面向无线多跳网络的TCP协议改进研究综述

计算机与现代化2011年第7期JISUANJI YU XIANDAIHUA总第191期文章编号：1006-2475（2011）07-0045-04收稿日期：2011-03-15基金项目：国家高技术研究发展计划（863）项目（2007AA01Z210）作者简介：刘梅（1986-），女，江西樟树人，华南理工大学信息网络工程研究中心助理工程师，硕士，研究方向：通信网络协议及架构。

面向无线多跳网络的TCP 协议改进研究综述刘梅（华南理工大学信息网络工程研究中心，广东广州510640）摘要：无线多跳网络应用日益广泛，但它的特殊性如共享无线信道、多跳连接、节点移动等，使得针对有线网络设计的TCP 协议不能很好地工作在该网络环境中，经常误判网络拥塞状况而且反应迟钝，严重损害了网络性能。

本文深入分析无线多跳网络中影响TCP 性能的因素，总结目前提高TCP 性能的改进方案并对这些方案进行比较，为无线多跳网络中TCP 的研究方向提供参考。

关键词：无线多跳网络；TCP ；拥塞控制中图分类号：TN915文献标识码：Adoi ：10．3969/j．issn．1006-2475．2011．07．013Survey of TCP Improvement over Wireless Multi-hop NetworksLIU Mei（Network Engineering and Research Center ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，China ）Abstract ：The specific characteristics of wireless multi-hop networks ，which applications are rapidly expanded ，such as shared media ，multi-hop connection and node mobility cause TCP designed for wired networks not to work well．TCP often misjudge the congestion status in such kind of networks with a slow reaction to it ，which seriously suffers from performance degradation．This paper analyzes the factors affecting TCP performance ，then some research works to improve TCP performance are summarized and compared．Finally ，some possible research trends of optimizing TCP performance over wireless multi-hop networks are proposed．Key words ：wireless multi-hop networks ；TCP ；congestion control0引言无线多跳网络是一种具有特殊用途的网络，它是由一系列带有无线收发装置的移动节点自发组成的多跳无中心网络。

在无线多跳网络中，设备节点既可以作为主机，又可以作为转发路由器进行工作，且网络中任何设备节点都是对等的。

目前无线多跳网络主要分为移动无线Ad hoc 网络［1］、无线网状网络、无线传感网络和卫星网络等。

拥塞控制和保证数据包的可靠传输是无线多跳网络最核心的技术，这些技术传统上是由TCP 协议提供的。

但是传统TCP 协议是针对有线网络设计的，因此直接将传统TCP 协议应用于无线多跳网络中将会面临挑战。

究其原因，最关键的是传统TCP 协议误判网络拥塞状况且反应迟钝，导致网络性能下降。

传统TCP 协议总是认为数据包的丢失是由于网络拥塞造成的。

然而在无线多跳网络中，数据包的丢失是由于无线信道误码、节点竞争共享信道、路由失效等因素造成的。

1无线多跳网络中影响TCP 性能的因素在无线多跳网络中，影响TCP 传输性能的因素是多方面的。

在不同的网络环境、节点移动模式和数据传输模式下，影响TCP 的主要因素又各不相同。

因此，透析无线多跳网络中影响TCP 性能的主要因素对于在各类无线多跳网络中部署和应用TCP 传输有着极为重要的意义。

本文以OSI 层次为主线，具体分析影响无线多跳网络中TCP 性能的主要因素。

1．1对ACK 报文的依赖传统TCP 中ACK 报文有三个作用：触发新数据传送、保证可靠性和执行拥塞控制。

TCP 目标节点每46计算机与现代化2011年第7期收到一个（或两个）报文段即发回一个ACK报文，源端则根据返回的ACK报文调控数据包的传送。

对ACK报文的依赖使TCP性能下降，主要表现在：（1）ACK报文加剧信道竞争。

从TCP目的端到源端的ACK报文带来的开销约占数据带宽的10% 20%。

如果前向路径和反向路径相同，则ACK报文将在反向路径上与前向路径的报文段产生信道竞争，会减小TCP报文段的平均传输速率，降低性能。

（2）ACK累积问题。

无线多跳网络中存在多种原因的不对称因素，如速率分配的不对称性、多径路由引发的不对称性等，都可能引发反向路径上ACK 流瓶颈，导致ACK包在中间节点累积，从而产生ACK 累积效应，造成源端的数据流突发，增加网络拥塞和不稳定的可能性，使得TCP性能下降。

1．2频繁的路由失效无线多跳网络是一个时变的网络，网络中的节点具有移动功能，可以随时移动到任何地方，这样会使节点间的通信链路频繁断开，导致路由失效。

频繁的路由失效会造成中间节点丢包、数据包乱序、源端重传计时器超时等现象的发生，使得TCP错误地采取拥塞控制措施，导致TCP性能下降。

另外，路由重建时，TCP无法传输任何数据或无法收到返回的ACK报文，致使部分已接收的数据需要重传，浪费网络资源，导致性能下降。

而且当路由失效时间过长甚至出现分区（Partion）时，长时间的连接中断导致TCP源端采用指数退避策略来推迟数据包的重发，这样很可能在路由恢复时，源端不能及时恢复数据的传送，使得TCP不能充分利用带宽，导致性能下降。

1．3无线多跳连接和共享信道的竞争无线多跳连接特性是指无线多跳网络中节点间通信很可能需要经过多个节点转发，即多跳情况。

在无线多跳网络中，各个节点在共享媒体介质上接入信道，因此MAC协议设计是影响网络性能的一个关键因素。

其主要包括：（1）隐藏终端和暴露终端问题。

由于无线多跳网络节点竞争共享信道和多跳转发的特性，使得节点间的相互干扰并不仅仅发生在一跳邻居之间，隐藏终端和暴露终端问题降低了无线多跳网络在无线信道的空间复用度，同时还要面临数据传输时发生碰撞而丢失的可能性。

（2）MAC层的短时不公平性。

在广泛使用的IEEE802．11DCF协议中的退避机制规定：当节点成功发送数据帧时竞争窗口变为最小值，而当竞争失败时竞争窗口增大一倍。

这样将使得成功发送数据的节点始终处于竞争优先地位，从而导致了不公平性，这是传输层不公平性的根源。

隐藏终端和暴露终端问题会加剧这种短时不公平性。

1．4TCP不能区分丢包的原因传统TCP假设数据包的丢失是源于网络拥塞，这在误码率较低的有线网络中是可行的，但在无线多跳网络中，传统TCP由于不能区分丢包的原因，将任何丢包都认为是拥塞丢包并启动拥塞控制，此时网络可能不处于拥塞状态，造成TCP性能下降。

下面介绍除了拥塞导致丢包外的其它丢包原因：（1）高误码率导致的丢包。

无线多跳网络的无线链路是开放的有损介质，存在多径衰落、阴影效应，加之某些情况下信道选用开放频段，使得无线网络具有高比特误码率的特点，这会导致数据包损害和丢失。

（2）无线信道竞争导致碰撞丢包。

（3）路由中断导致的丢包。

2无线多跳网络TCP改进方案综述为了解决传统TCP在无线多跳网络中遇到的问题，在过去的几年里，研究人员进行了大量的相关研究，提出了许多TCP的改进方案［2-5］。

目前针对这些方案可有三种分类方式：一是基于无线多跳网络TCP 面临的问题划分。

二是基于ISO参考模型的设计方法划分，有两类：①分层设计。

主要是在OSI模型中的某一个层次上进行改进，使其更好地满足无线多跳网络TCP传输的需要。

②跨层设计。

通过跨层的方式，上层协议充分利用下层网络提供的信息能够更直接、准确地判断网络状况，从而做出合理的反应来提高传输性能。

三是基于拥塞控制方式划分，主要可以分为两类：①端到端拥塞控制改进方案。

②逐跳拥塞控制改进方案，也称路由器反馈拥塞控制改进方案。

又可分为显式和隐式反馈两种。

下面介绍几种无线多跳网络中TCP的改进方案。

2．1端到端拥塞控制改进方案ADTCP—Ad Hoc TCP［6］是一种基于传输层的端到端的单层改进方案，为了更准确识别网络状况，采用多矢量技术。

在该方案中，提出了两个连续包的迟延差、短期吞吐量、无序包的到达率和包的丢失率共4个矢量来精确区分网络状态，其中前两者用于检测网络拥塞；后两者被用于检测路由失效和信道错误。

由于采用的是端到端拥塞控制技术，故目的端将检测到的当前网络状态信息反馈给源端，源端收到该信息后采取相应的措施。

尽管该方案中源节点和目的节2011年第7期刘梅：面向无线多跳网络的TCP协议改进研究综述47点有所改变，但是它能与传统TCP协议相兼容。

TCP-AP—TCP with Adaptive Pacing［7］是一种纯端到端的方案，它结合了基于窗口和基于速率两种技术。

在传统TCP中加入速率自适应机制，采用4跳传输迟延作为参数来减少无线信道竞争，避免大量数据包的突发。

这种方案的好处在于发送窗口不会产生剧烈变动，避免了流量突发，使得TCP数据流更加平滑，同时改善了无线网络中多个TCP流竞争宽带资源的公平性。

但也带来了参数计算量大，无线多跳网络节点难以承受频繁的大计算量的缺点。

分割式TCP—Split TCP［8］是一种传输层与网络层跨层的端到端改进方案，旨在解决频繁路由失效问题。

Split TCP将整条TCP连接分割为若干个短的TCP连接段，各分段之间的连接节点成为TCP代理节点，代理节点通过拥塞窗口控制代理之间的发送速率。

为了保证整个TCP的可靠性，各个短TCP连接发包流程都与传统TCP一致，但目标代理节点确认采用LACK（Local ACK）代替ACK。

仿真结果显示，当TCP代理节点距离适当时，该协议在吞吐量和公平性上都比传统TCP有所提高。

但由于代理节点需要相当大的缓存，故存在复杂且难以实现的缺点。