趙隴

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003）

基于802.11環(huán)境的TCP協(xié)議改進(jìn)研究

趙隴

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003）

在有線網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞所引起的，但在無線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包的丟失通常是由于很高的誤碼率和無線鏈路故障所造成的。很顯然，把作用于有線網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議直接用于無線網(wǎng)絡(luò)是不合適的。提出一種端到端自適應(yīng)機(jī)制，允許TCP動(dòng)態(tài)調(diào)整TCP會(huì)話的RTO（重傳超時(shí)），服務(wù)器將根據(jù)客戶端的反饋來調(diào)整定時(shí)器。該機(jī)制通過仿真驗(yàn)證，并與原始TCP協(xié)議進(jìn)行比較，結(jié)果表明：由于超時(shí)次數(shù)的減少，服務(wù)器端重發(fā)的概率大大降低，無線接入點(diǎn)的擁塞明顯改善。

IEEE 802.11；TCP；RTO；網(wǎng)絡(luò)擁塞

0 引言

TCP是目前應(yīng)用最為廣泛的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，需要通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。最初，TCP被設(shè)計(jì)在有線環(huán)境下工作，其中擁塞是數(shù)據(jù)分組丟失的主要原因，這是因?yàn)橛芯€鏈路的誤碼率很低。每個(gè)TCP數(shù)據(jù)段由一個(gè)序列號(hào)標(biāo)識(shí)，只有按順序正確接收才能被接收端確認(rèn)。錯(cuò)誤也主要是由于丟包或報(bào)文亂序所造成的，為了避免這些錯(cuò)誤，TCP協(xié)議使用流量控制和擁塞控制機(jī)制[1-2]。

隨著802.11無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，TCP在無線環(huán)境中的角色就變得日益重要。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)面臨重大問題。因此，當(dāng)端對(duì)端連接不完全是有線時(shí)，必須對(duì)依賴于窗口大小的TCP擁塞控制算法進(jìn)行改進(jìn)[3]。目前，擁塞算法假設(shè)的超時(shí)是由于端到端路徑的擁塞，而不是由于無線鏈路上可能發(fā)生的傳輸錯(cuò)誤。無線鏈路遭受高誤碼率和信號(hào)衰減的干擾，其上任何數(shù)據(jù)的丟失都被TCP視為擁塞，因此在發(fā)送方運(yùn)行的TCP擁塞算法會(huì)將窗口大小縮到很小，這直接降低吞吐量[4]。事實(shí)上，在無線網(wǎng)絡(luò)的超時(shí)情況下，TCP通常會(huì)做出這種錯(cuò)誤的決定。

筆者認(rèn)為，依靠802.11 MAC層控制無線鏈路的錯(cuò)誤至關(guān)重要。這需要額外的時(shí)間延遲，這個(gè)值應(yīng)是一個(gè)近似值并回送服務(wù)器。該延遲可以搭載在TCP ACK消息字段內(nèi);因此TCP服務(wù)器將會(huì)有更少的超時(shí)并因此減少重傳以減少無線接入點(diǎn)的擁塞。為此，服務(wù)器需要一種新的機(jī)制來估計(jì)RTO。

在IEEE 802.11[5]的DCF協(xié)議中定義了如何在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間共享介質(zhì)。DCF協(xié)議的核心是CSMA/CA（載波偵聽多路訪問／沖突避免）。節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組之前必須監(jiān)聽該信道以確定另一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否正在傳輸，如果信道空閑的時(shí)間超過了DIFS（分布式幀間間隙），節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸，如果信道被監(jiān)測(cè)為忙，則節(jié)點(diǎn)將延遲傳輸直到正在進(jìn)行的傳輸結(jié)束。在這一過程開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先在競(jìng)爭(zhēng)窗口中選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)為基準(zhǔn)的隨機(jī)退避計(jì)數(shù)值，同時(shí)在每一個(gè)slot（時(shí)隙），節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道是否空閑，若信道空閑，那么進(jìn)行一次倒數(shù)，即計(jì)數(shù)值減1，若信道忙，則不進(jìn)行相應(yīng)倒數(shù)。當(dāng)該隨機(jī)退避數(shù)值退避到0時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

此外，即使介質(zhì)在DIFS時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測(cè)為空閑，節(jié)點(diǎn)必須在兩個(gè)連續(xù)的新分組傳輸之間等待一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間[6-7]。隨著沖突避免，802.11引入了ACK（肯定確認(rèn)）機(jī)制。實(shí)現(xiàn)802.11 MAC的節(jié)點(diǎn)接收的所有數(shù)據(jù)包必須由接收MAC確認(rèn)。在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包之后，在發(fā)送ACK之前，接收端會(huì)等待短暫的一段時(shí)間，稱為SIFS（短幀間間隔）。

圖1 DCF訪問機(jī)制

1 提出的方法

1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示，由許多連接到接入點(diǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)對(duì)端為一臺(tái)FTP服務(wù)器。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都試圖訪問共享介質(zhì)，這可能導(dǎo)致?lián)砣?，從而發(fā)生沖突，一旦某節(jié)點(diǎn)獲得傳輸介質(zhì)，它將向FTP服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求以下載文件，傳輸過程中的任何錯(cuò)誤將通過DCF機(jī)制進(jìn)行修正。用戶估計(jì)成功地將數(shù)據(jù)包傳送到接入點(diǎn)所需的平均時(shí)間，這個(gè)時(shí)間用以擴(kuò)展RTO。

圖2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.2 退避窗口建模

對(duì)DCF中的退避窗口進(jìn)行建模，以便推導(dǎo)出延遲D。在802.11中，節(jié)點(diǎn)傳輸之前，初始化的退避時(shí)間是分布在（0，W-1）上的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，其中W表示競(jìng)爭(zhēng)窗口，取決于每個(gè)分組失敗傳輸?shù)拇螖?shù)。對(duì)于第一次傳輸嘗試，該值等于CWmin，這被稱為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。

令p為兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包產(chǎn)生沖突的概率。在這個(gè)案例中，每次不成功的傳輸后，W的值加倍，直到最大值CWmax，這里CWmax=2mCWmin,m表示該分組的不成功發(fā)送的次數(shù)。一旦W成為CWmax，它保持此值，直到它重新為CWmin?？梢缘贸龉?jié)點(diǎn)選擇的競(jìng)爭(zhēng)窗口等于W的概率。這個(gè)概率由下式給出：

在文獻(xiàn)[8]中給出了飽和網(wǎng)絡(luò)的情況下的沖突概率p，其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)總是具有待發(fā)送的數(shù)據(jù)分組隊(duì)列，所以每個(gè)進(jìn)入的數(shù)據(jù)都立即被退回。因此，飽和網(wǎng)絡(luò)情況下的平均退避窗口由下式給出：

在本案例中，我們使用泊松過程來獲得非飽和網(wǎng)絡(luò)中沖突概率的近似值。假如一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，有NC個(gè)節(jié)點(diǎn)在離散時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以被表示為具有無限存儲(chǔ)的M/G/1排隊(duì)系統(tǒng)。分組到達(dá)率為λ，而分組發(fā)出為μ，因此，一個(gè)M/G/1系統(tǒng)，分組接口隊(duì)列為空的概率可以通過以下公式近似給出：

如果系統(tǒng)不為空，則數(shù)據(jù)分組在抵達(dá)時(shí)會(huì)被積壓，因此，網(wǎng)絡(luò)（NC節(jié)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)）是空的概率由以下公式給出：

那么，對(duì)概率為π0(cell)的任意分組，退避窗口為0，并且以概率1-π0(cell)積壓。因此，一般（非飽和）抵達(dá)率的平均退避窗口大小由下式給出：

考慮到網(wǎng)絡(luò)包含NC個(gè)節(jié)點(diǎn)，只有具有非空隊(duì)列的節(jié)點(diǎn)才能與來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組沖突。數(shù)據(jù)分組沖突概率可以通過下式解決：

另外，令q是節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)選擇的時(shí)隙中發(fā)送的概率，發(fā)送的數(shù)據(jù)分組在給定時(shí)隙的信道上沖突的概率p相當(dāng)于在（NC-1）個(gè)剩余節(jié)點(diǎn)中至少一個(gè)在相同時(shí)隙中發(fā)送的概率。因此，發(fā)生沖突的概率p由下式給出：

1.3 802.11網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析

幀交換周期由成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的周期加上沖突周期再加上空閑時(shí)間組成。因此，

這里，

通過替代，我們得到以下等式：

α表示節(jié)點(diǎn)成功傳輸所捕獲的時(shí)間，β表示沖突持續(xù)時(shí)間，γ表示時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間。參數(shù)α和β的值根據(jù)訪問模型而不同，假設(shè)數(shù)據(jù)包只是數(shù)據(jù)片段，這意味著沒有碎片，從而，對(duì)于沒有RTS/CTS的基本DCF接入機(jī)制，最終，通過求解方程（9），可以得到各參數(shù)之間的關(guān)系：

1.4 設(shè)置RTO

TCP的重傳超時(shí)策略由RFC 2988[9]中描述的規(guī)則給出。在接收到ACK，平滑測(cè)量樣本之后計(jì)算RTO，并對(duì)最近的RTT（回環(huán)時(shí)間）變化情況進(jìn)行加權(quán)。標(biāo)準(zhǔn)[6]計(jì)算RTT如下：

通常，α的取值為0.125，我們可以清楚地看到，過去的RTT樣本的影響呈指數(shù)下降。為設(shè)置RTO，標(biāo)準(zhǔn)使用估計(jì)的RTT（EstimatedRTT）和安全邊距：

DevRTT用于估計(jì)采樣RTT（SampleRTT）如何偏離EstimatedRTT,DevRTT計(jì)算如下：

通常，β的值為0.25。在設(shè)計(jì)中，我們以這樣的方式擴(kuò)展RTO，它將包括從客戶端反饋中收到的延遲值D。因此，在接收到TCP頭部字段中的ACK所攜帶的D后，我們提出了動(dòng)態(tài)RTO的計(jì)算:

2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證提出的方法，我們選擇了FTP服務(wù)來模擬批量TCP數(shù)據(jù)。FTP通信配置如下：請(qǐng)求時(shí)間設(shè)置為10秒，它定義了文件傳輸之間的時(shí)間間隔，文件大小設(shè)置為50000字節(jié)，服務(wù)類型設(shè)置為最佳，在仿真過程中，我們用了10到50個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖3顯示了TCP修改之前和之后發(fā)送的平均流量（bytes/sec），藍(lán)色曲線表示基于新RTO機(jī)制修改過的TCP。在流量達(dá)到一定程度后，仿真顯示FTP在流量方面有所增強(qiáng)。這是由于FTP服務(wù)器的超時(shí)次數(shù)減少，因此，在服務(wù)器和訪問點(diǎn)之間的傳輸速度更快。

圖3 FTP服務(wù)器的流量

圖4 FTP服務(wù)器上的TCP重傳數(shù)

圖4顯示與原始TCP相比，服務(wù)器端的TCP平均重傳計(jì)數(shù)也得到了增強(qiáng)。重傳次數(shù)減少，因此超時(shí)數(shù)也減少，這將導(dǎo)致吞吐量的增加。

3 結(jié)語(yǔ)

在本文中，我們建模了802.11網(wǎng)絡(luò)成功交付數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間，通過在TCP Options字段中搭載，并以反饋的形式發(fā)送給TCP服務(wù)器，這些反饋將用于動(dòng)態(tài)調(diào)整RTO。仿真結(jié)果表明，就發(fā)送的TCP流量和TCP服務(wù)器重傳方面，性能有了顯著改進(jìn)，這種改進(jìn)將有助于降低無線網(wǎng)絡(luò)中接入點(diǎn)的擁塞程度。

[1]王志強(qiáng).無線網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議的改進(jìn)研究[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013，30（3）:60-62.

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Abstract：In the wired network,the loss of data packets is generally caused by the network congestion,however,in wireless networks,the loss of data packets is usually due to the high bit error rate and wireless link failures.Obviously,it is not appropriate to use the TCP protocol acting on a wired network directly for a wireless network.Proposes an end to end adaptive mechanism that allows the TCP session to dynamically ad?just the RTO(Retransmission Timeout)of a TCP session,the server will have to adjust the timers based on feedbacks from clients.The mechanism is verified by simulation and compared with the original TCP protocol.The results show that the probability of retransmission of the server is greatly reduced due to the decrease of the number of timeouts,and the congestion of the wireless access point is obviously im?proved.

Keywords：IEEE 802.11;TCP;RTO;Network Congestion

Research on Improvement of TCP Protocol Based on 802.11 Environment

ZHAO Long

（Huaian College of Information Technology，Huaian 223003）

1007-1423（2017）26-0025-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.26.006

趙隴（1976-），男，甘肅張掖人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)集成、網(wǎng)絡(luò)安全

2017-06-20

2017-09-05