CN102186207A - 一种无线局域网络下跨层减少tcp重复应答方法 - Google Patents

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程金波
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Abstract

本发明公开无线局域网下减少TCP重复应答的跨层设计方法。该方法只需在无线局域网设备中进行少量的帧格式和流程处理的修改。无线接入点(AP)缓存发送端发给目的端的TCP/IP的头部局部信息。无线终端部分，在MAC层缓存TCP头的建议发送窗口，同时MAC头帧控制域保留的子域标记TCP层是否在规定时间向MAC层进行应答回复，MAC层发送时采用捎带变化TCP建议窗口的作为MAC负载的方式向AP发送MAC ACK。AP接收到目的端发送的MAC ACK之后，根据MAC头帧控制域的TCPACK回复标记和之前缓存的发送端的TCP/IP头部局部信息构建TCP ACK代理目的端向发送端进行TCP应答。

Description

一种无线局域网络下跨层减少TCP重复应答方法
技术领域  无线局域网络下跨层减少TCP重复应答方法属于无线通信网络技术领域
背景技术
传输控制协议(TCP)是因特网上应用极其普遍的一种重要的传输层协议，提供了面向连接的、可靠的数据流服务。它已经成为因特网上用于保证传输可靠性的事实标准，几乎被所有需要可靠性支持的数据通信应用所使用。当今Internet的可靠性和稳定性均与TCP协议的性能密不可分。
随着无线局域网的普及，大量的多媒体数据应用在无线终端上，而多媒体应用中，尤其以TCP应用为主。目前无线局域网传输可靠数据还是采用的传统TCP协议，而传统TCP并不能很好的表征无线局域网的网络特点，因为传统TCP本身是专为有线网络设计的。传统TCP在无线局域网上进行传输的特征之一是MAC层和传输层的重复应答。每个在无线局域网上传输的TCP数据段的设备先后会收到MAC层和传输层的应答，它们分别为MAC ACK和TCP ACK。虽然重复应答开销较传输数据帧小，但是它们占用了宝贵的信道***资源，会对***的吞吐量性能有较大的影响。如果在IEEE 802.11b下行传输中，去掉TCP ACK单独传递MACACK，***传输相同数据所用时间会节约25％以上。所以降低TCP重复应答以此来提高TCP性能是非常有必要的。
现有的减少TCP重复应答方法有如下几种：
第一种方法是在接入点(AP)处集成TCP ACK代理算法和自动调整退避算法。其中TCPACK代理算法是将TCP ACK代理程序安装在无线局域网AP中，由AP代理无线终端发送TCP ACK给服务器。这种方法可抑制无线局域网内的上行TCP ACK。自动调整退避算法减少了在多信道接入协议下，当无线局域网的流量负载主要是由AP产生时的长时间退避等待。这两个算法结合后的性能比标准的IEEE 802.11协议有较大提高，尤其在TCP吞吐量方面提高50％以上。
第二种方法是采用跨层设计的思路解决不能在无线终端有效传递TCP建议窗口的问题，采用的是延迟ACK的办法：通过AP监听发送端发过来的TCP数据，存储TCP的序号字段，然后转发给无线终端，无线终端收到数据之后立即转发到TCP层，MAC层在接收到TCP层的回复后，将存储TCP头信息，并把它封装成MAC ACK的负载发送给AP。AP通过检查接收到无线终端的MAC ACK的负载(TCP头)的信息，并保存TCP头用于本地代理无线终端对发送端发送TCP ACK。这种方法有以下不足：一是无线终端给AP传送的MAC ACK负载携带的是整个TCP头信息(20字节)，占用较多的无线终端存储资源和增加了负载长度，浪费了宝贵的信道资源；二是AP发送TCP ACK给发送端时，是按普通的TCP ACK方式进行发送，组帧有较多冗余信息，浪费了***资源和处理时间。
另一种减少无线信道的TCPACK的重复应答的跨层方案，是通过无线终端抑制TCPACK回复和在AP生成TCPACK代替无线终端进行回复实现。但是该方法只能计算自己接收到发送端的TCP数据对应的拥塞控制信息，对于AP传送TCP数据到无线终端后，无线终端实际接收TCP数据的能力，AP并不能传递给发送端；并且该方法只是一个思路，并没专门针对具体的无线协议进行完整***设计，缺乏一定的可实现性。
针对以上问题，提出了专门针对无线局域网(IEEE 802.11系列)协议的跨层减少TCP重复应答方法。
发明内容
典型有线无线混合网络传输TCP数据场景如图1所示。服务器1通过以太网和无线接入点(AP)2进行链接，AP通过无线局域网和无线终端3进行链接。无线终端3从有线网络的服务器1下载TCP数据。
在AP接收到服务器1的TCP数据之后，在AP内缓存服务器1发送给无线设备3的TCP头和IP头局部数据，存储在AP内，缓存的数据帧如图2所示，包括TCP头部的头序号(4字节)、协议域(0.5字节)和IP头的头长度(4字节)和需要发送的目的地址(4字节)。其具体操作流程图如图3所示。
无线终端3接收到AP的数据之后的处理流程见图4。MAC头帧控制域TCP ACK状态是通过MAC头帧控制域保留的类型和子类型进行区分，其标识规则见图5。
无线终端3完成数据的处理之后，发送数据给AP，AP接收到无线终端数据的操作流程如图6所示。
通过本方法，可以减少混合网络的TCP重复应答，由原来的两次重复应答MAC ACK和TCP ACK减少为一次应答MAC ACK。
附图说明
图1：有线无线混合网络下跨层减少TCP ACK应用拓扑
图2：AP内缓存的部分TCP头和IP头数据
图3：AP接收到服务器TCP数据处理流程
图4：无线终端接收到AP数据的处理流程
图5：TCPACK在MAC头帧控制域的标识规则
图6：AP接收到无线终端数据的处理流程
具体实施方式
该跨层设计方法是在无线通信网络中使用的，它的主要思想是在无线接入点(AP)进行适当的协议改进，增加存储发送端(可以为有线或无线终端)发送给目的端的TCP头和IP头部分数据功能。在无线终端的MAC和TCP之间采用跨层设计，MAC缓存本地产生的TCP头的TCP发送建议窗口，并在保留的MAC头帧控制域中新增TCPACK是否回复的状态位，根据TCP层的回复，设置MAC头帧控制域TCPACK状态位并比较TCPACK回复的建议窗口和之前缓存在MAC的建议窗口是否发生变化，组建捎带新TCP建议窗口负载的MAC ACK或不捎带负载的MAC ACK到AP。AP在接收到无线终端数据后，根据MAC ACK类型进行判断，然后将之前缓存的发送端部分帧头数据结合现有的MAC ACK捎带TCP建议窗口负载，组建新的TCPACK代理目的端对发送端进行TCP回复。
具体实现减少TCP重复应答的过程如图1所示，现描述如下：
服务器通过以太网向AP发送数据，AP在接收到发送端数据时，在本地缓存TCP的序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)，然后转发数据给无线终端。
无线终端接收到AP数据之后，将其转发到协议栈的TCP层，并等待短帧间间隔(SIFS)。如果在这个时间内MAC层收到TCP ACK，无线终端在MAC头帧控制域里面打上TCP ACKON的标记，并把TCP层的TCP发送建议窗口大小和缓存的建议窗口比较。如果建议窗口有变化，那么产生的MAC ACK将携带2字节的TCP建议窗口数据作为MAC负载，以捎带负载的MAC ACK发送给AP。如果建议窗口没变化，就直接回复AP MAC ACK。
无线终端在处理完数据后将数据发送回给AP。AP在收到无线终端发回来的数据后，根据MAC ACK是否携带TCP建议窗口负载进行组建TCP ACK对发送端进行代理应答；AP在收到MACACK后，首先判断MAC头帧控制域TCPACK的状态，如果是ON并且携带有负载，那么解封装MAC帧负载取出里面的TCP建议窗口，并添加之前本地缓冲区存储的TCP序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)等信息以捎带建议窗口负载构成TCP ACK向发送端发送；如果只是一个状态位ON，AP只需要向发送端发送一个快速的TCP ACK(只含有TCP序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)等组成的帧)；如果AP收到MAC ACK里面的TCPACK状态是OFF，那么AP将不会向发送端发送任何确认。

Claims (5)

1.一种无线局域网络下减少TCP重复应答的跨层设计方法，其特征在于：在无线接入点(AP)进行适当的协议改进，增加存储发送端(可以为有线或无线终端)发送给目的端的TCP头和IP头部分数据功能；在无线终端的MAC和TCP之间采用跨层设计思路，MAC缓存本地产生的TCP头的TCP发送建议窗口，并在保留的MAC头帧控制域中新增TCP ACK是否回复的状态位，根据TCP层的回复，设置MAC头帧控制域TCP ACK状态位并比较TCP ACK回复的建议窗口和之前缓存在MAC的建议窗口是否发生变化，组建捎带新TCP建议窗口负载的MAC ACK或不捎带负载的MAC ACK到AP；AP在接收到无线终端数据后，根据MAC ACK类型进行判断，然后将之前缓存的发送端部分帧头数据结合现有的MAC ACK捎带TCP建议窗口负载组建新的TCP ACK代理目的端对发送端进行TCP回复。
2.根据权利要求1所述的一种无线局域网络下减少TCP重复应答的跨层设计方法，其特征在于：AP在接收到发送端数据时，在本地缓存TCP的序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)，然后转发数据给无线终端。
3.根据权利要求1所述的一种无线局域网络下减少TCP重复应答的跨层设计方法，其特征在于：无线终端接收到AP数据之后，转发到协议栈的TCP层，并等待短帧间间隔(SIFS)；如果在这个时间内MAC层收到TCP ACK，无线终端在MAC头帧控制域里面打上TCP ACK ON的标记，并把TCP层的TCP发送建议窗口大小和缓存的建议窗口比较；如果建议窗口有变化，那么产生的MAC ACK将携带2字节的TCP建议窗口数据作为MAC负载，以捎带负载的MAC ACK发送给AP；如果建议窗口没变化，就直接回复AP MAC ACK。
4.根据权利要求1所述的一种无线局域网络下减少TCP重复应答的跨层设计方法，其特征在于：MAC层在标识是否收到TCP ACK的状态时，采用的是MAC头帧控制域的保留域；类型为01(对应帧控制域b3b2比特，即控制帧)和子类型域1000和1001(对应帧控制域b7b6b5b4比特)分别表示TCP ACK OFF(没有回复TCP ACK)和TCP ACK ON(接收到TCP ACK)。
5.根据权利要求1所述的一种无线局域网络下减少TCP重复应答的跨层设计方法，其特征在于：AP在收到无线终端的数据后，根据MAC ACK是否携带TCP建议窗口负载进行组建TCP ACK对发送端进行代理应答；AP在收到MAC ACK后，首先判断MAC头帧控制域TCP ACK的状态，如果是ON并且携带有负载，那么解封装MAC帧帧负载取出里面的TCP建议窗口，并添加之前本地缓冲区存储的TCP序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)等信息以捎带建议窗口负载构成TCP ACK向发送端发送；如果只是一个状态位ON，AP只需要向发送端发送一个快速的TCP ACK(只含有TCP序号字段(4字节)、协议域(1字节)、IP头部长度(0.5字节)和IP地址(4字节)等组成的帧)；如果AP收到MAC ACK里面的TCP ACK状态是OFF，那么AP将不会向发送端发送任何确认。
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