无线网络下基于网络编码的TCP性能增强技术研究

摘要

无线网络因带宽受限、信号衰减等问题，使得原本为有线网络设计的TCP协议往往错误触发拥塞控制机制，导致网络性能恶化。因此，无线网络中对TCP的改进是近年来网络研究的热点之一。研究者们提出了分段连接、端到端、跨层改进等解决方案，但这些方案均具有各自的不足，尤其是在网络状况较差的丢包环境中对性能的改进有限。2006年，J.K.Sundararajan提出了利用网络编码改进无线网络中TCP性能的TCP/NC协议。TCP/NC在IP层和TCP层中间添加网络编码层(NC层)，能够有效屏蔽差错丢包，并和TCP自身的重传机制和滑动窗口机制紧密结合。然而，TCP/NC本身也存在一些不足。例如采用固定的冗余系数、不能区分导致丢包原因等，难以适应无线网络环境的动态变化。
　　 针对当前无线网络环境下TCP研究中存在的不足，本文在对无线网络环境对TCP性能的影响因素进行分析的前提下，着重研究了基于网络编码的TCP性能增强技术。通过对TCP/NC协议的分析，设计并实现了基于NS2的TCP/NC协议，并对该协议对TCP性能的改进进行了分析。在此基础上，针对其存在的不足，提出了基于动态自适应的TCP/NC改进算法。
　　 本文的主要研究内容与贡献如下:
　　 (1)对无线网络环境下网络编码对TCP性能的影响进行了研究，网络编码不能直接适用于TCP的滑动窗口机制和确认机制。
　　 (2)设计并实现了基于NS2的TCP/NC协议，并对其性能进行了分析。TCP/NC能够有效屏蔽链路差错造成的丢包，提高TCP在丢包率较高的无线网络下的性能。
　　 (3)针对TCP/NC协议存在的不足，提出了基于编码窗口与冗余系数自适应的TCP/NC改进协议TCP/NC-ARW。在每次发送编码包前，NC发送端根据接收端的反馈信息估计网络丢包状况，动态调整冗余系数;利用NC层丢包预测器(NClosspredictor)对丢包成因进行判断，并自适应调整编码窗口。
　　 本文应用NS2仿真软件实现了TCP/NC协议和TCP/NC-ARW改进协议，并在多种场景下进行了仿真实验。仿真结果表明，TCP/NC协议比传统的TCP-Vegas协议更能适应丢包率较高的环境，对吞吐量有明显改善。改进后的TCP/NC-ARW能动态适应网络情况的变化，性能更加稳定。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 论文的组织

2 无线网络环境下的网络编码与TCP的研究

2．1 网络编码

2．1．1 网络编码基本原理

2．1．2 网络编码构造方案

2．1．3 随机线性编码

2．2 网络编码在无线网络下的应用

2．3 基于网络编码的TCP研究

2．3．1 相关研究

2．3．2 性能评价指标

2．4 仿真软件NS2

3 基于NS2的TCP/NC协议实现与仿真研究

3．1 TCP/NC协议分析

3．1．1 TCP/NC模型

3．1．2 NC发送端原理

3．1．3 NC接收端实现

3．1．4 拥塞控制机制

3．2 基于NS2的TCP/NC实现

3．2．1 系统结构

3．2．2 功能实现

3．2．3 主要数据结构的实现

3．3 实验与结果分析

3．3．1 实验过程

3．3．2 实验结果分析

4 动态自适应的TCP/NC改进算法TCP/NC-ARW

4．1 基本思想

4．1．1 网络效用最大化原理

4．1．2 自适应冗余系数

4．1．3 编码窗口的动态调整

4．2 算法描述

4．3 仿真实验与结果分析

4．3．1 仿真环境

4．3．2 结果分析

5 总结与展望

致谢

参考文献