MANET中TCP性能評(píng)估與改進(jìn)課件

MANET中TCP性能評(píng)估與改進(jìn)趙慧周2005.1.8提綱TCP的特點(diǎn)MANET的特點(diǎn)MANET中TCP性能評(píng)估MANET中TCP性能改進(jìn)提綱TCP的特點(diǎn)MANET的特點(diǎn)MANET中TCP性能評(píng)估MANET中TCP性能改進(jìn)發(fā)送端行為流量控制慢啟動(dòng)擁塞避免出錯(cuò)處理快速重傳快速恢復(fù)TCP發(fā)送端行為——流量控制問(wèn)題：TCP應(yīng)該發(fā)多快？滑動(dòng)窗口協(xié)議——兩個(gè)參數(shù)：擁塞窗口(cwnd)：未確認(rèn)字節(jié)數(shù)的上界慢啟動(dòng)門限(ssthresh)：進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)的擁塞窗口門限值TCP發(fā)送端行為——錯(cuò)誤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)丟包丟包信號(hào)：發(fā)送端檢測(cè)到超時(shí)（RTO）或重復(fù)ACK原因分析：網(wǎng)絡(luò)擁塞TCP發(fā)送端行為——錯(cuò)誤恢復(fù)從檢測(cè)到丟包到收到新的確認(rèn)之間如何發(fā)包？如何計(jì)算RTO、cwnd、ssthresh？收到新確認(rèn)后進(jìn)入何種擁塞控制：慢啟動(dòng)？擁塞避免？（即：cwnd、ssthresh如何確定）TCP接收端影響TCP發(fā)送端通告窗口adwndACK產(chǎn)生方法：立即ACK，延時(shí)ACK累加ACK（發(fā)送端默認(rèn)）,選擇性ACK（發(fā)送端SACK）中間節(jié)點(diǎn)影響TCP發(fā)送端主動(dòng)丟包（如：RED）各種Explicit通知（需要發(fā)送端或接收端TCP支持）TCP的特點(diǎn)——總結(jié)行為發(fā)送端（傳輸層）流量控制（慢啟動(dòng)、擁塞避免）出錯(cuò)處理（檢測(cè)、恢復(fù)）接收端（傳輸層）通告窗口ACK中間節(jié)點(diǎn)（非傳輸層）主動(dòng)丟包顯示通知提綱TCP的特點(diǎn)MANET的特點(diǎn)MANET中TCP性能評(píng)估MANET中TCP性能改進(jìn)MANET定義MANET:移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（mobileadhocnetwork）AMANETisanautonomoussystemofmobilenodes.Thesystemmayoperateinisolation,ormayhavegatewaystoandinterfacewithafixednetwork.[RFC2501,January1999]MANET的特點(diǎn)Dynamictopologies:mobility,multi-hopBandwidth-constrained,variablecapacitylinksEnergy-constrainedoperationLimitedphysicalsecurityMANET對(duì)TCP的挑戰(zhàn)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)高誤碼率時(shí)變信道隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題路由失效和網(wǎng)絡(luò)分區(qū)往返路徑不對(duì)稱帶寬、丟包率、路由不對(duì)稱能量受限MANET對(duì)TCP的挑戰(zhàn)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)高誤碼率時(shí)變信道隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題路由失效和網(wǎng)絡(luò)分區(qū)往返路徑不對(duì)稱帶寬、丟包率、路由不對(duì)稱能量受限Next相關(guān)“范圍”傳輸范圍(TX_range)：可以成功接收幀的通信范圍，取決于發(fā)送能量和無(wú)線電波傳輸特性物理層偵聽(tīng)范圍(PCS_range)：可以檢測(cè)到該傳輸?shù)姆秶?，取決于接收器靈敏度和無(wú)線電波傳輸特性。干擾范圍(IF_range)：在此范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)如果發(fā)送不相關(guān)的幀，將干擾接收端的接收并導(dǎo)致丟幀。隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題隱藏節(jié)點(diǎn)能夠干擾接收端，但不能偵聽(tīng)到發(fā)送端。暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題暴露節(jié)點(diǎn)能夠偵聽(tīng)到發(fā)送端，但不會(huì)干擾接收端。空間重用和鏈路沖突TX_range=250mPCS_rang=IF_range=550mNeighbornodesare200mapartBacktochallenges提綱TCP的特點(diǎn)MANET的特點(diǎn)MANET中TCP性能評(píng)估MANET中TCP性能改進(jìn)TCP性能指標(biāo)ThroughputGoodputfairnessConnectiontimeMANET中TCP性能評(píng)估——評(píng)估方法模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)分析MANET中TCP性能評(píng)估——網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中TCP性能評(píng)估靜態(tài)拓?fù)洌╯tring,ring,cross,grid）靜態(tài)路由節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)TCP性能的影響動(dòng)態(tài)路由（路由協(xié)議）移動(dòng)行為（mobilitypattern）無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)TCP在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出：隨跳數(shù)增加throughput下降不穩(wěn)定性不公平性鏈路層鏈路沖突鏈路層重傳傳輸層DelayedACKCWL實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：隨跳數(shù)增加throughput下降無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：TCP不穩(wěn)定性（1）無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：

TCP不穩(wěn)定性（2）無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：TCP不公平性無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：鏈路沖突隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題DATA與DATA沖突DATA與ACK沖突導(dǎo)致TCP單TCP流：throughput低，不穩(wěn)定多TCP流：不公平[spatialreuse-basedCWL]2003：MANET中的“網(wǎng)絡(luò)擁塞”是指“鏈路沖突嚴(yán)重”無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：鏈路層確認(rèn)與重傳（1）正面作用：可靠傳輸（信道誤碼、鏈路沖突）[CSMA、FAMA、MACAWMAC]1999：沒(méi)有鏈路ACK，窗口尺寸大于1packet，吞吐量很低[LinkRetransmission]1999：如果link重傳次數(shù)低于平均突發(fā)丟包數(shù)，即使sender與receiver之間跳數(shù)不多，TCP吞吐量下降也非常嚴(yán)重；如果link重傳次數(shù)高于平均突發(fā)丟包數(shù)，重傳次數(shù)的增多對(duì)TCP吞吐量改進(jìn)不明顯無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：鏈路層確認(rèn)與重傳（2）負(fù)面作用：[CSMA、FAMA、MACAWMAC]1999，[802.11MAC2001]：重傳使用的指數(shù)回退算法導(dǎo)致不公平[LinkRetransmission]1999：鏈路重傳次數(shù)過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致TCP進(jìn)入超時(shí)重傳，以致于同一個(gè)數(shù)據(jù)包在路徑上競(jìng)爭(zhēng)傳送，反而會(huì)降低TCP性能無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：

傳輸層CWL[S.Xu,T.Saadawi,MyungLee]2000-2002：CWL=4[spatialreuse-basedCWL]2003：對(duì)于一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)流量，存在一個(gè)最優(yōu)TCP擁塞窗口，使得空間重用度最佳，從而使TCP性能最優(yōu)。[BDP-basedCWL]2003：理論分析：帶寬延時(shí)積不超過(guò)往返總跳數(shù)?；?02.11MAC模擬得到對(duì)應(yīng)不同跳數(shù)的最優(yōu)CWL，此為與不同跳數(shù)對(duì)應(yīng)的BDP——不超過(guò)往返總跳數(shù)的1/5無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：

傳輸層DelayedACK（1）與DelayedACK相關(guān)的有兩個(gè)參量：d,t基本思想：減少ACK數(shù)量，可以降低ACK與data沖突的可能性，從而使TCP性能得到提高。追求：d=congestionwindow無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：

傳輸層DelayedACK（2）模擬實(shí)驗(yàn)：[S.Xu,T.Saadawi,MyungLee]2000-2002：打開(kāi)DelayedACK選項(xiàng)時(shí)，性能可提升15%-32%[DynamicDelayedACK]2003：不同d、t設(shè)置時(shí)TCP吞吐量對(duì)比研究理論分析：用嵌入式馬爾可夫鏈模型分析“基于802.11MAC的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能”fixedTCPwindow=2，打開(kāi)DelayedACK選項(xiàng)TCP性能提高FixedTCPwindow>2，隨著d接近TCP發(fā)送窗口W，TCP性能提升無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)：實(shí)際實(shí)驗(yàn)戶外開(kāi)放空間研究三個(gè)問(wèn)題（TCP&UDP）物理層速率與傳輸層最大throughput的關(guān)系物理層速率與通信范圍之間的關(guān)系Hidden/exposednode存在時(shí)的情景實(shí)際運(yùn)行的802.11b的如下特點(diǎn)沒(méi)有被模擬器仿真動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)物理層速率Data與controlpacket、payloadheader的發(fā)送速率不同由于恒定功率，不同發(fā)送速率時(shí)，但信號(hào)攜帶的能量不同，使得速率越低，能量越大，通信范圍越廣模擬軟件中設(shè)置的傳輸范圍太大，使得節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，路由變化和重建頻率比實(shí)際中低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)行為（mobilitypattern）網(wǎng)絡(luò)層不同路由協(xié)議路由協(xié)議允許/不允許Cache應(yīng)答節(jié)點(diǎn)移動(dòng)：屏蔽“多跳”影響[nodemobility]1999：提出expectedthroughput，它是一定的mobilitypattern下，TCPthroughput的最大值節(jié)點(diǎn)移動(dòng)：結(jié)合具體案例分析throughput[nodemobility]1999：基于DSR路由協(xié)議進(jìn)行ns2模擬，發(fā)現(xiàn)：一定平均速度下，有些mobilitypattern的throughput接近expectedthroughput，有些pattern的throughput接近0有些mobilitypattern下，throughput隨速度增大而降低有些mobilitypattern下，throughput隨速度增大而提高結(jié)論：路由協(xié)議對(duì)TCP性能影響很大；DSR允許cache應(yīng)答時(shí)，cache中的staleroute使問(wèn)題復(fù)雜化。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)：[RouteCache]1999當(dāng)允許cache應(yīng)答時(shí)，routecache中的staleroute會(huì)使得route重建的時(shí)間增長(zhǎng)，以致于TCP反復(fù)進(jìn)入超時(shí)重傳狀態(tài)。（ns2模擬）對(duì)比研究允許/不允許cache應(yīng)答時(shí)，TCP的性能。（節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、背景CBR流量為可調(diào)參數(shù)）允許cache：額外負(fù)載低、應(yīng)答中staleroute多不允許cache：額外負(fù)載高、應(yīng)答中staleroute少結(jié)論：cache中的route準(zhǔn)確性隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性加快而降低、隨穩(wěn)定的CBR流的數(shù)量的增多而提高。應(yīng)該研究自適應(yīng)routecache管理機(jī)制。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)：路由協(xié)議[DSR、DSDV、AODV、SSARoute]2000：TCP吞吐量與節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)速度、暫歇時(shí)間的關(guān)系（ns2模擬）由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下觀點(diǎn)：路由失效的頻繁度、路由協(xié)議開(kāi)銷、路由重建延時(shí)是影響adhoc網(wǎng)絡(luò)中TCP吞吐量的主要因素在節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)的場(chǎng)景中，路徑的穩(wěn)定性要比路徑跳數(shù)少更為重要（因?yàn)橛^察到：高速時(shí)SSA的性能最好）從性能評(píng)估可以看到無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)降低鏈路沖突率MAC重傳與TCP重傳相互影響節(jié)點(diǎn)移動(dòng)快速恢復(fù)路由，使TCP不致于超時(shí)重傳TCP可區(qū)分出路由失效，并做正確處理MAC重傳、路由協(xié)議與TCP相互影響提綱TCP的特點(diǎn)MANET的特點(diǎn)MANET中TCP性能評(píng)估MANET中TCP性能改進(jìn)協(xié)議分類通過(guò)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)原因改進(jìn)TCP性能顯示通知：TCP-F,ELFN,TCP-BuS,ATCP端檢測(cè)：FixedRTO,DOOR結(jié)合無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)提出改進(jìn)方案化整為零：SplitTCP避免鏈路沖突：DynamicDelayedACK、AdaptiveCWL、LinkRED、Adaptivepacing、NRED[TCP-F]1998依靠顯示通知區(qū)分路由失效和網(wǎng)絡(luò)擁塞路由變化時(shí)檢測(cè)到變化的中間節(jié)點(diǎn)向sender發(fā)送routefailurenotification(RFN)sender接收到RFN進(jìn)入snooze狀態(tài)：保存TCP狀態(tài)啟動(dòng)routefailuretimer（取決于采用何種路由算法）轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)RFN的中間節(jié)點(diǎn)得知到receiver的路由恢復(fù)時(shí)，向sender發(fā)送routereestablishmentnotification(RRN)sender收到RRN，離開(kāi)snooze狀態(tài)，恢復(fù)snooze狀態(tài)前TCP連接的參數(shù)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。評(píng)價(jià)：黑盒模擬；TCP-F性能優(yōu)于TCP[ELFN]1999基于DSR，依靠顯示通知區(qū)分路由失效和網(wǎng)絡(luò)擁塞當(dāng)路由失敗時(shí)向源端發(fā)送的DSR路由失敗信息中增加了類似于“hostunreachable”的信息（ELFN）源端接收到ELFN則進(jìn)入stand-by狀態(tài)，并定時(shí)發(fā)送探測(cè)包檢查路由是否被重新建立當(dāng)收到探測(cè)包的ACK，則認(rèn)為路由已經(jīng)重新建立，轉(zhuǎn)出stand-by狀態(tài)，恢復(fù)之前的TCP連接參數(shù)，開(kāi)始正常發(fā)送。實(shí)驗(yàn)：Probepacketsinterval(2soptimal,suggestedRTT-based)Congestionwindowafterstand-by(thevaluebeforestand-byoptimal)RTOafterstand-by(6soptimal,initialvalueinRenoandNewReno)[TCP-BuS]2001TCPBufferingcapabilityandSequenceinformation路由失效和重新建立時(shí)，PivotingNode向Source顯示通知ExplicitRouteDisconnectionNotificationExplicitRouteSuccessfulNotification路由重建過(guò)程中，已被傳送的packetsbuffered，RTOdoubled；這些packets中丟失的選擇性重傳；快速重傳時(shí)避免傳送因buffered而先期到底目的端的packetsERDN/ERSN控制包可靠傳輸（發(fā)送后偵聽(tīng)信道，如果沒(méi)有偵聽(tīng)到控制包被發(fā)送，則重發(fā)）實(shí)驗(yàn)：基于ABR路由協(xié)議，與TCP和TCP-F對(duì)比新意：packetsbuffered,reliabletransmissionofcontrolpacket[ATCP]2001在IP與TCP之間增加了中間層ATCP，影響TCP，等效于TCP能夠區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞、出錯(cuò)丟包、路由變化、亂序到達(dá)，并做出相應(yīng)的出錯(cuò)處理；實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)丟包、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)、包亂序情況下，ATCP是否能夠進(jìn)入正確狀態(tài)并提高TCP性能四臺(tái)PC機(jī)+以太網(wǎng)卡組成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，沒(méi)有無(wú)線鏈路，也沒(méi)有adhocroutingprotocol[Fixed-RTO]2001出錯(cuò)檢測(cè)：連續(xù)兩次超時(shí)被認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生“路由失效”錯(cuò)誤恢復(fù)：未確認(rèn)包重傳，RTO不變對(duì)反應(yīng)式路由（AODV、DSR）之上的TCP性能提升明顯評(píng)價(jià)：出錯(cuò)檢測(cè)的方法沒(méi)有過(guò)多論證Probepacketinterval=RTO，與RTT有關(guān)，與[ELFN]有所不同[DOOR]2002TCPDetectionofOut-of-OrderandResponse檢測(cè)到OOO——路由發(fā)生變化源端檢測(cè):ACKOOO；DupACKwithone-byteADSNinACK目的端檢測(cè)：DATAOOO；TCP時(shí)間戳或two-byteTPSNinTCPpacket；在ACK中將OOO-bit置位通知源端檢測(cè)到OOO檢測(cè)到OOO后的措施T1時(shí)間內(nèi)不進(jìn)入擁塞控制狀態(tài)如果之前的T2時(shí)間內(nèi)進(jìn)入擁塞控制狀態(tài)，則恢復(fù)擁塞控制狀態(tài)前的TCP參數(shù)實(shí)驗(yàn)顯示：Sender-based與receiver-based效果相近對(duì)TCP性能提升可達(dá)50%評(píng)價(jià)：出錯(cuò)檢測(cè)方法沒(méi)有過(guò)多論證多路徑路由也可以導(dǎo)致OOO[SplitTCP]2002針對(duì)：跳數(shù)多、路由變化頻繁目標(biāo)：提高TCP吞吐量、改善公平性基本思想：在TCP端到端連接中設(shè)置proxy，將長(zhǎng)路徑切割成短路徑Routeagent根據(jù)“代理間距”確定哪些中間節(jié)點(diǎn)是proxyProxy上有一個(gè)CW；source上有CW和end-to-endCW，前者控制source包發(fā)送速度，后者控制包從緩沖區(qū)清除的速度實(shí)驗(yàn)顯示：當(dāng)代理間距為3跳到5跳時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)3-5個(gè)TCP連接，SplitTCP可是總吞吐量性能提升5%-30%；可以使公平性改進(jìn)60%。代價(jià)：largeproxybuffer，networkoverhead[DynamicDelayedACK]2003基本思想：根據(jù)發(fā)送端擁塞窗口大小，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)d。方案：根據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)d的大小，d={1,2,3,4}評(píng)價(jià)：d=congestionwindow是最優(yōu)設(shè)置可以使用其它信息來(lái)逼近d=congestionwindow這個(gè)設(shè)置；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)t也可以達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)d的效果[AdaptiveCWL]2003基本思想：找到MANET中路徑的BDP，通過(guò)設(shè)置TCPCWL=BDP來(lái)使TCP性能優(yōu)化。算法：CWL=function(