無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless LAN)是最后一跳為無線鏈路" title="無線鏈路">無線鏈路的網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋面積廣,、帶寬高,、安裝簡(jiǎn)易和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被大規(guī)模應(yīng)用,。研究無線移動(dòng)寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義,，提供高性能的無線互聯(lián)網(wǎng)傳輸層協(xié)議是實(shí)現(xiàn)無線寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。
1 傳統(tǒng)TCP協(xié)議在無線環(huán)境下的局限性
　　目前互聯(lián)網(wǎng)使用的傳輸控制協(xié)議TCP是為固定主機(jī)和有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,。在TCP中,，發(fā)送端根據(jù)接收端ACK的反饋信息判斷網(wǎng)絡(luò)狀況，并假設(shè)丟包都是由網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的,。當(dāng)發(fā)生丟包時(shí),，發(fā)送端減小發(fā)送窗口，以減小網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,，避免擁塞,。有線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，鏈路狀況比較穩(wěn)定,，因此這種假設(shè)是成立的,，但在無線環(huán)境下，丟包很可能是由無線鏈路本身的高誤碼率或移動(dòng)主機(jī)切換等情況引起的,，傳統(tǒng)TCP缺乏針對(duì)不同丟包狀況的處理機(jī)制,，而將丟包都?xì)w結(jié)為擁塞，錯(cuò)誤地進(jìn)行擁塞控制,，從而導(dǎo)致TCP性能嚴(yán)重下降,。
2 現(xiàn)有方法及不足
　　為解決上述問題，近年來一些文獻(xiàn)[1～3]相繼提出一些適應(yīng)無線環(huán)境的TCP改進(jìn)版本,。這些改進(jìn)的協(xié)議都是為了解決最后一跳為無線鏈路的網(wǎng)絡(luò)帶來的問題,，如無線鏈路高隨機(jī)誤碼率，移動(dòng)主機(jī)在不同接入點(diǎn)AP(Access Point)之間切換等,。但它們?nèi)匀槐Ａ袅嗽糡CP以發(fā)送端為控制中心的特點(diǎn)，所以效果并不理想,。
　　2003年,，Hsieh等人提出了一種以接收端為控制中心的傳輸層協(xié)議RCP(Reception Control Protocol)^[4]。它只是將控制中心移到了接收端,，僅考慮了無線移動(dòng)主機(jī)作為客戶端的情況,，而忽略了服務(wù)器位于無線鏈路、無線互聯(lián)網(wǎng)中多樣化服務(wù)以及異構(gòu)環(huán)境等情況,。
3 MCP協(xié)議的提出與初步實(shí)現(xiàn)
3.1 MCP協(xié)議概述
　　為更好地適應(yīng)無線鏈路網(wǎng)絡(luò)中的最后一跳,，本文提出了以移動(dòng)主機(jī)為控制中心的傳輸層協(xié)議稱為MCP(Mobile host Control Protocol),。該協(xié)議將以發(fā)送端為中心的傳輸層協(xié)議和以接收端為中心的傳輸層協(xié)議有機(jī)結(jié)合，以移動(dòng)主機(jī)為控制中心,，讓移動(dòng)主機(jī)控制整個(gè)傳輸過程,。在WLAN中，當(dāng)從固定主機(jī)向移動(dòng)主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),，采用以接收端為中心的控制機(jī)制,；而當(dāng)從移動(dòng)主機(jī)向固定主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用以發(fā)送端為中心的控制機(jī)制,。
　　在WLAN中,，MCP協(xié)議具有傳統(tǒng)TCP協(xié)議不具備的優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)主機(jī)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況判斷丟包原因，根據(jù)不同原因采取不同的丟包恢復(fù)策略,，從而可以避免TCP由于缺少丟包原因檢測(cè)機(jī)制而造成的傳輸性能下降,；同時(shí)，移動(dòng)主機(jī)可以根據(jù)不同的無線鏈路狀況采取不同的擁塞控制策略" title="控制策略">控制策略,，克服了TCP協(xié)議使用單一擁塞控制策略,，從而更好地適應(yīng)不同的無線鏈路；MCP協(xié)議在處理移動(dòng)主機(jī)切換時(shí)也有很大優(yōu)勢(shì),，傳統(tǒng)TCP協(xié)議在切換過程中發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗時(shí)只能等待超時(shí)重傳,，同時(shí)觸發(fā)丟包恢復(fù)機(jī)制，這樣不但使原AP中緩存的數(shù)據(jù)包失效,，而且浪費(fèi)了傳輸時(shí)間,，在MCP協(xié)議中，移動(dòng)主機(jī)能夠在第一時(shí)間判斷切換是否完成,，并主動(dòng)請(qǐng)求發(fā)送端重傳丟失的數(shù)據(jù)包,，從而提高了傳輸性能。
3.2 MCP的初步實(shí)現(xiàn)
　　MCP協(xié)議的初步實(shí)現(xiàn)主要是在仿真軟件NS-2^[5]上完成以移動(dòng)主機(jī)為中心的連接建立,、擁塞控制,、丟包恢復(fù)等功能模塊。
3.2.1 MCP采取移動(dòng)主機(jī)為中心的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制
　　傳統(tǒng)TCP采用DATA-ACK機(jī)制,，即發(fā)送端主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包,，接收端在收到數(shù)據(jù)包時(shí)發(fā)送相應(yīng)的確認(rèn)信息ACK，發(fā)送端收到ACK后,，根據(jù)ACK信息判斷網(wǎng)絡(luò)狀況,，采取適當(dāng)?shù)乃俾世^續(xù)發(fā)送。
　　在MCP中,，當(dāng)移動(dòng)主機(jī)作為發(fā)送端時(shí),，采用上述的DATA-ACK機(jī)制；當(dāng)移動(dòng)主機(jī)作為接收端時(shí),，則采用REQ-DATA機(jī)制,，即移動(dòng)主機(jī)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求包,，發(fā)送端在收到請(qǐng)求包之后，根據(jù)其中的要求進(jìn)行發(fā)送,。具體方法是：接收端將接收窗口的右值填入請(qǐng)求包頭部的adno字段,，發(fā)送端只維護(hù)一個(gè)變量seqno，用來指向下一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的序號(hào),，發(fā)送端每收到一個(gè)請(qǐng)求包,，就讀取包頭的adno字段，并發(fā)送序號(hào)從seqno到adno的數(shù)據(jù)包,。
3.2.2 MCP的連接建立過程
　　傳統(tǒng)TCP的連接建立是通過三次握手過程實(shí)現(xiàn)的,。MCP的連接建立同樣通過三次握手過程實(shí)現(xiàn)，只是在一次連接建立的過程中,，移動(dòng)主機(jī)要向固定主機(jī)指明此次連接采用的控制機(jī)制,。具體方法是：如果移動(dòng)主機(jī)作為發(fā)送端，在建立連接的過程中會(huì)告知接收端采用以發(fā)送端為中心的控制機(jī)制,；當(dāng)移動(dòng)主機(jī)作為接收端時(shí),，則會(huì)在連接建立的過程中指明采取以接收端為中心的控制機(jī)制。
3.2.3 MCP的流量控制策略
　　傳統(tǒng)TCP協(xié)議在發(fā)送端維護(hù)擁塞窗口(cwnd)和慢啟動(dòng)門限(ssthresh)兩個(gè)變量,，以完成流量控制,。當(dāng)cwnd小于ssthresh時(shí)，采用慢啟動(dòng)機(jī)制(Slow Start),，用來探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬,，每個(gè)數(shù)據(jù)包被應(yīng)答后，cwnd就加1,；當(dāng)cwnd大于ssthresh時(shí),，采用擁塞避免機(jī)制，以避免發(fā)生擁塞,，并盡可能利用可用帶寬,，每個(gè)數(shù)據(jù)包被應(yīng)答之后，cwnd＝cwnd+1/cwnd,。MCP的流量控制機(jī)制與TCP基本相同,，只是當(dāng)移動(dòng)主機(jī)作為接收端時(shí)，上述兩個(gè)參數(shù)要在接收端進(jìn)行維護(hù),。
3.2.4 MCP的丟包恢復(fù)策略
　　在傳統(tǒng)TCP中,，當(dāng)發(fā)送端收到重復(fù)的ACK(DupACK，通常是連續(xù)三個(gè)相同序號(hào)的ACK包)時(shí),，就認(rèn)為發(fā)生丟包，從而采用快速重傳機(jī)制,，重發(fā)序號(hào)為DupACK＋1的數(shù)據(jù)包,，并對(duì)cwnd和ssthresh重新賦值,，避免進(jìn)入慢啟動(dòng)階段；當(dāng)重傳定時(shí)器RTO(Retransmission TimeOut)超時(shí),，發(fā)送端會(huì)重新發(fā)送那個(gè)沒有收到ACK的數(shù)據(jù)包,，同時(shí)進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。
　　在MCP中,，作為接收端的移動(dòng)主機(jī)如果發(fā)現(xiàn)接收包序號(hào)連續(xù)三次發(fā)生亂序,，就認(rèn)為發(fā)生丟包，此時(shí)接收端主動(dòng)發(fā)送一個(gè)重傳請(qǐng)求包,，要求發(fā)送端重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包,。
　　為了將重傳請(qǐng)求包與數(shù)據(jù)請(qǐng)求包加以區(qū)別，在請(qǐng)求包頭加入loss字段和rtxno字段,。如果是重傳請(qǐng)求包就將包頭loss字段設(shè)置成1,，然后將rtxno字段設(shè)置成請(qǐng)求重發(fā)的數(shù)據(jù)包序號(hào)。如果是正常的數(shù)據(jù)請(qǐng)求包,，則包頭的loss字段就設(shè)置成0,。接受端收到請(qǐng)求包時(shí)首先檢查包頭的loss字段，如果loss為1,，則重傳rtxno對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包,，如果loss為0，則進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)包發(fā)送,。
4 仿真實(shí)驗(yàn)與性能比較
　　為了驗(yàn)證MCP協(xié)議的可行性,，在仿真軟件NS-2下進(jìn)行了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的WLAN場(chǎng)景中,，無線鏈路帶寬為11Mbps,，有線鏈路帶寬為100Mbps。
　　實(shí)驗(yàn)1：研究移動(dòng)主機(jī)作為接收端時(shí),，MCP協(xié)議的發(fā)送窗口隨時(shí)間的變化情況,。
　　分別采用初步實(shí)現(xiàn)的MCP和TCP協(xié)議從有線主機(jī)向無線主機(jī)發(fā)送FTP數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間為0～500s,，從中分別截取兩種協(xié)議在0～30s之間發(fā)送窗口隨時(shí)間的變化情況,，得到MCP和TCP發(fā)送窗口隨時(shí)間變化如圖1所示。

　　從圖1可以看出,，初步實(shí)現(xiàn)的MCP協(xié)議的發(fā)送窗口隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與原始TCP基本相同,，這從微觀上驗(yàn)證了兩種協(xié)議在控制發(fā)包速率方面是基本一致的。
　　實(shí)驗(yàn)2：研究MCP協(xié)議的吞吐量和公平性,。
　　分別采用初步實(shí)現(xiàn)的MCP協(xié)議和TCP協(xié)議從同一個(gè)有線節(jié)點(diǎn)向多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送FTP數(shù)據(jù),。作為接收端的無線節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5、10、15,、20和25個(gè),，仿真時(shí)間均為0～500s，從中截取200～450s之間各個(gè)數(shù)據(jù)流的吞吐率,，研究各個(gè)流之間的公平性和平均吞吐率,。公平性指數(shù)的計(jì)算公式采用目前比較通用的：
　　
　　其中FI是公平性指數(shù)，n為節(jié)點(diǎn)數(shù),，xi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐率,，當(dāng)FI為1時(shí)，說明所有節(jié)點(diǎn)是完全公平的,，F(xiàn)I越小說明公平性越差,。各個(gè)流的公平性指數(shù)隨無線節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況如圖2所示。

　　從圖2可以看出,，由MCP協(xié)議得到的公平性指數(shù)與具有良好公平性的原始TCP協(xié)議基本持平,，說明初步實(shí)現(xiàn)的MCP協(xié)議在WLAN環(huán)境下具有很好的公平性。
　　各個(gè)流的平均吞吐量隨無線節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況如圖3所示,。

　　圖3中的平均吞吐量是由200～450s內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)流的吞吐量取平均值得到的,。從中可以看出，在WLAN下,，這種初步實(shí)現(xiàn)的MCP協(xié)議的吞吐量同原始TCP協(xié)議十分接近,。
　　實(shí)驗(yàn)3：研究MCP協(xié)議和TCP協(xié)議的兼容性。
　　采用兩條FTP數(shù)據(jù)流,，其中一條從無線節(jié)點(diǎn)到有線節(jié)點(diǎn)使用TCP協(xié)議,；另外一條從有線節(jié)點(diǎn)到無線節(jié)點(diǎn)使用MCP協(xié)議。仿真時(shí)間均為0～500s,，從中分別截取兩條數(shù)據(jù)流200～450s的即時(shí)吞吐量,，如圖4所示。