无线网络TCP协议性能分析
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作者: 聂顺
【摘要】改进的TCP协议又称TCP-AP（Transport Control Protocol with AP），主要是针对无线网络下TCP性能下降做出的改动。TCP发送方的丢包问题能此办法解决，该协议区分丢包是由比特错误造成还是网路拥塞造成主要通过层与层之间的通信，此改动对于提高TCP在无线网络中的性能具有重大意义。本文通过仿真工具Network Simulator对各种场景进行模拟后试验，对于TCP-AP协议性能的提高进行验证。
【关键词】无线网络;TCP-AP;WAA-AP
1.引言
随着无线网络的迅速发展，其与有限网络如何更好的协同合作成为人们关注的问题，传输层协议TCP虽然能很好的适应有线网络，但是通过无线网络传输时容易发生丢包情况，无论是什么样的无线链路，其网络吞吐率都会因此而下降。所以，要想让无线宽带与互联网的连接更加顺畅，需要提高无线互联网传输层协议的性能。丢包情况出现时，TCP基本假设认定为网络拥塞，通过减小发送窗口来避免丢包。但是接入的如果是无线链路，其本身就是丢包原因，则不再认定网络拥塞是根本原因。使用未经改动的TCP传输协议就会默认通过减小发送窗口的方式来避免丢包，并且无线链路错误的发生具有反复性，如此，窗口在不断减小的同时严重影响了网络传输性能。为保证无线网络传输功能的正常使用，针对其特点进行了改进以保证其传输性能的高效性。
目前，针对传统TCP协议的弊端，已经有了很多改进方案，以提高无线网络TCP协议的性能。可将这些改进划分为两类：固定节点非感知型TCP和固定节点感知型TCP。固定节点非感知型TCP主要是通过局部重传来解决丢包问题，该方法不需对TCP代码做任何改动。对于无线链路错误和移动主机漫游的问题，采用固定节点非感知型TCP能很好的解决，但是为了缓存数据包，必须要有强大的具备组包功能的庞大缓冲区的基站。但是，现实中很难实现要求如此严格的基站。相比固定节点非感知型TCP对于基站的要求，固定节点感知型TCP对基站要求就低了很多，它可以与无线链路更好的匹配，并且能够区分丢包的真正原因。但是两者没有能够解决所有问题，下面将详细介绍TCP-AP协议的实际意义。
2.TCP-AP协议
TCP-AP协议对于提高无线网络下TCP性能有很大帮助，通过跨层通信能保障基站和接收方的互通，在AP帮助下统计序列号，然后可以区分丢包是源自无线还是有线，从而达到提高TCP的无线传输性能。改进过的TCP协议能对网络层和链路层之间的AP队列进行扩展，统计和分析数据包序列号。该协议能在AP队列中分析数据包并提取其序列号，最后经过分析能够得出序列号中最大的一个，离开时也提取一个最大的序列号，然后将它们加入到数据包的包头中。接收方以此分析丢包原因并反馈给发送方。
另外，TCP-AP优先处理队列中优先级高的数据包，不需要等待即可直接发送。当无线链路错误造成丢包时，TCP接收方在重传数据包时能够进行标识，并且优先发送，可以使缺失的数据包及时被接收，能够达到提高传输效率，减少等待时间的作用。此外，接收方确认所传输的数据包后，发送方能够继续发送别的数据，从而提高了工作效率。
3.模拟实验和结果分析
实验中用于模拟的是一款仿真软件，运行FTP程序，建立4台客户端从服务器下载文件，再建立4台客户端往服务器上传文件，有线网络有0.05s的延迟，有线和无线的链路带宽分别为11Mbps和100Mbps，通过500秒的实验过程进行分析。
经过实验表明，TCP-AP协议能在模拟环境下提高网络的吞吐率。图1显示了吞吐率与错误率的关系，错误率为每128kbits中存在1bit时，TCP-AP吞吐率能达到标准TCP的2.43倍。图2是对TCP-AP和标准TCP上传下载时网络环境的关系，由图中可以看出二者网络是差不多的，对于网络带宽是平均分配的。
图1 吞吐率与错误率关系图
图2 公平性与错误率关系图
图3 吞吐率与移动节点数目关系图
实际操作与模拟的有不同之处，移动主机上应用程序运行和停止都对TCP连接数有影响。接下来设置如下情景作为测试，无线网络中的客户端从有线网络中的FTP服务器下载文件，然后将客户端增加到20个，无线和有线带宽仍为之前的11Mbps和100Mbps，网络延迟、错误率和模拟时间均不变。
图3为实验结果，TCP-AP协议的吞吐率不受客户端个数变化影响，其适应性和稳定性都十分良好。但是标准TCP受客户端个数影响比较大，主要是由于其性能没有能够随着客户端个数的增加而提高，网络的总吞吐率也提高了。图3中显示，客户端达到20个时，TCP-AP和标准的TCP吞吐率处于持平，更进一步的验证其稳定性十分良好。
从实验结果中可以看出，TCP-AP对于吞吐率的提高是十分明显的，这一点明显优于标准的TCP协议，同时其公平性和鲁棒性都十分出色。这主要归功于TCP-AP强大的处理分析能力，无论是无线错误丢包和有线拥塞丢包，还是有线网络路由器造成的数据报乱序，都能被其区分出来。无线链路出现丢包情况时，TCP-AP将丢失的数据包进行重传，从而避免将窗口减半，并且能够将窗口前移，再发送其他的数据包，使其吞吐率得到很大程度上的提高。
4.结束语
随着无线网络的不断发展，标准TCP协议的弊端逐渐暴漏出来，为解决此问题，本文提出将TCP协议进行改进，TCP-AP协议便产生了，该协议对于无线网络中TCP性能的提高十分显著：移动主机通过基站与固定主机进行连接，主要通信方式是层与层之间，在该网络状态下，基站与移动主机之间能畅通无阻的通信，从而能够准确的分析丢包是由于什么造成的。以上这些的实现，需要依靠基站筛选和统计数据包的序列号，然后将结果反馈给移动主机。本文中模拟了多种情景验证TCP-AP协议其稳定的性能。
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