探析基于移动 IP 环境优化TCP 性能

　　摘要：针对TCP协议在无线应用，移动环境中的改进已经有了多种方法，如使用I-TCP（无线主机使用I-TCP协议），Snooping协议，Intermediate-link等多种连接方法。本文主要从移动IP的角度来考虑怎样改进TCP对差错的控制和对网络堵塞的分析。移动IP的环境和经常切换移动IP的现实使得经常会造成网络的终端，传统TCP协议对网络中断，网络阻塞有着不同的理解和定义，因此通过一定的IP切换方式，如快速切换或者移动切换来告知TCP，方便其分析网络终端的原因，并据此进行网络续连是可行的。
　　关键词：TCP；移动IP；网络堵塞；协议
　　1移动IP系统
　　移动IP技术就是为了解决互联网移动而诞生的。它有效解决了移动计算机的安全和用户管理，实现了移动用户的双向访问和基于IP的权限管理、计费管理，实现了移动用户对企业资源的透明访问。如果移动计算机（即移动节点）移到新网络后其IP地址保持不变，则移动节点的地址不会反映新连接点。因此，所存在的路由协议无法将数据报正确路由到该移动节点。必须使用表示新位置的其他IP地址来重新配置移动节点。指定其他IP地址会比较麻烦。因此，在当前Internet协议下，如果移动节点在移动后其地址不变，则会失去路由。如果移动节点确实对其地址进行更改，则会失去连接。移动IP通过允许移动节点使用两个IP地址，可以解决上述问题。第一个地址是家乡地址，它是固定的。第二个地址是转交地址，它在每个新连接点都会发生变化。移动IP允许计算机在Internet上自由漫游。另外，它还允许计算机在组织的网络上自由漫游，同时仍保持其家乡地址不变。因此，当用户更改计算机的连接点时，通信活动不会中断。相反，会使用移动节点的新位置对网络进行更新。
　　2基于移动IP通信的TCP性能优化
　　移动通信的TCP性能优化主要从TCP与移动IP技术的结合方面来考虑。TCP协议最初的设计只是应用于有线网络中，但是随着无线网络的发展，以及无线网络和有线网络的相互融合，TCP的应用会出现一些问题，如在控制网络堵塞方面，TCP在有线和无线中的表现就会有很大的差别。前者中，在遇到拥塞时TCP会启动拥塞避免机制，但是在后者中，当链路状况发生突变，或者MN发生移动导致少量数据丢失时，TCP也会进行拥塞避免，当链路状况恢复，或者节点完成切换后，拥塞避免过程往往仍无法结束，从而使得传输效率变得低下。TCP和移动IP相结合，可以一定程度的对TCP进行优化。
　　2.1移动环境下提高TCP信道利用率的方案
　　在无线网络中，要提高无线链路的TCP信道利用率，目前主要有两种方案：1)由IP层和媒体接入控制来处理丢失的包并分析其可能出现的原因，因为它是由下一层给TCP提供一条高质量的、能与有线网络相等效的无线链路，因此对TCP来说，它无需知道物理层链路的特性，能区分是网络堵塞造成还是真正的包丢失；2)将TCP与IP层以及MAC层联。这样可以打破OSI模型各层之间的独立性，能够在IP层或者MAC层进行差错控制和差错恢复，提高链路的可靠性。对于剩余的拥塞问题，将控制权交给TCP层，由TCP继续进行拥塞控制和差错恢复。这时，TCP需要区分是网络拥塞还是非网络拥塞引起的包丢失两种情况。相对而言，由于TCP和IP层以及和环境来考虑，然后从IP切换的角度来讨论改善TCP的性能。
　　2.2移动环境下IP切换对TCP的影响
　　TCP具有流量及拥塞控制、对用户数据进行分段和重装等功能。许多应用诸如简单网络管理协议（SNMP）、远程通信协议（TELNET）都选用TCP提供端到端面向连接的可靠服务。移动环境对TCP的影响主要有两个：
　　1)移动环境下TCP对网络堵塞的理解不同。TCP对用户的数据进行分组，接收方按顺序对发送方发过来的TCP分组做出应答，如果等待响应超时或者出现多个重复响应，发送方便认为出现接收分组丢失或者网络堵塞。因此，一旦检测到分组丢失，除了重发丢失的分组以外，TCP还降低发送速率以缓解网络拥塞。随后，它逐渐增加发送速率，用以试探网络的容量而又不至于引起拥塞。这种最初的设计用于Internet的TCP时，主要针对有线网络，底层的链路被认为是相对可靠的，且TCP通过网络监测机制在Internet上运行得十分有效。
　　2)移动环境下IP的切换。当对端节点发送数据给移动主机时，根据移动IP，数据将发给归属代理，然后转交给外地代理，最后转发到移动主机。因此应该对TCP进行适当的改进，使得在移动IP条件下，TCP能够正确区分出是由于网络拥塞或是由于移动IP切换而丢包，或是发生在无线链路的误码等原因造成的。为了解决现存和将来的无线链路TCP性能问题，传输层和链路层都需要做一些改进。除了进一步加强协议层之间的透明性外，还必须考虑如何提高层间的配合，以使链路层可以更好地满足应用的要求，而传输层可以更好地适应无线链路的特性。
　　2.3基于移动IP技术改善TCP性能
　　对于移动环境下切换IP时引起的数据丢包，可以通过有效改善TCP的性能得到有效的控制。
　　1)快速重发。前文分析了传统的TCP是假定大多数报文丢失都是网络堵塞引起的。因此一旦移动断切换IP时会导致数据报文丢失时，这就引起TCP马上进入拥塞控制机制，成倍递减拥塞窗口，重传定时器计时长度按指数级增加，拥塞结束后，采用算术级窗口恢复策略，即“慢启动”。这样，可以解决由于TCP的“慢启动”机制而对传输流量造成的影响，因此快速重发的基本思想是当IP发生切换时，移动主机或者接受者通过某种方式通知对方重新自动发送信息包，以便双方在新的移动IP环境下进行通信。比如：当移动主机是TCP接收者时，切换完成后，它主动发送三个重复ACK或者某种通知给发送者，激发发送者快速重传，当移动主机是TCP发送者时，切换完成后，它直接激发自己快速重传。采用快速重发的方式，设计到TCP协议和移动IP切换等一些技术的合作。
　　2)平滑切换。平滑切换技术是指采用在新外地代理间转发数据包的方法，用以减小移动IP切换所造成的影响。该方法的主要思想是：在BS处缓存包，在短的超时后，丢弃这些包，如果切换发生在超时前，转发这些包到新的BS，避免包丢失。和其它协议不同，snoop能准确的发现丢包的原因并采取行动来防止TCP发送方不必要的窗口减少。当移动端IP发生切换时，向新的外地代理发出注册请求，新的外地代理则向移动IP的家代理中继注册请求，它的归属代理除了向新的外地代理正常应答外，还应及时通知原来的外地代理此IP的新转交地址。这样当切换发生时，原先的外地代理将把存储的、未得到应答的数据包转发到新的外地代理。如果这个过程进行得很快，就不会触发TCP冲突控制策略。
　　3结论
　　针对TCP协议在无线应用，移动环境中的改进已经有了多种方法，如使用I-TCP（无线主机使用I-TCP协议），Snooping协议，Intermediate-link等多种连接方法。本文主要从移动IP的角度来考虑怎样改进TCP对差错的控制和对网络堵塞的分析。移动IP的环境和经常切换移动IP的现实使得经常会造成网络的终端，传统TCP协议对网络中断，网络阻塞有着不同的理解和定义，因此通过一定的IP切换方式，如快速切换或者移动切换来告知TCP，方便其分析网络终端的原因，并据此进行网络续连是可行的。

《探析基于移动 IP 环境优化TCP 性能》

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