無線高時(shí)延環(huán)境下自適應(yīng)信道帶寬的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法

李 璞，潘莉麗，丁 銳

(中國電子科技集團(tuán)公司 第三十研究所，成都 610041)

0 引 言

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，無線通信鏈路仍然存在著高時(shí)延、高抖動(dòng)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(wǎng)絡(luò)上的傳輸效果，仍不盡如人意.由于TCP協(xié)議本身設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮在有線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，因此協(xié)議本身的特征導(dǎo)致TCP協(xié)議在無線通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中諸多應(yīng)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(shí)延網(wǎng)絡(luò)中使用上述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，面臨著通信體驗(yàn)較差的問題.因此，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化技術(shù)引起了科研人員廣泛的關(guān)注.目前，針對(duì)TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化技術(shù)的研究主要涉及3個(gè)方面.

1)TCP協(xié)議優(yōu)化.TCP協(xié)議優(yōu)化主要針對(duì)無線鏈路環(huán)境特點(diǎn)，研究人員提出了快速啟動(dòng)和擁塞控制的優(yōu)化算法[1-2]，其中，文獻(xiàn)[2]從路徑MTU和擁塞控制算法兩方面入手，提出了一種面向?qū)＞W(wǎng)的并基于大包與快速啟動(dòng)的擁塞控制算法TCP_ SAI，但該算法需要對(duì)通信終端的操作系統(tǒng)協(xié)議棧進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)部署復(fù)雜，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用.

2)TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān).TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)是指在通信的源端和目的端之間插入2個(gè)TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，源端與目的端和它們各自的網(wǎng)關(guān)之間使用TCP協(xié)議連接，而從源端網(wǎng)關(guān)到目的端網(wǎng)關(guān)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(jù)空間通信的特點(diǎn)對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)地裁剪、修改和擴(kuò)充，并不通用，而且在通信過程中要求將該協(xié)議進(jìn)行對(duì)稱部署，導(dǎo)致其應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議.TCP協(xié)議代理的部署完全不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與配置，相比TCP協(xié)議網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)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(shí)際傳輸過程中，多數(shù)信道并不是專用信道，存在多個(gè)用戶同時(shí)搶占信道的情況.因此，發(fā)送速率會(huì)存在較大的偏差，導(dǎo)致TCP協(xié)議加速效果較差.

針對(duì)上述問題，本研究提出一種能夠自適應(yīng)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(jìn)的TCP Vegas算法的動(dòng)態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調(diào)整等方式，能夠在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)無線鏈路的可用帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率的自適應(yīng)調(diào)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?shù)男Ч?

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(shí)延、高抖動(dòng)與高丟包率等特點(diǎn)，TCP協(xié)議傳輸應(yīng)用于無線通信環(huán)境中存在如下幾個(gè)問題：

1)慢啟動(dòng)過長.標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議采用慢啟動(dòng)機(jī)制，擁塞窗口初始值設(shè)置為1個(gè)報(bào)文段，每經(jīng)過一個(gè)傳輸輪次，即假定TCP源端都成功地接收到TCP目的端的確認(rèn)，然后擁塞窗口加倍，直至達(dá)到鏈路能夠容忍的最大擁塞窗口.

通常，一個(gè)傳輸輪次都需要經(jīng)歷一個(gè)往返時(shí)延RTT，由于無線通信鏈路傳輸時(shí)延大，這就意味著TCP源端需要經(jīng)歷很長的慢啟動(dòng)時(shí)間，才能達(dá)到鏈路所能承載的傳輸速率.而過長的慢啟動(dòng)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行短文件傳輸?shù)臅r(shí)候，傳輸時(shí)間過長，平均傳輸速率較低.

2)頻繁啟動(dòng)擁塞避免機(jī)制.標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)鏈路上出現(xiàn)重復(fù)ACK或者是重傳時(shí)，TCP源端就認(rèn)為鏈路發(fā)生擁塞，則會(huì)啟動(dòng)降低擁塞窗口，并開始進(jìn)行加性增加，直至達(dá)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(dāng)鏈路出現(xiàn)丟包，TCP源端都會(huì)誤認(rèn)為鏈路發(fā)生擁塞.而過于頻繁地啟動(dòng)擁塞避免機(jī)制，則會(huì)導(dǎo)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(jìn)行計(jì)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(shí)延.

從式(1)可以看出，當(dāng)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(dāng)W=64 KB時(shí)，TCP協(xié)議理論傳輸速率僅為0.36 Mbps.隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶高通量衛(wèi)星應(yīng)用已經(jīng)普及，其帶寬可達(dá)8Mbps.因此，TCP協(xié)議傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)上述問題，本研究采用ACK欺騙、基于改進(jìn)的TCP Vegas算法的動(dòng)態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調(diào)整等方式來提升TCP協(xié)議傳輸?shù)男Ч?

本研究提出的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方案主要應(yīng)用于TCP源端和目的端之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備上可部署TCP源端代理功能，在連接TCP目的端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上可部署TCP目的端代理功能，并可實(shí)現(xiàn)支持單端部署和對(duì)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(shí)傳輸，并同時(shí)支持TCP協(xié)議單向應(yīng)用和交互式應(yīng)用.具體應(yīng)用場景如圖1所示.

圖1 TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化應(yīng)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(diào)整，其步驟是：利用ACK欺騙手段提升TCP源端數(shù)據(jù)發(fā)送速率;利用改進(jìn)的TCP Vegas算法的發(fā)送控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)可用信道帶寬的預(yù)測評(píng)估；利用通告窗口調(diào)整消除TCP目的端通告窗口大小對(duì)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(duì)于TCP源端來說，在一個(gè)RTT時(shí)間段內(nèi)，發(fā)送到鏈路上的數(shù)據(jù)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(gè)RTT時(shí)間內(nèi)發(fā)送出來的數(shù)據(jù)量，而標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)到鏈路上.因此，TCP源端代理向源端主機(jī)發(fā)送自己構(gòu)造的ACK確認(rèn)信息，源端主機(jī)在收到ACK欺騙后，會(huì)認(rèn)為前面的數(shù)據(jù)已經(jīng)順利到達(dá)了目的主機(jī)，便會(huì)立即發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)，從而提升傳輸速率.

1.2.2 發(fā)送控制機(jī)制

TCP源端代理設(shè)置了控制數(shù)據(jù)包的發(fā)送窗口，源端代理將從源端主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并根據(jù)源端代理的發(fā)送窗口向鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù).發(fā)送窗口表示在某一時(shí)刻發(fā)送到無線鏈路中且未被目的端確認(rèn)的數(shù)據(jù)總長度.發(fā)送控制根據(jù)鏈路實(shí)時(shí)傳輸反饋信息，進(jìn)行發(fā)送窗口的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率能夠有效地適應(yīng)實(shí)際信道帶寬.本研究在發(fā)送窗口采用改進(jìn)的TCP Vegas算法.

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

(1)期望吞吐量的計(jì)算為，

(2)

(2)實(shí)際吞吐量的計(jì)算為，

(3)

(3)差值的計(jì)算為，

diff=(Expected-Actual)×BaseRTT

(4)

式中，BaseRTT是所有觀測來回響應(yīng)時(shí)間的最小值，一般是建立連接后所發(fā)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包的RTT;cwnd是目前的擁塞窗口的大小.

定義閾值a、b:當(dāng)diffb，擁塞窗口縮?。划?dāng)a<=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(gè)包在隊(duì)列中.

TCP Vegas算法是完全基于RTT來對(duì)擁塞窗口進(jìn)行調(diào)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(dòng)性，BaseRTT和RTT并不能準(zhǔn)確地反映鏈路的實(shí)際傳輸情況.對(duì)此，本研究擬通過改進(jìn)的TCP Vegas算法進(jìn)行發(fā)送窗口的計(jì)算.改進(jìn)的TCP Vegas算法主要針對(duì)BaseRTT和RTT選值進(jìn)行了改進(jìn)，其BaseRTT由最小值修改為所有RTT加權(quán)值，RTT的取值由平均值改為實(shí)時(shí)值，使其能夠更準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀況，其計(jì)算式為，

BaseRTT=BaseRTT×m+RTT×(1-m)

(5)

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

(1)期望吞吐量的計(jì)算為，

(6)

(2)實(shí)際吞吐量的計(jì)算為，

(7)

(3)差值的計(jì)算為，

diff=(Expected-Actual)×BaseRTT

(8)

式中，swd為TCP源端代理的發(fā)送窗口.

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

此外，為加快慢啟動(dòng)過程，改進(jìn)的TCP Vegas算法中設(shè)置初始慢啟動(dòng)門限為64 KB.當(dāng)收到重復(fù)的ACK時(shí)，立即重傳數(shù)據(jù)包，可認(rèn)為是鏈路傳輸誤碼導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失，發(fā)送窗口不變化，而當(dāng)數(shù)據(jù)包重傳超時(shí)時(shí)，則認(rèn)為鏈路發(fā)生擁塞，此時(shí)發(fā)送窗口減半.

1.2.3 通告窗口調(diào)整

針對(duì)TCP目的端通告窗口過小而導(dǎo)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(bào)文后，可根據(jù)需要對(duì)建鏈報(bào)文中的窗口擴(kuò)大因子選項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.在TCP連接建鏈報(bào)文中，通信雙方會(huì)通告自身使用的窗口擴(kuò)大因子.假設(shè)TCP頭部中通告窗口大小為N，窗口擴(kuò)大因子為M，那么TCP報(bào)文端實(shí)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(dāng)往返時(shí)延為1 400 ms時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)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(duì)此，本研究在實(shí)驗(yàn)中將窗口擴(kuò)大因子調(diào)整為4.

2 仿真分析

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

在仿真測試中，設(shè)定鏈路可用帶寬為2 Mbps，丟包率為10-5的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，信道往返時(shí)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(jīng)過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議的傳輸速率進(jìn)行對(duì)比測試，結(jié)果如圖3所示.

圖3 專用信道環(huán)境下TCP業(yè)務(wù)傳輸速率

由圖3仿真結(jié)果可知:隨著信道往返時(shí)延的增加，標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議下的傳輸速率迅速下降，而經(jīng)過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率則相對(duì)保持穩(wěn)定;當(dāng)信道往返時(shí)延為1 400 ms時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議下的傳輸速率為342 Kbps，經(jīng)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(shí)，經(jīng)過TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化后的傳輸速率達(dá)到了信道帶寬的92%.

為進(jìn)一步驗(yàn)證TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法在自適應(yīng)通信鏈路帶寬方面的效果，在上述仿真測試的基礎(chǔ)上，本研究分別在無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境，然后重復(fù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比測試，結(jié)果如圖4所示.此外，當(dāng)信道往返時(shí)延為1 400 ms時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)數(shù)據(jù)如表1所示.

圖4 共享信道環(huán)境下TCP業(yè)務(wù)傳輸速率

表1 共享信道環(huán)境下TCP業(yè)務(wù)傳輸速率統(tǒng)計(jì)表

由圖4與表1的結(jié)果可知，隨著可用信道帶寬的增大，標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議下的傳輸速率提升并不明顯，而經(jīng)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(dá)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(yīng)信道帶寬的功能.

3 結(jié) 論

本研究探討了無線高時(shí)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(jìn)TCP Vegas算法的動(dòng)態(tài)發(fā)送控制以及通告窗口調(diào)整等方式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)無線鏈路信道帶寬的TCP協(xié)議傳輸優(yōu)化方法.同時(shí)，在仿真分析中，把本研究所提方法與標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議傳輸進(jìn)行了仿真測試.結(jié)果表明，相比于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dá)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(duì)稱部署2種方式，支持單TCP協(xié)議和多TCP協(xié)議連接同時(shí)傳輸，并同時(shí)支持TCP協(xié)議單向應(yīng)用和交互式應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的通信需求.