于自适应带宽估计的拥塞控制算法ABEC

5.1判断分组丢失的原因

5.2自适应带宽样本计算

5.3 自适应响应速率算法

5.4最小RTT的计算

5.5 自适应带宽估计的拥塞控制算法

5.6仿真实验

5.6.1 公平性

5.6.2 TCP友好性

5.6.3 随机错误

5.6.4 双向链路和确认报文压缩

5.6.5 路由改变

5.7本章小结

第六章 ABEC算法的实现

6.1 Linux内核模块编程实现ABEC算法

6.2 ABEC算法在实际网络环境中的测试

6.2.1 无线网络中ABEC和NewReno的比较

6.2.2 有线网络中ABEC和NewReno的公平性测试

6.3本章小结

第七章结束语

7.1论文总结

7.2存在的不足之处

7.3下一步的研究工作

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目