无线自组织网中TCP性能分析与改进

论文摘要

Ad hoc网络是由一组自治的无线终端相互协作而形成的独立于固定的基础设施并采用分布式管理的网络。由于Ad hoc网络具有组网灵活,容易实现等特点,它在军事通信、应急通信、商业应用等方面具有广阔的前景。但同时由于无线信道高误码率和低带宽、节点能量有限、时延大和安全性差等问题,需要对其不断进行研究和完善。在无线Ad hoc网络中,网络拥塞不再是数据包丢失的唯一原因,如果直接使用传统的TCP拥塞控制技术,将会造成网络吞吐量的不必要下降和丢包的增加,因此如何有效的提高TCP性能成为无线Ad hoc网络中一个重要研究课题。本文首先介绍了Ad hoc网络和传统TCP协议的原理,重点研究了TCP的拥塞控制机制。由于Ad hoc网络固有的属性,TCP协议直接运用在其中将面临很多挑战,分析了当前典型的TCP协议改进方案和它们的实现方法。进一步分析了在无线Ad hoc网络环境下TCP协议面临的挑战及目前对应的改进方案。由于Ad hoc网络独有的特点,将会造成网络性能面临许多挑战如链路的不对称性、数据包乱序、RTT波动较大及隐藏终端和暴露终端问题,这些问题将会对TCP性能造成特定的影响,本文将描述它们对应的解决方案。为了进一步分析TCP协议性能,本文通过仿真分析TCP性能下降的原因和其它网络参数对TCP性能的影响。通过研究在不同长度链式拓扑下TCP协议最大窗口与吞吐量的关系,发现无线网络中使网络性能最佳的TCP最大窗口比有线网络中小,与网络跳数密切相关。并分析了MAC层的隐藏终端和暴露终端对网络造成的饥饿现象,最后分析了常用三种路由协议对网络性能的影响。在总结其他方案的有点和不足的基础上,本文提出了一种通测量TCP的RTT变化来提高TCP性能的方法。RTT能直观的体现网络数据包所经历的拥塞,而在无线信道上TCP的RTT波动较大,通过RTT动态调节网络负载,避免拥塞的发生。同时,方案是基于TCP端到端的语义,不需要中间节点的参与和其它层的协同,实现较简单。通过仿真证实该方案能有效提高TCP协议的性能,同时在改善TCP公平性上也具有一定作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 无线自组织网上TCP 协议
• 2.1 TCP 协议基本原理
• 2.1.1 TCP 协议概述
• 2.1.2 TCP 差错检测与恢复机制
• 2.1.3 TCP 流量控制机制
• 2.2 TCP 协议拥塞避免机制
• 2.2.1 慢启动
• 2.2.2 拥塞避免阶段
• 2.2.3 快速重传
• 2.2.4 快速恢复
• 2.3 Ad hoc 网络环境下 TCP 协议面临的问题
• 2.3.1 无线信道的特性
• 2.3.2 节点移动问题
• 2.3.3 不对称问题
• 2.3.4 RTT 波动较大
• 2.3.5 乱序问题
• 2.3.6 不公平性问题
• 2.3.7 隐藏终端和暴露终端
• 2.4 Ad hoc 网络中 TCP 改进方案
• 2.4.1 区分路由失败和拥塞的方案
• 2.4.2 降低路由失败的方案
• 2.4.3 降低无线信道的竞争的方案
• 2.4.4 提高TCP 公平性的方案
• 第三章 无线自组织网TCP 性能分析
• 3.1 MAC 协议对TCP 性能的影响
• 3.2 路由协议对TCP 性能的影响
• 3.3 TCP 窗口大小和吞吐量的关系
• 第四章 提高TCP 性能的方案
• 4.1 无线自组织网络中的拥塞判定方法
• 4.2 一种提高TCP 性能的新方案
• 4.2.1 设计思想
• 4.2.2 性能仿真
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的科研成果