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1、华中科技大学 硕士学位论文 Ad Hoc网络中TCP协议的性能改进研究 姓名：徐慧林 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：吴世忠 20070127 I 摘 要 传统传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)协议假设网络中出现分组 丢失完全是由网络拥塞引起的，而在 Ad Hoc 网络中除此之外，还存在路由变化、信 道错误和链路中断等因素引起的分组丢失。当出现上述非拥塞因素丢失分组时，传统 TCP 将错误地启动拥塞控制操作从而造成 TCP 性能下降。 针对传统TCP协议在Ad Hoc网络环境中遇到的问题， 提出了一种新的端到端TCP 改进方
2、案 TCP-END（TCP-End Node Detection） 。它不需要中间节点的反馈，而是根据 TCP 自身的端到端特性，通过接收端和发送端的充分合作对网络异常状态进行识别， 避免发送端对非拥塞的网络故障启动拥塞控制操作。TCP-END 将网络异常状态分为 暂时性网络故障：即路由变化和暂时性信道错误；持续性网络故障：即链路中断、持 续性信道错误和网络拥塞。 TCP-END 通过监控分组乱序交付事件来检测路由变化的发生。 而链路中断也是路 由变化的一种形式，因此通过监控路由变化期间发送方超时的次数就可以检测链路中 断。对于网络拥塞的检测是通过 IDD（Inter Delay Differ
3、ence）联合 RTT（Round Trip Time）来判断。如果分组丢失时既没有检测到路由变化也没有检测到网络拥塞，那么 就可以判定发生了暂时性信道错误。如果在暂时性信道错误期间发送方连续超时，就 可以判定发生了持续性信道错误。TCP-END 中暂时性网络故障的响应机制是让发送 方连续发送两个探测分组，由于暂时性网络故障通常可以在短期恢复，发送方会很快 收到应答分组而进入 TCP 正常状态。对于非拥塞持续性网络故障，TCP-END 的响应 机制是让发送方周期性地发送探测分组直到网络恢复。 在 NS2 模拟器上实现并测试 TCP-END 改进方案。结果表明，TCP-END 能够对 网络异常进
4、行较为准确的识别，避免了不必要的拥塞控制操作，提高了 TCP 性能。 关键词关键词：Ad Hoc 网络，TCP，端到端方案，性能改进 II Abstract Traditional Transmission Control Protocol (TCP) assumes that all packet losses are due to congestion. However, in Ad Hoc networks, packet losses are due to route changes, channel error and link breakage as well as congest
5、ion. Those non-congestion packet losses cause poor TCP performance since traditional TCP triggers unnecessary congestion control mechanism. According to the problems caused by traditional TCP in Ad Hoc network, we bring forward a new End-to-End TCP improving scheme called TCP-END (TCP-End Node Detec
6、tion). Based on the properties of End-to-End, TCP-END, relied on the cooperation of sender and receiver rather than the feedback of the intermediate nodes, detects the network anomalies. TCP-END classifies network anomalies into two classes, short-term network anomalies such as route changes and tem
7、porary channel error, and long-term network anomalies such as link breakage, durative channel error and congestion. TCP-END monitors the packets out-of-order delivery to detect route changes. Since link breakage is also one kind of route changes, link breakage is identified by means of counting the
8、retransmission timeout expires of sender during the route changes phase. Two metrics are used to detect congestion, IDD (Inter Delay Difference) and RTT (Round Trip Time). If packet losses are neither due to route changes nor congestion, the improving scheme infer that temporary channel error occurr
9、ed. Similarly, if the retransmission timeout expires continually during the temporary channel error phase, durative channel error can be identified. TCP-END has two different kinds of response mechanisms. One is for short-term network anomalies; another is for long-term network anomalies. Once short
10、-term network anomalies are encountered, the TCP sender will send two consecutive probe packets. Since network is expected to recover quickly, the TCP sender can receive acknowledgement of probe packets and then resumes the normal transmission. If however, long-term and non-congestion network anomal
11、ies are encountered, the TCP sender will send probe packets periodicity until network recover. TCP-END is implemented and tested in network simulatorNS2. The simulation results show that TCP-END is viable for achieving reasonably accurate detection of network anomalies and improve TCP performance si
12、gnificantly. Keywords: Ad Hoc network, TCP, End-to-End scheme, Performance improving 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学
13、校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 研究背景 随着人类进入 21 世纪，移动计算与通信装置的迅速增长正在推动着信息社会的 变革，移动通信成为当前发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一。移动通信的 最终目标是实现任何人可以在
14、任何地点、任何时候与其他任何人进行任何方式的通 信。目前所用的无线移动通信网络通常可以分为蜂窝网络、Ad Hoc 网络和卫星网络 三类。 Ad Hoc网络由于不需要固定通信基础设施、与现有蜂窝网络不同的组网方式，近 年来得到了较快的发展。Ad Hoc网络的自组织能力和移动的特点，使得其具有很高的 生存能力和灵活性，可以广泛应用于敌对和不易建设固定通信基础设施的环境中。例 如，在军用领域，它可以支持野外联络、无人侦察和情报传输等；在民用领域，它可 以支持诸如移动会议、自然或者人为灾难营救过程中的信息交换以及临时交互式通信 等。Ad Hoc网络既可以作为一种独立的网络存在，也可以作为对现有网络结构
15、的有效 补充1。由于Ad Hoc网络的这些优点，使其成为当前网络通信领域研究的热点。 由于在Ad Hoc网络中，网络节点均是如笔记本电脑，PDA等计算能力不强，主要 依靠电池提供能源的移动终端，因此，节点的能量和带宽都非常有限。如何在有限的 资源下获得最高网络利用率，成为Ad Hoc网络的关键问题。但是，研究表明，如果不 加修改地将传统TCP应用于Ad Hoc网络中，将会导致严重的性能问题24。 传统TCP协议起初是为有线网络设计的，由于有线网络链路的可靠性高，因此传 统TCP认为网络拥塞是造成分组丢失的主要原因。发生网络拥塞后，TCP协议就进行 适当的网络拥塞控制操作。但是在Ad Hoc网络
16、中，一方面，由于无线链路的不可靠而 存在较高的链路误码率，较高的误码率往往会导致分组丢失；另一方面，节点的移动 会造成的路由频繁变化甚至路由中断，频繁的路由变化会引起频繁的分组乱序交付， 路由中断则会导致在中间节点上的分组丢失。因此，对这些非拥塞因素造成的分组丢 失和冗余应答分组触发网络拥塞控制操作， 是造成Ad Hoc网络中链路利用率和系统吞 2 吐量下降的主要原因。 1.2 国内外研究现状 近几年来， 提高 TCP 在移动环境下的性能成了 Ad Hoc 网络研究领域的一个热点。 研究人员提出了许多的改进方案，这些方案大致可以分为三类： (1) 链路层方案（link-layer scheme） (2) 网络反馈方案（network feedback scheme） (3) 端到端方案（end-to-end scheme） 在 Ad Hoc 网络中，当一个节点发送数据时，只有在它的覆盖范围内的节点（即 相邻节点）才能够收到，而在覆盖范围之外的节点则感应不到任何通信的存在，这既 是 Ad Hoc 网络的优点可以提
