论文摘要
分布式无线Ad Hoc网络由于无需基础设施支撑，易于部署，适用于战争、抢险等不具备通信基础设施的恶劣环境。并且无它能够延伸计算机网络覆盖范围，构建无所不在的网络连接，因而得到人们的广泛关注。近年相继出现的无线传感器网络、Mesh网络、车载Ad Hoc网络（VANET）、无线体域网（WBAN）都是AdHoc网络的实际应用。TCP与IP协议是构成现代因特网的基石。TCP协议主要实现端到端的拥塞避免、拥塞控制和可靠连接，适用于存在多业务、多节点的复杂网络。Ad Hoc网络同样属于多业务、多节点的复杂网络，所以TCP仍然是实现速率控制和可靠传输的主要选择。但是将传统的TCP协议直接移植到Ad Hoc网络存在很多问题，吞吐量、公平性等性能都比较差。因此，本文主要针对TCP在无线Ad Hoc网络的应用，集中于分析建模无线Ad Hoc网络中TCP的吞吐量性能，并提出了三种改进算法用于提高TCP在无线Ad Hoc网络中的吞吐量。本文主要创新点有：一、联合分析TCP和IEEE802.11的工作机制，建立无线Ad Hoc网络中TCP的分析模型。我们将TCP窗口变化建模为连通的Markov链，其状态转换概率由不同窗口上的丢包概率决定。通过分析IEEE802.11MAC协议的工作机制，推导某一发送窗口上每跳的稳态丢包概率和往返时间，确定所有拥塞窗口上的端到端平均吞吐量。总吞吐量表示为不同拥塞窗口上吞吐量的期望。数值结果表明该模型可以很好地拟合TCP在链式拓扑上随跳数变化时的吞吐量。二、提出自适应分数窗口增长机制。无线Ad Hoc网络中固定分数窗口增加步长（FeW）[1]存在不足：当拥塞窗口小于带宽时延乘积时，固定步长会浪费带宽；而当拥塞窗口大于带宽时延乘积时，固定步长容易导致超时事件。针对此问题，我们提出了自适应分数窗口步长增加机制（AFW）。AFW针对不同窗口长度使用不同步长。当窗口小于带宽时延乘积时，AFW的窗口增加步长大于FeW；而当窗口大于带宽时延乘积时，AFW的窗口增加步长小于FeW。AFW实现了大步长导致大量丢包和小步长导致带宽浪费之间的平衡，仿真结果表明，AFW获得比FeW高5%的吞吐量增益。三、提出了适用于无线Ad Hoc网络的Vegas改进协议Vegas-W。由于多数研究只考虑TCP-Newreno，而同样广泛使用的TCP-Vegas却没有得到必要的关注，并且有研究表明，Ad Hoc网络中TCP-Vegas的性能优于TCP-Newreno。由于两种TCP协议的工作方式不尽相同，在无线Ad Hoc网络中的应用需要考虑其不同特性。因此，我们在一个统一的网络框架下，使用TCP源窗口模型，分析了TCP-Vegas的发送窗口变化机制对于TCP吞吐量的影响，并在此基础上提出了针对TCP-Vegas的改进协议Vegas-W，以提高其在无线Ad Hoc网络中的吞吐量。Vegas-W的改进主要包括分数窗口延拓、超慢启动、慢拥塞控制和慢启动门限更新四个部分。仿真结果表明，Vegas-W在各种场景下的吞吐量都优于TCP-Vegas和针对TCP-Newreno的分数窗口步长改进协议FeW。四、提出了MAC层实现TCP层确认的IACK算法。关于TCP的研究多集中于控制TCP的发送过程来提高TCP在多跳Ad Hoc网络中的性能，而不太关注传输层的ACK包对TCP性能的影响。然而，在基于IEEE802.11的网络中，ACK包的发送时间严重影响了TCP性能。在DATA包长度为1024字节，数据发送速率为2Mbps的典型场景下，发送一个ACK包的时间长度为发送一个数据包时间长度的33.8%。虽然ACK包内可能含有时间戳信息，但ACK包里所携带的主要信息仅仅是目的节点最新收到的ACK包的序列号，而为了成功发送所消耗的额外负载大量占用了网络带宽。因此，我们提出了一种MAC层实现TCP层确认的IACK算法，把传输层的ACK信息包含在MAC层的CTS包内，从而降低ACK传输对带宽资源的占用。为此，MAC层、传输层和路由层都必须做必要的改进。我们在ns-2中应用了IACK算法，并评估了其性能。使用手动路由协议NOAH[2]，IACK的吞吐量（throughput）和有效速率（goodput）比TCP-AP分别高8.0%、8.3%以上，比TCP-Newreno分别高6.8%、7.6%以上。使用动态源路由协议DSR[3]，IACK的吞吐量和有效速率优于TCP-AP高于10.6%、8.8%，优于TCP-Newreno分别高达8.8%、11.7%。当无线信道存在误码时，IACK的性能增益与无误码时接近。
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