无线移动Ad Hoc网络中TCP的性能研究

论文摘要

传输控制协议TCP是最重要的网络协议之一,但TCP协议在无线移动Ad Hoc网络中性能较差,如吞吐率较低,稳定性和公平性较差,有安全隐患等。这是无线移动Ad Hoc网络环境中特有的问题造成的,如传输通道的易错性和丢包率、媒体介质层的竞争和冲突、节点的移动性、网络拥塞和安全问题等。当前无线移动Ad Hoc网络中TCP的改进算法通常针对某个问题,尚无一种适用较广泛的方案。考虑到异构环境的应用需求,保持端到端语义的TCP增强方案应做为研究的重点。为解决TCP在多跳无线网络中吞吐率的性能下降问题,可采用一种端到端的组合方案TCP-CD,即限制发送窗口最大值和使用延迟确认机制,并建议发送窗口限制为2个最大发送包为宜。模拟实验表明,TCP-CD优于使用单一方案。考虑到路由协议和移动模型对TCP性能的影响,为解决TCP在移动无线网络中的吞吐率的性能降低问题,可采用TCP-CDR方案,即在TCP-CD基础上增加TCP最大重传重试时间的限制。在多种移动模型中如随机移动（Random Waypoint）和社会网络（Social Network）模型中与当前的方案,如FeW、TCP-AP进行比较。模拟实验表明,TCP-CDR中均优于其他方案。对于TCP在多跳无线网络中的稳定性问题,分析发现TCP在经过多跳网络路径传输时,往往会因为隐藏终端导致大量MAC层冲突丢包,导致MAC层包重传重试超过相应限制导致丢包,使得TCP数据包或确认包丢失,TCP反复进入慢启动过程,从而最终破坏TCP稳定性。为解决稳定性问题,仅仅限制TCP发送窗口大小是不够的,延迟确认策略应该同时使用。稳定性问题的形式化描述和隐藏终端问题对TCP稳定性影响的定量分析进一步揭示TCP稳定性问题。对于TCP在有线网络和无线网络混合的异种网络中的公平性问题,可采用使用限制TCP发送窗口大小来提高上行和下行TCP流之间的公平性的方案。对于TCP在移动Ad hoc网络中的不公平性问题,分析其原因并对TCP公平性产生影响的场景进行分类。实验发现,重叠TCP流的公平性好于非重叠TCP流,对于非重叠TCP流,只有当TCP流中所有节点在干涉范围内时才能保持公平性。如果TCP流发送节点是其他TCP流发送节点的隐藏终端,公平性将很差,可使用802.11e设定单跳TCP流的优先值为一个较小的值来提高TCP公平性。使用累计公平指数和瞬时公平指数来衡量移动Ad Hoc网络中TCP的公平性较为合理。性能问题还需要考虑安全性,移动Ad Hoc网络中基于网络拥塞的降低TCP性能的RoQ（Reduction of Quality）分布式拒绝服务攻击方式,包括脉冲攻击,循环攻击,自消耗攻击和泛洪攻击。防御机制包括检测和响应机制。检测信号包括RTS/CTS包频率、信号干涉频率以及包重传次数。响应机制则依据显式拥塞通告标记和通知。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 TCP 以及MANET 网络
• 1.2 MANET 中TCP 面临的性能问题
• 1.3 MANET 中TCP 的性能研究现状
• 1.4 研究覆盖的内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 MANET 中TCP 吞吐率性能
• 2.1 TCP 吞吐率性能问题和分析
• 2.2 TCP 吞吐率性能改进方案TCP-CD 及评价
• 2.3 路由协议和移动模型对TCP 性能的影响
• 2.4 TCP 吞吐率性能改进方案TCP-CDR 及评价
• 2.5 小结
• 3 MANET 中TCP 稳定性
• 3.1 TCP 稳定性问题和分析
• 3.2 TCP 稳定性改进方案及评价
• 3.3 隐藏终端对TCP 稳定性的影响
• 3.4 小结
• 4 MANET 中TCP 公平性
• 4.1 TCP 在异构网络中公平性分析
• 4.2 TCP 在异构网络中公平性改进方案及评价
• 4.3 TCP 在MANET 中公平性分析
• 4.4 TCP 在MANET 中公平性改进方案及评价
• 4.5 小结
• 5 影响TCP 性能的安全问题
• 5.1 降低TCP 性能的RoQ DDoS 攻击
• 5.2 防御措施
• 5.3 模拟验证
• 5.4 小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附录2 攻读学位期间参加的主要科研项目