无线网络中TCP性能的研究

张超

(咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

1.引言

随着我国互联网技术和网络技术的飞速发展，无线通信网络取得了广泛的应用。TCP协议作为无线网络通信中的重要组成部分，对其性能进行研究具有非常重要的理论意义。TCP通常采用窗口、序列号、重传定时器和确认这四种技术来实现流量控制、差错控制和拥塞控制这三个功能。标准TCP在有线网络中能很好地工作，具有很好的工作性能，但是在蜂窝网络、Ad hoc网络和卫星网络这三种无线网络中的性能很差。为了能在无线网络中有效地使用TCP，就必须为标准TCP增加一些额外的技术。本文主要对蜂窝网络和卫星网络中的TCP性能进行了相应的阐述。

2.TCP概述

所谓TCP(Transm ission Control Protocol)是对传输控制协议的简称。它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。它位于OSI参考模型中的网络层协议之上，用来完成传输层所指定的功能。OSI参考模型如图1所示。

图1 OSI参考模型

TCP通过对用户数据进行透明分段和重组，来完成流量控制和拥塞控制等功能。其中，拥塞控制是指发送方可以根据网络的拥塞状况自适应调整数据发送的速率，来缓解网络的拥塞状况。流量控制是指发送方必须保证发送数据速率不超过接收方处理能力，避免因接受方处理能力有限造成的丢包。

3.无线网络中的TCP

由于无线网络中的传输错误、链路/路由中断等因素的影响，使得TCP经常会在网络没有拥塞的情况下启动拥塞控制，从而大大降低了TCP的性能。造成无线网络TCP性能下降的因素主要包括以下几个方面：

（1）高比特误码率（BER）。由于无线网络的链路是有损介质，它具有很高的比特误码率，从而导致数据包的损坏甚至出现丢包现象，因此发送端出现超时和重传数据包，这时并会起动相应的拥塞控制。如果重复性地发生这种错误，那么将会大大降低TCP的性能，高比特误码率对蜂窝网络、Ad hoc网络和卫星网络都有很大的影响。

（2）错误的丢包探测机制。由于标准TCP不能区分无线网络存在的不同类型的错误，因此它会把任何丢包都看作是拥塞丢包并启动相应的拥塞控制，而不管无线网络是否处于拥塞状态，这样就使得无线网络中的TCP性能大大下降，该因素会对蜂窝网络、Ad hoc网络和卫星网络都有很大的影响。

（3）无线链路带宽。由于无线链路的带宽有限，结点只能使用很少的带宽，这样将会导致发送端超时和信息丢失的时间增多等现象的产生，该因素将对蜂窝网络和Ad hoc网络产生影响，对卫星网络没有影响。

（4）链路中断。在蜂窝网络中，由于移动结点需要在蜂窝网络切换中有一个信号消失阶段。在信号消失这个阶段，移动结点由于不能收到发送端的任何数据，从而造成发送端数据超时，此时TCP发送端会重传这些数据器启动相应的拥塞控制，这样就导致了TCP性能的下降。

为了减轻上述因素对无线网络中TCP性能的影响，需要引入一些额外机制，主要是丢包探测机制、显示通知和拥塞检测。

（1）丢包探测机制。丢包探测机制的原理是根据探测丢包的本质原因来寻找和确定合适的错误恢复策略，针对具体情况进行具体分析，采用该机制可以达到降低比特误码和链路中断对TCP的影响。

（2）显示通知。把丢包的原因或网络状况实时的显示通知给发送端，进而可以使得发送端采取相应的措施。显示通知这种机制可以有效降低比特误码、链路中断和路由中断对无线网络中TCP性能的影响。

（3）拥塞检测。在连接的正向和反向两个方向上都可以进行拥塞检测，该机制可以有效解决不对称链路超时对无线网络中TCP性能的影响。

4.蜂窝网络中TCP性能的改进方法

蜂窝网络是目前研究TCP性能改进应用最为广泛的无线网络模型，关于这方面的研究比较多。研究的中心主要集中于屏蔽发送端和发送端觉察这两个方面进行改进，改进的方法主要有以下几类。

4.1 TCP分段连接方案

I-TCP方法是该方案的一种方法，I-TCP方法通过将移动主机（MH）和固定主机（FH）间的TCP连接在基站处分成两段，然而在有线和无线链路段分别采取不同的策略来改进TCP性能。其中，有线链路段使用标准TCP，无线链路段则采用适于无线环境的改进协议。它对网络发送端是屏蔽丢包的，基站保留了数据包的“硬”状态，然而该方案破坏了TCP连接的端对端语义，此外还需要修改移动主机和中间结点的TCP。

4.2 TCP缓存方案

该方案常用的方法主要由不完全应答法ACKP、Snoop法和WTCP法等。TCP缓存方案和分段连接方案类似，不同的是TCP缓存方案在代理中保留数据的“软”状态，软状态的丢失虽然会影响TCP的性能，但是不会改变TCP的端对端语义。

4.3 层交叉方案

该方案由链路层或网络层将链路层环境状态反馈到TCP层，TCP通过采取相应的手段和方法来处理网络丢包。按照反馈方式和TCP处理措施的不同，该方案又分为重传机制改进、显示状态通知法和超时冻结机制三类。其中，延迟重复确认法是重传机制改进方案常用的方法。延迟重复确认法通过采用对重复确认进行延迟发送的机制，从而使发送端重传丢包之前无线链路层能进行局部重传。坏状态通知EBSN是显示状态通知法中比较常用的一种方法，M-TCP法是超时冻结机制中比较常用的方法。当TCP接收端将接收窗口大小减为零时，TCP的发送端会进入坚持模式，它冻结了所有数据包的重传定时器，并且不减小拥塞窗口。蜂窝网络中主要TCP改进方法性能比较如表1所示。

5.卫星网络TCP性能改进方法

卫星网络除了具有无线链路固有的高误码率特点以外，还具有带宽时延-乘积大和上/下行带宽不对称等特点。以上这些特点都会影响卫星网络中TCP的性能，例如一般的TCP连接的RTT时间通常仅为几十毫秒，然而在卫星网络中的TCP连接的RTT通常至少是500毫秒，大大降低了卫星网络中TCP的性能。我们通常采用TCP层技术和应用层技术来改善卫星网络中的TCP性能。

表1 蜂窝网络中主要TCP改进方法性能比较

5.1 TCP层技术

我们为了有效的利用卫星链路的高带宽，需要在TCP层引入一些特殊的技术。（1）首先使用T/TCP来建立TCP连接。通常在一对主机建立了一次TCP连接之后，如果再次建立TCP连接是就可以省去三次握手阶段，这样就大大提高了请求/响应的性能。（2）改变慢启动的策略。该策略的改变主要采用更大的初始窗口和使用新的慢启动阈值来改变。（3）在拥塞避免阶段，采用每个RTT时间拥塞窗口增加K的策略。（4）采用ACKS拥塞控制和过滤技术来减少ACKS在中间结点阻塞的可能性。

5.2 应用层技术

我们除了可以在TCP层上使用一些特殊技术来改善卫星网络中的TCP性能之外，还可以采用应用层技术来有效的使用卫星链路，例如XFTP技术。XFTP是FTP的一个变形，它同时采用多个并行的TCP进行连接。我们通过选择合适的并行连接数，从而可以使得XFTP获得将近90%的卫星链路使用率，这样就大大提高了卫星网络中TCP的性能。

6.结语

综上所述，本文对无线网络中的TCP性能进行了相关研究，针对其中的蜂窝网络提出了具体的改进方法，取得了一定的成果，但是还有很多问题值得我们进行进一步的研究，从而来更好的提高TCP性能。

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