基于多层协议联合的Ad hoc网络拥塞控制方案
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于多层协议联合的Ad hoc网络拥塞控制方案范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要:本文针对Ad hoc网络中影响TCP性能的主要因素,给出TCP/IP协议栈各层联合拥塞控制的改进方案,包括MAC层、网络层和传输层的解决方案,实验表明,这些方案能进一步提高ad hoc网络的吞吐量和信道接入的公平性。
关键词:Ad hoc网络 联合设计 拥塞控制
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0025-02
在传统TCP拥塞控制方案中,其数据包的丢失主要是由于网络拥塞引起的,从而启动了相应的拥塞控制机制,包括“慢启动”、“拥塞避免”、“快重传/快恢复”策略。然而,在Ad hoc网络中,除网络拥塞外,数据包丢失很大程度是由于链路中断、路由失败等因素造成的,若再用传统的TCP拥塞控制策略,会使TCP性能急剧下降,因此要对传统TCP拥塞控制方案进行改进。
1 Ad hoc网络与有线IP网络的区别
Ad Hoc网络是一个多跳的临时性的自组织系统,它由一组带有无线收发装置的移动节点组成,不需要有线基础设备的支持,通过移动主机自由组网来实现通信,与IP有线网络相比,具有以下一些特点,见表1所示。
2 Ad hoc网络协议栈各层的拥塞控制改进方案
2.1 数据链路MAC层的改进方案
(1)信道接入的不公平性。
在Ad hoc网络协议栈中,MAC层主要解决的问题是对于竞争的信道如何分配其使用权。IEEE802.11DCF是Ad Hoc网络的MAC层事实标准,其采用了RTS/CTS机制[1]来减少多个节点同时发送数据可能造成的冲突,这对单跳无线网络是适用的,但在RTS/CTS机制中,当节点不能成功发送数据包时,所采用的二进制指数退避算法,将从[0,2i×CWmin-1]之间随机选择一个值作为重发数据包的竞争窗口(其中i为重传的次数),这将为竞争失败的节点引入一个较大竞争窗口,使之处于不利的地位,从而导致了不公平性。另外,在无线多跳的Ad hoc网络中,RTS/CTS机制中存在隐藏节点和暴露节点的问题,这将使得某些节点长期占用无线信道,进而引发TCP的不稳定性和不公平性。
(2)MAC层的解决方案。
针对IEEE802.11DCF的这种不公平性问题,文献[2]利用链路拥塞价格来提高其公平性。具体方法是:当拥塞价格的门限值小于等于节点的下行链路的拥塞价格时,将在[0,α×CWmin-1](其中α≤1)之间进行随机延迟,为竞争失败的节点引入较小的随机时延,使之处于竞争的有利地位,从而增大信道的接入概率,缓解信道接入的不公平性。
在NS2仿真实验中,其公平性指数定义为:(其中是第i个信息流的吞吐量,n是信息流总数)。越接近于1,则信息流之间的公平性越高。表2给出几种TCP拥塞控制方案在公平性上的对比分析(其中TCP-Reno是传统的TCP拥塞控制方案,ATCP是添加中间层的网络内部反馈方案)。
表2表明:MAC层改进方案比TCP-Reno和ATCP都能达到更好的公平性,因此能得到更高的公平性指数。
2.2 网络层的改进方案
(1)节点移动与不稳定路由。
Ad Hoc网络中因拓扑结构的变化和无线信道的不稳定性,导致频繁的路由失效。路由失效会使中间节点丢弃数据包。另外,路由失效会使网络层的路由算法重新计算新的路由,所用时间比TCP协议中的RTO要长,使发送端进入慢启动过程。即使在RTO超时前路由得到了恢复,发送端也只能通过RTO超时才能启动重传机制。因此,在Ad Hoc网络中,节点的频繁移动,将使TCP的性能下降。
(2)基于网络内部反馈机制的改进方案。
该方案是网络层执行检测机制,当异常情况发生时,网络层便向TCP提供反馈信息,以便其进行相应的处理。典型的基于网络层的反馈方案有:RFN、ELFN和ATCP[3]。
在RFN和ELFN这2种反馈机制中,当某节点向TCP发送端提供链路失效或路由失败消息时,若发送端收到此消息,即刻进入了等待状态并冻结RTO和CW。在RFN方案中,当收到中间节点发来的路由重建通知RRF,发送端才重新恢复到正常状态。在ELFN方案中,发送端主动、周期性地发出探测分组以确定是否有新的路由,一旦检测到有新路由产生,发送端立刻退出等待模式,恢复发送功能,重新启用冻结的变量。
在ATCP方案中,在传输层与网络层之间添加一个子层ATCP层,该方案依靠中间节点反馈的ICMP报文和ECN报文来获取网络状态信息,并根据不同的状态(网络拥塞、信道误码、链路失效等),采取相应的措施。上述3种方案都能使发送端有效的避免不必要的拥塞控制,从而改善了TCP的性能。
2.3 传输层的改进方案
(1)TCP的慢启动和AIMD。
TCP的“慢启动”用于探测网络的带宽,使用指数增长方式;“拥塞避免”试图避免拥塞发生,使用和式增加积式减小(AIMD)方式;上述机制仅适用具有较大带宽延迟乘积的有线网络,但对Ad Hoc网络来说,带宽延迟乘积相对较小,过快的窗口增加将导致网络过载、数据包丢包和路由重建等,所有这些都会使网络资源利用率降低。
(2)“端到端”的改进方案。
“端到端”的改进策略不需要中间节点的支持,保证TCP协议端到端的语义并且易于实现。它通过在发送端和接收端两端检验参数来获取网络的状态信息。典型的端到端改进方案有TCP-DOOR和MMJI。其中MMJI方案依靠对4个参数(IDD、STT、PLR、POR)的联合检验[4],能够详细的区分网络状态,提高判别网络的准确性。NS2仿真实验表明,MMJI改进方案比传统的TCP-Reno吞吐量提高1～8倍。
2.4 改进方案的性能分析和比较
3 结语
本文给出TCP协议栈各层协议联合的拥塞控制改进方案,对各层协议进行优化设计,提高Ad Hoc网络TCP的性能。综上所述,用信令来传输跨层信息,实现跨层协作的内部反馈机制是未来重点研究的方向。
参考文献
[1] 杨欢,江虹,陈容.Ad-hoc网络中TCP性能分析及改进研究[J].微电子学与计算机,2007,24(9):45-48.
[2] 徐伟强,汪亚明,俞成海,等.移动Ad Hoc网络的跨层优化拥塞控制[J].软件学报,2010,21(7):1667-1678.
[3] Liu J,Singh S.ATCP:TCP for mobile Ad hoc networks [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2001,19(7):1300-1315.
[4] Zheng Hf,Greenstein B,Meng Xq .Design ang Inplem entation of a TCP-Friendly Transport Protocol for Ad Hoc Wireless Networks[Z].icnp’02,2002.