下一代無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架下的傳輸協(xié)議研究.pdf

1、移動(dòng)和無(wú)線通信技術(shù)及設(shè)備的飛速發(fā)展正在推動(dòng)信息社會(huì)的變革。隨著無(wú)線通信理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)計(jì)算設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開辟了新的市場(chǎng)，基于有線介質(zhì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正在向有線一無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式和應(yīng)用成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，如WLAN，藍(lán)牙，UMTS，衛(wèi)星通信網(wǎng)，第三代蜂窩系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)(WSN)等等。移動(dòng)裝置體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越便宜，使用越來(lái)越方便，功能越來(lái)越強(qiáng)大，同時(shí)，可以運(yùn)行的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)越來(lái)越多，這些來(lái)自制造商

2、和運(yùn)營(yíng)商的有利因素進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。由于無(wú)線通信技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)正在逐漸向無(wú)線方向發(fā)展，最終的目標(biāo)是將各種獨(dú)立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)整個(gè)有線Internet相互聯(lián)，形成覆蓋范圍更廣，應(yīng)用更豐富，服務(wù)更完善的下一代無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 傳輸協(xié)議(Transport Protocol)作用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI七層模型的中間，是OSI七層模型中最重要，最關(guān)鍵的一類協(xié)議，是唯一負(fù)責(zé)總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的一層協(xié)議。傳輸協(xié)議的主要功能

3、是對(duì)一個(gè)進(jìn)行的會(huì)話或連接提供端到端的傳輸服務(wù)，服務(wù)類型包括面向連接和無(wú)連接的服務(wù)，同時(shí)，傳輸協(xié)議還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)連接復(fù)用，流量控制，差錯(cuò)控制及恢復(fù)等多種服務(wù)。傳輸層協(xié)議的理論研究，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定一直是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)尤其是Internet發(fā)展中的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中普遍使用并已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議主要有可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP，非可靠傳輸協(xié)議LIDP，實(shí)時(shí)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(shí)際

4、中使用，如流媒體控制傳輸協(xié)議SCTP，數(shù)據(jù)報(bào)擁塞控制協(xié)議DCCP，TCP友好速率控制機(jī)制TFRC等等。隨著新的網(wǎng)絡(luò)形式和業(yè)務(wù)類型的不斷出現(xiàn)，傳輸協(xié)議必須要不斷改進(jìn)，以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸服務(wù)質(zhì)量。 無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及協(xié)議帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，由于傳統(tǒng)的Internet協(xié)議是基于有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，而現(xiàn)在在與各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式融合的過(guò)程中，這些現(xiàn)有的協(xié)議和技術(shù)通常被直接移植到無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)中，這便帶了一系列的問(wèn)題，包括網(wǎng)絡(luò)

5、協(xié)議的性能，效率，穩(wěn)定性，以及安全，管理等多個(gè)方面。其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議研究就是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。 無(wú)線鏈路具有不穩(wěn)定性和移動(dòng)性的特點(diǎn)，通信過(guò)程中容易出現(xiàn)多徑，干擾，衰減，切換等多種破壞傳輸?shù)默F(xiàn)象，從而造成較高的誤碼率。這對(duì)于傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。無(wú)論是可靠數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議還是實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的傳輸協(xié)議，其共同的基本思想是將丟包作為網(wǎng)絡(luò)擁塞的唯一標(biāo)志，從而采取相應(yīng)的窗口調(diào)節(jié)或速率調(diào)節(jié)。因此對(duì)丟包檢測(cè)和反應(yīng)是互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)擁塞控制的

6、最主要的行為，直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。在有線鏈路中，鏈路的誤碼率很低可忽略不計(jì)，導(dǎo)致丟包最主要的原因是中間路由器出現(xiàn)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(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，大量的由于無(wú)線鏈路造成的隨機(jī)丟包并不意味著網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)單的按照擁塞丟包進(jìn)行處理，發(fā)送端需要降低發(fā)送速率，很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，這嚴(yán)重降低了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(jié)了當(dāng)前無(wú)線和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，分別介紹了構(gòu)成下一代無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的幾種重要的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式：無(wú)線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信網(wǎng)，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)和3G蜂窩通信網(wǎng)，研究了其各自的結(jié)構(gòu)，協(xié)議和應(yīng)用領(lǐng)域；同時(shí)，研究了對(duì)于模擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)行為和協(xié)議設(shè)計(jì)有著重要意義的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)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(duì)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中基于有線網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的可靠業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議和實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議進(jìn)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(wǎng)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(jìn)版本如SACK，NewReno，Vegas等等。其中，重點(diǎn)研究了TCP協(xié)議中的核心機(jī)制…擁塞控制機(jī)制的思想和實(shí)現(xiàn)算法，包括慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速恢復(fù)和快速重傳。然后總結(jié)了模擬和刻畫TCP流行為的兩種TCP吞吐量模型：簡(jiǎn)單模型和復(fù)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境：而后者完整地考慮數(shù)據(jù)包丟失既可能導(dǎo)致快速重傳，同時(shí)還可能導(dǎo)致超時(shí)進(jìn)入慢啟動(dòng)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(píng)估和設(shè)計(jì)互聯(lián)網(wǎng)其他傳輸協(xié)議提供參考。第四章討論了基于有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和使用的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)供了一個(gè)框架，與傳統(tǒng)注重高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攲訁f(xié)議相比，它更加側(cè)重?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提供的服務(wù)包括時(shí)間載量標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)序列、時(shí)戳、傳輸控制

10、等。由于RTP為了簡(jiǎn)化運(yùn)輸層處理，提高該層的效率而沒有運(yùn)輸層協(xié)議的完整功能，不提供任何機(jī)制來(lái)保證實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)，不支持資源預(yù)留，也不保證服務(wù)質(zhì)量，其部分運(yùn)輸層協(xié)議功能需要其他層次輔助實(shí)現(xiàn)。由于TCP的速率波動(dòng)性和LJDP的缺乏公平性，它們對(duì)于承載RTP/RTCP包都不是很理想，因此，流控傳輸協(xié)議SCTP和數(shù)據(jù)報(bào)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(lái)與RTP/RTCP配合使用。此外，研究討論了實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議中的一種

11、重要機(jī)制--TCP友好速率控制協(xié)議TFRC，分析了其吞吐率模型，包結(jié)構(gòu)，速率控制及其與TCP流競(jìng)爭(zhēng)是的性能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸協(xié)議性能和改進(jìn)是本文的重點(diǎn)，第五章和第六章分別對(duì)無(wú)線TCP和無(wú)線速率控制機(jī)制進(jìn)行研究。 第五章分析了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)對(duì)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(wèn)題，研究了各種無(wú)線TCP的設(shè)計(jì)思想和比較，重點(diǎn)研究了一種基于可用帶寬預(yù)測(cè)(ABE)和擁塞警告(CW)機(jī)制的無(wú)線TCP協(xié)議---TC

12、P-Jersey。針對(duì)TCP-Jersey中，反向ACK擁塞和數(shù)據(jù)突發(fā)的問(wèn)題，對(duì)其中的可用帶寬公式以及慢啟動(dòng)和擁塞避免過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)在無(wú)線局域網(wǎng)和有線.無(wú)線混合網(wǎng)兩種仿真環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)協(xié)議良好的性能。 在第六章，研究了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議的核心---無(wú)線速率控制機(jī)制，首先研究了一種基于模型的分析速率控制機(jī)制ARC，并推導(dǎo)出無(wú)線鏈路中的TCP吞吐率模型。ARC機(jī)制利用無(wú)線鏈路TCP吞吐模型作為速率調(diào)節(jié)的參考

13、，在丟包時(shí)對(duì)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(shí)間在接收端測(cè)得并反饋，而無(wú)線鏈路丟包率可由MAC層根據(jù)統(tǒng)計(jì)的誤碼率近似求得。其次，研究了基于低優(yōu)先級(jí)Dummy包的速率控制機(jī)制RCS，分析其工作原理，提出一種將改進(jìn)后的RCS與DCCP相結(jié)合的新的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(wú)線TFRC機(jī)制，提出一種新的基于延遲抖動(dòng)的TFRC改進(jìn)方法TFRC-Jr，仿真實(shí)

14、驗(yàn)證明了該方法具有良好的吞吐率性能和對(duì)TCP的友好性。 下一代無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的范圍更廣闊，網(wǎng)絡(luò)形式更復(fù)雜，應(yīng)用業(yè)務(wù)更豐富，這都對(duì)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文在深入研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和傳統(tǒng)傳輸協(xié)議原理的基礎(chǔ)上，全面總結(jié)和分析了下一代無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)中的可靠數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議，創(chuàng)新性的提出并驗(yàn)證了幾種無(wú)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(shí)，提出今后該領(lǐng)域的研