有线无线混合网的TCP——friendly协议研究

摘要

随着网络通信技术的日益发展,基于无线数据传输的业务和应用越来越多,TCP协议最初针对有线网络设计,为应用层提供可靠的端到端传输保障。当其被应用到无线网络或混合网络时,因为无线网络高误码率、长时延、不对称链路、间歇性连接以及带宽小且波动大等特点,传统TCP的性能受到严重影响。因此在无线网络资源有限的情况下,如何提高无线网络及混合网络环境下的TCP传输性能是一个非常有研究意义和应用价值的课题。
　　 目前基于UDP协议的多媒体业务在Internet上应用逐渐增多,基于TCP的应用在共享网络带宽时,遭遇到不公平的“饿死现象”。因为多媒体业务大多采用UDP协议,UDP协议没有拥塞控制机制,而TCP数据流因其慢启动、拥塞避免、快速重传及快速恢复等机制而无法与UDP进行公平的带宽竞争,最终有可能导致拥塞崩溃。因此,为了因特网的健康发展,有必要研究具有拥塞控制机制,能够与TCP协议公平竞争带宽的TCP-friendly协议。然而,标准化的TFRC(TCP-friendly Rate Control)协议在有线无线混合链路上不能区分因拥塞而引起的丢包和无线链路错误引起的丢包,使得接收端误认为无线链路错误就是网络拥塞的信号,从而引发不必要的流量控制,导致TFRC性能的下降。
　　 本文研究分析了有线无线混合网络的传输效率,一方面,从减少无线丢包的角度考虑,分析无线网络传输中丢包率与包长和误码率的关系,建立带宽有效利用率的计算公式,研究发现在误码率一定的情况下,存在最优包长使得带宽有效利用率最大化；另一方面,从提高端到端传输速率的角度考虑,分析传输速率模型,提出期望传输次数,并将期望传输次数引入传输速率公式,建立有效传输速率模型。并对两方面的结果进行综合分析,针对网络吞吐量最大化的优化目标进行数值求解,得出最优包长与丢包率的关系数据,并对数据进行曲线拟合,得出可以用于传输控制中无线丢失处理机制的数学公式。
　　 本文在深入研究TFRC协议运行机理和混合网络传输效率的基础上,设计了一种适合有线无线混合网络的WM-TFRC传输控制协议。WM-TFRC协议采用改进的Biaz区分算法对分组丢失进行区分,弥补了TFRC不能区分无线误码丢包和拥塞丢包而过度减小发送速率的不足。WM-TFRC将Veno TCP吞吐量模型引入TFRC控制,对拥塞丢失进行速率调整以保证其TCP友好性和带宽的稳定性；对由无线链路错误产生的丢失,根据对混合网络传输效率模型的研究结果,采用自适应包长调整的方法提高端到端的有效数据传输效率。从而确保WM-TFRC算法在无线和有线网络中均有比较好的性能。通过NS-2仿真,在纯有线网络环境、纯无线网线环境、有线无线混合网络环境以及节点移动的混合网络环境中模拟WM-TFRC的性能,并与现阶段部署的TCP-Reno及TFRC RFC3448进行对比分析。