‫ مشکلات و راهکارهای بهبود پروتکل TCP در شبکه‌های بی‌سیم

مشکلات و راهکارهای بهبود پروتکل TCP در شبکه‌های بی‌سیم

مریم شفیعی, ناصر یزدانی, مسعود رهگذر

چکیده

پروتکل TCP رایج‌ترین پروتکل انتقال در اینترنت است. از آنجا که این پروتکل برای شبكه‌های سیمی‌ طراحی و پیاده‌سازی شده است، كارایی آن در محیط‌های بی‌سیم دچار افت و كاهش شدیدی می‌شود. از طرفی این پروتکل ارسال مطمئن داده‌ها را تضمین می‌کند و حدود 85% کاربرد‌های اینترنت از این استاندارد استفاده کرده‌اند، بنابراین حذف این پروتکل یا نادیده گرفتن مشکلات آن در شبکه‌های بی‌سیم عملا غیرممکن است. در سال‌های اخیر، طرح‌ها و پیشنهاد‌های بسیاری به‌منظور حل مشكل ناكارآمد بودن TCP در شبكه‌های بی‌سیم ارائه شده است. ما در این مقاله سعی کرده‌ایم تا تمام مشکلاتی که در شبکه‌های بی‌سیم بر کارایی TCP تاثیر منفی گذاشته‌اند را مورد بررسی قرار دهیم. ما این مشکلات را به دو دسته، مشکلات ناشی از ساختار پروتکل TCP و مشکلات ناشی از ویژگی‌های محیط بی‌سیم بر کارایی پروتکل TCP، تقسیم کرده‌ایم. همچنین متناسب با این مشکلات، روش‌های بهبود کارایی TCP را از نقطه نظر کاربردها و از نقطه نظر پیاده‌سازی به دو دسته تقسیم کرده‌ایم. از نقطه نظر کاربردها، شبکه‌های بی‌سیم رایج شامل شبکه‌های ماهواره‌ای، Ad hoc و سلولی هستند. در دسته دوم نیز روش‌های بهبود TCP را به پنج دسته تقسیم کرده‌ایم: اتصال تقسیم شده، کنترل ازدحام انفعالی، کنترل ازدحام فعالانه، ارتقاء کارکرد لایه پیوند داده و روش‌های همکاری بین لایه‌ای. ما درباره ماهیت هر یک از روش‌ها بحث کرده و برای هرکدام از آنها پروتکل‌هایی را برای مثال آورده‌ایم و درباره عملکرد و نقاط ضعف و قوتشان بحث کرده‌ایم. در ادامه یک پروتکل جدید انتها به انتها به نام VECU که در برخورد با اتلاف بسته‌های تصادفی موثر و کارامد است معرفی می‌نماییم. عنصرکلیدی VECU این است که‌ این پروتکل سطح ازدحام شبکه را مانیتور کرده و از این اطلاعات برای تشخیص علت اتلاف بسته‌ها (ازدحام و یا خطای بیتی) استفاده می‌کند. در این روش زمانی که اندازه پنجره از نقطه اشباع دور است، اندازه پنجره را به صورت تهاجمی‌افزایش می‌دهد و وقتی که نزدیک به نقطه اشباع است به کندی افزایش می‌دهد. VECU با رفع وابستگی تابع افزایش پنجره از RTT، پهنای باند را بصورت عادلانه بین جریان‌ها با RTT متفاوت به اشتراک می‌گذارد. این پروتکل پایدار و مقیاس‌پذیر است و از لینک به صورت کامل استفاده می‌کند. این روش تنها نیاز به تغییر در سمت فرستنده دارد.

کلمات کلیدی

شبکه های بی سیم, روش های بهبود کارایی TCP, VECU, مشکلات پروتکل TCP

مراجع

  • [1] J. Postel, "Transmission control protocol," RFC 793,1981.
  • [2] W. Stevens, "TCP Slow Start, Congestion Avoidance,Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms," RFC 2001,1997.
  • [3] C. Siva Ram Murthy, and B. S. Manoj, Ad Hoc WirelessNetworks: Architectures and Protocols, New Jersey: PrenticeHall, 2004.
  • [4] H. Hari Balakrishnan, "Challenges to Reliable DataTransportover Heterogeneous Wireless Networks," Ph.D.dissertation, Univ. California, Berkeley, CA, 1998.
  • [5] M. Moustafa, "TCP over Mobile Ad-Hoc AccessNetworks," Master Thesis, Carleton University, Ottawa,December 2002.
  • [6] V. Badarla, and C. Siva Ram Murthyb, "Learning-TCP:A stochastic approach for efficient update in TCP congestionwindow in ad hoc wireless networks," J. Parallel Distrib.Comput. vol. 71, pp. 863–878, 2011.
  • [7] M. C. Chan, and R. Ramjee, "Improving TCP/IPPerformance over Third-Generation Wireless Networks,"IEEE Trans. Mobile Computing, vol. 7, no. 4, 2008.
  • [8] X. Chen, H. Zhai, J. Wang, and Y. Fang, "TCPPerformance over Mobile Ad-hoc Networks," CanadianJournal of Electrical and Computer Engineering, vol. 29, pp.129–134, 2004.
  • [9] V. Anantharaman, S. J. Park, K. Sundaresan, and R.Sivakumar, "TCP Performance over Mobile Ad-hocNetworks: a Quantitative Study," Wireless Communicationand Mobile Computing Journal, vol. 4, pp. 203–222, 2004.
  • [10] H. Balakrishnan, V. N. Padmanabhan, and R. H. Katz,
  • "The Effects of Asymmetry on TCP Performance," Proc.ACM/IEEE Mobicom, pp. 77–89, 1997.
  • [11] Y. Tian. K. Xu, and N. Ansari, "TCP in WirelessEnvironments: Problems and Solutions," IEEE RadioCommunications, pp. 0163-6804, 2005.
  • [12] X. Chen, H. Zhai, J. Wang, and Y. Fang, A Survey onImproving TCP Performance over Wireless Networks, inResource Management in Wireless Networking, Springer,2003, sec. 6, pp 657-695.
  • [13] I. F. Akyildiz, G. Morabito, and S. Palazzo, "TCP-Peach: A New Congestion Control Scheme for Satellite IPNetworks," IEEE/ACM Trans. Net., vol. 9, no. 3, pp.307–21, 2001.
  • [14] J. Liu, and S. Singh, "ATCP: TCP for Mobile Ad HocNetworks," IEEE JSAC, vol. 19, no. 7, pp. 1300–1315, 2001.
  • [15] T. Goff, and et. al., "Freeze-TCP: A True End-to-endEnhancement Mechanism for Mobile Environments," Proc.IEEE INFOCOM, pp. 1537–45, 2000.
  • [16] A. Bakre, and B. R. Badrinath, "I-TCP: Indirect TCP forMobile Hosts," Proc. ICDCS, pp. 136–43, 1995.
  • [17] R. Yavatkar, and N. Bhagawat, "Improving End to EndPerformance of TCP over Mobile Networks," Proc.Workshop on Mobile Computing Systems and Applications,1994.
  • [18] M. Mathis, and et. al., "TCP Selective AcknowledgmentOptions," RFC 2018, 1996.
  • [19] K. Pentikousis, H. Badr, and B. Kharmah, "TCP withECN: Performance Gains for Large TCP Transfers,"Department of Computer Science, SUNY at Stony Brook,2001.
  • [20] Ch. Liu, and R. Jain, "Approaches of Wireless TCPEnhancement and a New Proposal Based on CongestionCoherence," Proc. Annual Hawaii International Conferenceon System Sciences, 2003.
  • [21] L. Brakmo, and L. Peterson, "TCP Vegas: End to EndCongestion Avoidance on a Global Internet," IEEE JSAC,vol. 13, no. 8, pp. 1465-80, 1995.
  • [22] C. P. Fu, and S. C. Liew, "TCP Veno: TCPEnhancement for Transmission over Wireless AccessNetworks," IEEE JSAC, vol. 21, no. 2, pp.216–28, 2004.
  • [23] C. Casetti, and et. al., "TCP Westwood: BandwidthEstimation for Enhanced Transport over Wireless Links,"Proc. ACM Mobicom, pp. 287–97, 2001.
  • [24] K. Xu, Y. Tian, and N. Ansari, "TCP-Jersey forWireless IP Communications," IEEE JSAC, vol. 22, no. 4,pp. 747–56, 2004.
  • [25] C. Parsa, and J. J. Garcia-Luna-Aceves, "ImprovingTCP Performance over Wireless Networks at the LinkLayer," Mobile Networks and Applications, 1999.
  • [26] S. Vangala, and M. Labrador, "Performance of TCPover wireless networks with the Snoop protocol," Proc. LocalComputer Networks, 2002.
  • [27] N. H. Vaidya, M. Mehta, C. Perkins, and G.Montenegro, "Delayed Duplicate Acknowledgement: a TCPunaware approach to improve performance of TCP overwireless," Technical Report 99-003, Computer ScienceDept., Texas A&M University, 1999.
  • [28] D. Sun, and H. Man, "ENIC – An Improved ReliableScheme for Mobile Ad HocNetworks," Proc. IEEE GlobeCOM Conference, 2001.
  • [29] M. Chinta, A. Helal, and Ch. Lee, "ILC-TCP: AnInterlayer Collaboration Protocol for TCP PerformanceImprovement in Mobile andWireless Environments," IEEEWireless Communications and Networking, vol. 2, pp.1004-1010, 2003.
  • [30] S. Floyd, M. Handley, and J. Padhye, "A Comparison ofEquation-Based and AIMD Congestion Control," 2000.
  • [31] D. Leith, and R. Shorten, "H-TCP protocol for high-speed long distance networks," Proc. International Workshopon Protocols for Fast Long- Distance Networks, pp. 16–17,2004.
  • [32] S. Floyd, "Highspeed TCP for large congestionwindows," Internet draft, draft-floyd-tcp-highspeed-01.txt,Available at: http://www.icir.org/floyd/hstcp.html, 2003.
  • [33] D. X. Wei, C. Jin, S. H. Low, and S. Hedge, "FASTTCP: Motivation architecture,algorithm and performance,"IEEE/ACM Trans. Netw., vol. 14, no. 6, pp. 1246–1259,2006.
  • [34] T. Kelly, "Scalable TCP: Improving Performance inHigh Speed Wide Area Networks," ComputerCommunication Review, vol. 33, No. 2, pp. 83-91, 2003.