一種基于WiFi的TCP和UDP流吞吐量分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及IEEE802. 11無線局域網(wǎng)領(lǐng)域，建立一個針對UDP和TCP協(xié)議同時存 在的系統(tǒng)模型，并提出一種基于WiFi的吞吐量分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，以TCP/IP(TransferControlProtocol/InternetProtocol)為核心的 Internet取得了飛速的發(fā)展，已成為現(xiàn)代社會最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。如今，它逐漸滲透到 社會的各個領(lǐng)域，成為知識經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和載體，并在人類社會的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化和商 業(yè)等各個領(lǐng)域產(chǎn)生著日益廣泛和深遠(yuǎn)的影響。
[0003] 自1994年中國接入Internet以來，我國互聯(lián)網(wǎng)就一直保持高速發(fā)展，接入方式從 傳統(tǒng)電話撥號、ISND發(fā)展為ADSL、數(shù)據(jù)專線、光纖以太網(wǎng)等多種方式，網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)也由 傳統(tǒng)的WWW、FTP、Email等占絕對地位向承擔(dān)包括語音、數(shù)據(jù)、視頻等在內(nèi)的綜合業(yè)務(wù)及增 值服務(wù)發(fā)展。
[0004] 據(jù)統(tǒng)計，網(wǎng)絡(luò)容量成倍增加的同時，網(wǎng)絡(luò)性能并沒有如人們期望那樣的相應(yīng)提高， 其中對網(wǎng)絡(luò)速度非常滿意和比較滿意的總和僅為36. 7%。一方面，多年來因特網(wǎng)本身特別 是因特網(wǎng)在國內(nèi)的運行情況一直未被充分測量；另一方面，隨著Internet網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴 大，實時業(yè)務(wù)的不斷擴展和用戶對網(wǎng)絡(luò)速度、網(wǎng)絡(luò)性能要求的不斷提高，人們對于服務(wù)的質(zhì) 量和服務(wù)驗證的需求亦已日益增長。
[0005] 隨著無線局域網(wǎng)接入速度的提高和安全的加強，無線局域網(wǎng)終端產(chǎn)品越來越多， 尤其是移動手機里面嵌入了WiFi芯片，使手機也具備了無線局域網(wǎng)接入功能。通過WiFi手 機等終端設(shè)備上網(wǎng)的用戶越來越多，而手機用戶主要以手機視頻和文件下載等用途為主。 這些應(yīng)用都涉及到傳輸層對應(yīng)的UDP和TCP協(xié)議，如何有效地對它們進(jìn)行吞吐量的建模和 分析，對于改善WLANs終端的應(yīng)用服務(wù)效果有很大的影響。
[0006] 通過閱讀大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于IEEE802. 11協(xié)議的分析，其主要是基于DCF模型， 而后續(xù)的大部分文獻(xiàn)均采用的Bichan提出來的二維離散馬爾科夫模型進(jìn)行分析。此后， Calietal?等人提出了一個P-Persitent模型用以分析IEEE802. 11吞吐量，并得到更為 精確的估計，也是到目前為止最為理想的分析IEEE802. 11DCF協(xié)議的模型。
[0007] 然而，分析傳輸層吞吐量的文獻(xiàn)并不多，主要集中于兩個大類：（l)Adhoc，（2) InfrastructureBSS。針對Adhoc網(wǎng)絡(luò)，已有的文獻(xiàn)中分析研究的跳數(shù)均很少，比如一 跳。在BSS網(wǎng)絡(luò)中，分析比較多的僅僅只是TCP的單向飽和流（上行或下行）。而研究雙向 TCP流的非常之少，對于UDP吞吐量分析研究的文獻(xiàn)則更少，無法真實地反映現(xiàn)實無線通信 系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)的性能。
[0008] 基于上述問題，本發(fā)明提出一種針對UDP和TCP協(xié)議同時存在的系統(tǒng)模型，并提出 一種基于WiFi的吞吐量分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明旨在同時存在UDP和TCP協(xié)議情況下，提出吞吐量的分析模型和分析方法， 從而得出更為精確的吞吐量估計。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0011] 系統(tǒng)模型如附圖1所示，同一接入點AP下的移動終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。假設(shè)在 任何時間，每個無線站點都是單個的上行或下行流。表示TCP下行鏈路的接收站點數(shù)目， 表示TCP上行鏈路的發(fā)送站點數(shù)目。AP轉(zhuǎn)發(fā)TCPACK給#,丨發(fā)送者或TCP數(shù)據(jù)給AZj'接 收者，St表示一個站點產(chǎn)生的TCP流，SUT是一個站點發(fā)送TCP上行數(shù)據(jù)，SdT表示一個站點 接收TCP下行數(shù)據(jù)。
[0012] 模型假設(shè)：
[0013]S.I:TCP流沒有丟包損失，也就是每個站點的傳輸隊列無窮大避免緩沖區(qū)溢出。
[0014]S. 2:信道為理想的信道，不會影響幀傳輸。
[0015]S. 3:無線信道是系統(tǒng)鏈路的瓶頸。
[0016]S. 4:只考慮長時間的TCP鏈接，也就是有無窮的數(shù)據(jù)需要發(fā)送。
[0017]S. 5:在接收點的應(yīng)用程序從socket接收緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)的速率為它從網(wǎng)絡(luò)接收到 的速率。
[0018]S. 6:不考慮ACK延遲。
[0019] 附圖2由附圖1得到，為基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的等效網(wǎng)絡(luò)，假定Su表示站點的UDP 流，有#個UDP上行流。A了個TCP上行流和TVf個下行流。TCP流為持續(xù)不間斷且UDP流 是一個有限的負(fù)載，當(dāng)進(jìn)行TCP和UDP建模時，可忽略用于雙向傳輸復(fù)雜的基于反饋的流控 制算法，這樣TCP站點可以模擬為一小部分的單向傳輸源。對個TCP下行流而言，實際 的AP產(chǎn)生TCP數(shù)據(jù)。對iVf個TCP上行流而言，AP產(chǎn)生TCPACK，因此在等效網(wǎng)絡(luò)中，AP是 飽和的，那么它傳輸時的包負(fù)載的概率分布函數(shù)為：
[0021] 其中，AP的有效負(fù)載包大小不超過Ibytes，TCP段的大小固定為1T，ACK不占用 有效負(fù)載。
[0022] 假設(shè)小為飽和無線站點，也就是P(0<纊），仿真實際TCP站點產(chǎn)生的總的TCP 吞吐量。考慮到這些等效站點為個TCP下行流產(chǎn)生TCPACK，并且對iVf個TCP上行 流產(chǎn)生TCP數(shù)據(jù)，那么通用的^「站點包負(fù)載分布概率可以計算為：
[0024]令Yudp (t)為在t時刻存儲在所有#站點傳輸隊列里面總的UDP數(shù)目，t和t+1作 為兩個連續(xù)退避時隙的開始時刻。在穩(wěn)定條件下的虛擬時間結(jié)束后Su個站點傳輸隊列有h 個UDP數(shù)據(jù)報文的概率為：
[0026]其中，hu=Nu ?Wu ?，Wu表示操作系統(tǒng)分配給UDP套接字緩沖區(qū)的大小。
[0027] 假設(shè)套接字緩沖區(qū)是有限的，因此在發(fā)送方緩沖區(qū)溢出造成的數(shù)據(jù)報文丟失依賴 于UDP和當(dāng)前網(wǎng)路競爭。為簡便起見，采用短符號Yh表示系統(tǒng)狀態(tài){Yudp(t) =h}，E[R]h(也 可以寫作E[R(h)])表示狀態(tài)應(yīng)的隨機變量R的期望。
[0028] 為了減少模型的復(fù)雜性，采用近似方法，比如說，對每次傳輸嘗試，不管有幾次重 傳，站點傳輸概率始終為pk，k是網(wǎng)絡(luò)中積壓的站點數(shù)目。為了計算在狀態(tài)Yh的積壓站點 數(shù)，假定UDP數(shù)據(jù)存儲在#站點的傳輸緩沖區(qū)里面，并且均勻分布在Su個站點的輸出隊列 里面。又令C表示在Yudp(t) =h狀態(tài)時，積壓的#站點數(shù)目，并且$kh是狀態(tài)Yh時的積 壓節(jié)點的數(shù)目。鑒于先前的考慮，有：
[0029]fi'l=m\n(h,Nl ) (4)
[0030] 因此，在YhW，總的活躍站點的數(shù)目有個活躍UDP站點，一個飽和六？和小個等 效飽和TCP站點。那么：
[0031] .%.= ?:+.1+夢 /?￡(0，/廣）（5)
[0032] 為了簡便，忽略在參數(shù)k里面的下標(biāo)h。
[0033] 事實上，實際的包到達(dá)過程是一個連續(xù)時間過程，一個新的UDP包到達(dá)是隨機的。 簡單來說，假設(shè)隊列僅僅在時隙的末尾結(jié)束時發(fā)生變化，但是在這個時隙內(nèi)，^是一個常 數(shù)。而到達(dá)過程離散化只是一個近似，它存在一點誤差，但可提供精確的結(jié)果。
[0034] 根據(jù)先前的觀察，可以把{Yudp(t)}的隨機過程看作是離散的馬爾科夫鏈，如附圖 3所示。注意，這是一個有限的馬爾科夫鏈，因為#站點的輸出隊列不能存儲超過hu個UDP 數(shù)據(jù)包。設(shè)Y11^是PHYudp(t+l) =il|Yudp(t) =i0}的縮寫，為了計算傳輸概率，需要引 入一些輔助的概率。首先，必須定義如何計算UDP負(fù)載。關(guān)鍵的假設(shè)是，定義函數(shù)?(i，T) 表示在一個一般時間間隔T內(nèi)到達(dá)#個站點傳輸隊列里面的數(shù)據(jù)包個數(shù)有i個。為了獲 得這個封閉的的傳輸概率，需考慮在Yh的狀態(tài)下不同的虛擬時隙的類型。一般地，一 個虛擬時隙可以是：
[0035] ①一個空閑時隙
[0036] 概率Pr{Idle}h= (1-pk)k。在一個空閑時隙，i個新的UDP數(shù)據(jù)到達(dá)#站點傳輸 隊列的概率是? (i，SLOT)，SLOT表示時隙長度。
[0037] ②一個成功的傳輸
[0038] 虛擬時隙包含一個成功的傳輸概率是Pr{SuCC}h=kpk(l_pk)k。另外，我們還可 以區(qū)別三種不同類型的成功傳輸，DAP以概率PHSuccaISuccU^lf，它的平均持續(xù)時間是 可g]A; 2) -個#站點以概率PHSuccuISucc}h進(jìn)行傳輸，