Managing TCP Connections in Dynamic Spectrum Access Based Wireless LANs

2010年IEEE Secon的一篇文章。当然了，应该是之前就写好了，发表过，还是直接投到Secon了呢？直接投的吧，Secon不接受已发表过的吧。

本文的着笔点：有线网与DSAN（启用了DSA特性的WLAN）集成的情况下的TCP性能研究。就是DSAN网与传统网路通信时，其整体的TCP性能研究。场景就是“最后一英里”，典型的可以想象的是，家里的光纤到户，连一个BS，然后呢，所有的手机、PAD、Laptop等终端都通过BS上网。而这部分无线节点都启用了DSA特性，那这就是一个典型的本文要研究的一个场景。

有线——BS（负责有线网与DSAN的通信）——DSAN

好了。本文就是研究这种情形下，TCP的性能受到那些因素影响、并提出方案解决（DSASync）、再实验验证提出的方案就是好，这样一篇文章。

第一：TCP受那些影响呢。前一篇博文中提到过。这里只说，对无线网而言，主要是高误码率（high bit-error），当然已经研究的差不多了，所以不用担心。DSA中的TCP受哪些影响呢，时延和丢包（由DSA的基本操作引起的，如频谱嗅探、信道切换等等）

第二：文章重心在于提出的DSASync方案。其实就是链路层协议，利用缓存和流量控制（buffering、traffic-shipping）来给TCP做预处理。有两个模块，一个用于从DSA MAC/PHY协议收集参数、向上传递（DSASync_LL模块），一个接受参数，作分析决策（DSASync_TCP模块）；然后才向上层传递给传输层的TCP协议。

注：DSASync是部署在BS上的，DSAN内部节点并没有部署（但正如文章future work所提出的，在以后的工作中，会尝试给每个节点部署DSASync，做成分布式）

重点说作决策的模块DSASync_TCP，这是核心所在。它自身又可以分为三个模块。

1、DSASync_TCP_CH-SH，就是管理从有线到DSAN网路的下行流量。它的输入是从DSASync_LL模块传入的参数，做决策的算法有两个，一个是根据参数决定包是被缓存还是被加入到传输队列，考虑的因素包括剩余缓存的大小、是否处于静默期等等；另一个算法是判断是否发送rwin=0（tcp的receive window）给CH，这样就可以达到控制流量的目的。

（这里可以有代码）

2、DSASync_TCP_SH_CH，就是上行流量。它核心的工功能是：把上行的包，均匀分配，在静默期也可以保持向CH发包，而不至于中断或有较大延迟。因为在静默期，整个DSAN内部是不能发包的，这时，BS可以依旧利用本地缓存的包，继续向CH发包。这样保持了上行线路的平稳。不至于在静默期触发CH端TCP的重发机制而导致信道利用率降低。

3、DSASync_TCP_CAP，这个是拥塞控制，主要发生在信道切换时。这个时候，信道的容量（capacity）可能会发生大幅的下降，而这一点，TCP是无法处理的。（传统情形下，TCP不会遇到信道性能经常出现很大起伏的情况，因而在出现小的起伏时，TCP只须重传即可。并不会持续很久，且浪费信道利用率。但在DSAN中信道切换时，大的信道性能起伏就会出现，这一点TCP协议中并没有做处理）。而解决方案也很简单，正如DSASync设计的那样，在判断出新的信道性能不能满足需求时，模块会传递给sender 3个重复的ACK，这样就触发tcp的快重传机制，cwin降为一半，而不是直接降为1（如果BS不发送3个重复的ACK，而receiver又无法返回确认信息（因为信道性能大幅下降），则导致sender TCP的慢恢复，cwin直接降为1），这样其实就减弱了信道切换对TCP性能的影响。

（这里可以有代码）

注：DSASync_TCP_CH_SH其实只对下行流量做处理即可。因为在发生信道切换导致的信道性能降低时，处于DSAN的上行流量本身就直接受到影响了，因为不需要去单独“警告”或通知。就好像从一条大路连着一条泥泞小道。从大路开过来的车，你要通知他，前方是小路，要开慢点；而从小路开向大路的车，你不用管他，因为它自己就在小路上呃，根本就开不快。。。

第三：实验效果

先说下实现（implementation），本文作者是把DSASync做成了linux kernel的一个模块，利用了强化的（启用了DSA特性的）The MadWifi device driver。

然后是实验设备参数：

6个laptop（SHs）无线网卡是Atheros-based Linksys WPC 55AGwireless card.

另一个laptop（AP）充当BS，连接有线网和DSAN。

还有个laptop，充当PU（incumbent  transmitter），起干扰的角色。

Iperf产生TCP traffic，TCPdump用来观察记录。

PHY data-rate 24Mbps,AP buffer capacity 500M,

平均信道利用率20%（incumbent channel utilization）

SH的平均嗅探开销5%（sensing overhead）

初始的TCP send receive window 256KB

每个实验持续20s

其他。。。

性能度量：

1、主要的，应用层的throughput

2、从接受端观测到的端到端时延。

好了，现在是实验结果：

1.微观上（Microbenchmarks）四个

实际吞吐率和重发比率：

DSASync CH-SH有74%的显著提升。

端到端时延：

DSASync SH-CH有很明显的改善。

存在PU干扰情形下的吞吐率：

DSASync CH-SH有很好的表现。

PHY性能变化时的吞吐率：

DSASync CH-SH is good。

2、宏观上（Macrobenchmarks）：scalability

参数：6个终端，各开4个TCP连接，频谱共有4个信道

DSASync CH-SH 有明显优势。

注：从上面的结果我们看到，DSASync的优势主要体现在了CH-SH上吞吐量的提升、或在恶劣情形下依旧保持较好的性能。主要原因在于BS可以对CH-SH的流量做出调整，从而影响这个方向上的TCP性能。而从SH-CH，DSASync唯一做到的是在静默期依旧发包，这样在试验中端到端时延这一指标上，做出了明显改进（在这一指标上只有它显示了明显改进），SH-CH也仅在这一指标上显示了优势。其他三个指标上表现一般，因为部署在BS上的DSASync无法对DSAN内部的网络情况做任何改进，它只是在边界上起调节作用，因为更多的是起到了辅助CH的作用，故而在CH-SH上在三个指标上都有明显优势。（future work考虑在DSAN内部每个节点部署DSASync就是考虑到要提升SH-CH的性能，单靠BS是无法实现的，因为无法对DSAN内部网路做出改变。）

第四：future work

正如上面注释提到的，第一个future work就是做成分布式的DSASync，以期在SH-CH线路上做出明显改进。

第二个是横向拓展。对UDP进行优化（UDP、不可靠传输、主要用于多媒体传输）。