下一代無線互聯(lián)網構架下的傳輸協(xié)議研究.pdf

1、移動和無線通信技術及設備的飛速發(fā)展正在推動信息社會的變革。隨著無線通信理論和技術的迅速發(fā)展，移動計算設備和無線網絡產品開辟了新的市場，基于有線介質的計算機網絡正在向有線一無線混合網絡轉變。各種無線網絡形式和應用成為研究和開發(fā)的熱點，如WLAN，藍牙，UMTS，衛(wèi)星通信網，第三代蜂窩系統(tǒng)，無線傳感器網(WSN)等等。移動裝置體積越來越小，價格越來越便宜，使用越來越方便，功能越來越強大，同時，可以運行的應用和網絡服務越來越多，這些來自制造商

2、和運營商的有利因素進一步推動無線通信網絡的發(fā)展。由于無線通信技術不可比擬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的互聯(lián)網正在逐漸向無線方向發(fā)展，最終的目標是將各種獨立的無線網絡整個有線Internet相互聯(lián)，形成覆蓋范圍更廣，應用更豐富，服務更完善的下一代無線互聯(lián)網絡。 傳輸協(xié)議(Transport Protocol)作用于計算機網絡OSI七層模型的中間，是OSI七層模型中最重要，最關鍵的一類協(xié)議，是唯一負責總體數據傳輸和控制的一層協(xié)議。傳輸協(xié)議的主要功能

3、是對一個進行的會話或連接提供端到端的傳輸服務，服務類型包括面向連接和無連接的服務，同時，傳輸協(xié)議還負責實現連接復用，流量控制，差錯控制及恢復等多種服務。傳輸層協(xié)議的理論研究，產品研發(fā)和技術標準制定一直是計算機網絡尤其是Internet發(fā)展中的熱點和重點。在當前網絡產品中普遍使用并已經成為工業(yè)標準的傳輸協(xié)議主要有可靠數據傳輸協(xié)議TCP，非可靠傳輸協(xié)議LIDP，實時傳輸協(xié)議RTP/RTCP，此外，還有很多的傳輸協(xié)議正在被研究完善，逐步在實際

4、中使用，如流媒體控制傳輸協(xié)議SCTP，數據報擁塞控制協(xié)議DCCP，TCP友好速率控制機制TFRC等等。隨著新的網絡形式和業(yè)務類型的不斷出現，傳輸協(xié)議必須要不斷改進，以保證整個網絡端到端的傳輸服務質量。 無線互聯(lián)網絡的出現給現有網絡技術及協(xié)議帶來了新的挑戰(zhàn)，由于傳統(tǒng)的Internet協(xié)議是基于有線網絡基礎設計的，而現在在與各種無線網絡形式融合的過程中，這些現有的協(xié)議和技術通常被直接移植到無線互聯(lián)網中，這便帶了一系列的問題，包括網絡

5、協(xié)議的性能，效率，穩(wěn)定性，以及安全，管理等多個方面。其中無線網絡的傳輸協(xié)議研究就是一個熱點問題。 無線鏈路具有不穩(wěn)定性和移動性的特點，通信過程中容易出現多徑，干擾，衰減，切換等多種破壞傳輸的現象，從而造成較高的誤碼率。這對于傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議帶來新的挑戰(zhàn)。無論是可靠數據的傳輸協(xié)議還是實時多媒體業(yè)務的傳輸協(xié)議，其共同的基本思想是將丟包作為網絡擁塞的唯一標志，從而采取相應的窗口調節(jié)或速率調節(jié)。因此對丟包檢測和反應是互聯(lián)網中實現擁塞控制的

6、最主要的行為，直接影響整個網絡的性能。在有線鏈路中，鏈路的誤碼率很低可忽略不計，導致丟包最主要的原因是中間路由器出現擁塞情況，傳輸協(xié)議中加性遞增，乘性遞減(AIMD)的方式在有線鏈路中是成功的：但是在無線移動網絡中，大量的由于無線鏈路造成的隨機丟包并不意味著網絡中的資源不足，而傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議不能分辨丟包的原因，只是簡單的按照擁塞丟包進行處理，發(fā)送端需要降低發(fā)送速率，很長時間才能恢復，這嚴重降低了數據業(yè)務的發(fā)送速率，影響了連接的性能。

7、 本文首先在第二章概括總結了當前無線和移動通信網絡，分別介紹了構成下一代無線互聯(lián)網的幾種重要的無線網絡形式：無線局域網，衛(wèi)星通信網，無線個域網和3G蜂窩通信網，研究了其各自的結構，協(xié)議和應用領域；同時，研究了對于模擬無線網絡行為和協(xié)議設計有著重要意義的無線互聯(lián)網中端到端路徑的鏈路狀態(tài)模型…四狀態(tài)馬爾可夫狀態(tài)模型。 本文的第三章和第四章分別對當前互聯(lián)網中基于有線網絡所設計的可靠業(yè)務傳輸協(xié)議和實時多媒體業(yè)務傳輸協(xié)議進行了研究。其

8、中，第二章概括了可靠傳輸協(xié)議的基本思想和功能，研究了互聯(lián)網中主流的可靠傳輸協(xié)議TCP系列，包括傳統(tǒng)的TCP Tahoe和Reno版本和其他TCP的改進版本如SACK，NewReno，Vegas等等。其中，重點研究了TCP協(xié)議中的核心機制…擁塞控制機制的思想和實現算法，包括慢啟動、擁塞避免、快速恢復和快速重傳。然后總結了模擬和刻畫TCP流行為的兩種TCP吞吐量模型：簡單模型和復雜模型。其中前者只考慮了快速重傳的情況，因此不適合于丟失率高的

9、網絡環(huán)境：而后者完整地考慮數據包丟失既可能導致快速重傳，同時還可能導致超時進入慢啟動階段，因此其估算精度更高。研究吞吐率模型的意義在于為其他評估和設計互聯(lián)網其他傳輸協(xié)議提供參考。第四章討論了基于有線網絡設計和使用的實時多媒體業(yè)務傳輸協(xié)議系列，其中RTP/RTCP協(xié)議棧為傳輸音頻、視頻、模擬數據等實時數據供了一個框架，與傳統(tǒng)注重高可靠數據傳輸的傳輸層協(xié)議相比，它更加側重數據傳輸的實時性，提供的服務包括時間載量標識、數據序列、時戳、傳輸控制

10、等。由于RTP為了簡化運輸層處理，提高該層的效率而沒有運輸層協(xié)議的完整功能，不提供任何機制來保證實時地傳輸數據，不支持資源預留，也不保證服務質量，其部分運輸層協(xié)議功能需要其他層次輔助實現。由于TCP的速率波動性和LJDP的缺乏公平性，它們對于承載RTP/RTCP包都不是很理想，因此，流控傳輸協(xié)議SCTP和數據報擁塞控制協(xié)議DCCP分別被提出作為TCP和UDP的替代協(xié)議，用來與RTP/RTCP配合使用。此外，研究討論了實時傳輸協(xié)議中的一種

11、重要機制--TCP友好速率控制協(xié)議TFRC，分析了其吞吐率模型，包結構，速率控制及其與TCP流競爭是的性能。無線網絡中傳輸協(xié)議性能和改進是本文的重點，第五章和第六章分別對無線TCP和無線速率控制機制進行研究。 第五章分析了無線網絡自身的特點對于可靠傳輸協(xié)議的影響，以及傳統(tǒng)基于有線的TCP協(xié)議所存在的問題，研究了各種無線TCP的設計思想和比較，重點研究了一種基于可用帶寬預測(ABE)和擁塞警告(CW)機制的無線TCP協(xié)議---TC

12、P-Jersey。針對TCP-Jersey中，反向ACK擁塞和數據突發(fā)的問題，對其中的可用帶寬公式以及慢啟動和擁塞避免過程進行改進，通過在無線局域網和有線.無線混合網兩種仿真環(huán)境中的實驗，驗證了改進協(xié)議良好的性能。 在第六章，研究了無線網絡實時多媒體業(yè)務傳輸協(xié)議的核心---無線速率控制機制，首先研究了一種基于模型的分析速率控制機制ARC，并推導出無線鏈路中的TCP吞吐率模型。ARC機制利用無線鏈路TCP吞吐模型作為速率調節(jié)的參考

13、，在丟包時對發(fā)送速率做出控制，吞吐率公式中的變量：總丟包率，回環(huán)時間在接收端測得并反饋，而無線鏈路丟包率可由MAC層根據統(tǒng)計的誤碼率近似求得。其次，研究了基于低優(yōu)先級Dummy包的速率控制機制RCS，分析其工作原理，提出一種將改進后的RCS與DCCP相結合的新的無線實時傳輸協(xié)議，仿真實驗驗證了其比較傳統(tǒng)的CCID2和CCID3性能有明顯的提高。最后，研究了無線TFRC機制，提出一種新的基于延遲抖動的TFRC改進方法TFRC-Jr，仿真實

14、驗證明了該方法具有良好的吞吐率性能和對TCP的友好性。 下一代無線互聯(lián)網的范圍更廣闊，網絡形式更復雜，應用業(yè)務更豐富，這都對傳輸協(xié)議的設計和實現帶來了挑戰(zhàn)。本文在深入研究無線網絡特點和傳統(tǒng)傳輸協(xié)議原理的基礎上，全面總結和分析了下一代無線互聯(lián)網中的可靠數據業(yè)務和實時多媒體業(yè)務傳輸協(xié)議，創(chuàng)新性的提出并驗證了幾種無線傳輸協(xié)議方案，如：TCP-Jersey-M，DCCP+RCS和TFRC-Jr等新的傳輸協(xié)議方案，同時，提出今后該領域的研