长期演进网络的TCP性能研究

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TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)的性能在无线有线混合网络中表现欠佳,其原因之一是在最初的TCP设计中,假定数据包的丢失都是由拥塞引起的,因此一旦侦察到数据包丢失就会触发拥塞避免机制。由于有线媒介传输错误相对较少,这样的假定是合理的。但是在无线媒介中,信道的衰落、用户的移动性导致的传输错误更频繁,这样的假定便变得不再合理。除了随机性错误和切换外,TCP在无线有线混合网络中的某些情况下还必须适应有限带宽和较大往返时延,且对于移动终端设备来说,电池的消耗也是一个非常重要的话题,而这些并没有被当前的TCP版本所考虑。为解决上述问题,本文通过深入分析和重点研究,取得了以下研究成果:   (1)设计并实现了一个长期演进网络模型。要对TCP的性能进行评价,必须先建立一个网络模型。鉴于长期演进网络是目前研究的重点、热点网络之一,本文就以它为建模目标,提供了一个包含网络模型和业务模型的可扩展的通用模型。这个模型可使其他研究者省略为验证其方案所要求的复杂的建模过程,其中的业务模型还可以通过较小的改动应用在其它网络模型中。   (2)在长期演进网络中快速重置TCP连接提高网络数据传输的性能。在长期演进网络中,网络故障以及终端用户点击刷新、停止按钮都会导致TCP连接的中断。根据目前的TCP机制,这些连接仍会将缓存在网络中的数据毫无意义地送到目的地。在长期演进网络中,由于有大量的数据缓存在最后一跳--演进基站处,这个问题表现的尤为突出。本文建议在端到端数据传输路径的最后一跳监控TCP重置消息,在继续转发这个消息前丢弃该TCP连接的所有缓存数据,从而减少无效数据的转发。仿真结果表明,此机制能有效提高网络吞吐率,降低分组的平均时廷、平均抖动和丢包率,从而极大地提高网络数据传输的性能。   (3)在长期演进网络中重传TCP确认包提高长期演进网络的性能。目前的TCP机制仅有数据包重传,没有确认包重传,本文建议增加确认包重传定时器来重传丢失的确认包,从而避免不必要的数据包重传。显然,这要求确认包重传比数据包重传发生的更早,在仿真中我们通过较小的初始重传时间和固定的重传间隔来实现。根据长期演进网络中的仿真结果,该机制使长期演进网络的性能得到了较大的提高。   (4)在长期演进网络中进行TCP-RLC交叉层优化。在长期演进网络中通过TCP和RLC(Radio Link Control,无线链路控制)的跨层通信,使得优化TCP的性能变得可能,由此提出了TCP-RLC交叉层优化机制。该机制通过监控演进基站的缓存使用率来控制TCP的通知窗口。在网络出现拥堵时,适当减小通知窗口的值,避免TCP连接进入慢启动状态,从而提高长期演进网络的整体性能。   综上所述,本文针对目前流行的长期演进网络,首先构建了一个通用模型,然后在这个模型的基础上提出了三个优化TCP性能算法,仿真结果表明,这些算法能显著提高长期演进网络的TCP性能。
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