（信号与信息处理专业论文）间断连接无线互联网拥塞控制策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 间断连接无线互联网络作为一种新型无线网络，它覆盖在各种区域网络( 包 括i n t e m e t ) 之上，为多个区域网络提供协同操作，该网络在未来具有很好的应用 前景，如星际网络、车载网络、偏远地区、动物研究等领域。目前对于它的许多 相关研究仍处于探索阶段，如链路特性分析、路由设计、能源管理、数据传输安 全性和可靠性等问题。本文是对传输控制中的拥塞控制进行研究。 本文首先对间断连接无线互联网络的概念、体系结构、特点、关键技术及应 用领域等作简要介绍，并对间断连接无线互联网络的拥塞问题以及相关拥塞控制 策略进行分析研究。其次，在对间断连接无线互联网络中基于传染的拥塞控制方 法的深入分析基础上，在缓存资源有限的情况下，本文提出了三种基于局部历史 信息的拥塞控制方法：d c h ( d r o p c o p i e s a 舵r - u p d a t e h o p ) 策略、d c h a ( d r o p c o p i e s a l t e r - u p d a t e h o p a n d a c k n o w l e d g e m e n t ) 策略和d c m h a ( d r o p c o p i e s a f t e r - m u l t i u p d a t e h o p a n d a c k n o w l e d g e m e n t ) 策略。这三种策略 均采用最直接的基于缓存队列长度的拥塞检测方法，并把数据包的局部历史信息 作为拥塞避免操作的判断依据。发生拥塞时，d c h 策略首先获取通信对方节点的 信息，更新当前节点和通信对端节点中共有数据包的信息，最大程度且公平的利 用整个网络节点中的缓存资源，然后在当前节点处丢弃该节点缓存资源中占用资 源最久的数据包，即转发跳数最大的数据包；d c h a 策略除了进行d c h 策略相 同的操作外，当前节点还需要首先删除当前节点缓存中已知的已经到达目的节点 的数据包，达到最大利用资源的目的；d c m h a 策略是最小化发送时间的一种策 略，如果当前节点同时“遇到 多个节点，则当前节点除了进行d c h a 更新的操 作以外，需要把当前节点缓存中的每个数据包同时向多个节点发送。如果当前节 点只“遇到”一个节点，该策略的操作跟d c h a 策略的操作一样，所以节点越密 集，则d c m h a 策略的性能越优越。 最后，本文选用n s 2 仿真平台对提出的d c h 、d c h a 和d c m i - i a 三种策略 进行仿真，并对网络交付率、端到端平均时延、平均转发跳数、死亡数据包个数 四个性能参数进行统计分析，并与现有拥塞控制策略进行比较。仿真结果表明本 文提出的三种拥塞控制方法能很好的提高网络交付率，降低端到端的平均时延， 降低平均转发跳数和减少死亡数据包个数。 关键词：间断连接无线互联网，拥塞控制，传染路由，d c h 策略，d c h a 策略， d c m h a 策略 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e r m i t t e n t l yc o n n e c t e dw i r e l e s sn e t w o r k s ( i c w n ) i sak i n do fc h a l l e n g e d n e t w o r k sa n dc o v e r sa l lk i n d so fr e g i o n a ln e t w o r k si n c l u d i n gi n t e m e t ，p r o v i d i n g c o o p e r a t i v eo p e r a t i o nf o rt h o s er e g i o n a ln e t w o r k s o b v i o u s l y , i c w nh a sab r i g h tf u t u r e a n dh a sb e e nu s e di ni n t e r - p l a n e t a r yn e t w o r k ，v e h i c l en e t w o r k ，r e m o t ea r e a s ，a n i m a l r e s e a r c ha n ds oo n a tp r e s e n tr e s e a r c h e so ni c w ns u c ha sl i n kc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ， r o u t i n gp r o t o c o l s ，e n e r g ym a n a g e m e n t s ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o na r es t i l l i na nb e i n ge x p l o r e ds t a g e t h i sp a p e rc o m m i t st ot h er e s e a r c ho nc o n g e s t i o nc o n t r o l s t r a t e g yo fl c w n f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e t h e c o n c e p t ，c o n f i g u r a t i o n , c h a r a c t e r i s t i c s ，k e y t e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o nf i e l d so fi c w n ，t h ep r o b l e mo fc o n g e s t i o na n dr e l a t e d c o n t r o ls t r a t e g i e sh a v ea l s ob e e na n a l y z e d s e c o n d l y , t h r e ec o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s o fi c w nb a s e do nl o c a lh i s t o r yi n f o r m a t i o nh a v eb e e np r o p o s e d ，w h i c ha r ec a l l e d d r o p - c o p i e s - a f t e r - u p d a t e h o p ( d c h ) 、d r o p c o p i e s a r e r - u p d a t e - h o p a n d a c k n o w l e d g e m e n t ( d c h a ) a n dd r o p - c o p i e s - a f t e r - m u l t i - u p d a t e h o p a n d - a c k n o w l e d g e m e n t ( d c m h a ) ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e so fe p i d e m i cr o u t i n ga n d t h er e s o u r c eo fb u f f e ri sc o n s t r a i n e d t h ec o n g e s t i o nc h e c ks t r a t e g yw h i c hi su s e di n t h e s et h r e es t r a t e g i e si sb a s e do nq u e u el e n g t h ，a n dt h eo p e r a t i o no fc o n g e s t i o nc o n t r o l l i e so nt h el o c a lh i s t o r yi n f o r m a t i o n 。f o rs t r a t e g yd c h ，w h e nc o n g e s t i o nh a p p e n s ，t h e c u r r e n tn o d eo b t a i n st h ei n f o r m a t i o no ft h ec o r r e s p o n d e n tn o d ea n du p d a t e st h ep a c k e t s f o r w a r d i n gh o po ft h ec o m m o np a c k e t sw i t hc o r r e s p o n d e n tn o d e t h e nc u r r e n tn o d e d e l e t e st h ep a c k e tw h o s es t o r a g et i m ei sb i g g e s t i ta i m st ot a k ef u l la n df a i ra d v a n t a g e o ft h er e s o u r c eo fi c w n f o rs t r a t e g yd c h a ，t h ec u r r e n tn o d eb e s i d e sc a r r i e so nt h e s a m eo p e r a t i o na sd c hs t r a t e g y , b e s i d e s ，i tn e e dd e l e t et h ep a c k e tw h i c hh a sb e e n a r r i v e da td e s t i n a t i o nn o d e d c m h ai sal 【i n do fs t r a t e g yw h i c hc a nm i n i m i z et h e t r a n s m i s s i o nt i m e w h e nt h ec u r r e n tn o d ee n c o u n t e r san o d eo n l y , i tc a r r i e so nt h es a m e o p e r a t i o nw i t l ls t r a t e g yd c h a t ot h ec o n t r a r y , w h e nt h ec u r r e n tn o d ee n c o u n t e r s s e v e r a ln o d e sa tt h es a m et i m e ，i ts h o u l ds e n da l lp a c k e t si nt h eb u f f e rt ot h eo t h e rn o d e a tt h es a m et i m e o b v i o u s l y , t h em o r en o d e st h e r ea r e ，t h em o r es u p e r i o ro ft h e p e r f o r m a n c eo fs t r a t e g yd c m h a i s f i n a l l y , w ea n a l y z ea n ds i m u l a t ea b o u td c h 、d c h aa n dd c m h au s i n gn s - 2 f o u rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha st h en e t w o r k sp a c k e td e l i v e r yr a t i o ，a v e r a g e i i 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t e n d t o e n dd e l a y , a v e r a g ef o r w a r d i n gh o p sa n dd e a dp a c k e tn l l l i l b e r sa l ec a l c u l a t e d ， a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h a ti nt h ec u r r e n tc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dt h r e es t r a t e g i e sc a ni m p r o v ep a c k e td e l i v e r y r a t i o ，r e d u c ea v e r a g ee n d t o e n dd e l a y 、a v e r a g ef o r w a r d i n gh o p sa n dd e a dp a c k e t s n u m b e r s k e y w o r d s ：i n t e r m i t t e n t l yc o n n e c t e dw i r e l e s sn e t w o r k s ( i c w n ) ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ， e p i d e m i cr o u t i n g ，d c hs t r a t e g y , d c h as t r a t e g y , d c m h as t r a t e g y h i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着无线网络技术的飞速发展，人们对通信的要求倾向于多元化。近年来， 越来越多的移动通信技术纷纷出现，如蜂窝移动通信系统、无线局域网( 、礼肌) 、 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、家庭无线网( h o m e r f ) ，无线传感器网络1 2 l ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) ，无线m e s h 网络【3 】等商用技术，还有如，移动自组织网络f i j ( a d h o c ) ， 军事卫星通讯等军用技术。这些商用技术的出现极大的方便了人们的生活水平， 也极大的提高了军事能力。同时，这也极大的推动了无线通信技术的发展。 目前，业界和学术界已经在无线互联网络方面取得了许多丰硕的研究成果， 涉及到通信的各个层面，如网络体系结构、拓扑控制、路由协议、拥塞控制、跨 层设计等，但是，这些研究成果大部分都是基于一个基本的前提，即通信双方之 间存在或者可以建立可靠的端到端的路径。在有线互联n ( i n t e m e t ) q b 这一假设总 是成立的，但是在无线互联网中，由于受自然干扰和人为等因素的影响，节点间 的无线链路可能会中断，导致通信双方不一定存在可靠的端到端的链接，使得这 一假设并不总是成立。会出现无线网络链接的间断性。 为了更清楚的描述间断连接无线网络这个概念，我们引入“接触 这一概念。 所谓接触，指的是网络中两个节点间可以直接通信的机会。如果两个节点之间的 接触在时间上是连续的，即在任意时刻两个节点均可直接通信，我们称这两个节 点之间存在连续接触，或者称这两个通信链路是连续的：如果这两个节点之间的 接触在时间上离散的，我们称这两个节点之间的无线链路是间断的。我们将存在 间断无线链路的无线互联网称为间断连接无线互联网或无线间断连接互联网 ( i c w n ：i n t e r m i t t e n t l yc o n n e c t e dw i r e l e s sn e t w o r k s ) 。在有的文献中又被称为延 迟容忍网络( d t n ：d e l a yt o l e r a n tn e t w o r k s ) 。 间断连接无线互联网是一种新型的网络体系结构，它解决了当不存在端到端 连接或节点资源受限时，网络间互联的问题。自从2 0 0 2 年d t n r g ( d t nr e s e a r c h g r o u p ) 4 8 j 研究组成立后，间断连接无线互联网的研究进展迅速。这些研究为环境 监测网络1 9 】、军事战场网络、星际网络( i p n ：i n t e r - p l a n e t a r yn e t w o r k ) m 】等领域的 信息交流提供有力的科学理论和技术支持，具有很高的应用价值 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 间断连接无线互联网络特点 由于间断连接无线互联网不同于现有的网络，它有自己的网络特征，按照如 下不同的标准描述间断连接无线互联网的特征【l l 】。 1 2 1 路径和链路特性 端到端高延迟和低数据率( h i g hd e l a y , l o wd a t ar a t e ) 端到端延迟表示在单向传输时每一跳的延迟总和。每一跳延迟是由通过每一 跳链路时的传输时间、处理时间和传播时间组成的，可能还要加上排队时间。对 i c w n 来说，带宽可能是比较小的，延迟可能是比较大的，而数据率在很大程度 上可能是不对称的。 长排队时延( l o n gq u e u i n gd e l a y ) 在统计复用分组网络的多跳路径中，与传输和传播延迟相比，排队延迟通常 占主导地位。排队时间很少超过1 秒( 通常会更少) ，并且如果下一跳不是即时可 达的就会丢弃分组。相反，在断开很普遍的i c w n 中，排队时间可能是相当大的 ( 几小时，可能几天) 。这就表明，数据可能必须被存储在路由节点相当长的时间， 并且下一跳的选择可能作废( r e v o k e d ) 。 网络断开( n e t w o r ki n t e r m i t t e n t l yc o n n e c t e d ) 在i c w n 中，端到端断开可能比端到端连接更普遍。一般说来，断开可能是 由于错误或其它原因造成的。由于错误而断开在传统网络中已有很多研究，这里 就不再考虑。非错误( n o n f a u l t y ) 断开频繁地出现在无线环境中，主要是由于移 动和低占空比( 1 0 w d u t y - c y c l e ) 系统操作引起的。 1 2 2 网络体系结构 安全性( s e c u r i t y ) 链路能量是一个宝贵资源，数据转发应当被认证、接入控制等机制保护。如 果采用综合业务的话，也应当实现接入控制乃至服务分类( c o s ：c l a s so f s e r v i c e ) 。 对链路资源十分宝贵的i c w n 来说，端到端的安全策略不具有吸引力的两个主要 原因是：第一，端到端方式般要求一些端到端的密钥交换，而在许多i c w n 中 这是不可能的；第二，在认证和接入控制执行前传输一些业务流到它的目的地是 不合要求的。 互操作性考虑( i n t e r o p e r a b i l i t yc o n s i d e r a t i o n s ) 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在大多数无线网络中，网络体系结构主要是由链路和媒体接入控制协议组成 的，基本没有考虑互操作性问题。因为大多数情况下，链路上几乎很少有i c w n 中的通信，且在互联中使用这样的链路还没有成为一个主要需求。因此，这些网 络相对简单、应用范围较小、且不能像i n t e r a c t 协议那样提供基本的分层和抽象 功能。 不考虑互操作性，i c w n 中的设计可能采用特殊的应用格式、资源受限的节 点地址和命名能力、数据分组大小限制等等。他们在可靠执行、拥塞控制和安全 等方面也可能没有进行考虑。网络设计必须能够在最小程度上保证下层协议能力 和可扩展性。 1 2 3 端系统特性 有限的寿命( l i m i t e dl o n g e v i t y ) 在一些i c w n 中，端节点可能被放置在敌对环境或恶劣环境中。在这种情况 下，由于环境恶劣或能量消耗，设计者可能并不期望网络节点有较长寿命。如果 这样的网络长期断开，那么一个特殊数据传输的往返时间或单向时间都可能超过 发送节点的寿命。 低占空比操作( l o wd u t yc y c l eo p e r a t i o n ) 当节点被放置在没有供电系统的区域时，它们通常使用电池( 也可能使用太 阳能充电) 。即使可以充电，这些系统通常也通过限制他们的占空比去努力节约能 量。在一些情况下( 例如电池供电的传感器) ，为了实现整个网络的长寿命，占空 比维持在1 。这样的设备定期收集数据，并以一定的速率( 通常很小) 进行数 据汇报。 有限的资源( l i m i t e dr e s o u r c e s ) 在i c w n 中大多使用了有限存储和处理能力的节点。例如，一个存储能力有 限的传感器被禁止收集更多的数据，因为它的存储被正在传输中的数据全部使用。 除此之外，端节点还需要至少保持r 1 盯( r o u n dt r i pt i m e ) 时间的重传缓存。在 这期间，节点执行能量降级模式操作，这使得系统设计非常复杂，特别是在收到 其它异步信息或监测到一些突发事件发生时尤其严重。 1 3 间断连接无线互联网的实例 为了更加生动描述间断连接无线互联网的特性，我们列举如下示例予以描述 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 一 间断连接 图1 1 间断连接无线互联网不例 间断连接无线互联网的一个示例如图1 1 所示。整个通信网络由笔记本电脑、 p d a 、基站、移动通信车、通信卫星组成。笔记本电脑1 和p d a i 可以跟基站1 建立连续连接无线链路，笔记本电脑2 和p d a 2 跟基站2 之间建立连续连接无线 链路，通信卫星跟基站2 之间也可以建立连续连接的无线链路。但是基站1 和移 动通信车之间，由于移动通信车的移动性，使得移动通信车的的无线电信号不能 在同一时间同时覆盖基站1 和通信卫星，这就造成了基站1 和移动通信车之间、 移动通信车和通信卫星之间只存在间断连接无线链路。当移动通信车靠近基站1 ， 两者之间能通信，同时，移动通信车和通信卫星之间就不能通信。相反，基站1 和移动通信车之间无线链路是断开的，移动通信车和通信卫星之间存在无线链路。 从图1 1 可以明显看出，基站1 和移动通信车之间、移动通信车和通信卫星之 间的无线链路是间断的，笔记本1 、p d a l 和笔记本2 、p d a 2 之间并不存在端到 端的路径。这就不同于传统的基于“通信双方之间存在端到端的路径”传统互联 网。换言之，在间断连接无线互联网中，传统的有线和无线网络的通信协议体系 根本无法工作。比如路由协议，由于目前经典的路由协议都是以建立端到端的通 信路径为目的，在间断连接无线互联中端到端的路径并不总是存在，因此，经典 的路由协议将因找不到端到端路径而无法工作。再比如传输层的经典协议：传输 控制协议( t c p ：t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，该协议是通过三次端到端的握 手机制实现的，由于间断连接无线互联网中端到端之间的间断性，该协议不能工 作在间断连接无线互联网中。在间断连接无线互联网中，除了不存在端到端的路 径外，其它如时延大、误码率高也给通信带来很大的影响。 1 4 间断连接无线互联网的关键技术 目前间断连接无线互联网成为当前通信领域研究的热点之一，很多关键技术 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 已经成为研究的热点，主要集中在路由、传输协议、安全、组播等方面。虽然这 些技术研究的时间较短，但是目前已经取得了丰硕的成果。下面分别予以介绍： 1 4 1 路由技术 在间断连接无线互联网中，通常节点缓存有限，甚至不存在持续可用的端到 端路径，这就限制了传统路由方式的使用。在s i g c o m m 2 0 0 4 年会中，s u s h a n t j a i n 等人首次提出了间断连接无线互联网中的路由问题1 1 2 1 。该文明确提出了间断连接 无线互联网路由问题的主要问题和表达形式。 间断连接无线互联网使用“先存储后转发 消息交换来解决由于间歇性连接、 长且可变延时、不对称数据速率和高误码率所带来的问题。这是一个古老的方法， 很久以前就在驿马快信制度和邮政网络1 1 3 】中使用。整个消息( 完整的应用编程的 用户数据块) 或者消息分片沿着最终将到达目的地的路径，从一个节点( 交换点) 上的存储位置转移( 转发) 到另一个节点上的存储位置。e p i d e m i c 1 4 】，它通过节 点问以随机交换的方式复制数据，直到节点有每一个数据的拷贝。在文献5 j 中， l i u 等人提出了几种协议来研究间断连接无线互联网中通信概率低、路径选择少 等因素而导致的路由性能差这一难题，并首次讨论了间断连接无线互联网的网络 模型。间断连接无线互联网中的延迟、可用资源、开始时间和连接间隔时间等参 数都是不确定的、随机的。j o n e s 等人也提出了一种实用的仅使用网络观测数据的 间断连接无线互联网路由协议i i6 1 。该论文设计了一个交付概率向量去评估一个消 息被传递到下一跳之前必须等待多长时间。文献【1 7 j 提出了一个概率路由协议 p r o p h e t ，它在路由过程中将节点接触历史信息引入到概率估计中。间断连接无 线互联网路由是一个富有挑战性的问题，它要求选择路径、调度传输、评估传递 性能和管理缓存等技术。 1 4 2 组播技术 组播技术在因特网和移动自组网中已有深入广泛的研究i l 副【1 9 1 ，组播技术指的 是向一组用户分发数据，要求网络可以有效的支持组通信。在间断连接中，由于 频繁的变化以及因此产生的较大延迟，在数据传输过程中，组成员的变化是很普 遍的事情，在这种情况下，很难确定组播数据包的接收者。因此间断连接无线互 联网中的组播技术是一个具有挑战性的难题。随机间断连接无线互联网组播不仅 要求新的组播定义，而且带来了路由设计的新问题。为了解决这个问题，w z h a o t 2 0 1 设计了四类采用不同路由策略的间断连接无线互联网组播路由协议，并且提出了 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在间断连接无线互联网中评价这些协议的构架。 组播作为间断连接无线互联网络中的重要支撑技术，已有一些研究者开始了 这方面的研究，并已得出了一些研究成果。s y m i n g t o n 等人提出了适用于间断连 接无线互联网络中的非保管( n o n c u s t o d i a l ( b e s t - e f f o r t ) ) 组播方案1 2 ，定义了 在问断连接无线互联网络中为了提供非保管捆绑组播传输的数据格式、要求和一 些限制。该文描述了如何使一个源节点使用捆绑协议【2 2 】以非保管的方式传递一个 捆绑包到多个目的节点，而不为每个目的节点独立发送一个捆绑包。捆绑协议的 目的是在这些特殊网络中提供协同性。在捆绑协议基础上，s y m i n g t o n 等人进行 了扩展来支持间断连接无线互联网络中保管组播捆绑递送1 2 引。这一扩展被用来支 持从单源到多个目的点的保管传递和基于保管的重传。 1 4 3 安全技术 间断连接无线互联网中的安全问题不同于现有网络的安全，有它自身的特殊 性。间断连接无线互联网络基础结构的保护和接入基础结构控制都是相当重要的。 间断连接无线互联网安全模型由四部分组成：用户、路由器、间断连接无线 互联网区域网关和证书认证。当一个间断连接无线互联网用户希望通过间断连接 无线互联网路由器发送数据时，它必须首先向路由器提供它的标记过的公共密钥 和标记过的信用。路由器核实签名并将公共密钥和信用存储在缓存中。一旦路由 器决定转发数据，它就产生一个用它自己私钥的新签名加在数据上进行传递。 文献【冽讨论了间断连接无线互联网中的一些强制约束，并提出了一种可扩展 的基础保护方案。该安全系统是基于公共密钥技术的，一个预期用户想要使用间 断连接无线互联网服务，就必须用证书注册它的公共密钥，并且收到一个被证书 认证标记的公共密钥拷贝和一个被证书认证标记的基本信用拷贝。基本信用批准 用户使用其中的一些间断连接无线互联网服务类，基本信用有一个期满时间。 大多数网络安全方法试图去认证用户的身份和信息的完整性，而不认证转发 数据的路由器。但在间断连接无线互联网中，转发节点( 路由器或网关) 也需要 被认证 z s l 。 1 4 4 传输技术 间断连接无线互联网体系结构提出了面向数据的存储转发覆盖层方法以处理 挑战网络中频繁网络断开、高延迟和异构性等问题。其中一个重要的建议是采用 保管传递( c u s t o d yt r a n s f e r ) 来加强端到端的可靠传递。保管传递协议是c e r f 等 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 人首次提出的 2 6 1 ，f a l l 等人在文献【2 7 】中做了进一步的工作，描述了保管传递的实 施和结构，并指出保管传递和数据库的不同。节点是否接收数据并进行保管取决 于该节点的当前资源、路由情况、数据的优先级、数据大小、剩余数据生存时间、 安全情况及本地策略限制等因素。在网络中传输的数据也可能被分段和重组。 在间断连接无线互联网中，如果出现网络拥塞，其主要解决方式是丢弃超时 数据和没有接收保管的数据，对已经接收保管的数据将它们转移到另一个保管代 理者( c u s t o d i a n ) 。实际上，保管传递的目的是将数据可靠传递的责任从一个节 点转移到另一个节点，始于源节点，终于目的点。在间断连接无线互联网协议头 字段中，数据( 或数据片段) 显示它们目前的保管代理者，而当数据从一个保管 代理者移动到另一个保管代理者时，该字段被更新。 1 5 间断连接无线互联网的发展趋势和应用前景 自2 0 0 2 年i r t f 成立了d t n r g i 蹦l ( d e l a yt o l e r a n tn e t w o r k i n gr e s e a r c hg r o u p ) 研究组以来，间断连接无线互联网方向的研究工作进展十分迅速。先是k e v i nf a l l 等人为间断连接无线互联网提出了明确的模型和体系结构，随后在间断连接无线 互联网的体系结构、安全和路由等方面的大量工作相继展开，并形成了一系列的 草案( d r a f t ) 。与此同时，间断连接无线互联网的应用前景也越来越清晰，在包括 移动a dh o e 网络、普适计算( u b i q u i t o u sc o m p m i n g ) 、生态环境监测网络 2 9 1 、灾 害恢复网纠3 0 j 和空间综合信息系统等方面都有相关应用，具有很强的现实意义。 这也从另一个方面推动间断连接无线互联网成为全球范围内的新兴研究热点，一 批国际顶级会议、期刊( 如s i g c o m m ，j s a c ) 相继推出间断连接无线互联网专 题讨论或特刊，越来越多的人认同以间断连接无线互联网的概念将一大批在传统 无线互联网模型下得不到很好支持的挑战性网络区分出来，并为此构建通用的体 系结构以推进该类网络应用的广泛开展。 随着间断连接无线互联网研究工作的深入，间断连接无线互联网实用化方面 也取得了很大的进展，已经有越来越多的实际应用从中受益。除了空间方面的i p n 和d a r p a 的军事应用之外，研究者还将间断连接无线互联网技术用于或尝试用 于诸如支持发展中国家乡村学校的网络接入、非洲斑马跟踪研究、爱尔兰湖泊水 质监测、北欧社区联网、澳大利亚生物入侵监控等形形色色的应用项目，可以说 间断连接无线互联网已经开始走入我们的现实生活。这些项目不仅迥异于传统无 线互联网，相互之间也是干差万别，将诸多不同的网络纳入统一的框架之下正是 间断连接无线互联网的魅力所在。这也使我们有理由相信，随着间断连接无线互 联网研究的进一步成熟，间断连接无线互联网的应用范围将会更加广泛，更多的 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 项目可以从中受益，间断连接无线互联网最终会与我们的生活密不可分。 1 6 本文的工作 本课题基于国家自然科学基金项目的支持，首先对间断链路无线互联网进行 了研究，详细领会了间断连接无线互联网的定义、主要特点及其应用范围。 本文首先对间断连接无线互联网络的概念、体系结构、特点、关键技术及应 用领域等作简要介绍，并对间断连接无线互联网络的拥塞问题以及相关拥塞控制 策略进行分析研究。其次，在对间断连接无线互联网络中基于传染的拥塞控制方 法的深入分析基础上，在缓存资源有限的情况下，本文提出了三种基于局部历史 信息的拥塞控制方法：d c h 、d c h a 和d c m h a 策略。这三种策略均采用最直接 的基于缓存队列长度的拥塞检测方法，并把数据包的局部历史信息作为拥塞避免 操作的判断依据。发生拥塞时，d c h 策略首先获取通信对方节点的信息，更新当 前节点和通信对端节点中共有数据包的信息，最大程度且公平的利用整个网络节 点中的缓存资源，然后在当前节点处丢弃该节点缓存资源中占用资源最久的数据 包，即转发跳数最大的数据包；d c h a 策略除了进行d c h 策略相同的操作外， 当前节点还需要首先删除当前节点缓存中已知的已经到达目的节点的数据包，达 到最大利用资源的目的；d c m h a 策略是最小化发送时间的一种策略，如果当前 节点同时“遇到”多个节点，则当前节点除了进行d c h a 更新的操作以外，需要 把当前节点缓存中的每个数据包同时向多个节点发送。如果当前节点只“遇到 一个节点，该策略的操作跟d c h a 策略的操作一样，所以节点越密集，则d c m h a 策略的性能越优越。 最后，本文选用n s 2 仿真平台对提出的d c h 、d c h a 和d c m h a 三种策略 进行仿真，并对网络交付率、端到端平均时延、平均转发跳数、死亡数据包个数 四个性能参数进行统计分析，并与现有拥塞控制策略进行比较。仿真表明本文提 出的三种拥塞控制方法能很好的提高网络交付率，降低端到端的平均时延，降低 平均转发跳数和减少死亡数据包个数。 1 7 论文章节安排 第一章，介绍了间断连接无线互联网的基本概念、特点和挑战性问题。并且 对当前间断连接无线互联网的关键技术和应用领域进行了探讨。 第二章，主要介绍了无线网络和间断连接无线互联网中拥塞控制，通过对这 些拥塞控制协议特点的分析，比较了它们各自的优缺点。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第三章，给出三种适用于间断连接无线互联网的拥塞控制策略。并予以详细 阐述。 第四章，对n s 2 仿真软件基本原理进行介绍，给出需要的仿真设置和衡量网 络性能的四个指标。 第五章，对d f 、d l 、d o 、d y 、d c h 、d c h a 和d c m h a 七种拥塞控制策 略的性能仿真、对比和分析。首先对比d f 、d l 、d o 、d y 四种策略，得出性能 较优的d f 和d o 两种策略，然后把d f 和d o 分别与d c h 、d c h a 和d c m h a 策略进行对比分析。 第六章，对本文工作进行总结，展望间断连接无线互联网的发展前景。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络及间断连接无线互联网塑窒丝剑婴窒 第二章无线网络及间断连接无线互联网拥塞控制研究 通信网络中的链路带宽、节点缓存和处理器等，都是网络的资源。在某段时 间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能 就要变坏。这种情况就叫网络拥塞( c o n g e s t i o n ) 。可以将出现资源拥塞的条件写成 如下的关系式： y 对资源的需求 可用资源 式( 2 1 ) 在通信网络中一般由以下三点因素1 3 l j 引起的： 缓存资源不足：当节点缓存的容量太小时，到达该节点的分组因无存储空间 暂存而不得不丢弃。 带宽不足：根据香农信息理论，任何信道都存在一个极限容量。当节点收到 的信息速率大于发送信道的容量时，在网络低速链路处会形成带宽瓶颈，当其满 足不了所有信源带宽要求时，网络就会发生拥塞。 节点处理能力弱、速度慢：节点处理的速率太慢可能引起网络的拥塞。当简 单的将节点的处理速率提高，可能会使拥塞状况缓解一些，但是往往又会将瓶颈 转移到其他地方。也不能实质的解决网络拥塞。 拥塞控制的实质是整个系统的各个部分不匹配。只有所有的部分都平衡了， 即缓存、带宽、节点处理能力等部分，问题才会得到解决。目前比较成熟的传输 控制有，适用于有线互联网( i n t e r n e t ) 的基于t c p 的拥塞控制，无线网络中的相 关拥塞控制，i c w n 中的经典拥塞控制。在下面分别予以分节介绍。 2 1t c p 拥塞控制 t c p 传输控制协议目前主要运用在有线互联网( i n t e m e t ) ，成为主要的传输 控制协议。该协议是面向连接的。通过调整发送窗口来实现端到端的流量控制。 t c p 拥塞控制机制是基于1 9 8 8 年j a c o b s o n 所设计的算法( 慢启动和拥塞避免) ，在 随后出现的t c p 版本中逐渐扩展并且完善了t c p 拥塞控制机制。如t c p t a h o e 、 t c pr e n o 等经典的t c p 拥塞控制协议，使得应用中的t c p 拥塞控制协议成为一 个系统性的机制。这样就形成了一个由慢启动、拥塞避免、快速重传及快速恢复 四种机制组成的一个整体【3 2 1 。目前，实际应用中的t c p 拥塞控制协议主要由以下 几个阶段组成： 慢启动阶段： 为了防止连接开始时发送端发送过量的数据包而导致网络发生拥塞，t c p 使 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络及间断连接无线互联网拥塞拉制研究 用慢启动算法来逐步探测网络的容量。当建立新的t c p 连接时，拥塞窗口( c w n d ： c o n g e s t i o nw i n d o w ) 初始化为一个数据包大小，这是因为如果一开始建立连接时 就赋予一个较大的窗口的话，发送端在从超时上认识到流量出现过量之前可能造 成网络流量的泛滥。发送端按c w n d 大小发送数据，每收到一个a c k 确认，c w n d 就增加一个数据包发送量。c w n d 的增长随r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 呈指数级增长， 直到到达s s t h r e s h ( 慢启动阈值) ，则进入拥塞避免阶段。慢启动机制能够通过逐步 的探测网络状态，以确保不会把过多的报文段发送到一个已经拥塞的环境里。 拥塞避免阶段 当网络负荷过重或者信道出错时，即当t c p 源发现超时或收到3 个相同的 a c k 确认帧时，则认为此时网络已发生拥塞现象( t c p 假定由于误码引起的丢包 和传输引起的数据包损坏概率很小) ，进入拥塞避免阶段。t c p 源立即将s s t h r e s h 设置为当前拥塞窗口的一半( 但不小于2 个包) 。如果检测到超时，拥塞窗口设置 为1 个数据包大小。如果t c p 重新进入慢启动阶段，t c p 就执行拥塞避免算法： c w n d 在每次收到一个a c k 时只增加1 个数据包大小，所以在拥塞避免阶段，c w n d 是呈线性增长。 快速重传和快速恢复阶段1 3 3 】 当t c p 源收到3 个相同的a c k 副本时，即断定有数据包丢失，发送端重传 丢失的数据包，而不必等待r t o ( r e t r a n s m i s s i o n e o u t ) 超时，发送端将s s t h r e s h 设置为当前c w n d 值的一半。这样避免了发生r t o 超时，c w n d 被设置为l 而重新 进入慢启动阶段，导致过大的减小发送窗口而降低t c p 连接的吞吐量。而快速恢 复算法则是基于“同一时刻在网络中传输中的数据包数量是守恒的 这一原则， 只有当“旧”的数据包离开网络后，才开始向网络中发送“新”的数据包。在快 速重传发现可能丢失数据包之后，t c p 执行快速恢复算法控制新数据的传送，直 到收到非重复的a c k 为止。 t c p 是目前最成熟，最经典的适用于有线互联网( i n t e m e t ) 中的拥塞控制协议。 关于的它的研究已经非常成熟和完善。本文主要是研究拥塞控制，从有线的计算 机网络开始的，本文只是简略的提到，并简单的分析了t c p 拥塞控制的基本原理。 2 2 无线网络中的拥塞控制 在上- d , 节中，我们简单的介绍了i n t e r n e t 网络中使用的t c p 拥塞控制机制。 在本小节，我们将进一步介绍在有线基础上改进的无线t c p 协议。由于在无线网 络环境下，无线链路的误码率高、传输时延及时延抖动的特性使得适用于有线互 联网的i n t e r n e t 中的t c p 拥塞控制不能很好的适用于无线网络中，主要表现在以 重庆邮电大学硕士论文第二章无线网络及间断连接无线互联网拥塞控制研究 下几个方面： t c p 的差错检测无法区分不同类型的数据丢失。t c p 根据重复应答或超时来 推断数据的丢失，并不认为数据的丢失是因网络的拥塞引起。显然，这种丢包检 测机制已不再适用于无线环境。由于无线网络中除了网络拥塞引起数据丢失外， 无线链路错误同样也会导致数据的丢失。 无线网络中小区切换或信道突发干扰常常引起多个相邻数据的丢失，t c p 通 过拥塞窗口线性增加来实现差错恢复，这明显对链路错误引起的突发数据丢失的 情况比较保守。 t c p 拥塞控制无法分别对待不同原因引起数据丢失的情形。这样，当数据的 丢失是链路错误所导致时，如果仍调用t c p 拥塞控制，会引起数据发送速率的不 必要降低，吞吐量下降，时延加大等。 针对t c p 在无线网络中存在上述的缺陷，研究者提出了大