无线局域网TCP技术

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摘要：无线通信和因特网的结合无疑是未来发展的趋势。Internet 中的TCP 协议提供端到端可靠的服务，可以为多媒体业务的传输提供Qos 保证，广泛应用于支持如FTP、Telnet 、Http 等Internet 业务。TCP 最初是针对有线信道特性设计的，有线信道中的传输性能相对较好，可以认为网络拥塞是影响Qos的唯一原因,因此其TCP 协议都是据此进行拥塞控制和流量控制的。而无线信道的特性，如多径衰落、干扰、频谱有限等使得当传统的有线TCP协议应用于无线链路时性能严重降低。

关键词：无线TCP；无线局域网

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31019-01

tcp Wireless LAN Technology

DING Zhi-yun

(Yancheng Institute Technician,Yancheng 224002,China)

Abstract:Wireless communications and the Internet is the future with the development trend. Internet TCP protocol provides reliable end-to-end services, multimedia services can provide QoS guarantees transmission is widely used in support such as FTP, Telnet, HTTP and Internet business. TCP was originally aimed at the design of cable channel, cable channel transmission performance is relatively good, network congestion that can affect QoS is the only reason, therefore this is a TCP Congestion Control and Flow Control. The channel features such as multipath fading, interference, and makes limited spectrum when the traditional wired TCP performance when used in wireless serious decline.

Key words:Wireless TCP;Wireless LAN

1 引言

根据OIS参考模型来看，传输层协议应该使用独立于下面各层的技术。例如，TCP不必关心IP是运行于有线网络还是无线网络，TCP也没有必要关心数据在数据链路层的转换和其他变换。在有线网络中这些假设正确，而在无线网则不成立。在有线网络中TCP负责传输层拥塞控制，而当今几乎所有的程序实现都假设分组丢失是由拥塞而非信道（数据链路层）错误引起的，所以当定时器超时后会放慢数据发送速度。这种方法隐含的意思是减轻网络的载荷以缓解拥塞，然而无线传输线路是很不可靠的，丢失分组是经常的事。解决分组丢失的最好方法是尽快地重发这些分组而不是放慢数据发送速度，如果这样只会使情况更糟。由此可见，在无线网络中对于分组丢失的错误解释使得网络的性能大大降低，有线网络TCP/IP参考模型包括网络接口层，网际层IP，运输层，应用层，其中TCP传输控制协议工作在运输层；无线网络逻辑结构包括物理层，数据链路层，网络层，高层协议，其中TCP工作在数据链路层。

2 影响TCP的无线环境因素

2.1无线链路数据包丢失原因

在传统的TCP中，绝大多数数据段和确认的丢失是由于网络拥塞引起的，而对于一般的无线链路，大多数丢失是由于以下原因引起的。

(1)数据包在高误码率的无线链路上传输发生的错误；

(2)连接的临时断开（由于信号衰落，用户的移动引起的连接临时断开或者网络断开）

(3）数据包在最后一跳路由器发生拥塞问题。

2.2影响TCP的无线环境因素。

(1)带宽有限

有线LAN的速率可达100Mb/s，而在IEEE802.2b中所规定的无线局域网的速率仅为11Mb/s。所以当无线主机和有线主机之间进行数据交换时会产生瓶颈。

(2)较长的链路往返时间RTT

一般来说无线媒介的等待时延比有线的要长。因为在无线网络中数据要借助电磁波进行传输，其间可能遇到障碍物或者影响介质，如此一来平均往返时间就会增加。

(3)误码率较高

因为无线链路采用空气中的电磁波做为介质，所以比起有线链路来更加容易丢失数据。

(4)用户的移动

当用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，期间会有一小段的断开时间，TCP会误将这一小段的时间使用拥塞控制/拥塞避免算法，引起网络性能下降。

(5)短流量

短流量数据传输导致数据链路不能得到充分利用

(6)功率损耗

3 提高无线TCP 性能的方案

(1)端到端方案

对于这类协议，发送端可以知道下层的信道是有线还是无线，此方案直接修改通信两端的TCP协议，修改后的协议可以改善无线TCP环境。如TCP-Reno，TCP-SACK等。TCP Reno 利用一定数目的累计ACK和超时计时器来判定分组是否丢失，但它只能判定一个发送窗口中的数据分组发生了丢失，而不能判定有几个分组丢失。所以当一个发送窗口中有多个分组丢失时，TCP Reno 无法给发送端提供足够的信息来进行快速恢复。为了解决这个问题，可使用增强型的TCP算法，如选择证实(SACK)算法和SMART算法。SACK中每一个ACK都包含连续三个数据分组被接收端成功接收的信息,其中每一个数据分组用开始和结尾的字节序号来描述。当分组丢失发生时，仍然使用标准TCP的拥塞控制机制。SMART机制中，使用的ACK中包含累积ACK和已经成功接收的TCP分组的序号，当发现序号不连续时，立刻重发。

此方案的优点在于符合TCP语义，通信时两端是一个完整的TCP连接，发送方收到的确认即意味着接收方收到了该数据。缺点在于需要修改双方的TCP协议，工作麻烦，并且只能和具备这些协议的主机通信。

(2)TCP分段连接方案

TCP分段连接方案采用的是分裂连接协议，比如间接TCP（Indirect-TCP）。在无线链路上，重传是差错恢复的有效方法,但因为端到端重传太慢，会引入长的时延,故可将TCP端到端连接分裂，将其为两部分，从无线主机到基站为无线连接段，使用改进的TCP/RLP协议；从基站到有线主机为有线连接段，使用传统的TCP/IP协议。无线链路上的数据丢失对发送端是屏蔽的。中间节点是基于数据的转发。此方案的优点是两个连接段均为同质的，对有线和无线部分上的超时可以分别采用不同的机制来处理，缺点是破坏了端到端的TCP连接语义，并且无线主机和中间节点需要修改TCP协议。因为现在每部分都是一个完整的TCP连接，中继站可以按通常的方式对每个TCP数据段进行确认，但是发送方收到的确认并不意味着接收方收到了该数据，而只是说明了中继站得到了该数据。

(3)TCP缓存方案

此方案最具代表性的是Snoop协议，Snoop协议在基站中引入一个“Snoop”的模块，如图5，该模块监视通过双向TCP连接的每一个分组。当固定主机向移动主机发送数据时，Snoop将已发送但还未得到接收端确认的TCP报文段保存在存储区中。利用从移动主机接收的累积复制TCP ACK的数目或本地计时器超时来判断分组是否在无线链路上丢失，并对丢失分组（仍然存在Snoop的存储区中）进行本地重传。同时，清除累计复制TCP ACK的计数，这样TCP发送端就不知道在无线链路上发生的分组丢失，即对TCP隐藏了与网络拥塞无关的分组丢失。

反之，当移动主机向固定主机发送数据时，Snoop 监视收到的分组的丢失情况，根据本地存储区排队长度等信息，区分该丢失的种类,是拥塞还是无线链路差错造成的,并记录下来。当收到固定主机发送的ACK 确认该分组丢失时, 在TCP ACK报文段的首部加上1bit 的ELN。ELN ( Explicit Loss Notification) 用于通知TCP 发送端分组丢失的种类。移动主机的TCP 根据收到的ELN 识别丢失与拥塞无关，因此，只重传该分组，而不启动任何拥塞控制算法。

此方案的优点是不破坏TCP语义，是通过对中继站网络层编码进行一些细小的改动来实现的，增加一种探测来探测和缓存发往移动主机的TCP数据段，以及传回的确认。缺点是Snoop协议并不能完全解决系统的分组丢失问题，比如在高拥塞丢失率的情况下性能较差。

4 结束语

本课题主要研究将基于有线的TCP技术应用于无线网络所带来的问题；提高无线TCP技术的性能方案；以及在实际环境中TCP所引起问题的解决。研究的目的在解决将基于有线的TCP技术应用于无线网络所带来的性能下降问题；掌握无线环境下TCP的差错和流量控制，从而提高无线TCP 性能。以及在以后构建无线网络环境时能更好地处理传输控制的性能，也有利于以后对无线局域网的差错控制和传输控制。

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