李 璞，潘莉麗，丁 銳

(中國電子科技集團公司 第三十研究所，成都 610041)

0 引 言

隨著無線通信網絡技術的快速發(fā)展，無線通信網絡已逐漸成為通信行業(yè)中的主流發(fā)展趨勢.但相比有線網絡，無線通信鏈路仍然存在著高時延、高抖動與高丟包率等諸多問題，無線通信效果，尤其是TCP協(xié)議在無線通信網絡上的傳輸效果，仍不盡如人意.由于TCP協(xié)議本身設計時主要考慮在有線網絡中的應用，因此協(xié)議本身的特征導致TCP協(xié)議在無線通信網絡中的傳輸效果不太理想.但TCP協(xié)議能夠提供可靠的端到端的傳輸功能，且網絡中諸多應用都依賴于TCP協(xié)議傳輸，比如FTP、HTTP等文件或文本傳輸協(xié)議，而用戶在無線高時延網絡中使用上述網絡協(xié)議進行通信時，面臨著通信體驗較差的問題.因此，無線網絡環(huán)境下的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化技術引起了科研人員廣泛的關注.目前，針對TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化技術的研究主要涉及3個方面.

1)TCP協(xié)議優(yōu)化.TCP協(xié)議優(yōu)化主要針對無線鏈路環(huán)境特點，研究人員提出了快速啟動和擁塞控制的優(yōu)化算法[1-2]，其中，文獻[2]從路徑MTU和擁塞控制算法兩方面入手，提出了一種面向專網的并基于大包與快速啟動的擁塞控制算法TCP_ SAI，但該算法需要對通信終端的操作系統(tǒng)協(xié)議棧進行修改，實現(xiàn)部署復雜，難以大規(guī)模推廣應用.

2)TCP協(xié)議網關.TCP協(xié)議網關是指在通信的源端和目的端之間插入2個TCP協(xié)議轉換網關，源端與目的端和它們各自的網關之間使用TCP協(xié)議連接，而從源端網關到目的端網關之間則采用其他私有協(xié)議[3-4].通常，這類私有協(xié)議根據空間通信的特點對TCP/IP協(xié)議進行相應地裁剪、修改和擴充，并不通用，而且在通信過程中要求將該協(xié)議進行對稱部署，導致其應用不夠靈活且具有一定的局限性.

3)TCP協(xié)議代理.TCP協(xié)議代理是指在不改變TCP語義的情況下，在TCP協(xié)議通信源端和目的端之間部署TCP協(xié)議代理，TCP協(xié)議代理和源端以及目的端之間仍采用標準的TCP協(xié)議.TCP協(xié)議代理的部署完全不影響現(xiàn)有網絡的應用與配置，相比TCP協(xié)議網關方式，TCP協(xié)議代理部署方便且靈活性高[5-6].其典型做法是通過控制ACK欺騙的發(fā)送速率來控制TCP協(xié)議源端的數據發(fā)送速率[7]，ACK欺騙的發(fā)送速率依賴于具體信道帶寬及接收窗口大小.但在實際傳輸過程中，多數信道并不是專用信道，存在多個用戶同時搶占信道的情況.因此，發(fā)送速率會存在較大的偏差，導致TCP協(xié)議加速效果較差.

針對上述問題，本研究提出一種能夠自適應無線鏈路帶寬的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法，該方法綜合利用了ACK欺騙、基于改進的TCP Vegas算法的動態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調整等方式，能夠在數據傳輸過程中，對無線鏈路的可用帶寬進行動態(tài)測量，從而實現(xiàn)數據傳輸速率的自適應調整.與無線通信鏈路上原始TCP協(xié)議傳輸效果相比，本方法可以有效地提升TCP協(xié)議傳輸的效果.

1 TCP協(xié)議傳輸與優(yōu)化方案

1.1 問題分析

由于無線通信鏈路存在高時延、高抖動與高丟包率等特點，TCP協(xié)議傳輸應用于無線通信環(huán)境中存在如下幾個問題：

1)慢啟動過長.標準的TCP協(xié)議采用慢啟動機制，擁塞窗口初始值設置為1個報文段，每經過一個傳輸輪次，即假定TCP源端都成功地接收到TCP目的端的確認，然后擁塞窗口加倍，直至達到鏈路能夠容忍的最大擁塞窗口.

通常，一個傳輸輪次都需要經歷一個往返時延RTT，由于無線通信鏈路傳輸時延大，這就意味著TCP源端需要經歷很長的慢啟動時間，才能達到鏈路所能承載的傳輸速率.而過長的慢啟動時間，會導致在進行短文件傳輸的時候，傳輸時間過長，平均傳輸速率較低.

2)頻繁啟動擁塞避免機制.標準的TCP協(xié)議采用擁塞避免算法來降低鏈路擁塞情況的發(fā)生，當鏈路上出現(xiàn)重復ACK或者是重傳時，TCP源端就認為鏈路發(fā)生擁塞，則會啟動降低擁塞窗口，并開始進行加性增加，直至達到鏈路所能容忍的最大擁塞窗口.由于無線通信鏈路存在高丟包率的情況，每當鏈路出現(xiàn)丟包，TCP源端都會誤認為鏈路發(fā)生擁塞.而過于頻繁地啟動擁塞避免機制，則會導致TCP協(xié)議傳輸速率下降.

3)通告窗口過小.TCP協(xié)議的理論傳輸速率可通過如下公式進行計算，

(1)

式中，R為TCP協(xié)議理論傳輸速率，W為目的端通告窗口，RTT為鏈路往返時延.

從式(1)可以看出，當RTT確定的情況下，R與W呈正比，W越小，R也就越小.例如，在典型的衛(wèi)星通信鏈路下，RTT=1 400 ms，當W=64 KB時，TCP協(xié)議理論傳輸速率僅為0.36 Mbps.隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，寬帶高通量衛(wèi)星應用已經普及，其帶寬可達8Mbps.因此，TCP協(xié)議傳輸速率遠遠小于可用的衛(wèi)星信道帶寬.

1.2 TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方案原理

針對上述問題，本研究采用ACK欺騙、基于改進的TCP Vegas算法的動態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調整等方式來提升TCP協(xié)議傳輸的效果.

本研究提出的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方案主要應用于TCP源端和目的端之間的網絡設備上，分為TCP源端代理功能和目的端代理功能，在連接TCP源端的網絡設備上可部署TCP源端代理功能，在連接TCP目的端的網絡設備上可部署TCP目的端代理功能，并可實現(xiàn)支持單端部署和對稱部署2種方式，即支持單TCP協(xié)議和多TCP協(xié)議連接同時傳輸，并同時支持TCP協(xié)議單向應用和交互式應用.具體應用場景如圖1所示.

圖1 TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化應用場景示意圖

本研究的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化功能包括ACK欺騙、發(fā)送控制與通告窗口調整，其步驟是：利用ACK欺騙手段提升TCP源端數據發(fā)送速率;利用改進的TCP Vegas算法的發(fā)送控制機制實現(xiàn)對可用信道帶寬的預測評估；利用通告窗口調整消除TCP目的端通告窗口大小對TCP傳輸速率的限制.具體的優(yōu)化方案原理如圖2所示.

圖2 TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方案原理示意圖

1.2.1 ACK欺騙

對于TCP源端來說，在一個RTT時間段內，發(fā)送到鏈路上的數據量受限于源端的擁塞窗口和目的端的通告窗口大小.要提升TCP協(xié)議傳輸速率，首先要增加源端在一個RTT時間內發(fā)送出來的數據量，而標準的TCP協(xié)議是在收到目的端的ACK后，才能繼續(xù)發(fā)送新數據到鏈路上.因此，TCP源端代理向源端主機發(fā)送自己構造的ACK確認信息，源端主機在收到ACK欺騙后，會認為前面的數據已經順利到達了目的主機，便會立即發(fā)送后續(xù)數據，從而提升傳輸速率.

1.2.2 發(fā)送控制機制

TCP源端代理設置了控制數據包的發(fā)送窗口，源端代理將從源端主機接收到的數據進行緩存，并根據源端代理的發(fā)送窗口向鏈路上發(fā)送數據.發(fā)送窗口表示在某一時刻發(fā)送到無線鏈路中且未被目的端確認的數據總長度.發(fā)送控制根據鏈路實時傳輸反饋信息，進行發(fā)送窗口的動態(tài)調整，從而實現(xiàn)數據傳輸速率能夠有效地適應實際信道帶寬.本研究在發(fā)送窗口采用改進的TCP Vegas算法.

TCP Vegas算法[8]是一個基于時延變化的擁塞控制算法，其基本思路是通過比較實際吞吐量和期望吞吐量來調節(jié)擁塞窗口的大小，具體包括：

(1)期望吞吐量的計算為，

(2)

(2)實際吞吐量的計算為，

(3)

(3)差值的計算為，

diff=(Expected-Actual)×BaseRTT

(4)

式中，BaseRTT是所有觀測來回響應時間的最小值，一般是建立連接后所發(fā)的第一個數據包的RTT;cwnd是目前的擁塞窗口的大小.

定義閾值a、b:當diffb，擁塞窗口縮?。划攁<=diff<=b,擁塞窗口不變.通常，a=1，b=3，意味著該連接至少保留一個包在隊列中.

TCP Vegas算法是完全基于RTT來對擁塞窗口進行調整，BaseRTT是TCP協(xié)議連接初始化的RTT的測量值，擁塞避免階段所使用的RTT為所有RTT的平均值.

由于無線鏈路的抖動性，BaseRTT和RTT并不能準確地反映鏈路的實際傳輸情況.對此，本研究擬通過改進的TCP Vegas算法進行發(fā)送窗口的計算.改進的TCP Vegas算法主要針對BaseRTT和RTT選值進行了改進，其BaseRTT由最小值修改為所有RTT加權值，RTT的取值由平均值改為實時值，使其能夠更準確地反映網絡的實時狀況，其計算式為，

BaseRTT=BaseRTT×m+RTT×(1-m)

(5)

式中，m為0～1的加權因子，m值越小，BaseRTT隨RTT的變化越及時.此時，

(1)期望吞吐量的計算為，

(6)

(2)實際吞吐量的計算為，

(7)

(3)差值的計算為，

diff=(Expected-Actual)×BaseRTT

(8)

式中，swd為TCP源端代理的發(fā)送窗口.

同時，當diffb時，發(fā)送窗口減“1”；當a<=diff<=b,發(fā)送窗口不變.在仿真實驗中，其取值為，a=1，b=3.

此外，為加快慢啟動過程，改進的TCP Vegas算法中設置初始慢啟動門限為64 KB.當收到重復的ACK時，立即重傳數據包，可認為是鏈路傳輸誤碼導致的數據包丟失，發(fā)送窗口不變化，而當數據包重傳超時時，則認為鏈路發(fā)生擁塞，此時發(fā)送窗口減半.

1.2.3 通告窗口調整

針對TCP目的端通告窗口過小而導致TCP協(xié)議傳輸速率較低的問題，本研究中的TCP目的端代理在獲取到TCP目的端的建鏈報文后，可根據需要對建鏈報文中的窗口擴大因子選項進行優(yōu)化調整.在TCP連接建鏈報文中，通信雙方會通告自身使用的窗口擴大因子.假設TCP頭部中通告窗口大小為N，窗口擴大因子為M，那么TCP報文端實際的通告窗口大小為N*(2M)，M的取值為0～14，通告窗口最大約為1 GB.在典型的衛(wèi)星信道環(huán)境中，當往返時延為1 400 ms時，根據式(1)計算可知，TCP協(xié)議的理論傳輸速率為5 714 Mbps，完全能夠滿足無線通信需求.對此，本研究在實驗中將窗口擴大因子調整為4.

2 仿真分析

本研究利用MATLAB分析軟件對所提出的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法和標準TCP協(xié)議在傳輸速率方面進行了性能仿真測試.

在仿真測試中，設定鏈路可用帶寬為2 Mbps，丟包率為10-5的無線網絡環(huán)境，信道往返時延為600～1 400 ms之間.TCP源端向目的端傳送大小約為100 M的文件，經過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后和對標準TCP協(xié)議的傳輸速率進行對比測試，結果如圖3所示.

圖3 專用信道環(huán)境下TCP業(yè)務傳輸速率

由圖3仿真結果可知:隨著信道往返時延的增加，標準TCP協(xié)議下的傳輸速率迅速下降，而經過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率則相對保持穩(wěn)定;當信道往返時延為1 400 ms時，標準TCP協(xié)議下的傳輸速率為342 Kbps，經過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率為1 842 Kbps，提升了4.3倍.同時，經過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率達到了信道帶寬的92%.

為進一步驗證TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法在自適應通信鏈路帶寬方面的效果，在上述仿真測試的基礎上，本研究分別在無線網絡中注入背景流量，模擬可用帶寬為0.5 Mbps、1.0 Mbps和1.5 Mbps的無線網絡環(huán)境，然后重復進行標準TCP協(xié)議傳輸和TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的TCP文件傳輸速率對比測試，結果如圖4所示.此外，當信道往返時延為1 400 ms時，標準TCP協(xié)議下的傳輸速率和TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率的統(tǒng)計數據如表1所示.

圖4 共享信道環(huán)境下TCP業(yè)務傳輸速率

表1 共享信道環(huán)境下TCP業(yè)務傳輸速率統(tǒng)計表

由圖4與表1的結果可知，隨著可用信道帶寬的增大，標準TCP協(xié)議下的傳輸速率提升并不明顯，而經過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率具有顯著提升，完全能夠達到可用理論信道帶寬的90%以上.此也表明，本研究提出的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法具備自適應信道帶寬的功能.

3 結 論

本研究探討了無線高時延通信環(huán)境下TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法，其基本思路是，基于協(xié)議代理的方式，利用ACK欺騙，并通過改進TCP Vegas算法的動態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調整等方式，實現(xiàn)自適應無線鏈路信道帶寬的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法.同時，在仿真分析中，把本研究所提方法與標準TCP協(xié)議傳輸進行了仿真測試.結果表明，相比于標準TCP協(xié)議傳輸，TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法能夠有效提升無線通信鏈路環(huán)境下的傳輸速率，在時延為1 400 ms，帶寬為1 Mbps的典型衛(wèi)星信道環(huán)境下，其能夠達到理論可用信道帶寬的90%以上.此外，本研究提出的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法支持單端部署和對稱部署2種方式，支持單TCP協(xié)議和多TCP協(xié)議連接同時傳輸，并同時支持TCP協(xié)議單向應用和交互式應用，其使用靈活，部署方便，完全能夠充分滿足目前無線通信網絡的通信需求.