劉純麗 方元康

（1池州學(xué)院 現(xiàn)代傳媒系，安徽 池州 247000）

（2池州學(xué)院 數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系，安徽 池州 247000）

（3南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016）

1 WTCP協(xié)議概述

TCP（Transmission Control Protocol,傳輸控制協(xié)議）[1]是為了實(shí)現(xiàn)在不可靠的網(wǎng)絡(luò)中提供可靠的端到端字節(jié)流傳輸而設(shè)計(jì)的，TCP協(xié)議通過(guò)數(shù)據(jù)的分段和重組，實(shí)現(xiàn)了流量控制[2]和擁塞控制[3]。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展，其高延遲和高誤碼率的特點(diǎn)，使得TCP協(xié)議的缺陷日益凸顯，各種基于傳統(tǒng)TCP協(xié)議的改進(jìn)方案應(yīng)運(yùn)而生。1998年，Ratnam和Matta提出了適用于有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)[4]的分段網(wǎng)絡(luò)的WTCP協(xié)議（Wireless Transmission Control Protocol，無(wú)線傳輸控制協(xié)議）[5]，其優(yōu)越性也得以顯示：

第一：WTCP協(xié)議保持TCP協(xié)議端到端的含義，對(duì)于有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)，在有線網(wǎng)絡(luò)部分仍然使用TCP協(xié)議，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部分采用WTCP保證數(shù)據(jù)更好地傳輸。

第二：WTCP協(xié)議中，為了減少無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懀岣哒麄€(gè)混合網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各種操作對(duì)于靜態(tài)主機(jī)是透明的。

第三：WTCP協(xié)議采取的基于速率的數(shù)據(jù)和ACK傳輸機(jī)制，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，對(duì)于避免無(wú)效重傳具有一定的效果。

第四：WTCP協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)擁塞控制與可靠性控制的分開(kāi)處理，分別設(shè)置了擁塞控制序列號(hào)與可靠性序列號(hào)。

第五：基站承擔(dān)了數(shù)據(jù)重傳的功能，減少了鏈路的負(fù)載，提高了鏈路的使用效率。

WTCP工作過(guò)程如圖1所示。

Figure 1 WTCP protocol

由圖可知，數(shù)據(jù)報(bào)文首先由靜態(tài)主機(jī)發(fā)送至基站，再通過(guò)基站緩沖區(qū)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)主機(jī)。作為發(fā)送方的靜態(tài)主機(jī)，通過(guò)判斷基站是否正確接收數(shù)據(jù)報(bào)文判斷數(shù)據(jù)是否正確傳送。作為中轉(zhuǎn)的基站，對(duì)于接收的數(shù)據(jù)，要記錄其到達(dá)時(shí)間和傳輸號(hào)，以便更好地轉(zhuǎn)發(fā)。作為接收方的移動(dòng)主機(jī)，在正確接收到數(shù)據(jù)之后，通過(guò)ACK將數(shù)據(jù)接收情況反饋到基站。

為了遵循端到端的傳輸機(jī)制，WTCP協(xié)議中ACK的傳送完整路徑包含了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀況穩(wěn)定性上不如有線網(wǎng)絡(luò)，這樣在RTT[6]（Round-Trip Time，往返時(shí)延）的計(jì)算上，就存在一定的不穩(wěn)定性。

2 新的基站管理機(jī)制

WTCP協(xié)議為了遵循端到端的傳輸機(jī)制，在ACK傳輸機(jī)制上顯現(xiàn)了一定的缺陷。為了改進(jìn)這一缺陷，NWTCP協(xié)議提出了一種適用于有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)的基站管理機(jī)制。新算法在基站新建了存儲(chǔ)列表，并對(duì)采取了新的分段反饋機(jī)制（即對(duì)ACK傳輸做了改進(jìn)），使得基站的功能得到更大發(fā)揮，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。仿真對(duì)比試驗(yàn)表明：新的基站管理機(jī)制對(duì)于提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量起到了明顯的效果。

NWTCP協(xié)議仍然沿用WTCP協(xié)議中RTT值的計(jì)算方法，同時(shí)ACK中保留攜帶擁塞狀態(tài)信息位。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞必須同時(shí)滿足擁塞控制標(biāo)志位AE值為1和RTT＞eRTT+sRTT

NWTCP協(xié)議通過(guò)增強(qiáng)基站管理能力，將有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)分別管理，對(duì)于狀態(tài)穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸層仍然使用TCP協(xié)議進(jìn)行管理，對(duì)于狀態(tài)不穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸層使用改進(jìn)的WTCP協(xié)議進(jìn)行管理。

2.1 基站存儲(chǔ)列表

增強(qiáng)站的存儲(chǔ)能力，新建一個(gè)存儲(chǔ)列表，列表采取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。每個(gè)從靜態(tài)主機(jī)傳送至基站的數(shù)據(jù)單元，都通過(guò)新建一個(gè)存儲(chǔ)單元添加至存儲(chǔ)列表，基站再根據(jù)接收的ACK更新存儲(chǔ)列表。在此過(guò)程中，基站不再只是承擔(dān)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)具備一定的管理功能，對(duì)存儲(chǔ)列表采取滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采取一定的擁塞控制機(jī)制進(jìn)行管理。其工作原理如圖2所示：

figure 2 storage list in Base

NWTCP協(xié)議，通過(guò)基站建立存儲(chǔ)列表，區(qū)分處理有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，減少不必要的有線網(wǎng)路重傳和ACK的傳送，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。存儲(chǔ)列表采取鏈表的管理方式，對(duì)于到達(dá)的數(shù)據(jù)分區(qū)進(jìn)行數(shù)字重新數(shù)字編號(hào)，以便于基站和移動(dòng)主機(jī)之間的ACK管理。

2.2 分段反饋機(jī)制

WTCP協(xié)議為了遵循端到端的含義，其RTT的計(jì)算包含了數(shù)據(jù)從靜態(tài)主機(jī)發(fā)送到移動(dòng)主機(jī)以及ACK由移動(dòng)主機(jī)返回到靜態(tài)主機(jī)的整個(gè)過(guò)程。在有線-無(wú)線混合的網(wǎng)絡(luò)中，由于無(wú)線網(wǎng)路的高延時(shí)和高誤碼率，以及路由更新、能量不足等不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題時(shí)，其性能無(wú)法與有線網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，這樣使得RTT的計(jì)算存在很大的不穩(wěn)定性。

在NWTCP協(xié)議中，通過(guò)分段反饋機(jī)制，增強(qiáng)基站的管理能力，有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分段管理。對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)被基站正確接收，基站返回ACK通告靜態(tài)主機(jī)，靜態(tài)主機(jī)判斷數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)被正確傳送；對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)以及ACK的傳送發(fā)生在基站和移動(dòng)主機(jī)之間，RTT值的計(jì)算只涉及這一過(guò)程。基站通過(guò)RTT值以及ACK攜帶的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息位的值，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行判斷，選擇相應(yīng)的鏈路管理I機(jī)制。

2.3 NWTCP協(xié)議可行性分析

在NWTCP協(xié)議中，在基站新建了存儲(chǔ)列表，通過(guò)分段反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分開(kāi)管理。有線網(wǎng)絡(luò)部分采取成熟的TCP協(xié)議，采取相應(yīng)的擁塞管理機(jī)制和ACK傳送機(jī)制，減少了不必要的重傳和ACK狀態(tài)信息的傳送，降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由于其高延時(shí)、高誤碼率、路由更新、能量不足等非網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的數(shù)據(jù)包丟失，通過(guò)相應(yīng)的RTT值計(jì)算以及ACK攜帶的狀態(tài)信息位值，采取相應(yīng)的擁塞管理機(jī)制。

通過(guò)有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)，既發(fā)揮了有線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，有發(fā)揮了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的靈活性優(yōu)勢(shì)，使數(shù)據(jù)能夠更好地傳輸。

NWTCP協(xié)議中，通過(guò)增加基站的存儲(chǔ)能力和增強(qiáng)基站的管理能力，采用存儲(chǔ)列表和ACK分段反饋機(jī)制，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。核心偽代碼如下所述：

2：if ACK and （（AE=0）or（RTT＞eRTT+sRTT））

3： SW=SW

4：endif

5：if ACK and （（AE=1） and （RTT＜eRTT+sRTT））

6： SW+=1

7：endif

8：if（there is packet lost）and （（AE=0） or（RTT＞ERTT+SRTT））

9： SW/=2

10：endif

11：if（there is packet lost） and （（AE=1） or（RTT＜ERTT+SRTT））

12： SW+=4

13：endif

14：if（there is packet lost）and timeout

15： SW=0

16：endif

上述代碼中，SW表示基站中發(fā)送窗口大小。

3 對(duì)比室驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真場(chǎng)景的設(shè)置

本文進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)均在Windows XP操作系統(tǒng)下安裝NS2.33[7]完成的。

Figure 3 simulation link topology diagram

實(shí)驗(yàn)鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用NS2集成功能模塊實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的功能。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置了不同移動(dòng)速度的移動(dòng)主機(jī)，驗(yàn)證NWTCP協(xié)議吞吐量要優(yōu)于WTCP協(xié)議。

Table 1 analog parameters set

仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定的3個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中任意選定一個(gè)作為移動(dòng)主機(jī)，傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文大小設(shè)定為1460字節(jié)的，設(shè)定最大8個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段大小的發(fā)送窗口，通過(guò)FTP代理設(shè)置TCP鏈接傳送所需的數(shù)據(jù)流。

3.2 TCL腳本設(shè)置

在仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)和鏈路進(jìn)行定義。修改基站的TCP NewReno協(xié)議中tcp.h/tcp.cc文檔代碼，實(shí)現(xiàn)了WTCP協(xié)議和NWTCP協(xié)議的定義文檔wtcp.cc和nwtcp.cc。修改移動(dòng)主機(jī)的tcp-sink.h/tcp-sink.cc文檔，完成移動(dòng)主機(jī)的設(shè)置。

建立網(wǎng)絡(luò)鏈接。偽代碼如下：

set ns[new simulor]

set S1[ns node]

set B1[ns node]

set K1[ns node]

set K2[ns node]

set K3[ns node]

將需要的成員函數(shù)添加tcp.h的類(lèi)中，實(shí)現(xiàn)分段反饋機(jī)制。

對(duì)移動(dòng)終端的tcp_sink.h/tcp_sink.cc文件進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)wtcp.cc和nwtcp.cc，實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議的功能。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬與時(shí)延

設(shè)置FTP數(shù)據(jù)的起止時(shí)間

對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別在純無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（既無(wú)擁塞，也無(wú)網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)）、5%的信道誤差網(wǎng)絡(luò)、5%信道誤差且存在另外2條UDP數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)三種環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸增加移動(dòng)主機(jī)的移動(dòng)速度，WTCP協(xié)議和NWTCP協(xié)議分別產(chǎn)生了不同的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，驗(yàn)證表明改進(jìn)協(xié)議具有一定的優(yōu)越性是建立在一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的。

通過(guò)make相關(guān)命令，使新的文件在NS實(shí)現(xiàn)，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)分析結(jié)果。

由于篇幅有限，在此并未完成列出新的協(xié)議。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

首先在設(shè)置的不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對(duì)NWTCP協(xié)議和WTCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行比較。

Figure 4 mobile environment the comparison of the NWTCP protocol and WTCP protocol

如圖4所示，純無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在速度小于5m/s的低速情況下，NWTCP協(xié)議與WTCP協(xié)議在吞吐量方面相當(dāng)。當(dāng)速度不斷增加，尤其是高于10m/s的情況下，NWTCP協(xié)議吞吐量下降要緩于WTCP協(xié)議。這是由于NWTCP協(xié)議中增加了基站的存儲(chǔ)與管理能力，減少了網(wǎng)路重傳的時(shí)間，降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的原因。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中鏈路差錯(cuò)設(shè)定中，通過(guò)丟棄數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失。在基站處設(shè)置好將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的erro_標(biāo)志位，移動(dòng)主機(jī)通過(guò)Agent函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟棄處理。偽代碼描述如下

Figure 5 mobile environment（5%channel error）the comparison of the NWTCP protocol and the WTCP protocol

圖5顯示了5%信道誤差的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，隨著移動(dòng)速度的不斷增加，NWTCP協(xié)議與WTCP所表現(xiàn)的不通網(wǎng)絡(luò)吞吐量。圖5與圖4從縱向上相比，增加網(wǎng)絡(luò)誤差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，兩個(gè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比純無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都有所下降。從圖5同時(shí)可以看出在5%信道誤差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨著移動(dòng)主機(jī)速度的增加，NWTCP的網(wǎng)路吞吐量比WTCP的網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降要慢。這是由于在5%信道誤差的網(wǎng)絡(luò)中，基站良好的存儲(chǔ)與管理能力的優(yōu)越性得以凸顯，完成了快速的數(shù)據(jù)重傳功能。

在該實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)err函數(shù)中5%（set rate_0.05）的誤差完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)置。

在圖5設(shè)置的5%信道誤差的基礎(chǔ)上，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中增加兩條傳輸速率為150kbps的UDP/CBR數(shù)據(jù)流，時(shí)間設(shè)置在[50,150]、[130,200]之間，得到如圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

…… //在B1和K1間建立一條TCP連接的FTP數(shù)據(jù)流

set udp（1）[new Agent/UDP]//在B1和K2間建立一條UDP連接和CBR數(shù)據(jù)流

set udp（1）[new Agent/UDP]//在B1和K3間建立一條UDP連接和CBR數(shù)據(jù)流

……

如圖6所示，隨著移動(dòng)主機(jī)節(jié)點(diǎn)速度不斷降低，NWTCP中吞吐量下降的速度要慢于WTCP協(xié)議。這是由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在高速狀況下會(huì)出現(xiàn)路由更新以及鏈路中斷，同時(shí)又有其它數(shù)據(jù)流的競(jìng)爭(zhēng)，NWTCP協(xié)議由于增強(qiáng)的基站存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)能力，提高了網(wǎng)絡(luò)的重傳效率；同時(shí)分段反饋機(jī)制，減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及ACK傳輸量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)WTCP協(xié)議中當(dāng)鏈路出現(xiàn)切換時(shí)，立即啟動(dòng)慢啟動(dòng)，也對(duì)吞吐量產(chǎn)生了一定的影響。

Figure 6 mobile environment（5%channel error and 2UDP/CBR flow）the comparison of the NWTCP protocol and the WTCP protocol

綜合3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨著移動(dòng)主機(jī)速度的增加，本文提出的NWTCP協(xié)議在性能方面較WTCP協(xié)議有所改善。

4 結(jié)論

本文提出了應(yīng)用于有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基站管理機(jī)制，新算法新建了存儲(chǔ)列表，同時(shí)通過(guò)分段反饋改進(jìn)ACK傳輸機(jī)制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：在有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)中，隨著信道誤差的增加和數(shù)據(jù)流量增加，本文提出的NWTCP協(xié)議較之WTCP協(xié)議，在移動(dòng)主機(jī)速度不斷增加情況下，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面有一定的改善。

[1] 邱贅，張穎.TCP/IP在無(wú)線傳感器網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（12）：22-24.

[2] I.Abdeljaouad.Performance analysis of modern TCP variants：A comparison of Cubic[J].Compound and New Reno.Proc QBSC.2010，（27）：80.

[3] Molnár S.A comprehensive TCP fairness analysis in high speed networks[J].Computer Communications,2009，（32）：1460-1484.

[4] Padhye J,Firoiu V,Towsley D F,et al.Modeling TCP Reno performance：a simple model and its empirical validation[J].IEEE/ACM Transactions on Networking（TON），2000，（2）：133-145.

[5] K.Brown and S.Singh,WTCP：An Efficient Mechanism for Improving TCP Performance over Wireless Links Proceedings of IEEE Symposium on Computers and Communications[J].Athens,Greece,1998，（2）：74-78.

[6] 劉偉，王輝，范志輝，等.一種適用于有線-無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)的性能增強(qiáng)代理[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，（11）：31-34.

[7] The Network Simulator-NS2[EB.OL].[2010-10-25].http：//www.isi.edu/nsnam/ns