1、无线TCP环境中的ECN标记策略算法的研究摘 要：针对无线异构链路环境中， 传统 TCP 协议的拥 塞控制机制效率较低的问题，提出了一种基于ECN 标记策略的优化算法。该 算法 针对常用的单一标记方法，在标记对象和标记位置中灵活的采用双向机制，有效的提高了无线数据传输 效率。通 过使用标准网络仿真 软件 NS-2 仿真， 结果显示该算法可比现有常用的算法获得更好的性能。关键词：无线 TCP；显性拥塞通知; 同构/异构无线网络；时变信道；拥塞控制由于连接因特网的网络设备的增长速度越来越快，同时，无线数据传输技术日趋成熟，大多数的设备将会采用无线可移动的方式连接到因特网。另一方面，由于笔记本电脑、
2、便携式通信设备以及移动电话的广泛使用，不同无线接入方式之间的互连需求也与日俱增，从而构建了包含不同无线通信协议的异构无线网络。传输控制协议(transmission congestion protocol, 简称 TCP)是面向连接的、可靠的传输层通信协议标准。由于 TCP 具有拥塞控制、可靠性、流化传输等多个突出的特点，因此协议被广泛的使用。近年来，TCP 在构建网络服务，特别是无线移动计算网络系统方面发挥了重要的作用。因此，针对不同消费电子产品和便携式通信装置的短程通信系统，研究 TCP 在异构无线网络中的性能将具有现实且重要的意义。但是，TCP 的拥塞控制机制在无线应用的环境中效率很低
3、1-4，这是由于在无线环境中的丢包并不一定意味着拥塞，而很有可能是由于无线信道的品质骤降所引起。因此，现有 TCP 机制中减小拥塞窗口的行为在无线环境中经常发生，这些不必要的行为最终导致有效的吞吐量（throughput）和延时（delay ）等传输性能的下降。本文提出了基于无线传输网关的显性拥塞通知（explicit congestion notification, 简称 ECN）的新方法。它可用于在无线网关中不同的无线通讯协议( 如蓝牙和IEEE802.11b 技术)之间的相互通信。1 相关研究1.1 有线网络中的 ECN 算法(a) 标记数据包(b) 标记确认包图 1 DM 机制中通知时
4、间减少Fig1 Time reduction in DM mechanismT_1：数据包从 AP 到 receiver 所需时间T_2：确认包从 receiver 到 AP 所需时间T_3：确认包从 AP 到 sender 所需时间Floyd 和 Ramakrishnan5-6首先提出了基于 ECN机制的随机早丢包（random early drop，简称RED） 7-8队列管理算法。ECN 的目的是减少路由器的丢包，以避免在 TCP 的发送端触发不必要的TCP 拥塞控制机制。具体地说,当路由器出现潜在拥塞的时候，一个在队列中随机选择的包就会被标记。当接收端收到此标记的包之后，就会据此发出一
5、个特殊的确认包（acknowledgement，简称 ACK） 。当发送端收到这个特殊的 ACK 之后，它就会减小拥塞窗口的大小。反之，则增加窗口大小。图 2 同构和异构无线网络Fig2 A scenario of homogeneous and heterogeneous wireless networksLiu 和 Jain 9提出了一个称为“前向标记”（mark front）的机制，它可以使发送端获得一个更快的拥塞反馈。在这种算法中，如果检测到潜在拥塞的时候，路由器将会把队列中的第一个包进行标记。由于队列中的第一个包是最先被发送出去的，因此，同标记队列中最后一个包的“mark tail”
6、机制以及随机标记队列中包的“mark random”机制相比较， “mark front”机制可以使反馈的时间更短。Hamann 和 Walrand10提出了一种称为 “New-ECN”的算法。此算法可以防止一个快速发送包的TCP 连接快速的提高拥塞窗口的大小，相反的，它可以使一个慢速发送包的连接得以更进取的方式增加拥塞窗口的大小。当接收端收到标记包的回应的时候，不仅要将拥塞窗口大小减小,而且拥塞窗口增长的速度也会改变。1.2 无线网络环境的 ECN 改进算法相对于有线传输环境 TCP 算法研究，在无线传输环境中的 TCP 拥塞及错误管理算法的研究工作比较少。由于在无线传输环境中，时变的信道质
7、量常常导致突发性的错误发生。Peng 等人 11提出了 ECN 的改进算法（W-ECN） ，用于无线传输环境。在此算法中，当检测到路由器中第一个由于缓冲区溢出而被丢弃的包，在队列中的头一个包将会被标记。通过这种方式，发送端就可以知道发生了网络拥塞的丢包，而不是由于信道质量下降所导致的丢包。Bae 等人 12提出一种新的基于 ECN 的流量控制算法用于控制无线网络中的多媒体数据流量，即当无线网络环境出现潜在拥塞的时候，使用显示的标记方法通知源节点以控制流量。2 DM 算法我们提出了一种新的基于 ECN 的策略，称为区分标记 differentiated mark (DM)。在这种算法中，我们要标
8、记的不仅有数据包还包括确认包，这样可以更早的通知发送端潜在的拥塞将发生。我们定义，当路由器中平均队列的长度介于最小和最大阈值之间的时候，潜在的拥塞就发生了。我们算法的目的是为了进一步的减少通知发送端出现了潜在拥塞时所需的时间。图 1 是 DM 如何减少通知时间的示意图。在图中我们可以看到，当数据包被选定标记时，需要费时 T_1+T_2+T_3 才能通知发送端潜在拥塞，而当确认包被选定标记时，只需时 T_3 就可以通知发送端。因此，比起传统的算法最多可节省T_2+T_3 的时间。(a) 同构无线连接(b) 异构无线连接图 3 无线同构和异构网络中常见的拓扑结构Fig3 The general t
9、opology: homogeneous and heterogeneous wireless networks我们在文中将讨论基于同构和异构两种无线网络环境。在这两种无线网络中（见图 2） ，移动用户可以通过接入点(access point，简称 AP) 进行互相通信。这些用户可以使用 IEEE802.11 或蓝牙技术。如果他们使用相同的技术，此时构成的网络就称为同构无线网。 如果他们使用不同的技术，则被称为异构无线网。我们在文中所考虑的无线通信环境将是通过接入点或者网关实现无线通信服务如图 3。图 3(a)中，不同的设备使用相同的通信协议，故为同构网络结构；图 3(b)中，不同的设备使用不
10、同的通信协议，故为异构网络结构。同时，由于接入点是使用多协议设备，因此它可以作为使用不同通信协议的无线通信设备间的桥梁（如蓝牙和IEEE802.11b 这两种都使用 ISM 频段的协议） 。通常情况下，接入点中缓冲队列管理的流量同时包含了上行和下行方向。当平均队列长度介于最大和最小阈值之间的时候，一个在队列中的数据包就会被随机选中作为标记潜在拥塞发生。此时的数据包可以是来自发送端的数据，也可以是来自接收端的确认包。如果是前者，那么标记是设置 IP 报头中的IE 位；反之，则将 TCP 报头中的 ECN 的 Echo 位进行设置。当被标记的包到达发送端的时候，发送端就会减小拥塞窗口和慢启动阈值的
11、大小，以便可以减少输入流量的负荷。3 仿真结果我们使用多状态的马尔科夫链作为时变信道模型。马尔科夫链被广泛用于模拟具有时变特性的典型无线信道 13-14。当信道处于第一状态的时候，信道带宽可以被 100%使用；当第二状态时，只有 75%的信道带宽可用；而在下一状态，仅有 50%的信道带宽可用；在最后状态时，就只有 25%的信道带宽可用。在带宽不能被完全使用的状态下，剩余的带宽是为了维持相同的位错误率（bit error rate，简称BER）而增加前向错误校验（ forward error correction，简称 FEC）或者自动重复请求（automatic repeat request，
12、简称 ARQ）包所消耗。图 3 同时考虑了同构和异构无线网络两种方案。在前一方案中，接入点连接使用同样的通信协议（如 IEEE802.11b）的设备；在后一方案中，接入点是双信道设备，可以采用不同通信协议（如使用ISM 频道的 IEEE802.11b 和蓝牙协议）的设备。随着越来越多用户在相同的场所使用多种通信设备，这样的异构链接方式的数量将会激增。在异构环境中通信信道的带宽变化对 TCP 协议的拥塞控制性能造成较大的影响。因此，研究 TCP 在异构无线网络中的性能将具有现实而且重要的意义。我们在 NS-215网络仿真环境下对提出的算法进行仿真。仿真采用多个 TCP 连接，并且使用TCP-Re
13、no 和 FTP 作为发送端的数据源。在接入点上，我们使用 RED 作为队列管理算法。仿真中使用的具体参数设置为：最高标记概率：0.1；队列平均的加权因子：0.002；最小阈值：10；最大阈值：15；队列最大长度：30；IEEE802.11b 的带宽：2Mb/s;蓝牙的带宽：723Kb/s;TCP 的有效的延时（Delay） 、往返时间（RTTs）和丢包量（Drop Number）作为反映其性能的参数指(a) 不同 TCP 连接数下的延时(b) 不同 TCP 连接数下的往返时间(c) 不同 TCP 连接数下的丢包量图 4 同构无线网络中的 TCP 性能比较Fig4 Performance of
14、 the five approaches for the homogeneous environment标，用来比较 TCP 的 5 种不同显性拥塞通知策略的算法。这 5 种算法分别是：ECN、mark front、New- ECN、W-ECN 和我们提出的 DM 算法。仿真的结果如图 4 和图 5。仿真结果表明，在同构和异构的无线网络环境中，延时、往返时间和丢包量这 3 个性能指标都具有相同的变化趋势，即各项指标都会随着连接数量的增加而增加。这反映出整个系统的容量是有限的。同时，我们也发现对于不同的方法各项性能指标的变化率也不尽相同。由于在两种拓扑结构中仿真结果的趋势都是相同的，我们以异构无
15、线网络的仿真结果做为例子进行说明。ECN 较 W-ECN 的延时时间长。W-ECN和 mark-front 都是对队列中的第一个包进行标记。但是，mark-front 比 W-ECN 标记的时间更为早，原因在于当队列还没有满时，mark-front 就已经做出标记，而 W-ECN 标记时，队列已经溢出。New-ECN 算法解决了多个 TCP 连接间的公平问题。仿真还反映出 New-ECN 比 ECN 和 W-ECN 算法的延时都要小。原因在于当检测到潜在拥塞现象出现时，拥塞窗口大小增长的速率相对较低，因此发送端可以以较慢的速度获得可用的其他带宽。相反的，TCP-Reno 会快速的增加流量而导致
16、拥塞窗口出现震荡现象。而我们提出的 DM 算法，因为发送端在最短的时间内对潜在拥塞现象进行了反应，而具有最短的延时时间。同样，往返时间也是最短的。我们将所有丢弃的包都计算在丢包量内，包括数据包、确认包、路由包以及 ARP 包。这样统计的原因在于所有被丢弃的包在仿真过程中都会对整个系统的性能有影响。尽管确认包是累积性的，但是较差的无线环境可以使得相邻的确认包被丢弃，从而可能导致在发送端出现时间溢出现象，由于没有收到相应的确认包，使得所对应的数据包被认为已经被丢弃而重发。同丢弃确认包的情况相同，路由包和 ARP 包也使得 TCP 传输的性能下降。当TCP 的连接数较小时，即无线网络不拥塞的时候，M
17、arkfront 与 DM 的丢包量相差不大；而当连接数较大时，此时网络比较拥塞，DM 的丢包量明显比Markfront 少。总体来说，W-ECN 比 ECN 的丢包量要小，而 New-ECN 和 mark-front 的丢包量相对较小，但 DM 的丢包量却是最小的。结语本文在讨论 TCP 协议中拥塞控制机制在无线环境下数据传输效率问题的基础上，提出了基于ECN 标记策略的优化算法。此算法通过采用标记对象的来源(a) 不同 TCP 连接数下的延时(b) 不同 TCP 连接数下的往返时间(c) 不同 TCP 连接数下的丢包量图 5 异构无线网络中的 TCP 性能比较Fig5 Performanc
18、e of the five approaches for the heterogeneous environment和标记位置的双向机制，有效提高了无线异构链路环境下数据传输效率。我们通过使用 NS-2 网络仿真软件，仿真结果显示这种新的双向方式算法比其他常用算法具有更好的性能。参考文献：1 Balakrishnan H, Padmanabhan V N, Seshan S, 等. 无线链路中多种增强 TCP 性能算法比较J, IEEE/ACM网络会刊, 1997, 5(6): 756769 (英文版).2 Barakat C, Altman E, Dabbous W. 异构网络中 TCP性能
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24、ated Marking, which works by using a two-way approach to further reduce the time required for the sender and the receiver to note the congestion problem, possibly induced by too heavy traffic or burst errors caused by the time-varying channel quality.Keywords: wireless TCP; ECN (explicit congestion
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