基于统计过程控制的传输控制协议TCP SPC

论文摘要

随着无线计算机网络的广泛应用,研究无线网络的基础理论与关键技术具有越来越大的科学和经济价值。其中,如何提高无线网络传输控制协议的性能是无线网络研究的一个重要课题。传统TCP协议在无线网络中的性能表现不佳,其根本原因在于无线网络中的无线链路高错误率。针对此问题,我们将统计过程控制(SPC)方法与网络拥塞控制机制相结合,提出了基于统计过程控制的传输控制协议TCP SPC。它的提出是将统计科学和计算机科学相结合的一次新的尝试。TCP SPC协议将RTT作为网络拥塞状态的反馈信息,根据RTT的统计数据和SPC方法来监测RTT的变化,进而判断无线网络的拥塞状态。本文首先分析了使用RTT作为网络拥塞状态反馈信息的优点和合理性,并使用仿真的方法验证了合理使用SPC方法的前提:RTT在网络负载一定的情况下基本服从正态分布。随后,我们介绍了TCP SPC协议的拥塞控制原理。TCP SPC协议在假设网络负载一定的前提下,计算网络中RTT分布的参数估计值和SPC方法使用的控制值。为准确地判断网络拥塞状态,我们使用控制图和一系列网络状态判据集对RTT变化模式进行描述和监测。RTT变化模式满足不同的判据集就表明网络处于不同的拥塞状态。针对网络所处的不同状态,TCP SPC采用不同的方式调整拥塞窗口值,从而达到拥塞控制的目的。这种拥塞控制方法能够很好地克服无线链路错误丢包带来的不良影响。同时,使用SPC方法也从统计学意义上保证了其对网络拥塞状态判断的准确性。在QualNet仿真环境中,我们在TCP协议的源代码的基础上实现了TCP SPC协议,并使用判据向量机制实现了控制图和网络状态判据。我们通过大量的仿真测试了TCP SPC协议的性能,并将其和其他TCP协议的性能进行了对比。在多种仿真场景下,TCP SPC协议都有出色的表现,并能够在保证一定公平性的前提下,显著提高端到端的有效吞吐率。并且,TCP SPC协议独立于底层协议,其设计思想也并不局限于无线网络。因此,TCP SPC协议是一种优秀的具有普遍适用性的传输控制协议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.3 项目背景
• 1.2 论文的工作
• 1.3 论文的结构
• 第二章 无线网络中传输控制协议研究现状
• 2.1 传输控制协议在无线网络中的问题
• 2.2 无线网络中TCP 协议的改进研究
• 2.2.1 层内优化策略
• 2.2.2 跨层优化策略
• 2.2.3 各种改进的比较
• 2.3 统计过程控制方法SPC 的应用
• 2.3.1 统计过程控制方法SPC 简介
• 2.3.2 SPC 方法在TCP 协议改进中的应用
• 2.4 小结
• 第三章 基于SPC 的传输控制协议TCP SPC 的拥塞控制原理
• 3.1 概述
• 3.2 网络系统模型
• 3.2.1 模型组成结构
• 3.2.2 负载、吞吐率和RTT 的关系
• 3.3 RTT 的概率分布假设及检验
• 3.3.1 RTT 的概率分布
• 3.3.2 RTT 分布假设的检验
• 3.4 RTT 变化的监测
• 3.4.1 控制图的建立
• 3.4.2 网络状态的监控和判断
• 3.5 小结
• 第四章 TCP SPC 协议设计及在QualNet 3.7 中的实现
• 4.1 概述
• 4.2 TCP SPC 协议的设计
• 4.2.1 判据向量的使用
• 4.2.2 RTT 样本的采集和更新
• 4.2.3 拥塞窗口调整机制的设计
• 4.3 TCP SPC 协议在QualNet 3.7 中的实现
• 4.3.1 仿真软件QualNet 3.7 简介
• 4.3.2 TCP SPC 协议实现方法
• 4.4 小结
• 第五章 TCP SPC 算法的性能评价
• 5.1 概述
• 5.2 仿真环境的参数设置及场景设计
• 5.2.1 仿真参数设置
• 5.2.2 仿真场景设计
• 5.3 业务流跳数对协议性能的影响
• 5.4 MAC 层数据包错误率对协议性能的影响
• 5.5 业务流数对协议性能的影响
• 5.5.1 业务流方向一致条件下的性能表现
• 5.5.2 业务流方向垂直条件下的性能表现
• 5.5.3 业务流混合方向条件下的性能表现
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢