AdHoc網絡中的TCP性能優化研究

【摘要】傳輸層是整個計算機網絡體系結構中的關鍵部分之一，對于利用網絡進行通信的兩個

主機來說，端到端的可靠通信，最終還是要由傳輸層協議來解決。隨著人們對擺脫有線網絡的

束縛、隨時隨地進行自由通信的渴望，近幾年來無線網絡通信得到了迅速的發展，AdHoc(無線

自組織)網絡就是其中的典型代表。AdHoc是一種無需固定基礎設施支持，能夠快速、簡單組

網的無線網絡，是下一代無線網絡的主要技術。AdHoc所涉及的學術與應用問題也成為了國內

外研究的熱點。由于AdHoc無線網絡特殊的鏈路特性，有線網絡中廣泛采用的傳統的TCP

(TransmissionControlProtocol,傳輸控制協議)直接應用到AdHoc網絡將會產生非常大的性

能衰減。區分丟包原因就是其中的典型問題之一：現有的TCP協議會把由于信道誤碼率高導致

的數據包丟失、節點移動引起的丟包等都歸因于網絡擁塞，從而使得協議啟動擁塞控制策略，

導致TCP性能下降。針對這個問題，本文結合國內外的學術研究，對現有的TCP協議應用到Ad

Hoc無線網絡中出現的丟包問題，提出了相應的TCP性能優化的方法。

【關鍵詞】AdHoc網絡；傳輸層協議；TCP；丟包；性能優化

一、引言

隨著現代無線通信技術和因特網的發展與進步，任何人在任何時間、地點

都能夠獲取信息并與他人通信，已經成為人們對現代信息網絡的切實要求。人

們可以通過配有無線接口的便攜計算機或個人數字助理來實現移動中的通信。

目前的移動通信大多需要有線基礎設施（如基站）的支持才能實現。為了能夠

在沒有固定基站的地方進行通信，一種新的網絡技術——AdHoc[1]（無線自組

織）網絡技術應運而生。AdHoc網絡不需要有線基礎設備的支持，通過移動主

機自由的組網實現通信，因此它被廣泛應用在各種場合。同時，隨著一個網絡

的使用，對它的研究也接踵而至。目前，國內外對AdHoc網絡的研究方向有很

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多，對其TCP(TransmissionControlProtocol，傳輸控制協議)性能的研究也

較多，主要有對TCP協議變體的研究，如TCPVegas協議[2]，TCPVegasE協議[2]

和TCPVeno協議[3]；算法的研究，如DWDB(DoubleWindowsDynamicBackoff)[4]

來解決由MAC層的隱藏節點導致的TCP不穩定；還有對AdHoc網絡網絡層的路

由協議的探討等等。綜合國內外的研究，不管是哪種策略，都不能全方面的改

善AdHoc網絡TCP的性能，本文主要針對丟包方面來優化TCP性能，即針對報

文傳輸時丟包的原因，提供相應的解決辦法。

二、AdHoc網絡概述

（一）AdHoc網絡的定義

AdHoc在拉丁文中的本意是“為這個目的”，通常它都預示一個專門的、不可

歸納的問題或任務的解決方案，并不適用于其他用途[5]。所以AdHoc網絡通常也被

稱為“無固定設施網”或“自組織網”，它是一組帶有無線收發裝置的移動終端組

成的一個多跳的臨時性自治系統[6]。移動終端具有路由功能，可以通過無線連接構

成任意的網絡拓撲，這種網絡可以獨立工作，也可以和Internet或蜂窩無線網絡

連接。在AdHoc網絡中，每個移動終端兼備路由器和主機兩種功能：作為主機，

終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終端需要運行相應的路由協議，

根據路由策略和路由表參與分組轉發和路由維護工作。

（二）AdHoc網絡的特點

AdHoc網絡具有以下特點：

1．自組織性

Adhoc網絡沒有嚴格的控制中心，所有結點的地位平等，即是一個對等式網

絡。網絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網絡設施。結點通過分層協議和分布

式算法協調各自的行為，結點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡，任

何結點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。AdHoc網絡相對常規

通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬件基礎網絡設

施的支持，快速構建起一個移動通信網絡。

2．動態變化的網絡拓撲結構

在AdHoc網絡中，移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之

間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發生變化。在自組網中，主機可能同時

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還是路由器，因此，移動會使網絡拓撲結構不斷發生變化，而且變化的方式和速度

都是不可預測的。對于常規網絡而言，網絡拓撲結構則相對較為穩定。

3．有限的無線通信帶寬

在AdHoc網絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無

線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網絡帶寬相對有線信道要

低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等

多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。

4．有限的主機能源

在AdHoc網絡中，主機均是一些移動設備，如ＰＤＡ、便攜計算機或掌上電

腦。由于主機可能處在不停的移動狀態下，主機的能源主要由電池提供，因此AdHoc

網絡有能源有限的特點。

5．網絡的分布式特性

在AdHoc網絡中沒有中心控制節點，主機通過分布式協議互聯。一旦網絡的

某個或某些節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作。

6．生存周期短

AdHoc網絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比

較短。

7．有限的物理安全

移動網絡通常比固定網絡更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒

絕服務等攻擊。現有的鏈路安全技術有些已應用于無線網絡中來減小安全攻擊。不

過AdHoc網絡的分布式特性相對于集中式的網絡具有一定的抗毀性。

（三）AdHoc網絡的應用

源于AdHoc網絡的優點，它應用于多個領域，并且它的應用領域越來越多。

總體來說，可以應用于下列場合：

1．沒有有線通信設施的地方，如沒有建立硬件通信設施或有線通信設施遭受破

壞。

2．需要分布式特性的網絡通信環境。

3．現有有線通信設施不足，需要臨時快速建立一個通信網絡的環境。

4．作為生存性較強的后備網絡。

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三、AdHoc網絡使用TCP的問題

TCP協議最初是針對固定有線網絡設計的，為發送方和接收方之間提供可靠、

有序的傳輸服務。TCP協議依靠其錯誤控制機制來保證連接的可靠性，它假設所有

的網絡丟包是由擁塞造成。但AdHoc網絡有著明顯不同于固定有線網絡的特點，

如鏈路誤碼率高、網絡分割和路由變化頻繁等，這些都會導致網絡丟包。而TCP卻

把一切丟包原因歸結為網絡擁塞，引發了不必要的擁塞控制，如減小窗口大小、加

倍重傳計時器RTO時間等，這使得AdHoc網絡中TCP的性能急劇下降[7]。

（一）TCP協議

眾所周知，TCP是TCP/IP協議族中的傳輸層協議，是應用最為廣泛的面向連接

的可靠的傳輸層協議。TCP協議有三個控制機制：流量控制，擁塞控制和差錯控制，

核心是擁塞機制。由于網絡能夠提供的資源（包括緩存空間、鏈路帶寬容量和中間

節點的處理能力）不足以滿足用戶的需求而產生擁塞，網絡擁塞會使得網絡可用性

及吞吐量下降而響應時間拉長。目前對互聯網進行的擁塞控制主要是依靠在源端執

行的基于窗口的TCP擁塞控制機制。

1986年初，Jacobson開發了現在在TCP應用中的擁塞控制機制。運行在端節

點主機中的這些機制使得TCP連接在網絡發生擁塞時回退（backoff），也就是說

TCP源端會對網絡發出的擁塞指示（例如丟包、重復的ACK（AcknowledgeCharacter）

等）作出響應。1988年Jacobson針對TCP在控制網絡擁塞方面的不足，提出了“慢

啟動”（SlowStart）和“擁塞避免”（CongestionAvoidance）算法[8]。1990年出

現的TCPReno版本增加了“快速重傳”FastRetransmit）、“快速恢復”（Fast

Recovery）算法[8]，避免了網絡擁塞不嚴重時采用“慢啟動”算法而造成過大地減

小發送窗口尺寸的現象，這樣TCP的擁塞控制就由這4個核心部分組成，具體如下：

慢啟動階段：當建立新的TCP連接時，擁塞窗口（congestionwindow，cwnd）

初始化為一個數據包大小。源端按cwnd大小發送數據，每收到一個ACK確認，cwnd

就增加一個數據包發送量，這樣cwnd就將隨著回路響應時間（RoundTripTime，

RTT）呈指數增長，源端向網絡發送的數據量將急劇增加。由于在發生擁塞時，擁

塞窗口會減半或降到1，因此慢啟動確保了源端的發送速率最多是鏈路帶寬的兩倍。

擁塞避免階段：如果TCP源端發現超時或收到3個相同ACK副本時，即認為網

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絡發生了擁塞（主要因為由傳輸引起的數據包損壞和丟失的概率很小（<<1%））。此

時就進入擁塞避免階段。當超時發生時，首先設置為慢啟動閾值（ssthresh）當前

擁塞窗口大小的一半，即ssthresh=cwnd/2；然后設置擁塞窗口（cwnd）為1，并

執行慢啟動過程，直到cwnd=ssthresh，在這個階段，每收到一個ACK，cwnd增加

1；當cwnd≧ssthresh，TCP就執行擁塞避免算法，在每一個RTT內使cwnd增加1。

此時，cwnd在每次收到一個ACK時只增加1/cwnd個數據包，所以在擁塞避免階段，

cwnd不是呈指數增長，而是線性增長。

快速重傳和快速恢復階段：快速重傳是當TCP源端收到三個相同的ACK副本時，

即認為有數據包丟失，則源端重傳丟失的數據包，而不必等待重傳計時器RTO

（RetransmissionTimeout）超時。同時將ssthresh設置為當前cwnd值的一半，

并且將cwnd減為原先的一半。快速恢復是基于“管道”模型的“數據包守恒”的

原則，即同一時刻在網絡中傳輸的數據包數量是恒定的，只有當“舊”數據包離開

網絡后，才能發送“新”數據包進入網絡。如果發送方收到一個重復的ACK，則認

為已經有一個數據包離開了網絡，于是將擁塞窗口加1。如果“數據包守恒”原則

能夠得到嚴格遵守，那么網絡中將很少會發生擁塞，本質上，擁塞控制的目的就是

找到違反該原則的地方并進行修正。

經過十多年的發展，目前TCP協議主要包含有四個版本：TCPTahoe、TCPReno、

TCPNewReno和TCPSACK。TCPTahoe是早期的TCP版本，它包括了3個最基本的

擁塞控制算法：“慢啟動”、“擁塞避免”和“快速重傳”。TCPReno在TCPTahoe基

礎上增加了“快速恢復”算法。TCPNewReno對TCPReno中的“快速恢復”算法進

行了修正，它考慮了一個發送窗口內多個數據包丟失的情況。在Reno版中，發送

端收到一個新的ACK后就退出“快速恢復”階段，而在NewReno版中，只有當所有

的數據包都被確認后才退出“快速恢復”階段。TCPSACK關注的也是一個窗口內多

個數據包丟失的情況，它避免了之前版本的TCP重傳一個窗口內所有數據包的情況，

包括那些已經被接收端正確接收的數據包，而只是重傳那些被丟棄的數據包。

（二）無線信道傳輸的問題

我們都知道，無線通信信道的傳輸條件差，存在著嚴重的信號衰落特性和多普勒

頻移(Dopplerfrequencyshift)[9]。無線移動信道的主要特征是多徑傳播，也就是

說接收端所收到的信號是通過不同的直射、反射和折射等路徑到達的，而這種特性在

5

信道傳輸過程中引入了時延擴展，時延擴展使得接收信號中的一個符號的波形擴展到

其它符號中，造成其它符號的干擾，從而導致頻率選擇性衰落，也就是信號中不同的

頻率分量衰落不一致，導致信號波形的畸變。所謂多普勒效應就是當發射源與接收體

之間存在相對運動時，接收體接收的發射源發射信息的頻率與發射源發射信息頻率不

相同，這種現象稱為多普勒效應，而多普勒頻移指接收頻率與發射頻率之差[10]。

多普勒頻移會使得信道產生快衰落和慢衰落。衰落改變了信號的電壓，使得傳

輸過程中的信號遭到破壞，也就是產生誤碼，還有無線信道傳輸中的噪音，傳輸設

備故障，閃電或交流電產生的脈沖都會導致信道誤碼。誤碼使得數據在傳輸過程中

出現差錯，數據包損壞甚至丟失。而TCP會把數據包丟失判定為網絡出現擁塞，進

而啟動TCP擁塞控制機制。如果TCP發送方在RTO超時前沒有收到ACK報文,就會

引發TCP的慢啟動，從而發送方的RTO時間加倍，并減小當前擁塞窗口為1個分組。

頻繁的錯誤會使擁塞窗口一直保持在很小的范圍，從而導致了吞吐量的降低。

（三）移動性的問題

如前所述，AdHoc網絡具有動態變化的網絡網絡結構，網絡中的各個節點能夠

以任意可能的速度和移動模式移動，甚至可以隨時隨地的加入或者退出網絡，這樣

頻繁的移動使得原有的路由無效，需要為發送方和接收方之間重新設計一條路由，

如圖1所示。但是這個尋找新的有效路由可能花的時間很長，如果重新計算路由的

時間超過了重傳定時器RTO的設定，那么發送方的TCP將會啟動不必要的擁塞控制

機制，這樣TCP性能將大大降低。

圖1移動性引起的路由重構

6

移動性帶來的另一個問題是臨時的網絡分割，如圖2所示，結點s在時刻T建

立到d的運輸層連接，網絡在T+5s時出現分割，導致s和d處于不同的分區，s到

d的路由將不可達。網絡在T+20s，s和d的路由又可達。

（四）多徑路由的問題

在AdHoc網絡中，為了提高節點之間通信的吞吐量，大都采用多徑路由技術。多

徑路由的基本思想是在一次路由發現過程中，探測到多條從源節點到目的節點的可能

路徑，利用這些路徑發送數據，減少路由發現延遲，提高網絡性能。根據研究表明[11]，

單徑路由的吞吐量會隨著節點跳數的增加而較快下降，而多徑路由的吞吐量不會隨著

節點跳數增加下降，而會保持在一個相對穩

定的水平。但是發送方發送的數據包可能會沿不同的路由傳輸，不同路由之間的時延

不同，導致到達接收方的數據包發生亂序，從而引發TCP的快速重發機制（源端接收

到3個重復的ACK后），也就是說多徑路由傳輸會使得接收的數據包發生亂序。另外，

在Adhoc網絡中，當新的路由計算好之后，中間節點有可能把緩存中存放的分組大量

發送給接收方，這樣也會使得接收方接收到的數據包亂序，同樣的也降低了。

（五）有限帶寬的問題

帶寬又叫頻寬，是指在固定的的時間可傳輸的資料數量，亦即在傳輸管道中可以

傳遞數據的能力[12]。計算機網絡的帶寬是指網絡可通過的最高數據率，即每秒多少比

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特。無線網絡相對于有線網絡來說，存在的弱勢之一是帶寬。如前面AdHoc網絡的特

點中描述的無線網絡的帶寬有限，結點可能只能使用到很少的帶寬，甚至沒有帶寬可

以使用，導致發送端超時和信息丟失的時間增多，等待帶寬的時間遠遠超過于重傳計

時器的值，TCP會認為網絡出現擁塞，啟動擁塞控制機制，進而降低了TCP性能。

四、AdHoc網絡中TCP的性能優化

根據國內外對AdHoc網絡中TCP協議的研究，可以知道TCP協議之所以在移動Ad

Hoc網絡中性能顯著下降，根本原因在于缺乏有效的錯誤檢測和錯誤恢復機制。因此，

提高TCP協議的性能，其核心就是要使TCP具有區分網絡丟包原因的能力，并針對不同

情況(擁塞、信道誤碼或網絡分割等)采用合理的策略。

根據區分丟包原因所采取的手段，可分為兩大類：基于網絡反饋的改進方案和“端

到端”的改進方案。

（一）基于網絡反饋的方案

這種類型的改進方案通過網絡反饋來獲取網絡狀態信息，它要求對AdHoc網絡中

的各個節點配置檢測機制，以使中間節點能及時反饋網絡狀態。

典型代表有K.Chandran等提出的TCP-F（TCP-Feedback）協議[1]，TCP-Bus[13]，Gavin

Holland和NitinVaidya提出的TCP-ELFN（TCP-ExplicitLinkFailureNotification）

協議[1]，J.Liu提出的ATCP（TCPformobileAdHocnetworks）協議[1]和TCP-FSR協

議[14]。

1．TCP-F協議

基于不能把路由失敗引起的報文段作為擁塞的標志，提出了TCP-F協議，具體描

述如下：

（1）考慮單個的TCP連接，在發端和收端正在進行報文段傳輸時，設路由中的

一中間結點在網絡層M處檢測到其報文段無法傳送到下一個結點（例如，由于移動性，

M的下一個結點走出了M的通信距離），M就立即發送路由失敗通告RFN（routefailure

notification）報文段到源端，同時，M記錄下該事件。

（2）每一個收到該RFN報文段的中間結點將這條路徑標志為無效，以抑制輸入

8

報文段選擇這條路徑；同時，該中間結點如果知道支往信宿的替代路由，這條替代路

由立即用于報文段傳輸，拋棄RFN報文段，否則，該中間結點只是向信源簡單地傳播

該RFN。

（3）當TCP發端接收到RFN報文段時，TCP發端進入到休眠狀態SNOOZE，并執行

如下的操作：

①完全停止發送報文段（包括新的數據報文段和重傳的報文段）；

②標志所有的現存定時器為無效；

③凍結發送窗口；

④凍結其它狀態變量的值，如重傳定時器和窗口大小；

⑤啟動一個路由失敗定時器，并設置初始值為最壞情況下的路由重構時間（依賴

于具體的路由協議）；

⑥發端將一真處于SNOOZE狀態，直至收到“路由已重建通告”報文段RRN（route

reestablishmentnotification）。

（4）當曾經轉發過RFN報文段的中間結點學習到一條到信宿的路由（通過路同

更新），該中間結點就發送一個RRN消息到信源（其標識前面已保存）。該結點收到的

其它結點關于該連接的RRN報文段將被拋棄；所有收到RRN報文段的結點只是簡單地轉

發處理。

（5）當信源收到RRN，TCP從SNOOZE狀態轉入到活動狀態，直接傳送當前窗口中

所有未確認的數據報文段。因為大部分的報文段在路由失敗的時間內受到了影響，報

文段的傳送不用等待收端的ACK確認。

也就是說TCP-F協議中的TCP在SNOOZE狀態和ACTIVE狀態之間轉變，當遇到路由中

斷時，由ACTIVE狀態轉變為SNOOZE狀態，保存變量，使得路由恢復時繼續中斷前的狀

態工作，保證了AdHoc網絡的TCP性能。這是Adhoc網絡中TCP最早的改進方法，但它

把網絡看做是一個“黑箱”[15]，不能真實地模擬Adhoc網絡中TCP的性能情況。

2．TCP-Bus協議

TCP-Bus是一個改進型的TCP-F，它也有與TCP-F協議中RFN和RRN相對應的控制報

文：ERDN(explicitroutedisconnectionnotification)和ERSN(explicitroute

successfulnotification)。中間結點探測到路由中斷，就給源端發送ERDN消息；源

9

端收到ERDN就停止TCP傳輸。類似地在路由重建后，中間結點給源端發送ERSN消息；

源端收到ERSN后，恢復TCP傳輸。和TCP-F不同的是：TCP-Bus是在實際的一個路由協

議ABR(associability-basedrouting)[15]實現的，而不是把通信子網看成一個黑箱；

而且TCP-Bus考慮了ERDN和ERSN消息丟包的問題，盡量減少了源端發生超時的可能性。

3．TCP-ELFN協議

TCP-ELFN改進方案使用ELFN來協助其實行錯誤檢測，以此來區別對待網絡擁塞和

鏈路錯誤引起的丟包。TCP-ELFN是專為DSR路由協議設計，ELFN報文的實現是通過修

改DSR協議中的路由錯誤報文，使之攜帶一個類似于“主機不可達”ICMP報文的載荷。

當某個中間節點偵測到鏈路或路由錯誤時，反饋一個ELFN報文給發送方，使發送方的

TCP進入“stand-by”(就緒)模式。在這種模式下，TCP停止發送數據包，并鎖定一

切變量，如RTO重傳計時器和擁塞窗口(CWND)。在stand-by模式時，TCP周期性地向接

收方發送探測分組，若收到確認報文，則表明已經找到新的路由，此時發送方脫離就

緒模式，恢復正常發送功能，并重新啟用在進入就緒模式時凍結的各項變量。

4．ATCP協議

ATCP的設計目的是與標準TCP兼容，設計思想采用網絡層反饋技術（如ECN、ICMP

等），使TCP發端正確地進入保持（persist）、擁塞控制（congestion）和重發

（retransmit）狀態。當網絡分割時，TCP發端進入保持狀態，不必發送、重發報文

段；當報文段由于傳輸差錯丟失時，通過復制ACK的計數和RTO判定，TCP發端進入重

發狀態，避免擁塞控制的發生；當網絡發生擁塞時，通過ECN機制通告，TCP發端進入

正常的擁塞控制狀態。

ATCP的設計方法不是修改標準的TCP，而在TCP和網絡層之間插入一個ATCP子層，

ATCP監聽網絡狀態，過濾和預處理ECN消息、ICMP的“信宿不可達”、“源抑制”消息、

正常的TCP報文段頭等，使TCP發端進入正確的狀態，其設計思想采用網絡層反饋技術

(如ECN、ICMP等)，使TCP發端正確地進入保持、擁塞控制和重發狀態。

我們可以從ATCP的狀態機中（如圖3所示）看到ATCP有四個狀態，即“NORMAL”、

“CONGESTED”、“LOSS”、“DISCONNECTED”，其初始化狀態是NORMAL狀態。

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圖3ATCP的狀態轉移

（1）傳輸差錯的報文段丟失。當TCP連接由于傳輸差錯引起的報文段丟失，收端

將收不到報文段或報文段失序到達，TCP收端將產生復制的ACK；ATCP在NORMAL狀態時，

對收到的復制ACK進行計數，第三個ACK不送給TCP實體，而是發一個消息，使TCP發端

進入PERSIST（保持）狀態；ATCP進入LOSS狀態。

在LOSS狀態，ATCP從TCP的發送緩沖區取報文段發，并維護各報文段的獨立定時

器以

控制重發；當一個新ACK（非復制）到達時，ATCP轉發該ACK到TCP，使TCP脫離PERSIST

狀態，ATCP自己進入NORMAL狀態。

（2）擁塞情況。當網絡層檢測到擁塞時，在ACK報文段或數據報文段中設置ECN

標志字段。當ATCP收到ECN消息時，處于NORMAL的ATCP實體轉入CONGESTED狀態，不進

行任何操作，忽略所有的復制ACK，忽略RTO溢出事件；換句話，ATCP不干涉TCP的正

常擁塞控制操作。當TCP發送一個新的報文段時，ATCP退回到NORMAL狀態。

（3）斷鏈情況。AdHoc網絡的結點移動性導致路由重構或網絡分割時，假設網

絡層可產生一個ICMP“信宿不可達”消息，當ATCP收到這人消息時，使TCP進入PERSIST

狀態，ATCP進入DISCONNETED狀態。在這種情況下，TCP周期地發送PROBE報文段直到

11

收到TCP收端的PROBEACK，使TCP脫離PERSIST狀態，ATCP退回NORMAL狀態。

為保證TCP不繼續使用老的CWND值，ATCP在使TCP進入PERSIST狀態時，也使用TCP

的CWND為1，目的是使TCP的CWND即時反映適應新的路由。

（4）其它的轉換情況。設ATCP處于LOSS狀態，收到ECN或ICMP“源抑制”消息時，

使ATCP進入CONGESTED狀態，TCP脫離PERSIST狀態；收到ICMP“信宿不可達”消息時，

使ATCP脫離“LOSS”狀態或“CONGESTED”狀態，進入“DISCONNETED”狀態，TCP進

入PERSIST狀態。

（5）控制消息丟失的影響。由于報文段丟失，發端收不到ECN、ICMP“信宿不可

達”等控制消息，ATCP協議仍然能正常工作。因此，即使ATCP不過濾報文段，TCP可

以正常地進行。

ATCP協議不僅僅可以處理路由中斷的問題，也可以處理AdHoc網絡信道誤碼率導

致的問題，能夠正確區分丟包的原因。

5．TCP-FSR協議

如前所述的TCP-F協議，TCP-ELFN協議，TCP-Bus協議和ATCP協議都能夠解決發送

端和接收端之間路由發生一處鏈路中斷的問題，若兩個節點之間的路由有超過兩處鏈

路中斷，這些協議就不太有效了。雖然這些協議可以避免啟動擁塞控制，但由于在路

由剛剛重建就會引起連續多個的重復確認，導致協議啟動“快速重傳/快速恢復”，使

得TCP性能改善的效果差強人意。

在TCP-FSR中，TCP發送方可以處于“frozen”和“normal”兩種狀態。在“normal”

狀態中，TCP發送方是由標準TCP控制的，它和標準TCP一樣傳輸數據；“frozen”狀態

中，TCP-FSR不再發送數據包并且冷凍重傳定時器和擁塞窗口。具體工作過程如下：

（1）沒有路由中斷時，TCP發送方處于“normal”狀態，和標準TCP一樣地傳輸

數據；

（2）當一個節點探測到了由于下游節點的相對移動造成了路由中斷后，TCP-FSR

立即向TCP發送方發送攜帶著路由中斷前正在發送的數據包的序列號信息的RFN；

（3）TCP發送方收到RFN，如果TCP發送方處于“normal”狀態，則立即進入“frozen”

狀態并執行以下操作：

①停止發送任何數據包(包括新的和重傳的數據包)；

12

②冷凍所有的定時器和擁塞窗口大小；

③保存一些TCP狀態變量的當前值；

④啟動路由失敗定時器，它用來處理路由重建延時最壞的情況，其定時間隔和

下層的路由協議相關；

如果TCP發送方已經在“frozen”狀態，則更新TCP狀態變量的值；

（4）路由重建后，TCP-FSR給TCP接收方發送RRN；

（5）TCP接收方收到RRN后，立即給TCP發送方發送最新的確認；

（6）TCP發送方處于“frozen”狀態期間收到一個確認，表明路由已經重建，則

TCP解凍，從“frozen”進入“normal”狀態，返回1），從3）記錄的TCP狀態繼續正

常的TCP傳輸，并取消路由失敗定時器；

（7）TCP發送方處于“frozen”期間，路由失敗定時器超時，則TCP強制解凍，

從“frozen”狀態進入“normal”狀態，由標準TCP的擁塞控制機制來處理此次路由

中斷，并返回1）。

TCP-FSR技術在路由中斷時向TCP發送方發送RFN，在路由重建時向TCP接收方發送

RRN，使得TCP不僅可以在路由重建后可以從路由中斷前的狀態，而不用從“慢啟動”

階段恢復TCP傳輸，而且避免了像其它基于反饋技術一樣在路由剛重建就啟動“快速

重傳/快速恢復”。

（二）基于“端”到“端”的改進方案

“端到端”的改進方案維護了TCP協議本身的重要特性。它不需要中間節點的

支持，通過在發送方和接收方兩端檢驗參數來獲得網絡狀態信息。以下介紹兩種典

型的“端到端”TCP改進方案:TCPDOOR(TCPDetectionofOut-of-Orderand

Response)[15]和MMJI(Multi-MetricJointIdentification)[16]。

1．TCPDOOR

TCPDOOR改進方案的核心在于對亂序OOO(Out-of-Order)包的檢測和處理。

所謂亂序是指發送方發送的數據包沒有按順序到達接收方，這使接收方產生重復的

ACK(收到3個重復的ACK后)報文給發送方，導致發送方進行不必要的快速重發。

移動AdHoc網絡中，由于節點的移動性，路由變化頻繁發生，出現OOO事件

的原因大都因路由變化引起。如圖4所示，節點S和D之間有一條經過A和B的路

13

由，TCP原先通過這條路由進行傳輸(如分組1)，節點C逐漸移動到S和D的通訊

范圍內，此時S和D之間重新計算了一條經過節點C的路由，路由發生改變，接下

來的分組2沿新路由傳輸。由于新路由很可能比舊的路由傳輸時延小，后發的分組

2反而先于分組1到達節點D，即發生了OOO事件。AdHoc網絡頻繁的路由變化會

使TCP陷入不斷快速重發的困境。

TCPDOOR就是通過在TCP兩端對OOO包的檢測來判斷網絡中是否發生了路由變

化，并采取相應策略來提高TCP的性能。

（1)如何檢測OOO包

對于一個TCP連接，接收方收到的數據包和發送方收到的ACK報文都可能發生

亂序，因此對OOO包的檢測在兩端都可以進行。TCP的發送方可能會重發數據包，

接收方雖然不會重發ACK，但卻可能產生重復的ACK。重發的數據包之間具有相同

的序列號，重復的ACK報文之間也是。因此，依靠序列號不能判斷是否發生了OOO

事件。TCPDOOR在數據包的TCP頭標中增加一個2字節的選項，即TPSN(TCPPacket

SequenceNumber)，在ACK報文的TCP頭標中增加一個1字節的選項,即ADSN(ACK

DuplocationSequenceNumber)。每發送一個數據包或ACK報文，TPSN或ADSN的

值加1，TCPDOOR通過在TCP兩端檢測TPSN和ADSN來判斷是否發生了OOO事件。

（2)對OOO事件的處理

由發送方處理(若是接收方檢測到OOO時，也會通過在ACK報文中設置OOO-bit

通知發送方)，此時有兩種處理方式：

①暫時禁止TCP擁塞控制：因為OOO很大可能是由路由變化而并非擁塞引起，

當發送方檢測到OOO時，TCPDOOR在時間T1內禁止TCP的擁塞控制機制，T1時間

后TCP恢復為正

常。

14

圖4路由變化導致的Out-of-Order

現象

②擁塞避免時立即恢復：當發送方檢測到OOO時，并不禁止TCP的擁塞控制，

但是在時間T2內，一旦TCP進入擁塞避免，則TCP立即恢復到擁塞避免前的狀態。

2．MMJI

多參數聯合檢驗（MMJI）[15]方案也保持了端到端的特性，MMJI方案依靠對4個

參數的聯合檢驗，提高了判別網絡狀況的準確性，并且能夠更詳細的區分網絡狀況。

MMJI方案把Adhoc網絡的狀態分為5種：Normal（正常）、Congestion（擁

塞）、Channel_Err(信道誤碼)、Route_Change(路由變化)和Disconnection(分

離)。在這些狀態下MMJI采取的策略行為和ATCP方案大同小異，不同之處在于MMJI

方法還多了對Route_Change狀態的檢測和處理，以專門解決路由變化造成的數據

包亂序問題，而ATCP是在Loss狀態下統一解決信道誤碼和數據包亂序問題。

下面重點介紹MMJI方案是如何通過端到端的檢測機制來區分上述網絡狀態的。

此方案所提議的4個檢驗參數分別為IDD、STT、POR和PLR，如表1所示。其中IDD

和STT聯合判斷是否發生網絡擁塞，POR和PLR則可以進一步區分非擁塞情況中的

15

各種狀態。

表1MMJI方案的4個提議參數

參數定義解釋

Ai是第i個包到達的時間，Si是

第i個包發送的時間，IDD即接

IDD(Ai+1-Ai)-(Si+1-Si)收方的包間延遲減去發送方的

包間延遲

Np(T)是在時間T內收到的數據

STTNp(T)/T包數目

Npo(T)是在時間T內收到的亂序

PORNpo(T)/Np(T)數據包數目

N1(T)是在時間T內丟失的數據

PLRN1(T)/Np(T)包數目

（1)包間延遲差異(Inter-packetDelayDifference，IDD)：網絡擁塞程度

越高，IDD的值越大；但如果網絡中發生路由變化，數據包出現亂序時，也會使

IDD的值增大。

（2)短時吞吐量(ShortTermThroughput，STT)：網絡擁塞程度越高，STT

的值越小;但如果網絡中發生了網絡分割或突發性信道誤碼，也會使STT的值減小，

特別是當發生了網絡分割時，STT的值接近于0。

（3)數據包亂序比率(PacketOut-of-orderdeliveryRatio，POR)：網絡

中路由發生變化時，POR的值會增大。

（4)數據包丟失率(PacketLossRati，PLR)：網絡中發生突發性信道誤碼

時，PLR的值會增大。

MMJI方案通過檢驗上述4個參數獲取網絡狀態信息。如表2所示，檢驗判別

過程可分為

表2通過MMJI判斷網絡狀態的規則

IDD和STTPORPLR

Congestion（高，低）任意任意

Route_Change非（高，低）任意高

Channel_Err非（高，低）高任意

16

DisconnectionSTT0任意任意

正常不屬于以上的其他情況

以下兩個步驟：

①判斷是否擁塞：由于IDD的值對路由變化很敏感，而STT的值對網絡分割和

信道誤碼敏感。因此，為提高判別準確性，僅當IDD值比較高，同時STT值比較低

時，才判定網絡處于Congestion狀態，其他情況都屬于非擁塞狀態。

②判別非擁塞時的各種狀態：通過（1）判定網絡非擁塞后，若發現POR值比

較高，則判定網絡處于Route_change狀態；若發現PLR值比較高，則判定網絡處

于Channel_Err狀態；若發現STT值接近于0，即收不到數據包，則表明網絡處于

Disconnection狀態。

（三）各個方案的性能分析和比較

通過以上的描述，引起網絡傳輸過程中丟包的原因主要分為三類：擁塞、信道

誤碼、路由中斷。基本上從兩個方面來解決AdHoc網絡中TCP性能下降的問題，

分別是基于網絡反饋和基于端到端的改進方案。基于網絡反饋的改進方案優點在于

能準確地獲取網絡狀態信息，因為信息直接來自于中間節點的反饋。就如軍事應用

領域或者其他特殊領域，AdHoc網絡是作為邊緣網絡存在，網絡中的主機要面臨能

源和帶寬受限等諸多問題，此時更準確的獲取網絡狀況，提高TCP協議的傳輸性能

更為關鍵，這就需要對AdHoc網絡的TCP改進采用基于網絡反饋的方案。但它需

要對移動AdHoc網絡中的每個節點配置檢測功能，從而增加了網絡開銷，也加大

了網絡的安全隱患。同時，由于需要中間節點的支持，網絡反饋的方案也不利于Ad

hoc網絡和其他固定有線網絡之間的協作。

“端到端”的改進方案不需要中間節點的支持，是通過在TCP連接的兩端進行

參數檢驗來判斷網絡狀態。這類方案維持了TCP協議“端到端”的特性，能更好的

和傳統TCP兼容。這種方案更能應用于我們現實生活中，AdHoc網絡未來將廣泛

應用于個人通信領域，需要使一臺普通電腦（筆記本）能夠隨心所欲地加入到AdHoc

網絡中，采用這種方案很適合這種場所。但由于它是通過參數檢驗間接獲取網絡狀

態信息，因此判斷準確性不如網絡反饋的方案。

基于網絡反饋的方案如上所陳列有TCP-F，TCP-Bus，TCP-ELFN，ATCP和TCP-FSR，

17

具體區別如下：

TCP-F，TCP-Bus，TCP-ELFN和TCP-FSR都是通過報文消息來區分網絡擁塞和路

由中斷而引起的丟包。TCP-F是AdHoc網絡中最早的TCP改進方案，它把網絡看成

一個“黑箱”，不能夠真實的模擬AdHoc網絡中的TCP性能。TCP-Bus是改進型的

TCP-F，它沒有把網絡看成一個“黑箱”，是基于一個實際的路由協議ABR實現的。

TCP-ELFN和TCP-F，TCP-Bus的不同之處在于它們的路由恢復機制，TCP-F和TCP-Bus

恢復路由的方法都是通過報文發送給發送方通知路由重建，而TCP-ELFN是通過發

送分組來試探路由是否重建，而且TCP-ELFN是僅適用于DSR路由協議的，但是

TCP-ELFN中“無效路由”的問題還是會影響TCP性能，而且對發送探測包的間隔

和選用何種數據包作為探測包都要進一步研究。TCP-F，TCP-Bus和TCP-ELFN都是

假設一條路由出現一處路由中斷，那如果一條路由出現多處路由中斷，這個時候就

考慮用TCP-FSR協議了，這樣可以更有效地提高TCP性能。

ATCP能夠區分網絡傳輸丟包的各種原因，包括網絡真正的出現擁塞，還是信道

誤碼，還是路由中斷。相對于TCP-F，TCP-Bus，TCP-ELFN和TCP-FSR更全面，更

能提高TCP性能。但是在該方案中假設源端總是可達的，這種假設在Adhoc網絡

中很難滿足，如果該假設不能很好地滿足，那么發送端就收不到網絡控制報文協議

的“目的地不可達”消息，這樣發送端會不斷地重傳分組而不是進入預期的

“persist”模式，而且ECN機制會引起安全問題，這些不利因素都會影響到ATCP

方案。

基于端到端的方案分為TCPDOOR和MMJI兩種。TCPDOOR通過對OOO包的檢測

來判斷網絡是處于擁塞還是發生了路由變化，但它不能處理信道誤碼和網絡分割等

情況，而且其檢驗準確性不是很高。MMJI方案通過4個參數的聯合檢驗在一定程度

上提高了判別網絡狀態的準確度，同時也能夠區分更多的網絡狀態。

更直觀的區別如表3：

表3Adhoc網絡中TCP改進的主要方法性能比

較

項目TCP-FTCP-BusTCP-ELFNATCPTCP-FSRDOORMMJI

是否需要下層的反饋信息需要需要需要需要需要不需要不需要

是否會錯誤地啟動擁塞控制不會不會不會不會不會可能可能

能否處理高誤碼率不能不能不能能不能不能能

18

是否會增加網絡負擔是是是是是否否

網絡安全性低低低低低高高

總結和展望

AdHoc網絡是新型的無線網絡，由于它是一個無中心的自組織網絡，且移動終

端方便攜帶，它的應用已經擴展到各個領域。由于把傳統固定網絡中使用的各種協

議和技術應用到AdHoc網絡中使得網絡的性能下降，所以對AdHoc網絡的研究越

來越多，網絡七層模型各個層次都有研究，本文主要研究提高傳輸層的性能。傳輸

層恰好位于OSI七層模型的中間，既可以作為面向通信的低層中的最高層，也可以

作為用戶功能的高層中的最低層，這反應了傳輸層的重要性，所以對AdHoc網絡

中的傳輸層協議研究非常必要。本文首先簡介AdHoc網絡的特點及廣泛應用在有

線網絡的TCP協議，然后分析AdHoc網絡中應用TCP協議遇到的問題—網絡丟包，

并且分析導致丟包的原因，然后根據前人的研究，羅列出幾種針對丟包問題的解決

方案，最后對這些方案進行評價比較。

本文只是從TCP協議著手，提高AdHoc網絡中TCP的性能，我們可以逐步提

高無線鏈路的可靠性，減少由于高誤碼率帶來的TCP性能的下降，也可以針對AdHoc

網絡的移動性改進TCP自身的擁塞控制機制，從而減少由于節點的移動而不必要的

運行擁塞控制的次數。實際上在AdHoc網絡中，TCP傳輸性能的提高還不僅僅依賴

于對TCP協議本身的改進，還可以從鏈路層以及網絡層來提高TCP性能。例如，在

MAC層的機制中，隱終端和暴露終端問題，以及帶寬不對稱問題，都在很大程度上

影響了TCP協議的性能，這時我們可以優化MAC層的競爭接入機制，逐步減少MAC

層的暴露站和隱藏站問題；路由層中，研究設計出穩定且健壯的AdHoc網絡路由

協議，使路由協議更適合移動性網絡，減少路由發現和路由重建的時延，從而使TCP

的擁塞控制更有效地運行；還有我們可以加強層與層之間的通信以及相互合作，使

TCP區分網絡擁塞和其它原因造成的丟包，提高吞吐量。這些研究都值得我們深入

探討。

19

[參考文獻]

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[10]/view/143217.htm(百度百科)

20

AdHoc網絡中的TCP性能優化研究

【摘要】傳輸層是整個計算機網絡體系結構中的關鍵部分之一，對于利用網絡進行通信的兩個

主機來說，端到端的可靠通信，最終還是要由傳輸層協議來解決。隨著人們對擺脫有線網絡的

束縛、隨時隨地進行自由通信的渴望，近幾年來無線網絡通信得到了迅速的發展，AdHoc(無線

自組織)網絡就是其中的典型代表。AdHoc是一種無需固定基礎設施支持，能夠快速、簡單組

網的無線網絡，是下一代無線網絡的主要技術。AdHoc所涉及的學術與應用問題也成為了國內

外研究的熱點。由于AdHoc無線網絡特殊的鏈路特性，有線網絡中廣泛采用的傳統的TCP

(TransmissionControlProtocol,傳輸控制協議)直接應用到AdHoc網絡將會產生非常大的性

能衰減。區分丟包原因就是其中的典型問題之一：現有的TCP協議會把由于信道誤碼率高導致

的數據包丟失、節點移動引起的丟包等都歸因于網絡擁塞，從而使得協議啟動擁塞控制策略，

導致TCP性能下降。針對這個問題，本文結合國內外的學術研究，對現有的TCP協議應用到Ad

Hoc無線網絡中出現的丟包問題，提出了相應的TCP性能優化的方法。

【關鍵詞】AdHoc網絡；傳輸層協議；TCP；丟包；性能優化

一、引言

隨著現代無線通信技術和因特網的發展與進步，任何人在任何時間、地點

都能夠獲取信息并與他人通信，已經成為人們對現代信息網絡的切實要求。人

們可以通過配有無線接口的便攜計算機或個人數字助理來實現移動中的通信。

目前的移動通信大多需要有線基礎設施（如基站）的支持才能實現。為了能夠

在沒有固定基站的地方進行通信，一種新的網絡技術——AdHoc[1]（無線自組

織）網絡技術應運而生。AdHoc網絡不需要有線基礎設備的支持，通過移動主

機自由的組網實現通信，因此它被廣泛應用在各種場合。同時，隨著一個網絡

的使用，對它的研究也接踵而至。目前，國內外對AdHoc網絡的研究方向有很

1

多，對其TCP(TransmissionControlProtocol，傳輸控制協議)性能的研究也

較多，主要有對TCP協議變體的研究，如TCPVegas協議[2]，TCPVegasE協議[2]

和TCPVeno協議[3]；算法的研究，如DWDB(DoubleWindowsDynamicBackoff)[4]

來解決由MAC層的隱藏節點導致的TCP不穩定；還有對AdHoc網絡網絡層的路

由協議的探討等等。綜合國內外的研究，不管是哪種策略，都不能全方面的改

善AdHoc網絡TCP的性能，本文主要針對丟包方面來優化TCP性能，即針對報

文傳輸時丟包的原因，提供相應的解決辦法。

二、AdHoc網絡概述

（一）AdHoc網絡的定義

AdHoc在拉丁文中的本意是“為這個目的”，通常它都預示一個專門的、不可

歸納的問題或任務的解決方案，并不適用于其他用途[5]。所以AdHoc網絡通常也被

稱為“無固定設施網”或“自組織網”，它是一組帶有無線收發裝置的移動終端組

成的一個多跳的臨時性自治系統[6]。移動終端具有路由功能，可以通過無線連接構

成任意的網絡拓撲，這種網絡可以獨立工作，也可以和Internet或蜂窩無線網絡

連接。在AdHoc網絡中，每個移動終端兼備路由器和主機兩種功能：作為主機，

終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終端需要運行相應的路由協議，

根據路由策略和路由表參與分組轉發和路由維護工作。

（二）AdHoc網絡的特點

AdHoc網絡具有以下特點：

1．自組織性

Adhoc網絡沒有嚴格的控制中心，所有結點的地位平等，即是一個對等式網

絡。網絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網絡設施。結點通過分層協議和分布

式算法協調各自的行為，結點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡，任

何結點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。AdHoc網絡相對常規

通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬件基礎網絡設

施的支持，快速構建起一個移動通信網絡。

2．動態變化的網絡拓撲結構

在AdHoc網絡中，移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之

間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發生變化。在自組網中，主機可能同時

2

還是路由器，因此，移動會使網絡拓撲結構不斷發生變化，而且變化的方式和速度

都是不可預測的。對于常規網絡而言，網絡拓撲結構則相對較為穩定。

3．有限的無線通信帶寬

在AdHoc網絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無

線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網絡帶寬相對有線信道要

低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等

多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。

4．有限的主機能源

在AdHoc網絡中，主機均是一些移動設備，如ＰＤＡ、便攜計算機或掌上電

腦。由于主機可能處在不停的移動狀態下，主機的能源主要由電池提供，因此AdHoc

網絡有能源有限的特點。

5．網絡的分布式特性

在AdHoc網絡中沒有中心控制節點，主機通過分布式協議互聯。一旦網絡的

某個或某些節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作。

6．生存周期短

AdHoc網絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比

較短。

7．有限的物理安全

移動網絡通常比固定網絡更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒

絕服務等攻擊。現有的鏈路安全技術有些已應用于無線網絡中來減小安全攻擊。不

過AdHoc網絡的分布式特性相對于集中式的網絡具有一定的抗毀性。

（三）AdHoc網絡的應用

源于AdHoc網絡的優點，它應用于多個領域，并且它的應用領域越來越多。

總體來說，可以應用于下列場合：

1．沒有有線通信設施的地方，如沒有建立硬件通信設施或有線通信設施遭受破

壞。

2．需要分布式特性的網絡通信環境。

3．現有有線通信設施不足，需要臨時快速建立一個通信網絡的環境。

4．作為生存性較強的后備網絡。

3

三、AdHoc網絡使用TCP的問題

TCP協議最初是針對固定有線網絡設計的，為發送方和接收方之間提供可靠、

有序的傳輸服務。TCP協議依靠其錯誤控制機制來保證連接的可靠性，它假設所有

的網絡丟包是由擁塞造成。但AdHoc網絡有著明顯不同于固定有