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无线网络因带宽受限、信号衰减等问题,使得原本为有线网络设计的TCP协议往往错误触发拥塞控制机制,导致网络性能恶化。因此,无线网络中对TCP的改进是近年来网络研究的热点之一。研究者们提出了分段连接、端到端、跨层改进等解决方案,但这些方案均具有各自的不足,尤其是在网络状况较差的丢包环境中对性能的改进有限。2006年,J.K.Sundararajan提出了利用网络编码改进无线网络中TCP性能的TCP/NC协议。TCP/NC在IP层和TCP层中间添加网络编码层(NC层),能够有效屏蔽差错丢包,并和TCP自身的重传机制和滑动窗口机制紧密结合。然而,TCP/NC本身也存在一些不足。例如采用固定的冗余系数、不能区分导致丢包原因等,难以适应无线网络环境的动态变化。
针对当前无线网络环境下TCP研究中存在的不足,本文在对无线网络环境对TCP性能的影响因素进行分析的前提下,着重研究了基于网络编码的TCP性能增强技术。通过对TCP/NC协议的分析,设计并实现了基于NS2的TCP/NC协议,并对该协议对TCP性能的改进进行了分析。在此基础上,针对其存在的不足,提出了基于动态自适应的TCP/NC改进算法。
本文的主要研究内容与贡献如下:
(1)对无线网络环境下网络编码对TCP性能的影响进行了研究,网络编码不能直接适用于TCP的滑动窗口机制和确认机制。
(2)设计并实现了基于NS2的TCP/NC协议,并对其性能进行了分析。TCP/NC能够有效屏蔽链路差错造成的丢包,提高TCP在丢包率较高的无线网络下的性能。
(3)针对TCP/NC协议存在的不足,提出了基于编码窗口与冗余系数自适应的TCP/NC改进协议TCP/NC-ARW。在每次发送编码包前,NC发送端根据接收端的反馈信息估计网络丢包状况,动态调整冗余系数;利用NC层丢包预测器(NClosspredictor)对丢包成因进行判断,并自适应调整编码窗口。
本文应用NS2仿真软件实现了TCP/NC协议和TCP/NC-ARW改进协议,并在多种场景下进行了仿真实验。仿真结果表明,TCP/NC协议比传统的TCP-Vegas协议更能适应丢包率较高的环境,对吞吐量有明显改善。改进后的TCP/NC-ARW能动态适应网络情况的变化,性能更加稳定。