浅析下一代基于IP集成的无线多接入系统中的热点问题

图4：传统的TCP/IP协议栈所面临的问题

本节将深入解析在无线多接入环境中，传统的TCP/IP协议栈面临的新问题和挑战。

传统的TCP/IP协议栈为固定网络环境设计，默认仅支持一个网络接入能力。而无线多接入环境具有两个突出特征：一个是异种接入间的移动性支持特征；另外一个是终端具备多接入能力的特征。这两个特征对传统的TCP/IP协议栈提出了新的要求和挑战，如图4所示。一方面，这两个特征的引入对多个协议层次的功能提出了新的要求，同时，新的需求可能要求引入新的协议层次；另一方面，这两个特征也对传统TCP/IP严格分层的协议模型提出了前所未有的挑战。目前可见的研究主要集中在无线网络环境中对TCP/IP协议性能的研究[12] [13]，也有很少的研究开始讨论异构网络环境中的TCP协议性能问题[14]。对无线多接入环境中TCP/IP协议栈的适配性研究尚未深入展开。

2.2.1、现有协议功能所面临的问题

1、对网络层功能升级的需求

网络层面临的问题包括两方面：多接口数据并发传输的问题和网络层移动性支持的问题。

首先，在终端侧多个接入模块同时可用时，现有的网络层机制通常只能通过默认的路由端口进行数据包的发送。该问题存在的根源在于目前IP层"目的地寻址"的原则。目前终端和网络使用同样的目的地寻址机制，当多模移动终端发送某个IP层数据包时，首先会根据该数据包中的目的地址查询本地的路由表，在没有特意添加路由表项的前提下查询的结果通常是终端配置的默认路由所对应的网络端口。在这种情况下，即使有多个同时可用的无线接入模块，每次查询路由表的结果仍然得到唯一的查询结果，即当前默认的路由对应的网络端口。此时即使有多个可用的网络接入能力，但是也仅有一个默认路由的端口被使用，上行链路的传输能力不能得到充分的利用。也就是说目前的终端路由机制不支持多接口并发的进行数据传输；

其次，网络层的移动性管理协议Mobile IP性能存在很大的问题，并需针对多接入切换场景的不同进行必要的扩展和修订。

2、传输层的新问题

传输层中的TCP协议是面向连接的，具备高层流控机制的传输层协议，因此在多接入系统中动态变化的无线网络特征，多接入能力，以及网络层移动性等新特征，使得传统的TCP层面临更多的新问题：

•无线传输环境对TCP协议产生的影响

由于TCP是专门为有线网络设计的面向连接的协议，其流量控制机制将无线链路上的丢包现象当作网络拥塞，从而削减TCP数据发送的流量，这种现象严重影响了TCP协议在无线网络应用时的性能。目前，对无线TCP性能的改进也是研究领域的热点问题，被普遍关注。

•网络层切换给TCP协议带来的问题

Mobile IP机制虽然向高层协议屏蔽了网络层切换的动作，但是很难消除由于切换带来的影响。网络层切换过程中数据包丢失和失序现象，同样严重影响TCP层的工作效率。在网络层垂直切换中，由于新接入链路与老链路数据传输性能不同，需要TCP根据快速探测新链路的带宽和时延，进行参数的重配置。但是，目前协议层划分遵循严格分层的原则，因此网络层切换的事件和底层接入链路的转化对TCP层来说都是不可见的，因而，基于现有的协议模型很难解决这些问题。

•无线多接入能力给TCP协议带来的问题

更复杂的TCP性能问题由多接入协同传输机制引起。当利用多个无线链路进行数据优化传输时，例如：利用多接入能力同时传输同一个TCP连接中的数据流时，TCP层的数据流量不会出现增长，反而是介于多链路中最大传输速率和最小传输速率之间的一个值。我们称该现象为TCP层多路径传输中的"短板现象"。

•上下层地址绑定管理的问题

由于引入多接入能力协同操作机制，TCP层的连接可能会被动态地映射为不同的底层无线传输路径，进而对应不同的网络层地址，因此对TCP层的连接管理、传输层连接和网路层地址绑定等问题同样需要关注并在相关模块中实现。这也是前面所提到地址管理问题。

TCP面临的这些问题，很难依靠现有的协议机制实现。要想解决这些问题，TCP层需要了解引起自身问题的原因，并区别加以处理。但是目前严格分层的协议模型很难提供这样的层间消息互通机制。

3、会话层所面临的问题

会话层移动性管理目前面临的性能问题类似于Mobile IP协议。同时也包括对多模接入能力的适配问题。

4、引入新的协议功能"虚拟统一驱动层VGD"

通过对上述诸多问题讨论，从协议栈整体考虑，建议采用新的协议层功能"虚拟统一驱动层"－VGD。之所以提出这个功能层，需求主要来自于两个方面。一是需要添加多接口管理机制：该机制需要密切的检测底层多无线接入能力的性能和状态，并对底层接入模块进行必要的控制。这就需要定义一个统一的接口层，面向高层协议提供标准化的信息接口和控制接口，从而屏蔽底层接入的差异；二是在利用多个无线接入能力进行并行传输时，需要一个统一的数据接口和调度模块，而这些功能在IP层和底层接口之间实现最为合理。

2.2.2、对传统的协议模型的影响

相对于传统的TCP/IP协议栈，图5给出了未来无线通信系统协议栈发展的一个预测，中间的IPv6/MIPv6模块由IPv4演化而来，并支持终端的移动性功能。采用MIPv6协议，终端可以移动到新的异种接入网络。协议栈的中心是IP层和VGD层。对于高层而言，IP层屏蔽了支持移动性功能的操作细节，这样在移动条件下，上层仍然可以透明传输。VGD则向IP层屏蔽了底层多接入技术的差异，为高层提供了底层数据传输和信息提供的统一接口。

但是纯粹的屏蔽网络层切换动作，并不能消除切换所造成的影响。因此，更好的方法是Mobile IP层将切换事件通知上层，以便上层协议可以更好的处理对这些事件的影响。如TCP层存在的部分问题，就可以通过引入该机制来解决。这与协议栈严格分层的原则有所违背。